[發明專利]一種基于Dean Vortice效應的高效換熱設備

在審

• 申請號: 201910200328.0
• 申請日: 2019-03-16
• 公開（公告）號: CN109945688A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 呂文超;錢巍
• 申請（專利權）人: 南通文鼎換熱設備科技有限公司
• 主分類號: F28D7/02
• 分類號: F28D7/02;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于Dean Vortice效應的高效換熱設備。該高效換熱設備依次包括殼體、冷卻介質進口、冷卻介質出口、工藝介質出口、工藝介質進口和螺旋式換熱管等。流體介質在螺旋換熱管中流動時會形成具有對稱渦核分布的Dean Vortice，對于流體換熱具有重要影響。通過對Dean Vortice強度與換熱效率進行分析評價，選取最優換熱效率所對應的Dean Vortice強度指數，優化設計換熱管的結構參數，使得流體介質在管程中流動時在較小的阻力與沿程損失的條件下達到充分湍流狀態，有效降低管壁附近流動邊界層和溫度邊界層厚度，加強介質流動過程中的主動對流換熱過程，提高設備整體運行效率。同時，破壞管壁附近結垢與雜質沉積，保障設備高效、經濟、安全長周期運行。

技術領域

本發明涉及流體流動過程主動增強換熱技術領域，更具體地涉及一種基于DeanVortice二次流主動增強換熱效應的高效螺旋換熱設備，該換熱設備可廣泛應用于石油、化工、輕工、污水處理等領域中的流體換熱過程。

背景技術

換熱設備是進行熱交換的通用工藝單元，廣泛應用于化工、煉油、動力、輕工、冶金、核能、造船、航空、建筑等工業部門，其金屬消耗、動力消耗及建設投資在整個工程中占有相當大的份額。因此，換熱設備的運行性能和工作效率直接影響整個裝置甚至企業的安穩運行和經濟效益。隨著世界能源危機的日益加劇，資源匱乏和能源短缺給工業生產和經濟發展帶來了嚴峻挑戰。有效提高能源利用率，增強設備換熱效率成為各相關部門亟待解決的重要問題。

由傳熱速率方程Q＝K·A·ΔT可知，通過提高傳熱系數、增大換熱面積以及提高換熱溫差，可以有效提高換熱設備的運行效率。對于管殼式換熱設備，提高管程介質流速可消除流場中的湍流滯留區，增加流體擾動和混合效果，一定程度上提高設備的換熱效率。但單純的提高介質流速會導致流動阻力增加，設備能耗急劇升高。增大換熱面積是強化管殼式換熱設備性能的重要途徑之一，通過采用小管徑換熱管和擴展表面傳熱面來增大傳熱面積，但該方法往往導致設備體積、技術設施與投資等隨之增加，制約了其在場地固定的化工系統中的廣泛應用。增大平均傳熱溫差也是強化換熱設備換熱性能的一種有效方法，主要利用不同換熱面布置來改變平均傳熱溫差，或擴大冷、熱流體進出口溫差的方法增大平均傳熱溫差，但該方法在實施過程中通常受到生產過程及經濟條件等限制，效果有限。此外，工業應用中常利用管內插入旋流片、螺旋紐帶等元件，使其充分發展為湍流，同時配合各類殼程強化技術，如折流板/桿、異形孔板、空心環等措施，均可一定程度上強化換熱設備運行效率，但通常導致較高的流動阻力以及運行成本。

發明內容

本發明提供了一種基于Dean Vortice效應的高效換熱設備。通過對管程內介質流動過程產生的Dean Vortice進行分析和優化，設計和構建螺旋管結構尺寸與運行參數，使流體介質在較低流速條件下達到充分湍流狀態，降低溫度邊界層和流動邊界層厚度，有效提高換熱設備運行效率，實現設備高效、節能、經濟、安全長周期運行。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于Dean Vortice效應的高效換熱設備，依次包括殼體、冷卻介質進口、冷卻介質出口、工藝介質出口、工藝介質進口和螺旋式換熱管。所述冷卻介質進口位于殼體下側，所述冷卻介質出口位于殼體上側。工藝介質進口位于殼體頂部，工藝介質出口位于殼體下側。螺旋式換熱管位于殼體內，冷卻介質由進口進入殼體，與螺旋式換熱管發生熱量交換后經出口流出殼體。工藝介質由進口進入螺旋式換熱管內，經出口流出螺旋式換熱管。

進一步地，所述螺旋式換熱管曲率半徑R滿足：

其中，Q為設備工藝介質的質量流量，r為螺旋式換熱管內半徑，ρ為工藝介質密度，ν為工藝介質運動粘度，D_e為Dean Vortice強度。

進一步地，所述D_e為2100。

進一步地，所述螺旋式換熱管的內半徑r與曲率半徑R滿足：