CN100485301C

CN100485301C - 一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器

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Publication number: CN100485301C
Application number: CNB2005100415212A
Authority: CN
Inventors: 吴植仁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: CN1731063A

Abstract

本发明涉及一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，它适用于腐蚀性介质的热交换工况中，特别适用于海上采油平台、远洋舰船和沿海工厂用海水作为冷却介质的冷凝(冷却)器，和陆上两腐蚀性流体的换热器。海上采油平台、远洋舰船和沿海工厂当用海水作为冷却介质时，对换热器有以下特殊要求：首先要能耐海水腐蚀，其它依次是：紧凑性好、占地面积小、自重和操作重量轻、传热效率高、运行可靠、维修简单。目前，在海上采油平台和远洋舰船上用的换热器都不能全面满足上述要求。本发明使耐腐蚀金属制换热芯总成和碳钢制外壳总成间依靠可拆卸的静密封来保证两流体间的密封，再加上将传热基板轧制加强筋和采用翅片等技术措施，可全面满足上述要求。

Description

一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器

所属技术领域

本发明涉及一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，它适用于腐蚀性介质的热交换工况中，特别适用于海上采油平台、远洋舰船和沿海工厂用海水作为冷却介质的换热器。

背景技术

随着化学工业的发展，腐蚀性化学制剂应用范围日益扩大，海洋采油平台和舰船直接使用海水作为冷却介质，均迫切需要耐腐蚀性能优良的换热器。为解决腐蚀性介质在生产和使用过程中必须的换热器的腐蚀难题，工业上出现过多种用耐腐蚀材料制造的换热器。非金属的有石墨、玻璃、陶瓷，金属的有各种不锈钢、耐腐蚀合金、钛、钽、锆等制造的换热器。石墨、玻璃、陶瓷易碎，玻璃、陶瓷的导热性能差，制成的换热器的体积大、热效率低。耐腐蚀金属材料价格昂贵。将焊接好的整体换热器进行Ni-P镀，是工业上己采用的一种提高耐蚀性工艺，但困难的是，镀层质量无法捡验，不能保证换热器在使用时的可靠性。由申请人发明的“一种可拆卸耐压多程双轴向流螺旋板式换热器”(公开号：CN1538137A)和“一种螺旋波纹板式换热器”(申请号：CN200510038575.3初审合格，即将公开。)具有紧凑性好、占地面积小、自重和操作重量轻、传热效率高、运行可靠、维修简单等显著的可比优势。前者虽已在某石化股份有限公司炼油厂的大型工业装置上得到成功的应用，但是，螺旋板换热芯所采用的材料还是耐腐蚀程度不高的304不锈钢，由于304钢和制造外壳的碳钢互焊性好，采用常规的焊接工艺，确保换热器两流体间的密封，在制造上没有困难。但是当采用耐腐蚀性更高的金属(如钛、钽、锆等制作换热芯时)，由于它们和碳钢互焊性很差，保证换热器两流体间的密封，在制造上有很大的困难。虽然从技术层面上看，将外壳也采用和换热芯一样的耐腐蚀材料来制造换热器是可能的，但在经济上是很不合理。

发明内容

本发明的目的在于：在保留IV型螺旋板式换热器的优点的同时，依托有益的技术措施，尽量减少贵重耐腐蚀材料的消耗量，达到使生产成本最小化的目的。

腐蚀性介质种类很多，每种介质都有其最适用的耐腐蚀材料，按照介质的特性，选择适合的耐腐蚀材料，是项个性化很强的工作。世界还没有“万能”的耐腐蚀材料。为了叙述上的方便，下面我们用钛材作为耐腐蚀材料的代表。工程实践证明，钛是一种理想的耐腐蚀材料，价格上是可接受的一种贵重金属，且市场上可供应的规格比较齐全。

本发明的换热器是由两流体的进出口、钛制换热芯总成、碳钢制外壳和结构件总成所组成，其特征在于：钛制换热芯总成和碳钢制外壳总成间，不用焊接而用可拆卸的静密封来保证两流体间的密封的，换热芯总成可以从外壳总成中抽出，它具有传热、耐腐蚀和强度功能，而外壳和其它结构件总成，则由价格便宜的碳钢制成，当与外壳接触的流体也具有腐蚀性时，由于无传热任务，故可采用简单而又便宜的涂层来防腐。实现上述目的的其它技术措施是：将传热基板轧制加强筋，以提高其稳定性，减少其厚度；采用翅片，尽量扩展二次换热面，不仅可减少传热基板钛的用量，同时又能增加基板的稳定性。

下面用一台R22海水冷凝冷却器、一台天然气海水冷却器和一台醋酸海水冷却器为例，来具体说明如何实施上述方法(技术措施)的，前者代表小型化装置，而后二者则代表大型工艺装置。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是R22海水冷凝冷却器正剖面结构示意图，图2是图1B-B剖视图，图3是图1A-A剖示图，图4是图1的D向视图，图5是图1的C向视图。图6是天然气海水冷却器正剖面结构示意图，图7是图6B-B剖视图，图8是图6A-A剖示图，图9是图6的C向视图，图10是图6的D向视图，图11是醋酸海水冷却器正剖面结构示意图，图12是图11B-B剖视图，图13是图11A-A剖示图，图14是图11的C向视图，图15是图11的D向视图，图16是轧制有加强筋的传热基板展开图，图中展示了翅片和定距柱的布置示意图，图17是图16的B-B剖视图，图18是图16的A向视图(放大)，图19是图6的E部放大图，图20是图19的B向视图。

图中：1.海水(芯内流)出口管，2.填料压盖，3.压盖螺栓，4.螺母，5.垫圈，6.填料函，7.填料，8.固定端盖，9.壳体，10.海水配流室，11.封条，12.传热基板，13.中心管，14.换热芯总成，15.定距器件，其中：15-₁为定距柱，15-₂为定距条，16.翅片，其中16_-1为不与海水接触的翅片(可用铝材制造)，16_-2为与海水接触的翅片(需用钛材制造)，17.氟汽(芯外流)进口，18.氟液出口，19.壳体法兰，20.壳体法兰端盖，21.海水入口管，22.壳体法兰垫圈，23.壳体法兰螺栓，24.壳体法兰螺母，25.壳体法兰垫圈，26.支撑件，27.支架，28.螺纹联结钛制活套法兰，29.天然气(芯外流)进口管，30.天然气出口管，31.固化填充物，32.轧制加强筋，33.醋酸(芯外流)进口管，34.醋酸出口管，b_1·工艺流道宽，b_2.海水流道宽，δ.壳体壁厚。

通常，海水流道的压力低于工艺流道，且海水有腐蚀性，推荐将海水选择在换热芯的内部流动，我们称之为‘芯内流’对应的另一流体则称之为‘芯外流’。作为换热器，推荐将具有腐蚀性且压力低的流体作为‘芯内流’。

具体实施方式

实施例1 一流体具腐蚀性、一流体有相变的液-汽换热过程

图1是R22海水冷凝冷却器正剖面结构示意图，图中换热芯总成14，是由海水进出口管21、1，海水配流室10，传热基板12，中心管13，封条11，定距器件15，翅片16卷成一个整体，而后焊接而成，所有与海水接触的过流面全部是钛材，而与R22接触的翅片可以用铝材。承压的外壳总成是由壳体9，固定端盖8，壳体法兰19，壳体法兰端盖20所组成，全部用碳钢制成。换热芯总成14是用支撑件26和限位件(图中未示)架于其中。为确保密封，海水进出口管处，采用填料函6，填料压盖2，填料7，依靠螺栓3、螺母4的压紧填料密封。固定端盖8与壳体9相焊合，壳体法兰端盖20与壳体法兰19通过法兰垫圈22、螺栓、螺母、垫圈23、24、26来密封。氟汽进口管17、氟液出口管18、和排液口、放气口和易熔塞则采用牙座(图中未示)与壳体密封。当设定海水走奇数道，氟22走偶数道时，海水配流室10中的奇数道是开口的，而偶数道则是焊合的。海水配流室10以外的端面与之正好相反，奇数道是焊合的，而偶数道则是开口的。(参见图2和图3)。海水进口和氟液出口都设在冷凝器的下部，可以保证氟液有必要的过冷度。冷凝器可以水平或垂直安装，推荐采用垂直安装。

实施例2 一流体具腐蚀性、无相变的液-气换热过程

图6是天然气海水冷却器正剖面结构示意图，换热芯总成14也是由海水进出口管21、1，海水配流室10，传热基板12，中心管13，封条11，定距器件15，翅片16卷成一个整体，而后焊接而成，所有与海水接触的过流面全部是钛材，而与天然气接触的翅片可以用铝材。承压的外壳总成是由壳体9，固定端盖8，壳体法兰19，壳体法兰端盖20所组成，全部用碳钢制成。换热芯总成14是用支撑件26和限位件(图中未示)架于其中。考虑到大型工艺装置的海水进出口管可能较粗，为确保密封，将海水进出口管21和1都设置在壳体法兰端盖20的一侧，推荐采用螺纹联结的钛制活套法兰28来替代填料函，天然气的进口管29和出口管30则分别设置在冷却器的两端。在这里天然气被海水逆流冷却。

实施例3 两流体都具腐蚀性、无相变的液-液换热过程

图11是醋酸海水冷却器正剖面结构示意图，换热芯总成14也是由海水进出口管21、1，海水配流室10，传热基板12，中心管1

3，封条11，定距器件15，翅片16卷成一个整体，而后焊接而成，所有与海水接触的过流面全部是钛材，而与醋酸接触的翅片就要用耐醋酸腐蚀的材料制成。承压的外壳总成是由壳体9，醋酸进出口管33、34，固定端盖8，壳体法兰19，壳体法兰端盖20所组成，全部用碳钢制成，由于它们没有传热任务，且结构简单，过流面外裸，可以方便的采用防腐涂层来防腐蚀。例如涂刷防腐涂料、复塑、衬胶、搪瓷和Ni-P镀等方法防腐。它们都是成熟技术，无需赘述。换热芯总成14是用支撑件26和限位件(图中未示)架于其中。考虑到大型工艺装置的海水进出口管可能较粗，为确保密封，将海水进出口管21和1都设置在壳体法兰端盖20的一侧，推荐采用螺纹联结的钛制活套法兰28来替代填料函，醋酸的进口管33和出口管34则分别设置在冷却器的两端。醋酸被海水逆流冷却。

上述的结构型式，可以避免钛材和碳钢互焊性差的缺点，实现了传热和耐腐蚀的任务靠钛材担当，而受压任务由碳钢担当的目的。

通常，换热器在运行时，海水侧的压力低于工艺流(例如天然气、氟22)的压力，即换热芯总成14是一个受外压的容器，因此，我们必须关注传热基板12的稳定性。

尽可能的减少钛材消耗量，降低制造成本，是本发明追求的经济目标。为此需要：1.减少传热基板的面积；2.在保证传热基板稳定性的前提下，减少其厚度。为实现上述目标，本发明采用的技术措施有以下几点：1.保留申请人发明的型IV螺旋板式换热器纯逆流的换热方式，因为它具有很高的传热总系数K值；运行时，增加冷却海水的用量、降低冷却海水的出口温度，以增大传热过程中的平均对数温度差；2.在两流道中设置翅片，既增加了换热面积，又有利于进一步提高k值，海水侧的翅片同时也提高了传热基板的稳定性；3.将传热基板轧制加强筋，可显著提高传热基板的稳定性。它们在图16-图20中得到了体现。

图16是轧制有加强筋的传热基板展开图，它代表天然气流道，流道宽为b₁，翅片16沿传热基板的长度方向展布，在翅片宽度的两侧轧有加强筋32，它的作用有2：a.提高传热基板12的稳定性；b.使翅片限位，防止在卷制时发生位移。由于在运行时流体存在分段的周向流，故翅片16不是满铺的，两行翅片间留有供流体作周向流的通道，在其中设置有定距柱15_-1。海水流道与之相似，只是流道宽b₂较小(一般只2-4mm)故采用分段的定距条15_-2。为了使翅式被两边的传热基板压紧，以减少接触热阻，定距柱的高度和定距条的直径应比对应的翅片高具有负偏差。更理想的是，卷制前在翅片和传热基板接触面上敷设钎剂和钎料，卷好后，送到钎焊炉中钎焊。可以获得传热效率更好、承压能力更高的高品质换热器。只是其固定资产投资较大。在换热芯总成14和壳体9间的环形间隙中，必要时，可用充填物31充填，它们可以是保温多孔材料、水泥或低熔点金属(如锡或铅)。

Claims

1.一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，是由两流体的进出口、耐腐蚀金属制换热芯总成、碳钢制外壳总成所组成，耐腐蚀金属制换热芯总成完成传热、耐腐蚀和强度任务，而碳钢制外壳总成完成受压任务，其特征在于：耐腐蚀金属制换热芯总成和碳钢制外壳总成间不采用焊接而采用可拆卸的静密封来保证两流体间的密封，耐腐蚀金属制换热芯总成可以从碳钢制外壳总成中抽出，在耐腐蚀金属制换热芯内，两流体呈轴向逆流流动。

2.一种如权利要求1所述的一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，其特征在于有腐蚀性、压力低的流体设定为耐腐蚀金属制换热芯的‘芯内流’，压力高的流体设定为耐腐蚀金属制换热芯的‘芯外流’。

3.一种如权利要求2所述的一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，其特征在于当耐腐蚀金属制换热芯的‘芯外流’也具有腐蚀性时，采用耐腐蚀涂层来防止外壳总成的过流面被腐蚀。

4.一种如权利要求1所述的一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器，其特征在于在耐腐蚀金属制换热芯总成和碳钢制壳体间的环形间隙中，当耐腐蚀金属制换热芯的‘芯外流’不发生相变时，用充填物充填，充填物有保温多孔材料、水泥或低熔点金属。