CN102384696B

CN102384696B - 热交换器

Info

Publication number: CN102384696B
Application number: CN 201110184146
Authority: CN
Inventors: 周人; 黄锐
Original assignee: SHANGHAI KEYONTECHS DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Keyon Process Co ltd
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: WO2013004153A1; CN102384696A

Abstract

本发明公开了一种热交换器，其包括一壳体，所述壳体的顶部设有一尾气排放口，所述壳体的底部设有一进气口和一出液口，在所述壳体内沿所述壳体的短轴方向设有用于流通冷却介质的若干玻璃管单元，所述玻璃管单元的首、尾端均延伸至所述壳体的外部，相邻的所述玻璃管单元依次首尾相连通从而形成一单向导流的冷却介质流道。本发明由玻璃管形成的单向导流的冷却介质通道能够耐受高温和强腐蚀，避免在高温和强腐蚀性环境中发生设备变形和腐蚀损毁现象，确保了热交换器长时间使用，提高热交换器的使用安全性和流畅性。另外，沿短轴方向设置玻璃管能有效缩短玻璃管的长度，提高玻璃管的刚性，克服玻璃管过脆、耐热冲击性差、易破裂的问题。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，特别是涉及一种用于高温、强腐蚀性介质冷凝的热交换器。

背景技术

工业上可处理高温、强腐蚀性介质的热交换器种类有限，结构复杂，操作不方便，且运行中多数存在因腐蚀导致的设备缺陷问题。通常，热交换器包括一壳体，在壳体内设有通冷却介质的换热管。所述壳体的长轴方向与其侧壁相平行，侧壁的两端部分别为壳体的顶部和底部，位于热交换器内部的换热管的延伸方向与该长轴(侧壁)相互平行。根据热交换器的放置方式可分为卧式热交换器以及立式热交换器，其中卧式热交换器的长轴与放置表面(地面)相平行，而立式热交换器的长轴则与放置表面向垂直。

为解决上述问题目前交换器通常采用以下两种方式：一种是采用高等级的耐腐蚀材料，例如采用贵重金属耐腐蚀材料来制作热交换器的换热管。另一种是采用在与强腐蚀性介质接触的换热管表面衬或者搪一层耐腐蚀性材料，例如搪烧一层工业搪瓷作为耐腐蚀层。但这两种方法均存在较大的缺陷，使用贵重金属合金成本高，造价昂贵，而内衬耐腐蚀材料的办法存在施工困难，易破裂，不耐高温腐蚀等问题。

此外，将聚四氟乙烯制作换热管的热交换器也十分普遍，虽然其可用于强腐蚀性介质换热，但聚四氟乙烯换热管传热阻力大，传热效率差，使用面狭窄，特别不适用于高热负荷的热交换器。同时由于许多强腐蚀介质换热过程必须在高温条件下进行，此时聚四氟乙烯换热管易发生热老化，而微弱变形，随着变形的日益增加，会严重会影响冷却介质在其内部流动的流畅性，和热交换器设备的使用安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的热交换器无法满足高温条件下对强腐蚀性介质进行冷凝处理，使用寿命较短，组装过程较为复杂的缺陷，提供一种能够在高温条件下对强腐蚀性介质进行冷凝处理，使用寿命较高，且冷凝效果更佳(冷凝产物浓度更高)的热交换器。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种热交换器，其包括一壳体，所述壳体的顶部设有一尾气的排放口，所述壳体的底部设有一出液口，其特点在于，在所述壳体内沿所述壳体的长轴方向设有用于流通冷却介质的若干玻璃管，所述玻璃管均跨设于所述壳体的两侧壁之间，所述玻璃管位于该冷却介质上游的一端为首端，位于该冷却介质下游的一端为尾端，在该冷却介质的上游和下游之间相邻的所述玻璃管首尾相连通从而形成至少一条单向导流的冷却介质流道。由玻璃管形成的单向导流的冷却介质通道能够耐受高温和强腐蚀，避免在高温和强腐蚀性环境中发生变形和腐蚀现象，从而确保长时间使用中冷却介质的流畅性，以及热交换器使用中的安全性。另外，沿热交换器长轴方向在热交换器侧壁间横向设置玻璃管能有效缩短玻璃管的长度，提高玻璃管的刚性，克服玻璃管过脆、耐热冲击性差、易破裂的问题。上述玻璃管可以采用硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等或者化学领域中其他公知的能耐高温防腐蚀的玻璃，在此不做限制。

需要说明的是，当上述壳体为一圆柱体时，该圆柱体的轴线延伸方向即为所述壳体的长轴方向，而圆柱体绕该轴线回旋所形成的表面则为所述的侧壁。

另外，所述玻璃管的首端和尾端可均位于所述壳体内部，此时所述玻璃管的首、尾通过适配的玻璃管道连接。在此对所形成的冷却介质流道的形状不做限制，其可以为“弓”字型、“Z”字型或者其他形状。

其中，所述冷却介质流道设有一冷却介质进口和一冷却介质出口，所述冷却介质进口靠近所述顶部，所述冷却介质出口靠近所述底部。尤其当冷却介质为空气时，为配合冷空气下降的特性，上进下出的流向设计能进一步提高冷却介质的流动性，提高介质流速，继而提高冷凝效率。

为使玻璃管的长度设置最短，所述玻璃管的延伸方向与所述长轴方向垂直(即与热交换器的短轴平行)，并且所述玻璃管的首、尾均延伸至所对应的侧壁的外部。此时可在壳体外部对玻璃管进行连接，装配更为方便。

尤其当所述热交换器为立式热交换器时，横置的玻璃管的受力更为均匀，安装方便，不易破裂。

较佳地，所述玻璃管为等距离均匀分布并沿所述长轴方向被分成若干玻璃管单元；每个所述玻璃管单元中的所述玻璃管的首端位于同侧，所述玻璃管的首端所在的一侧形成所述玻璃管单元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一侧形成所述玻璃管单元的尾部，在该冷却介质上游和下游之间相邻的所述玻璃管单元的首尾错位设置并通过一管箱首尾连通。该结构能有效增加冷却介质的流动面积，增大单位时间里冷却介质的输入量，提高冷却速度。此外，将玻璃管单元化并将相邻的单元通过管箱连接能有效节省装配时间，提高热交换器的生产效率。再者，均匀分布的玻璃管能使得整台热交换器的换热更为均匀。

当然，所述玻璃管单元中的玻璃管的排列方式可以为矩阵形式或者为发散形式；此外首尾相连的两组玻璃管单元中的玻璃管数量可以相等或不相等，在此不做限制。

而所述管箱与相应的侧壁之间可通过螺栓等便于拆卸的紧固件进行连接。便于对管道和玻璃管进行清洗。

其中，相邻的所述玻璃管之间通过“U”型管道连通。“U”型管道能对玻璃管内的冷却介质起到更好的导向作用，避免在两根玻璃管的交汇处形成湍流。该“U”型管道的材质可以为橡胶、金属或者玻璃。除此之外，本领域技术人员也可采用现有技术中其他的管连接件将玻璃管首尾连通。

其中，所述冷却介质进口和冷却介质出口分别设于两个所述管箱上。

其中，所述玻璃管的两端分别穿设于一紧固件中，所述紧固件穿设于所述侧壁上。

其中，所述紧固件与所述侧壁为间隙配合；所述紧固件与所述侧壁上对应的内表面和/或外表面之间还设有一O型密封圈。紧固件与侧壁为间隙配合，也就是说该紧固件的外径略大于侧壁上对应的安装部位的孔径。一方面有利于玻璃管的装配，更重要的是可以抵消壳体以及壳体上的内衬物由于热膨胀而对紧固件和玻璃管产生的剪切力，避免玻璃管发生破裂。

其中，在所述排放口的上游还设有一用于捕集分离液体颗粒的过滤机构。冷凝处理后的废气中难免存在离液体颗粒，通过过滤机构过滤防止这些离液体颗粒被排放到大气中。

较佳地，所述过滤机构为纤维滤板。

其中，在所述壳体的内壁上还设有一防腐蚀保护层。该结构能对壳体起到防腐蚀的保护作用，提高壳体的使用寿命。

较佳地，在所述防腐蚀保护层为聚四氟乙烯板材。

其中，所述壳体靠近所述出液口的部位沿着排液方向逐渐缩小。有利于集中回收具有黏性的冷凝产物，避免冷凝产物在壳体内发生挂壁现象。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的热交换器利用玻璃管替代现有技术中的贵金属或聚四氟乙烯换热管，并形成一单向导流的冷却介质流道，提高了热交换器在高温、强腐蚀环境下的使用寿命。在侧壁之间跨设玻璃管能有效缩短其长度，提高其强度。

进一步地，自上而下的单向导流的冷却介质流向能避免冷却介质在流道内发生湍流，继而提高热交换器的换热效率。

更进一步地，当冷凝后的液态强腐蚀性介质回到壳体底部时会遇上自壳体底部输入的高温气态强腐蚀性介质以及位于壳体底部的换热后的冷却介质，受到它们的高温影响，液态强腐蚀性介质中的水分得以被进一步的蒸发，从而提高冷凝产物的浓度。

此外，由于换热效率提高、冷却充分，使得冷却介质排出的温度相较现有技术提高，通过与现有的热能回收装置连接则可对这股热能进行二次利用，更为环保节能。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例1中的热交换器的结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例1中玻璃管与壳体侧壁连接的结构示意图。

图3为本发明的热交换器中的冷却介质流道的一种结构示意图。

图4为本发明的热交换器中的冷却介质流道的另一种结构示意图。

图5为本发明的较佳实施例2中的热交换器的右侧结构示意图。

图6为本发明的较佳实施例3中的冷却介质流道的结构示意图。

图7为图6中的第一层玻璃管的俯视图。

图8为本发明的较佳实施例4中的热交换器的结构示意图。

图9为图8中的热交换器的右侧结构示意图。

图10为实施例4中玻璃管单元的另一结构示意图。

图11为本发明的较佳实施例1中的热交换器的右视图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。为叙述方便，以下实施例均采用立式热交换器进行说明，下文中所称“左”、“右”与图1本身的左、右方向一致；但这不能成为对本发明的限制。附图中的圆圈和叉分别表示流向相反的两根玻璃管。

实施例1

如图1所示，与现有技术相同的本实施例中的热交换器包括一竖直放置的长方形的壳体1，该壳体1的顶部具有一排放废气的排放口11，在壳体1的底部具有一个输入硫酸蒸汽的进气口12。在进气口12的下方还具有一个排液口13，用于排出冷凝后的浓硫酸。其中，该壳体1的底部成半圆形结构，排液口13位于圆形结构的最下方。当然，壳体1底部可以为其他沿液体排出方向逐渐缩小的结构，例如倒三角形或者倒梯形。另外，壳体1的顶部位于排放口11的上游设有一作为过滤机构的纤维滤板3，用于过滤冷凝后产生的尾气中的液态小颗粒。

与现有技术不同的是，在壳体1左、右两侧壁之间沿着长轴方向(即图1中竖直方向)垂直设有十二根玻璃管(如图11所示)，所有玻璃管的两端均延伸至壳体1的外部。在作为冷却介质的冷空气的流动方向的上游和下游之间相邻的两根玻璃管，即图1中上、下相邻的两根玻璃管依次首(端)尾(端)相连，从而形成一自上而下、单向导流的冷却介质流道。本实施例中，相邻的两根玻璃管的通过一“U”型橡皮软管23连通。

该冷却介质流道包括一位于壳体1上部的冷却介质进口和一位于壳体1下部的冷却介质出口，冷空气从冷却介质进口进入，沿着冷却介质流道流动至冷却介质出口被排出。本实施例中，该冷却介质进口为玻璃管21的首端，冷却介质出口为玻璃管22的尾端。

此外，如图2所示，在壳体1的侧壁内表面上还设有作为防腐保护层的聚四氟乙烯板材14，用于防止壳体1与强腐蚀性介质直接接触，影响其使用寿命。

下面结合图2以玻璃管21为例进一步说明玻璃管与壳体1的连接关系。

玻璃管21端部穿设于一螺栓41中，而螺栓41穿设于壳体1的侧壁上随后用螺母43将其固定在壳体1上。其中，螺栓41与壳体1的侧壁以及侧壁内表面的聚四氟乙烯板材14为间隙配合，从而为聚四氟乙烯板材14留下受热膨胀的空间，避免其受热膨胀后对螺栓41和玻璃管21产生挤压导致玻璃管21破裂。在螺栓41与聚四氟乙烯板材14之间还设有一密封圈42从而将安装玻璃管21的部位有效密封，防止硫酸蒸汽从装配部位泄漏。

需要说明的是，壳体中设置的玻璃管数量可根据实际情况进行增减，例如用于实验室使用的小型热交换器的玻璃管数量较少，而用于大型产业批量生产的热交换器的玻璃管数量则会较多。

当然，所有玻璃管的两端也可以位于壳体1的内部，相邻的玻璃管通过垂设的玻璃管道23’连接，从而形成图3所示的“弓”字型结构。也可将相邻的玻璃管的首尾端直接相连，从而形成图4所示的“Z”字型。在这两种结构下，位于最上端的玻璃管的首端以及位于最下端的玻璃管的尾端分别与一外接的管道连通，从而形成该冷却介质流道的冷却介质进口和冷却介质出口。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，该热交换器自前向后并排设有四条冷却介质通道。其中，每个虚线框中为一条冷却介质通道，其构成与实施例1中的相同，在此不再赘述。

所述四条冷却介质通道的冷却介质进口可以同一个，也可以相互独立，这并不会影响每条冷却介质通道单向导流的特点。

实施例3

所述的冷却介质流道并非仅限于在竖直平面中设置。其可在确保冷却介质流道单向导流且总体上自上而下输送冷却介质同时，在多个水平面内进行延伸。

如图6所示，以第一层玻璃管来说，在玻璃管21的后方并排、首尾错位设置三根玻璃管，相邻的玻璃管首尾连接后形成图7所示结构，而该层最后一根玻璃管21’的尾端则与第二层中的一根玻璃管的首端连接，第二层玻璃管的连接方式可参照第一层，依次类推，直至将玻璃管21和玻璃管22中的所有玻璃管全部连通。该结构能在确保留冷却介质导向性的前提下适用于壳体横截面较大的热交换器。

实施例4

如图8和图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的玻璃管为均匀分布并沿长轴方向被划分成十二个玻璃管单元，每组玻璃管单元中均包含多根沿水平面分布的玻璃管。同一玻璃管单元中的玻璃管的首端位于壳体1的同侧从而形成了该玻璃管单元的首部，同理由这些玻璃管的尾端形成该玻璃管单元的尾部。并且，在冷空气的上游和下游之间相邻的两组玻璃管单元，即沿竖直方向相邻的两组玻璃管单元的首部和尾部错位设置，并通过设于壳体1外壁上的管箱连通。在最上方的一个管箱上设有冷却介质进口51，在位于最下方的一个管箱上设有冷却介质出口52，因此冷空气自左向右进入、自上而下流动。

具体地，在壳体1的左、右两侧上、下错位地设置若干管箱。自上而下第一组玻璃管单元61的首部位于左侧上方的第一管箱53内，尾部位于右侧上方的第二管箱54内；自上而下第二组玻璃管单元62的首部位于第二管箱54内，尾部位于第一管箱53下方的第三管箱55内；自上而下第三组玻璃管单元63的首部位于第三管箱55内，尾端位于第二管箱54下方的第四管箱56内，依次类推，从而形成多通道、单向导流的冷却介质流道。

所有的管箱均通过螺栓与壳体连接。另外，位于同侧的管箱可为一体成型，包括一从第一组玻璃管单元61上方延伸到最后一组玻璃管单元的本体，然后由若干的导风板将由该本体和侧壁形成的腔室分割成相互独立的导风腔。相邻的玻璃管单元通过导风腔联通，具体连接方式见上述。

另外，如图10所示，玻璃管单元61’中玻璃管的排布也可为三维空间分布的矩阵形式。从而能在节省空间的基础上起到增加空气流动面积，提高流量和冷却效率的目的。

本实施例中，该壳体1的长宽高依次为2米，1.5米和8米。十二组玻璃管单元中的玻璃管总数为3250根，且每根的长度为1.6米。在此是结构下通入280℃、0.02MpaG，含有1.5％H₂SO₄，3.08％SO₃，5.43％H₂O(其余部分为惰性组分)的硫酸蒸汽，上述百分百为摩尔百分百。经过热交换后硫酸蒸汽冷却至110℃，交换器底部收集到98％浓度的浓硫酸，顶部送出的硫酸蒸汽包含极少数的硫酸，且经过换热后的排出的空气温度为240℃。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种热交换器，其包括一壳体，所述壳体的顶部设有一尾气的排放口，其特征在于：所述壳体的底部设有一出液口，在所述壳体内沿所述壳体的长轴方向、在两侧壁之间跨设有若干用于流通冷却介质的玻璃管，所述玻璃管的延伸方向与所述长轴方向垂直，并且所述玻璃管的首、尾均延伸至所对应的侧壁的外部，所述玻璃管位于该冷却介质上游的一端为首端，位于该冷却介质下游的一端为尾端，在该冷却介质的上游和下游之间相邻的所述玻璃管首尾相连通从而形成至少一条单向导流的冷却介质流道，所述冷却介质流道设有一冷却介质进口和一冷却介质出口，所述冷却介质进口靠近所述顶部，所述冷却介质出口靠近所述底部，所述玻璃管为均匀分布并沿所述长轴方向被分成若干玻璃管单元；每个所述玻璃管单元中的所述玻璃管的首端位于同侧，并形成所述玻璃管单元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一侧形成所述玻璃管单元的尾部，在该冷却介质上游和下游之间相邻的所述玻璃管单元的首尾错位设置并通过一管箱首尾连通；所述玻璃管的端部穿设于一螺栓中，而所述螺栓穿设于壳体的侧壁上随后用螺母将其固定在所述壳体上，其中，所述螺栓与所述壳体的侧壁以及侧壁内表面的聚四氟乙烯板材为间隙配合，在所述螺栓与所述聚四氟乙烯板材之间还设有一密封圈；所述壳体靠近所述出液口的部位沿着排液方向逐渐缩小。

2.如权利要求1中任一项所述的热交换器，其特征在于，在所述排放口的上游还设有一用于捕集分离液体颗粒的过滤机构。

3.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述过滤机构为纤维滤板。