一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器论文和设计-冯永强

全文摘要

本实用新型公开了一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，包括内管和外管，内管置于外管内部，二者同轴设置，且内管和外管呈U型布置；外管与外U型连接管通过外管封头连接，内管与外管之间为冷却工质腔，外管的两端分别设置分进气连通管和分出气连通管，分别与主进气连通管、主出气连通管连通；内管采用外凸式非对称式波节管；本实用新型所提出的套管式换热器提高综合传热效率，同时降低波节管换热器在高危行业应用时在役检测的调试难度。

主设计要求

1.一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，包括内管(1)和外管(2)，所述内管(1)置于外管(2)内部，二者同轴设置，且内管(1)和外管(2)呈U型布置；所述外管(2)与外U型连接管(4)通过外管封头(11)实现连接，内管(1)与外管(2)之间为冷却工质腔，所述外管(2)的两端分别设置分进气连通管(6)和分出气连通管(8)，分别与主进气连通管(5)、主出气连通管(7)连通；所述内管(1)采用外凸式非对称式波节管。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，所述外凸式非对称式波节管的来流侧小圆弧半径rl取10mm～30mm，去流侧的圆弧面的曲率半径rr小于rl，波距L取30mm～50mm，波节管上圆弧凸起的顶入深度h为2mm～4mm，波形管的壁厚δ为2mm～3mm；波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径R为5mm。

3.根据权利要求2所述的一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，所述波节管上圆弧凸起的顶入深度h为3mm，波节管的壁厚δ为2.5mm，波节管内管波节的波峰与外管内壁的距离wp为9.5mm，波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为40mm。

4.根据权利要求1所述的一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，所述内管(1)和外管(2)之间通过管内支承件(12)进行支撑。

5.根据权利要求1所述的一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，所述外凸式非对称波节管采用碳钢、合金钢或不锈钢。

6.根据权利要求1所述的一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，其特征在于，所述外管(2)采用光铜管或钢管。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于换热器技术领域，尤其涉及一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器。

背景技术

当前车用发动机的燃料燃烧产生的热能只有一小部份被转换为有用功输出，还有近三分之二的热能被发动机的排气、冷却系统和发动机本体的对流和辐射散热白白消耗掉。如果这部份浪费的能量能得到有效利用，一方面可以提高发动机燃料的总热效率，节省能源消耗量，另一方面，可以降低发动机做功时向环境的散热，改善环境质量，减缓全球变暖的趋势。

目前利用发动机废弃的余热的方法主要有:利用余热取暖，利用废气高温的温差发电，利用余热的吸附式热泵制冷和利用余热的有机朗肯循环发电或输出有用功。利用余热取暖在冬季可以较好的利用发动机的余热，但在其它季节不需要取暖时无法充分利用发动机的余热。利用温差发电技术受到转换效率低的限制，目前还无法实现实用化的应用。利用吸附式热泵制冷装置往往体积太大，效率不高，也不适合车用发动机应用。利用有机朗肯循环的余热回收技术在当前效率是最高的，采用有机朗肯循环系统目前还在研究阶段，换热器是有机朗肯循环的余热回收的关键设备，设计满足车辆使用要求的换热器难度很大。

波节管是一种特殊形状的缩放管，是以普通圆管为基管，通过液压成型的方式挤出一个个圆弧凸起，形成由弧形段和直管段交替变化组成的波节型通道。早在70年代，曾有人提出用波纹管作为换热管用在管式换热器上，波节管是在1990年由中国的郎奎提出的，其强化换热机理为：当流体在波纹管内流动时，波峰处流体速度降低、静压增加，波谷处流体速度增加、静压减少，这样，流体的流动反复改变，轴向压力梯度下发生二次扰动，产生的剧烈涡旋冲刷了流体的边界层，使边界层减薄，破坏其边界层，并且提高管内外流体紊流的脉动性，促进湍流度的增加，另外直线段起着“积累能量”的作用，是不可缺少的，两者互相促进，可大大提高换热系数。因此，根据市场需要，这种高效换热管应用在很多行业，煤气站汽化、电厂首战、油田输油管道加热、储藏设备制冷、宾馆、居民楼供生活用水、海水热交换等。

流体在管程和壳程流动时波节管的阻力比光管有一定程度的增加，现有的波节管弧形段和直管段过渡不够平滑，流动死区大，流体阻力大，为了减小流动阻力，弧形段和直管段由一个小圆弧来连接，小圆弧起到一个引流的作用，可以使流体平滑过渡到波节内，使波节上升区域的流动死区减少，流体阻力减小。目前现有的波节管结构小圆弧半径是完全是对称的，这种结构虽然能在一定程度上提高综合传热效率，但是换热量也有一定程度的降低。

目前为止，传统的波节管换热器还没有应用在气-汽换热中，比如核电站乏汽和水蒸气之间换热就属于典型的气-汽换热，核电站所用换热器管内流体为高温高压的氦气(温度 450℃，压力3MPa)，管外流体为高温高压水蒸气(温度280℃，压力7MPa)，气-汽换热一般是在高温高压环境下运行，由于波节管阶段性的圆弧凸起，导致局部的应力集中比较大，尤其是管外部压力大于内部压力时，应力集中更为明显，抗压能力较差传统的波节管换热器并不适用，一般的薄壁波纹管可以承受低于200℃，1.6MPa的工作环境，

换热器应用在一些高危环境中工作时必须要进行定期的在役检测，现有的波节管波距太小，一般都在15mm-20mm之间，直线段太短，在役IT检测时机器人在管内行动不便，容易卡住，检测难度大，影响在役检测的顺利进行。

实用新型内容

本实用新型根据现有技术中存在的问题，提出了一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，目的在于提供一种采用了大波距波节管，并找到了最佳间距的套管式换热器。为高危行业的在役检测提供方便。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，包括内管和外管，所述内管置于外管内部，二者同轴设置，且内管和外管呈U型布置；所述外管与外U型连接管通过外管封头实现连接，内管与外管之间为冷却工质腔，所述外管的两端分别设置分进气连通管和分出气连通管，分别与主进气连通管、主出气连通管连通；所述内管采用外凸式非对称式波节管；

进一步，所述外凸式非对称式波节管的流侧小圆弧半径rl取10mm～30mm，去流侧的圆弧面的曲率半径rr小于来流侧的圆弧面的曲率半径rl，波距L取30mm～50mm，波节管上圆弧凸起的顶入深度h为2mm～4mm，波节管的壁厚δ为2mm～3mm；波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径R为5mm；

进一步，所述波节管上圆弧凸起的顶入深度h为3mm，波节管的壁厚δ为2.5mm，波节管内管波节的波峰与外管的内壁的距离tp为9.5mm波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为40mm；

进一步，所述内管和外管之间通过管内支承件进行支撑；

进一步，所述外凸式非对称波节蛇形管采用碳钢、合金钢或不锈钢制成；

进一步，所述外管采用光铜管或钢管。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的非对称波节管可以在换热量几乎不降低的情况下，大大提高综合传热效率。同时降低波节管换热器在高危行业应用时在役检测的调试难度，在波节管换热器提高换热效率的同时，使在役检测能够顺利进行。本实用新型采用了厚壁波节管强化换热元件，不但适用于常温常压工作环境，也适用于工业中高温高压的工作环境。

附图说明

图1是本实用新型的一种中低温余热有机朗肯循环套管式蒸发器整体结构主剖视图；

图2是外凸式非对称式波节管的主剖视图；

图3是中低温余热有机朗肯循环套管式蒸发器整体结构侧视图；

图4是外凸式非对称型波节管的半剖视图；

图5是外凸式非对称型波节管局部放大图；

图6是内管1和外管2内侧剖视图；

图中，1、内管，2、外管，3、内U型连接管，4、外U型连接管，5、主进气连通管， 6、分进气连通管，7、主出气连通管，8、分出气连通管，9、支撑板，10、连接板，11、外管封头，12、管内支承件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、2、3所示，本实用新型公开了一种中低温余热回收用有机朗肯循环套管式换热器，由内管1和外管2组成，如图4、5，内管1采用外凸式非对称式波节管，采用碳钢、合金钢或不锈钢制成，外管2采用光铜管或钢管制成；内管1置于外管2内部，内管1和外管2同轴设置，如图6，内管1和外管2之间通过管内支承件12进行支撑，且内管1和外管2呈U型布置；在U型连接处，内管1之间由内U型连接管3焊接，外管2与外U型连接管4通过外管封头11连接，内管1与外管2之间为冷却工质腔，外管2的底部为进气端，进气端设有分进气连通管6，分进气连通管6与主进气连通管5连通，主进气连通管5 起到分流及支撑作用，外管2上端为出气端，出气端设有分出气连通管8，分出气连通管8 与主出气连通管7连通，支撑板9起支撑作用，连接板10将3条波节管连接并固定在一起。

如图4、5，外凸式非对称式波节管的流侧小圆弧半径rl取10mm～30mm，去流侧的圆弧面的曲率半径rr小于来流侧的圆弧面的曲率半径rl，波距L取30mm～50mm，波节管上圆弧凸起的顶入深度h为2mm～4mm，波节管的壁厚δ为2mm～3mm；波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径R为5mm。

为了更清楚的说明本实用新型的技术效果，以下结合具体实施方式做进一步的限定：

具体实施方案一：本实施方案所述的是一种中低温余热有机朗肯循环套管式蒸发器的外凸式厚壁对称型波节管结构，来流侧小圆弧半径rl为5mm，去流侧小圆弧半径rr为5mm，大圆弧半径R为5mm，波距L为40mm，壁厚δ为2.5mm，波深h为3mm。此实施方案的波节管和光管比较，管程传热效率增大31.51％，综合传热效率是1.126。壳程传热效率增大33.92％，综合传热效率是0.082。

具体实施方案二：本实施方案与实施方案一的不同点在于来流侧小圆弧半径rl为30mm, 其他结构与实施方案一相同。此实施方案虽然换热效率比方案一有一定程度的降低，但综合传热效率比方案一有比较大的提高，也就是说此方案换热效率有所降低，但阻力降减小的更多，使综合传热效率增加。此实施方案的波节管和光管比较，管程传热效率增大30.46％，综合传热效率是1.348。壳程传热效率增大33.10％，综合传热效率是0.095。

具体实施方案三：本实施方案与实施方案一的不同点在于来流侧小圆弧半径rl为20mm, 其他结构与实施方案一相同。此实施方案换热效率是综合传热效率比方案一略有降低，但是综合传热效率比方案一有比较大的提高。此实施方案的波节管和光管比较，管程传热效率增大31.08％，综合传热效率是1.318。壳程传热效率增大33.56％，综合传热效率是0.091。

具体实施方案四：本实施方案与实施方案一的不同点在于来流侧小圆弧半径rl为10mm, 其他结构与实施方案一相同。此实施方案不但换热效率比方案一略有增加，而且综合传热效率比方案一也很一定程度的提高，也就是说此方案通过改变换热管的结构，不但使换热管的换热效率提高，还使阻力降所减小，对实际工程应用有很好的参考价值。此实施方案波节管和光管比较，管程传热效率增大31.61％，综合传热效率是1.234。壳程传热效率增大33.95％，综合传热效率是0.085。

具体实施方案五：本实施方案与实施方案一的不同点在于波距L为30mm,其他结构与实施方案一相同。此方案的优点是换热量比方案一有比较大幅度的增加，缺点综合传热效率一定程度下降，并且直线段长度减小太多，大大增加在役检测难度，并且波节的数量增加，液压成型技术的磨具的加工成本相对较高。根据实际情况如果检测在此间距下可以顺利进行，并且成本支出允许的情况下，可采取此实施方案。此实施方案的波节管和光管比较，管程传热效率增大33.07％，综合传热效率是1.066。壳程传热效率增大35.82％，综合传热效率是0.072。

具体实施方案六：本实施方案与实施方案一的不同点在于波距L为50mm,其他结构与实施方案一相同。此方案的优点是换热量比方案一直线段长度增加，减小了在役检测的难度，而且波节的数量减小，液压成型技术的磨具的加工成本相对较低，综合传热效率有一定程度增加。缺点是换热量比方案一有比较大幅度的降低。根据实际情况如果想在换热量可以满足条件尽量减小成本，可采取此实施方案。此实施方案的波节管和光管比较，管程传热效率增大28.81％，综合传热效率是1.172。壳程传热效率增大30.83％，综合传热效率是0.096。

具体实施方案七：本实施方案与实施方案一的不同点在于波深h为2mm,管与管波峰间距wp比方案一小，其他结构与实施方案一相同。此方案的优点是壳侧的流体阻力大幅度减小，换热管的整体压力降大幅减小，缺点是换热量比方案一要大幅减小。根据实际情况如果想在满足换热量的情况下减小压降，可采用此实施方案。此实施方案的波节管比光管传热效率增大18.68％，综合传热效率是0.937。壳程传热效率增大19.66％，综合传热效率是0.241。

综上所述，在其他条件固定的情况下，随着来流侧小圆弧半径的增大，虽然换热效率有一定程度的降低，但综合传热效率有比较大的提高，也就是说换热效率有所降低，但阻力降减小的更多，使综合传热效率增加。同时更小的波距能够有更好的换热效果，但是考虑方便在役检测，最后确定波距L为40mm是最佳方案。波深越大，换热效果越好，但考虑管间距的限制，波深h取3mm。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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