CN102393159B - 一种具有u形管束防振装置的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，包括有U形管束、管壳和管箱，U形管束包括有两个直管段层和U形管段层，U形管段层呈阶梯状排列设置，其中，U形管段层设置有一组或者一组以上的防振组件；防振组件包括有夹持件、中心柱、限位件和连接件，夹持件分别设置于U形管段层中相邻的两根U形管段之间，夹持件的一端设置于U形管段层的内部，夹持件的另一端平伸至U形管段层的外部，夹持件的一端均设置有安装孔，中心柱穿设于安装孔、且其两端分别与连接件连接，限位件分别设置于夹持件的两侧、并与连接件固定连接。与现有技术相比，本发明具有结构简单、结构刚性好、管束质量高、使用寿命长的特点。

Description

一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器

技术领域

本发明涉及装备工程中的管壳式换热器技术，特别是涉及用于石油化工、煤炭化工、化肥工业、空调制冷、电力设施的热交换专用的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器。

背景技术

现有技术中，管壳式换热器是应用最为广泛的一种热交换器，管壳式换热器又称为列管式换热器或者列管式冷凝器，广泛应用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等领域中的“液——液”、“汽——汽”、“汽——液”热交换的对流传热，以及蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。

现有技术中的管壳式换热器通常的结构如图1所示，一般是由管束2、管壳3、管箱4等主要构件组成，其中，管束2是管壳式换热器的核心构件，管束2通常由换热管1、支持板（或者折流板）和管板组成，成排的换热管1通过支持板（或者折流板）支承，其两端穿进管板的管孔中，并与管板相连接，从而保证接头的密封性和强度。通过管束2与管箱4的隔板的组合，可以将换热管1分成几个流程，以便介质在换热管1内来回流动，从而能够延长换热流程，增加换热时间，充分地与管外的壳程介质换热。

当换热管1管内的热交换介质为冷介质，管外的热交换介质为强制对流的烟气时，则构成加热炉方式；当换热管1管内的热交换介质为热介质，管外的热交换介质为强制对流的空气时，则构成冷却器方式；加热炉方式和冷却器方式均为热交换器的一种热交换方式。这种管壳式换热器的制造工艺较为成熟，安全性能也较高，是换热设备中关键的能耗设备。根据间壁传热原理，一台换热设备的传热效率是通过传热能力相对较差的一侧传热能力反映，而就目前的结构而言，这一侧往往是壳程。因此，长期以来，人们往往通过改进壳程管束折流板的结构来改善整体换热设备的换热效果。

随着社会经济和技术的发展，石油化工装置的建设规模越来越大，新建换热器的结构尺寸和处理量也越来越大，旧装置的旧换热器的处理能力有时也要超负荷运行，换热器管束在强流体介质的冲击下发生振动，不但产生噪音污染环境，还磨损破坏换热管，造成设备内漏，从而影响化工产品的生产及质量，甚至向外泄漏而污染环境。

另一方面，现有技术中在用的普通U形管束一般都很少设置防振装置，目前在用的GB151-1999《管壳式换热器》关于管束振动的附件E属于参考件，设计标准中并没有关于U形管段防振强制结构的记载。并且，由于该标准历经十多年未作修订及补充，已无法满足工程技术的需要，如果这类U形管束的U形管段存在泡状沸腾的工况，则对防振的要求则更加严格，因此，针对U形管段的振动进行分析，研究各种不同的防振措施显得尤为重要。如：

中国发明专利申请（公开号为CN 85108586A）公开了一种“热交换器传热管的防振动支撑装置”，其技术方案为“包括插在相邻的传热管列之间的长方形薄支持板，且该支持板的两侧边缘上具有与该传热管相吻合的近似半圆形的缺口，插进该支持板时，是使支持板的内、外两面均面对着各传热管的外表面，且使该支持板的长度方向与各传热管的轴线相垂直，插到该传热管列之间，然后使该支持板以其长度方向的中心线为轴线转动90°，转动以后，支持板上得近似半圆形的缺口与各传热管相吻合。”上述技术方案是对管束的直管段采取的防振措施，不适用于U形管束的防振，而且传热管在受到振动的影响后，较易与支持板上的近似半圆形的缺口之间发生摩擦，从而影响传热管的使用寿命；同时安装、组装也较为复杂。

中国实用新型专利（授权公告号为CN 200958915Y）公开了一种“百万等级单列高压加热器分段式U形管防振栅架”，其技术方案为“由隔板、上支撑板、中间支撑板、下支撑板、顶板、栅板、加强圈组成，上支撑板、中间支撑板和下支撑板两端下面交叉，由加强圈固定，底部与隔板连接，上面均匀分开组成弧形，在上支撑板、中间支撑板、下支撑板中间的顶板上设有用于固定U形管的栅板。”上述技术方案是对U形管弯管处超过标准规定的无支撑长度部分采取分四段进行支撑，使每段管子的无支撑长度都控制在标准之内，防止U形管发生振动，延长加热器的运行寿命，提高机组的安全运行率。然而，该技术方案存在以下不足之处：

其一，依赖于隔板固定整体，各个部件均需与隔板进行固定连接。

其二，仅适用于弯曲半径单一的一排U形管。

其三，用于固定U形管的栅板只有一种长度规格，而且栅板只有一端连接起来，其结构刚性差，容易受外在因素影响于平行于管束的平面内发生偏移，因此，一般只能在电站行业的单列式加热器中应用。

其四，栅板的固定方式较为复杂，结构部件较多。

并且，上述提到的设置防振装置的U形管束中，还存在如下不足之处：

(1)由于对U形管束振动的机理认识尚不彻底，导致针对有害振动的各种预防措施的理论背景不明，具体表现在支持结构上形式零散，组件尺寸过大，阻碍流体流动，增大流动阻力，或者存在着流动滞止死区，导致传热效率降低；(2)对石油化工业等非电站行业常用的一台多管程换热器，管板在不同管程受热不均匀的情况下，不同象限的热应力和换热管与管板之间强度焊的约束力叠加，如果U形管的热膨胀不能自由伸长，在管板的内部将产生强大的剪切应力，导致从管板薄弱环节产生疲劳裂纹；(3)一般管板本身的强度设计及换热管与管头的连接强度设计，均未考虑同一U形管束中不同U形管段之间相互引起的热应力，如果把该热应力叠加到原来的设计载荷上，原来的结构设计强度就可能不够，因此U形管段的防振支持结构不应使不同管程的换热管之间有强制的相互牵扯，应能够各自沿管束的轴向自由伸展；(4)由于防振装置的结构偏差未得到控制，使得很多结构达不到设计的要求；(5) 仅对U形管段采取强制措施，使得防振效果不理想。

因此，针对上述现有技术中存在的问题进行改进，在工程技术领域具有极为深远和重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种能够提高管束质量，并延长管束使用寿命的具有U形管束防振装置的管壳式换热器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，包括有U形管束、管壳和管箱，所述U形管束包括有两个直管段层和U形管段层，所述U形管段层呈阶梯状排列设置，其特征在于：所述U形管段层设置有一组或者一组以上的防振组件；所述防振组件包括有夹持件、中心柱、限位件和连接件，所述夹持件分别设置于所述U形管段层中相邻的两根U形管段之间，所述夹持件的一段设置于所述U形管段层的内部，所述夹持件的另一段平伸至所述U形管段层的外部，所述夹持件的一段均设置有安装孔，所述中心柱穿设于所述安装孔、且其两端部分别与所述连接件连接，所述限位件分别设置于所述夹持件的两侧、并与所述连接件固定连接。

其中，夹持件的厚度与所述U形管段层中相邻的两根U形管段之间的间隙相匹配，且所述夹持件所在的平面与所述U形管段层的管束中心线所在的平面平行设置。

其中，夹持件的一端呈同一直线设置，且垂直于所述U形管段层的管束中心线所在的平面；所述夹持件的另一端呈阶梯状设置。

其中，夹持件的另一端超出所述限位件的长度为5mm～10mm。

其中，夹持件为直圆管、直圆杆、直方杆、直钢片和扁直钢管中的任一种夹持件。

其中，限位件的最外端与所述U形管束中位于最外层的U形管段之间的距离为20mm。

其中，限位件为弧形板状结构的限位件。

其中，U形管段层设置有两组或者两组以上的防振组件，所述防振组件沿所述U形管段层等间距设置。

其中，U形管束的直管段层和U形管段层的连接处设置有至少一个支持板。

其中，管壳上部的流体进口设置有防冲板，所述管壳下部的流体出口设置有防涡流装置。

本发明的有益效果：

本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，包括有U形管束、管壳和管箱，U形管束包括有两个直管段层和U形管段层，U形管段层呈阶梯状排列设置，其中，U形管段层设置有一组或者一组以上的防振组件；防振组件包括有夹持件、中心柱、限位件和连接件，夹持件分别设置于U形管段层中相邻的两根U形管段之间，夹持件的一段设置于U形管段层的内部，夹持件的另一段平伸至U形管段层的外部，夹持件的一段均设置有安装孔，中心柱穿设于安装孔、且其两端部分别与连接件连接，限位件分别设置于夹持件的两侧、并与连接件固定连接。与现有技术相比，本发明不同于现有技术中的防振装置仅考虑防振而不考虑换热管的热胀自由伸长的问题，能够同时满足换热管的热胀自由伸长以及预防流体诱导振动的要求，而且具有结构简单、结构刚性好、管束质量高、使用寿命长的特点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是现有技术中的一种管壳式换热器的结构示意图。

图2是本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器的U形管束的结构示意图。

图3是图2的“A”向的结构示意图。

图4是本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器的U形管束的另一种实施例的结构示意图。

在图1、图2、图3和图4中包括有：

1——换热管、

2——U形管束、21——直管段层、22——U形管段层、

3——管壳、4——管箱、5——流体进口、6——流体出口、7——支持板、

8——防振组件、81——中心柱、82——夹持件、83——限位件、84——连接件。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器的具体实施方式之一，参考图1所示，包括有U形管束2、管壳3和管箱4，U形管束2包括有两个直管段层21和U形管段层22，U形管段层22呈阶梯状排列设置，上述技术特征与现有技术中的管壳式换热器的结构相同。该管壳式换热器也具备现有技术中的管壳式换热器的其它基本结构。

需要说明的是，图2和图3中的X方向为U形管束的中心轴线的方向（即管束热胀伸长的方向），Y方向为U形管束中U形管段的层面方向，Z方向为U形管束中U形管层间方向。

本发明的改进之处在于，如图2和图3所示，U形管段层22设置有一组或者一组以上的防振组件8；防振组件8包括有夹持件82、中心柱81、限位件83和连接件84，夹持件82分别设置于U形管段层22中相邻的两根U形管段之间，夹持件82的一端设置于U形管段层22的内部，夹持件82的另一端平伸至U形管段层22的外部，夹持件82的一端均设置有安装孔，中心柱81穿设于安装孔、且其两端分别与连接件84连接，限位件83分别设置于夹持件82的两侧、并与连接件84固定连接。具体的为，限位件83包括第一限位件和第二限位件，连接件84包括第一连接件和第二连接件，夹持件82的两侧沿Y方向被第一限位件和第一限位件限位，不能沿夹持件82的两侧方向随意摆动，同时，第一限位件以及第二限位件的两端分别与设置于中心柱81上端面的第一连接件和设置于中心柱81下端面的第二连接件采用焊接的固定方式固定而不能随意松动。与现有技术相比，本发明不同于现有技术中的防振装置仅考虑防振而不考虑换热管1的热胀自由伸长的问题，能够同时满足换热管1的热胀自由伸长以及预防流体诱导振动的要求，而且具有结构简单、结构刚性好、管束质量高、使用寿命长的特点。

具体的，夹持件82的厚度与U形管段层22中相邻的两根U形管段之间的间隙相匹配，且夹持件82所在的平面与U形管段层22的管束中心线所在的平面平行设置。

具体的，夹持件82的一端呈同一直线设置，且该直线垂直于U形管段层22的管束中心线所在的平面；夹持件82的另一端呈阶梯状设置。夹持件82应能够与U形管段层22中的U形管段一起沿管束的轴线方向自由伸展。

具体的，夹持件82的另一端超出限位件83的长度为5mm～10mm。U形管束2的不同U形管段之间不应有强制的相互牵扯，应能够各自沿管束的轴线方向自由伸展。

具体的，夹持件82为直圆管、直圆杆、直方杆、直钢片和扁直钢管中的任一种夹持件82。

具体的，限位件83的最外端与U形管束2中位于最外层的U形管段之间的距离为20mm。限位件83的最外端与最外层的U形管段的表面之间留有20mm的间隙，相连后的限位件83的最外端并不是紧密包裹到最外层的U形管段的表面。

具体的，限位件83为弧形板状结构的限位件83。

具体的，U形管束2的直管段层21和U形管段层的连接处设置有至少一个支持板7。能够缩短U形管段层22中各个U形管的悬臂结构长度，也消除流体流经U形管段的横向流速，避免引起振动。

具体的，管壳3上部的流体进口5设置有防冲板，管壳3下部的流体出口6设置有防涡流装置。通过在管壳3的流体进口5和流体出口6分别采取相应的措施，同时再连同防振组件8一起使得防振效果好。

本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器的组装步骤包括：

第一，按传统的方式制作U形管束2、U形管束2的管板、支持板7等部件，同时增加制作中心柱81、夹持件82、连接件84、限位件83等防振组件8。

第二，再按传统的方式组装管束的同时，在每一层U形管段的上面增加放置相应长度的一块夹持件82。

第三，继续按传统的方式组装U形管，当组装了两层U形管段时，增加安装中心柱81。

第四，继续组装U形管段和夹持件82，直至完毕。

第五，再安装防振组件8中的限位件83，其两端与连接件84相焊接。

第六，将中心柱81的上下两端分别与连接件84的上下两端相焊接。

传统的管壳式换热器已在各种炼油、化工、化肥、空冷等热交换器中广泛应用，并且已经产生了巨大的经济效益。本发明适用于各种不同弯曲半径的U形管组合到一起的一组U形管束2，且其夹持件82与不同的U形管的弯曲半径拥有相应长度的规格，夹持件82的一端被中心柱81固定限定，其两侧均分别被限位件83限位，具有整体结构刚性好的特点，能够在多种行业的U形管排或管束中加以应用。

实施例2

本发明的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器的具体实施方式之二，如图4所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，U形管段层22设置有两组防振组件8，防振组件8沿U形管段层22等间距设置。另外，根据管束直径的大小以及设计的需要，U形管段层22上安装的防振组件8的数量还可以为三组或者其它数量。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，包括有U形管束、管壳和管箱，所述U形管束包括有两个直管段层和U形管段层，所述U形管段层呈阶梯状排列设置，其特征在于：所述U形管段层设置有一组或者一组以上的防振组件；所述防振组件包括有夹持件、中心柱、限位件和连接件，所述夹持件分别设置于所述U形管段层中相邻的两根U形管段之间，所述夹持件的一段设置于所述U形管段层的内部，所述夹持件的另一段平伸至所述U形管段层的外部，所述夹持件的一段均设置有安装孔，所述中心柱穿设于所述安装孔、且其两端部分别与所述连接件连接，所述限位件分别设置于所述夹持件的两侧、并与所述连接件固定连接；所述限位件为弧形板状结构的限位件；所述限位件包括第一限位件和第二限位件，所述连接件包括第一连接件和第二连接件，第一限位件以及第二限位件的两端分别与设置于中心柱上端面的第一连接件和设置于中心柱下端面的第二连接件采用焊接的固定方式固定；所述夹持件的厚度与所述U形管段层中相邻的两根U形管段之间的间隙相匹配，且所述夹持件所在的平面与所述U形管段层的管束中心线所在的平面平行设置；

所述夹持件的一端呈同一直线设置，且垂直于所述U形管段层的管束中心线所在的平面；所述夹持件的另一端呈阶梯状设置；所述夹持件的另一端超出所述限位件的长度为5mm～10mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，其特征在于：所述夹持件为直圆管、直圆杆、直方杆、直钢片和扁直钢管中的任一种夹持件。

3.根据权利要求1所述的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，其特征在于：所述限位件的最外端与所述U形管束中位于最外层的U形管段之间的距离为20mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，其特征在于：所述U形管段层设置有两组或者两组以上的防振组件，所述防振组件沿所述U形管段层等间距设置。

5.根据权利要求1所述的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，其特征在于：所述U形管束的直管段层和U形管段层的连接处设置有至少一个支持板。

6.根据权利要求1所述的一种具有U形管束防振装置的管壳式换热器，其特征在于：所述管壳上部的流体进口设置有防冲板，所述管壳下部的流体出口设置有防涡流装置。

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