CN101558279A - 挡板和密封件的组件以及组装热交换器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于安装在热交换器壳(4)中的挡板和密封件的组件(1)，所述组件(1)包括：多个纵向挡板(6、7)；至少一个纵向密封件(14、16、17)；其中组件(1)还包括壁元件(21、22)，所述壁元件布置成在间隔开的纵向挡板(6、7)之间延伸，以在安装之后与热交换器壳(4)形成双壁；而且其中至少一个纵向密封件(14、16、17)布置在壁元件(21、22)上并远离纵向挡板(6、7)，以在安装之后使壁元件(21、22)密封地接合抵靠热交换器壳(4)。

Description

挡板和密封件的组件以及组装热交换器的方法

技术领域

本发明涉及一种挡板和密封件的组件及其在一种组装热交换器的方法中的使用。

背景技术

壳管式热交换器是一种间接式热交换器。热在流动穿过在热交换器壳中延伸的管束的管中(管侧)的流体与流动穿过管外部的空间(壳侧)的流体之间进行传递。例如，从Perry′s Chemical Engineers’Handbook，6th edition，1984，McGraw-Hill Inc.，page 11-3to 11-21(麦格劳-希尔公司于1984年出版的佩里化学工程师手册(第6版)的第11-3页至11-21页)可找到壳管式热交换器的详细内容。

已开发出一种称为双壳程热交换器的特定类型的热交换器以改善给定壳尺寸的热传递。在这种类型的热交换器中，大致圆筒形外管在内部设有沿轴向和纵向延伸的分隔挡板。在佩里的手册中，这种壳类型包括带有纵向挡板的双程壳、分流壳和双分流壳。纵向挡板将壳的内部细分成两个通常在所述壳的一个端部连通的独立的纵向延伸的隔室，使得所述壳中的流体流沿壳的长度流经两次。

为了最有效地进行热交换，挡板应沿着它的两个纵向边缘形成比较紧密的密封，以使得隔室之间的流动仅可能发生在所需区域，即在壳的一个或多个端部处。

通常，这种构造已通过使用具有比壳壁内径稍小的宽度的矩形隔板来形成，使得当隔板定位在直径面上时，隔板的纵向外边缘略微径向向内地与壳的内壁面间隔开。

过去已开发出若干种类型的纵向密封件。除了充分密封之外，还希望使纵向密封件易于安装在热交换器壳中且具有成本效益。例如，在德国奥伯豪森公司(Kempchen&Co.GmbH of Oberhausen，Germay)开发并销售的名称为T4的挡板密封件型材(profile)中已发现了良好的折衷。在美国专利USA 4215745中也描述了这些密封件的原理，其还讨论了其它现有技术的密封件。

已知的纵向密封件包括U形凸缘(flange)，所述U形凸缘向内朝向热交换器且其尺寸适于紧贴地接收纵向挡板。位于密封件相对侧的密封元件包括一对弹性压靠在壳内壁上的向外延伸的凸缘。

在许多情况下，双壳程热交换器并非是最佳构造。例如，当用新的内部零件对已有的单程热交换器进行翻新改进时，壳的流体入口和出口的位置位于沿着热交换器壳的纵向相对端部处并且该位置通常不能改变。然而，对于双程构造，壳的入口和出口应布置在壳的同一纵向端部处。

三壳程构造可能会解决这个问题，在三壳程构造中，两个纵向挡板布置成使壳中的流体流来回迂回三倍的壳长度。然而，由于两个纵向挡板的可靠密封所导致的实际问题，其在实践中不能实现。由于每一块纵向挡板均将布置成与壳的直径有明显距离，挡板以与切线成明显不同于90度的角度与壳相接。由于这种与众不同的几何形状，使用例如Kempchen密封件的密封看起来存在问题。再者，比如Kempchen密封件的密封件具有显著的成本因素，而且对于三程构造而言，需要四个纵向密封件。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种由纵向挡板和密封件形成的构造，其允许改善多壳程热交换器中的密封，特别地，其还用于翻新改进热交换器。

另一个目的在于提供一种用于组装带有两个或两个以上纵向挡板的热交换器的方法。

为此，本发明提供了一种用于安装在热交换器壳中的挡板和密封件的组件，所述组件包括：多个纵向挡板；至少一个纵向密封件；其中所述组件还包括壁元件，所述壁元件布置成在间隔开的纵向挡板之间延伸，以在安装之后与所述热交换器壳形成双壁；而且其中所述至少一个纵向密封件布置在所述壁元件上并且远离所述纵向挡板，以在安装之后使所述壁元件密封地接合抵靠所述热交换器壳。

申请人已经认识到，如果设置与热交换器壳形成双壁的壁元件，而且其中纵向密封件设置在所述壁元件和热交换器壳之间，则在多程热交换器中的两个间隔开的纵向挡板之间可获得可靠密封。以这种方式，可以为纵向密封件选择在壁元件上的最佳位置，和/或可最优化密封件与壳之间的几何形状。仅一个密封件就可足以使纵向挡板的两个边缘密封抵靠所述壳。

通常，壳为圆筒形的，而壁元件具有半径稍小的大体弧形形状。适当地，纵向密封件从壁元件径向向外延伸，而且按常见的几何形状，密封件以垂直取向与所述壳相接。优选地，所述纵向密封件安装在从壁元件垂直延伸的纵向条带上。

两个纵向密封件可布置在壁元件上，以在安装之后与热交换器壳形成密封的内部空间。假设随后在正常操作过程中，流体从一个隔室中沿纵向密封件泄漏，则流体将会进入到双壁的内部空间中，并且因此不直接进入到另一个隔室中。为了泄漏到又一个隔室中，流体需要通过另一个纵向密封件进行泄漏。双密封的壁元件用作防泄漏装置(leakage barrier)。这种设计可特别有益于要求高度密封可靠耐用的场合，例如需要定期将热交换器的内部零件从壳中取出来进行检查和/或清洁的情形。

此外，如果双密封设置在壁元件上，则压缩丝网材料(compressedgauze material)可设置为辅助密封物并且布置在两个纵向密封件之间。合适的压缩丝网材料为钢丝绒或压缩金属网。

适当地，所述纵向密封件包括用于接收从壁元件延伸的条带的U形凸缘。适当地，纵向密封件包括由相对向外延伸的弹性凸缘形成的壁密封元件。合适的这种纵向密封件为Kempchen&Co.GmbH的挡板密封件T4，而且还包括U形凸缘。

适当地，组件还包括多个用于支承管束的横向挡板。横向挡板可包括如在国际专利申请WO 2005/067170、WO 2005/015107、WO2005/015108中所述的金属网元件，在此将这些国际专利申请结合到本文以作参考。

替代地，本发明也可用于其它类型的具有纵向流型的热交换器，例如具有杆式挡板管支承件的热交换器或者具有扭曲管的热交换器。

当具有n-1(其中n＞2)个纵向挡板的组件布置成在安装在热交换器壳中之后在入口和出口之间形成迂回的n程流体流动通路时，横向挡板适当地由n个段形成。随后，在相邻纵向挡板之间的横向挡板的段适当地具有的横截面与相邻纵向挡板的相对双壁之间的横截面相对应。

在一种特定实施方式中，管从管板经由所述横向挡板和横向端挡板延伸至管端板，而且壁元件在一端部连接至管板而在另一端部连接至端挡板。优选地，随后，端挡板设有密封件以防止壳程之间的流体在端挡板周围发生旁流。

组件可选地与管板和穿过横向挡板的管一起预制，并且滑动到所述热交换器壳中，尤其在更换操作中滑动到所述热交换器壳中。当然，组件也可直接安装在热交换器壳中。

本发明还提供了一种组装热交换器的方法，所述方法包括：提供热交换器壳；提供挡板和密封件的组件，所述组件包括多个纵向挡板、至少一个纵向密封件和壁元件，特别是提供根据本发明的所述组件；而且所述方法还包括：在所述热交换器壳外部组装所述挡板和密封件的组件，以获得叠置的纵向挡板构造，其中所述壁元件在间隔开的纵向挡板之间延伸，而且所述至少一个纵向密封件布置在所述壁元件上并远离所述纵向挡板；以及将所述叠置的纵向挡板构造引入到所述热交换器壳中，以使得所述壁元件经由所述至少一个纵向密封件而密封地接合抵靠所述热交换器壳。

在已有热交换器的修复过程中，提供热交换器壳的步骤包括：从所述壳中取出先前的热交换器的内部零件。

附图说明

现在将参照附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意地示出了根据本发明的挡板和密封件的组件；

图2示意地示出了位于热交换器中的根据本发明的挡板和密封件的组件；

图3示意地示出了图2中的热交换器的横截面；

图4示意地示出了放大的图3中的细节IV；

图5示意地示出了用于本发明的横向金属网管支承挡板；

图6示意地示出了穿过金属网的管束。

在不同的附图中使用相同的附图标记的情况下，相同的附图标记表示相同或相似的对象。

具体实施方式

图1示意地示出了根据本发明的挡板和密封件的组件1的三维视图。为了清楚起见，示出了在组件周围的热交换壳4的一部分，但是应理解的是，通常壳4不需形成组件的一部分。

组件包括两个间隔开的纵向挡板6、7，每一块挡板具有一对纵向边缘11a、11b或12a、12b并且将热交换器1的内部空间分成三个隔室。组件还包括壁元件21、22，所述壁元件21、22分别在边缘11a、12a和边缘11b、12b附近、在纵向挡板6、7之间延伸。壁元件在安装之后与热交换器壳4一起形成双壁，并且代表热交换器1的中间隔室的纵向横壁。为了说明两个实施例，壁元件22设置有一个纵向密封件14，而壁元件21设置有两个纵向密封件16、17，用于在安装到壳中之后使壁元件密封地接合抵靠热交换器壳4。仅示意地示出了壁元件和密封件，其实施例的更详细内容将参照图3和图4进行讨论。

由于对于两个纵向挡板的两个纵向边缘，壳仅需要一个纵向密封件，壁元件22的单个密封件14是成本有效的。

纵向挡板6、7设有大致矩形的切口(cut-out)26、27，其使得流体流在形成于壳中的三个隔室之间迂回流动。

参照图2，图2示意地示出了安装在带有热交换器壳34的热交换器31中的组件1。热交换器壳34具有：入口36，其位于热交换器壳的一个纵向端部附近的上侧；出口37，其位于相对纵向端部附近的下侧。纵向挡板的宽度在它们的安装位置处稍小于壳的宽度，以使得每一块挡板的纵向外边缘向内与壳的内壁面稍微间隔开，通常间隔开2-20mm。纵向挡板将壳34的内部分隔成三个经由切口26、27流体连通的隔室41、42、43。

热交换器还设有管束，为了清楚起见，仅示出了所述管束中的四根管45、46、47、48。热交换器31的管侧用点来表示。在该实施例中，管侧具有双管程构造。管侧具有通向管入口头部(header)53的入口51。管入口头部与管束的下部分(管47、48)流体连通，管47、48延伸到与管端头部55连接的管端板54，管端头部55又与管束的上部分(管45、46)流体连通，管45、46延伸到管出口头部57中，离开管侧的出口59布置在管出口头部57中。入口管头部53和出口管头部57由水平板61分隔开，水平板61沿着壳34的中心从壳端部水平延伸至管板62，所述管固定在管板62中。管板通过凸缘63固定到壳上，壳的入口端可通过凸缘63打开，用于插入或取出内部零件。也可在后端部布置凸缘64，壳的端部可通过凸缘64取下。

相对端部处的管端板54也固定所述管，但是不像管板62，管端板54和与管端板54连接的管端头部55都不连接至壳34，即端头部为悬置的(floating)。这允许所述管在所述壳内热膨胀。代替接收并且分配所有管流体的端头部的是，也可采用分离的U形管。

所述管由多个横向挡板65支承。距离所述管入口/出口最远的横向挡板66与其它挡板不同。首先，横向挡板66由实心板制成，其在壳横截面的严格公差范围内制造且仅设有刚好使所述管穿过的开口，但是所述管并不连接至该挡板。端挡板66起的作用是防止壳流体从隔室41通过在管头部55周围流动而直接泄漏到隔室43中。由于这种泄漏，在不同流程之间存在的小压降的驱动下，壳流体会从第一流程走捷径直接抵达壳出口37。为了防止这种现象发生，至少在端挡板66的周边下部中到挡板7上方布置使封装材料68压靠壳34的呈型材形式的密封件67，如在69处虚线所示。利用该密封件，防止从管端头部55周围的自由空间70至第三流程(隔室43)中的泄漏。密封件可在端挡板67的整个周边周围延伸，但是不严格要求，因为泄漏到第二流程(隔室42)并不是个问题，这是由于其不会象双壳程热交换器一样构成捷径。横向挡板可适当地例如通过纵向杆(未示出)相互连接，用于保证机械稳定性。

图3示出了沿着图2的III-III线剖切的热交换器壳的横截面，该热交换器壳带有安装好的挡板和密封件构造，且反映了图1的在任一侧具有一个或两个纵向密封件的两个实施例。管和横向挡板都未示出。双壁由壳34和内壁元件21形成，限定内部空间71。罩21、22从管板62一直延伸至端挡板66(参照图2)、并密封地连接至管板62和端挡板66。为此，凸缘(未示出)被焊接至罩21、22的端部，罩21、22利用合适的封装材料分别栓接至管板和端挡板。

罩21和22也密封地连接至纵向挡板6和7。

在图4中以放大部分IV更详细地示出了壁元件21和纵向挡板6之间的连接以及纵向密封件16的一个实施例，可类似地构造其它纵向密封件14和17。

纵向挡板6与切线72a成一定角度72与壳34相接，该角度72小于90度，例如80度或更低，即明显远离法线72b。因此，直接在纵向边缘11a处密封纵向挡板存在问题。根据本发明，设置有壁元件21，且壁元件21通过其折叠边缘88在边缘11a附近密封地连接(例如栓接并且利用封装材料)至挡板6。

纵向密封件16通过条带(strip)73布置在壁元件21上。该密封件可包括U形凸缘75，该U形凸缘75由经底凸缘78连接在一起的内凸缘76、77形成，所有凸缘由一片金属条制成。所述金属条在折叠起来以形成折叠部79和80。折叠部布置成以弹性向外延伸的凸缘形式保持壁密封元件(金属薄层82、83、84和85)。在该图中示出了四个薄层，每一侧有两个薄层，但是可以布置更多或更少的薄层密封件。通常在每一侧的数量为4个薄层。

替代地，密封件可包括本领域普通技术人员已知的垫圈或任何其它密封装置。

由U形型材75形成的槽具有一定宽度以使得条带73被紧贴地接收。如果需要，可采用适于操作温度的比如特氟纶(Teflon)的封装材料。应该理解的是，为了清楚起见，附图中夸大地示出了各部件之间的间隙。

壁元件21的弧形部大体平行于壳34延伸。弧形部的半径小于壳的半径。条带元件73从壁元件21径向延伸，以使条带元件73从壁元件大体垂直地延伸、并以与切线74a大体垂直的角度与壁34相接。所述大体垂直通常为与垂直线所成的角度在10度内，优选在5度内。以这种方式，在密封件任一侧的薄层82、83和薄层84、85相对于所述壳处于类似的相对取向且可按相同方式操作。如果纵向密封件布置在挡板6的纵向边缘11a上，则将不会是这种情况，这时任一侧的薄层会经历显著不同的变形。条带元件73可适当地焊接至壁元件21，但是也可通过其它手段来紧固条带元件73，或者条带元件73可与壁元件一体形成。

图5示出了由三段91a、91b、91c形成的横向挡板65，由此横向挡板65适用于在三壳程热交换器中与两个纵向挡板6、7配合。该实施例中的所述段由切割成适当尺寸并焊接至框架93a、93b、93c的金属网板92a、92b、92c制成，根据机械稳定性需要，框架可连接至壳和/或纵向挡板。

如图6示意地显示，金属网92支承所述管。

人们可能已经考虑折叠纵向边缘(比如图4中的边缘11a)，以使得纵向边缘以接近垂直的取向与壳相接，从而使在纵向挡板边缘处进行密封成为可能。然而，这会产生下述结果：横向挡板需要遵循该几何形状，这使得制造更复杂和昂贵。本发明提供了一种更容易且廉价的解决方案。

为了制造热交换器，如果需要，在取出原始内部元件之后提供热交换器壳。根据本发明的挡板和密封件的组件优选在壳外部进行组装，使得获得设有纵向密封件的叠置纵向挡板构造，其中，壁元件在相邻纵向挡板之间延伸。可利用横向挡板和管并且适当地利用管板和管端板进一步完成组装，且所完成的组件可滑动到壳中。为此，拆下管入口/出口头部，并且还适当地拆下端部件(图2中的凸缘63和64)。因为管端板54不得不穿过壳，所以管端板54的直径小于管板62的直径。管头部55在组装好的构造已移入壳之后被适当地安装。适当地，滑动条带布置在横向挡板的外周上。

现在将描述一个根据本发明的带有内部零件的热交换器的正常操作的实例。该实例的热交换器用于原油蒸馏设备的预热系统(pre-heattrain)中，其中通过安装与图2至图6所示的组件类似的组件来修补先前的壳侧单程节段式(segmental)热交换器，其中每个壁元件有两个密封件。管的整个长度约为6米，圆筒形壳的内径约为1.2米。采用Kempchen T4挡板密封件，其中弹性薄层密封件由不锈钢316TI制成。双壁在任一个壁元件处形成为50mm宽的内部空间，参照附图3的附图标记71。由于水平板61将管入口和出口头部分隔开，所以不能沿壳的水平中心线布置管。总共安装了866根管。

流经管侧的流体是原油，相对于流经壳侧并且从270℃冷却至220℃的热长残渣，所述原油被预热，比方说从155℃至180℃。在这种情况下，采用金属网挡板是特别有利的，因为其减少了在壳侧中的污垢和维护/清洁成本。三壳程设计增加了壳侧中的流速，这有益于紧凑壳中的高性能热传递。这还良好地利用了现有的压降。该具有三壳程和两管程的实例的布局的特别之处在于，壳管流在隔室41中为逆流、在隔室42中为部分逆流和部分顺流、而在隔室43中为顺流。

应该理解的是，本发明同样可采用两个以上的纵向挡板。例如，采用三个纵向挡板时，适当地设置四个壁元件，而且特别地可布置四个双壁，两个双壁位于第一和第二纵向挡板之间，两个双壁位于第二和第三纵向挡板之间。第二(中间)纵向挡板的纵向密封件优选地保持从密封件向上和向下延伸的两个壁元件的折叠纵向边缘。在这种四壳程设计中，壳入口和壳出口通常在壳的同一端部处。因为在这种设计中，纵向挡板沿着壳的水平直径延伸，所以在管入口/出口头部之间与水平隔板不存在冲突。

Claims (13)

1.一种用于安装在热交换器壳中的挡板和密封件的组件，所述组件包括：

多个纵向挡板；

至少一个纵向密封件，

其中所述组件还包括壁元件，所述壁元件布置成在间隔开的纵向挡板之间延伸，以在安装之后与所述热交换器壳形成双壁；而且所述至少一个纵向密封件布置在所述壁元件上并且远离所述纵向挡板，以在安装之后使所述壁元件密封地接合抵靠所述热交换器壳。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述纵向密封件从所述壁元件径向向外延伸，而且所述纵向密封件安装在从所述壁元件垂直延伸的纵向条带上。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其中两个纵向密封件布置在所述壁元件上，以在安装之后与所述热交换器壳形成密封的内部空间。

4.根据权利要求3所述的组件，其中所述组件还包括位于所述两个纵向密封件之间的压缩丝网材料。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的组件，其中所述至少一个纵向密封件包括U形凸缘，所述U形凸缘用于接收从所述壁元件延伸的条带。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的组件，其中所述至少一个纵向密封件包括壁密封元件，所述壁密封元件由相对地向外延伸的弹性凸缘形成。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的组件，其中所述组件还包括多个用于支承管束的横向挡板；特别地，所述横向挡板包括金属网元件。

8.根据权利要求6或7所述的组件，其中所述纵向挡板的数量为n-1个，以在所述热交换器壳的入口和出口之间形成n程的迂回流体流动通路，其中n＞2；而且其中，所述横向挡板由n个段形成；特别地相邻纵向挡板之间的横向挡板的段具有的横截面与在所述相邻纵向挡板的相对双壁之间的横截面相对应。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的组件，其中管从管板经由所述横向挡板和横向端挡板延伸至管端板；而且所述壁元件在一端部处连接至所述管板而在另一端部处连接至所述端挡板。

10.根据权利要求9所述的组件，其中所述端挡板设置有密封件，以防止壳程之间的流体在所述端挡板周围产生旁流。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的组件，其中所述组件布置在所述热交换器壳中。

12.一种组装热交换器的方法，所述方法包括：

提供热交换器壳；

提供挡板和密封件的组件，所述组件包括：

多个纵向挡板；

至少一个纵向密封件；

和壁元件；

在所述热交换器壳外部组装所述挡板和密封件的组件，以获得叠置的纵向挡板构造，其中所述壁元件在间隔开的纵向挡板之间延伸，而且所述至少一个纵向密封件布置在所述壁元件上并远离所述纵向挡板；

将所述叠置的纵向挡板构造引入到所述热交换器壳中，以使得所述壁元件经由所述至少一个纵向密封件密封地接合抵靠所述热交换器壳。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供热交换器壳的步骤包括从所述壳中取出先前的热交换器内部零件。

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