CN102564203B - 一种复合式双管板结构的管程式换热器 - Google Patents

一种复合式双管板结构的管程式换热器 Download PDF

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本发明公开了一种复合式双管板结构的管程式换热器，包括壳程筒体(5)、换热管(4)和换热管板，换热管板是由基层管板(2)和覆层管板(1)组成的周边密封、中间设有空腔的一体结构，空腔为基层管板(2)布管区域沿换热器轴向凹陷的空腔；基层管板(2)上部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板(2)内的、上通外界、内与空腔连通的放空管口(3)；基层管板(2)下部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板(2)内、下通外界、内与空腔连通的放净管口(6)。本发明所述的换热器充分保留了双管板换热器的优点，可以有效防止管壳程介质掺混，同时又克服了很多现有双管板结构的缺点，有效降低了双管板换热器的加工难度和制造成本。

Description

一种复合式双管板结构的管程式换热器
技术领域
本发明涉及化工设备领域，进一步地说，是涉及一种复合式双管板结构的管程式换热器。
背景技术
双管板管壳式换热器的管程与壳程之间有两块管板，由于其结构和作用比较特殊在石油和化工领域中占有重要地位。换热管与管板的连接处是管壳式换热器的薄弱环节，较容易发生泄漏并导致管、壳程介质的混合。在有些情况下，这种泄露是要绝对禁止的，比如：两种介质的混合会发生爆炸、严重腐蚀、催化剂中毒或者物料的污染变质。此时采用双管板结构是最为合适的。
目前常用的双管板形式包括三种，整体连接式(Integral DoubleTubesheets)、筒节焊接式(Connected Double Tubesheets)和分离式(SeparateDouble Tubesheets)。分布如图1(a～c)所示。
整体连接式双管板通常由两个管板锻件焊接而成，如图1(a)，这种连接方式可把轴向载荷和径向热膨胀载荷分布到两块管板间，并可防止两块管板径向产生不同的变形量；此类管板须有足够的刚度来传递管板间的径向载荷；管束也需有足够的刚度来传递管板间所有轴向机械载荷和热载荷。筒节焊接式双管板是由一个筒节连接两个管板而成，如图1(b)，此筒节常被称为“聚液壳”；此种连接方式是以上三种形式中最常用的一种。分离式双管板没有聚液壳或连接件，在两管板之间没有载荷的传递(仅靠管束连接)，如图1(c)；此类型结构中，管板间不同的径向变形量是影响管束应力及管板间距的主要因素。分离式双管板在实际中应用最少。
虽然以上三种双管板结构都能实现管壳程介质的有效阻隔，在工程上时有应用，但也存在着一些问题。第一，换热管利用率低：由于壳程管板与管程管板之间间隙g比较大，使换热管的有效传热长度明显缩小，换热面积减少。第二，制造的难度非常大：尤其是内外管板的垂直度、管孔的同心度要求非常严格。在实际制造中经常出现换热管不能同时穿过内外管板的情况，或勉强同时穿过但因为需要过度扩孔而导致胀接强度不够。第三，生产成本高：每台换热器都要多出两块管板，明显增加了投资，而且在实际设计中内外两块管板的厚度通常相差无几，没有起到相互加强作用。
简而言之，双管板换热器的性能比较优越，但是结构复杂、加工难度大、制造成本高等特点明显限制了其在工业领域中的应用；相对于单管板换热器而言，双管板的应用比例极低。因此双管板换热器的今后的发展趋势是如何根据具体应用情况改进结构，使其更加简便易用、性能可靠。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种复合式双管板结构的管程式换热器，它在外形上更接近常规的单管板，尤其适用于换热器的管壳程温差较小的场合。本发明充分保留双管板的优点，可以有效隔绝管壳程介质，防止在操作中可能出现的介质掺混；同时又简化了常规的双管板结构，具有单管板的成本低、结构简单、制造上容易实现等优点。
本发明的目的是提供一种复合式双管板结构的管程式换热器。
包括壳程筒体5、换热管4和换热管板，
换热管板是由基层管板2和覆层管板1组成的周边密封、中间设有空腔的一体结构，所述空腔为基层管板2的布管区域沿换热器轴向凹陷的空腔；
基层管板2上部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板2内的、上通外界、内与所述空腔连通的放空管口3；
基层管板2下部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板2内、下通外界、内与所述空腔连通的放净管口6；
基层管板2的布管区域沿换热器轴向凹陷量为2～4mm；
覆层管板1的厚度为10～25mm；
覆层管板1的布管区域内设有用于塞焊的开孔，所述开孔在覆层管板1上均匀分布，并且相互间距离不小于200mm；
所述的换热管4沿换热器轴向穿过覆层管板1和基层管板2的换热管孔，覆层管板1上的换热管孔直径比基层管板2上的换热管孔径大0.1～1mm；
所述基层管板2和覆层管板1之间采用焊接连接，焊接的焊缝为角焊缝，且角焊缝处开有坡口；
所述换热管4与基层管板2之间采用强度胀连接，换热管4与覆层管板1之间采用焊接连接。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明所述的复合式双管板结构的管程式换热器包括壳程筒体5、换热管4和换热管板，换热管板是由基层管板2和覆层管板1组成的周边密封、中间设有空腔的一体结构，所述空腔为基层管板2的布管区域沿换热器轴向凹陷的空腔，覆层管板1(即管程管板)的周边与和基层管板2(即壳程管板)相焊接，基层管板的布管区域向内凹陷，使两管板之间保持一定的距离，所有换热管4沿换热器轴向穿过覆层管板1和基层管板2的换热管孔。放空管口3和放净管口6开设在基层管板2上，可以探测两管板之间可能的泄漏。
基层管板2和覆层两管板1之间直接焊接，没有连接元件，形成外形类似于单管板的复合结构，基层管板2起主要承载作用，覆层管板1对双管板系统的加强作用不予考虑。
本发明中基层管板2在布管区域沿换热器轴向少量凹陷Δ，一般为Δ＝2～4mm，使两管板之间形成一个浅层空腔。该空腔可称为聚液腔；它可以将换热器的管程、壳程隔绝开来，以杜绝两程中的介质掺混。本发明省去了常规双管板换热器的聚液壳(聚液短节)或其它形式的连接件，使结构大为简化。本发明中覆层管板和基层管板通过周边的焊缝连接在一起(一般为角焊缝)。此连接焊缝承受着两块管板在温差作用下径向变形不一致而产生的应力，因此非常重要。为了提高连接强度，该角焊缝处应开有坡口，并且基层管板和覆层管板应采用可焊性良好且线膨胀系数相近的金属材料制作。
当基层管板兼作设备法兰时，法兰密封面需位于覆层管板2上，且覆层管板的外缘不得接触法兰的螺栓孔。
本发明所述的管程式换热器尤其适用于管壳程介质平均温差不超过30℃的场合。当壳程公称直径较大(超过800mm)，或当管壳程介质平均温差超过20℃时，可在覆层管板的布管区域开孔，并与基层管板塞焊，塞焊的目的是增强基层、覆层管板之间的整体性。塞焊点在管覆层板上是均匀布置的，离周边换热管孔之间需要有实现焊接所必需的距离，有时候塞焊点要占据换热管孔的位置。塞焊点不必布置太密，两两间距宜在200mm以上(约为覆层管板厚度的20倍)。
本发明中的双管板有主辅之分。基层管板为主并起主要承载作用，其所需厚度δ1按单管板考虑。覆层管板仅起阻隔作用，其厚度δ2只需要满足制造、焊接所需的刚性要求即可，一般在10～25mm之间。
本发明所述的换热器的复合式双管板结构中，换热管与基层管板之间需采用强度胀连接，换热管与覆层管板之间采用焊接连接。为了让换热管顺利过覆层管板(此时换热管与基层管板的胀接已经完毕)，覆层管板上的换热管孔直径φ2可略大于基层管板上的管孔直径φ1，增加值在0.1～1mm之间。
本发明具有如下效果：
1)传统双管板换热器的内、外管板间距g通常比较大(通常g＝100～300mm)，因此其制造难点在于如何使换热管顺利穿过内外两块管板，并同时保证换热管与内管板的胀接效果；也正因为此，传统双管板换热器对两管板管孔的同心度、平行度有着非常苛刻的要求。本发明中覆层管板(即外管板)与基层管板(即内管板)之间聚液腔的空隙Δ很窄，一般Δ＝2～4mm，因此明显降低了换热管穿过内外管板的难度，降低了对两管板管孔的同心度、平行度的要求，从而明显降低了制造双管板换热器的难度。
2)本发明由于省去了两管板之间的连接筒节或连接件，因此简化了结构和制造程序、降低了制造难度，使双管板换热器的制造质量易于保证。
3)本发明中覆层管板(即外管板)的厚度只需要满足制造、焊接所需的刚性要求即可。因此相对于传统双管板结构而言，本发明中外管板的厚度可以大幅度减薄，这可以有效减少投资、降低制造难度。
4)本发明中内、外管板之间聚液腔的空隙Δ很窄，这可以有效减少换热管的无效长度，并明显增加了有效换热面积。
本发明充分保留了双管板换热器的优点，可以有效防止管壳程介质掺混，同时又克服了很多现有双管板结构的缺点，有效降低了双管板换热器的加工难度和制造成本。
附图说明
图1(a)现有技术中的整体连接式双管板结构示意图
图1(b)现有技术中的筒节焊接式双管板结构示意图
图1(c)现有技术中的分离式双管板结构示意图
图2(a)实施例的换热器中的复合式双管板结构的侧视图
图2(b)实施例的换热器中的复合式双管板结构的剖视图
图3为图2-Ⅰ的局部放大图
图4为图2-Ⅱ的局部放大图
图5为图2-Ⅲ的局部放大图
图6复合式双管板结构的管程式换热器整体示意图
附图标记说明：
1-覆层管板 2-基层管板 3-放空管口 4-换热管 5-壳程筒体 6-放净管口
7-强度焊 8-强度胀 9-塞焊
Δ-基层管板的布管区域凹陷量δ1-基层管板厚度
δ2-覆层管板厚度 φ1-基层管板上的换热管孔直径
φ2-覆层管板上的换热管孔直径
g-壳程管板与管程管板之间间隙
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例
如图2～5所示：
复合式双管板结构的管程式换热器包括：
壳程筒体5、换热管4和换热管板，
换热管板是由基层管板2和覆层管板1组成的周边密封、中间设有空腔的一体结构，所述空腔为基层管板2的布管区域沿换热器轴向凹陷的空腔，凹陷量为2mm，
基层管板2上部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板2内的、上通外界、内与所述空腔连通的放空管口3；
基层管板2下部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板2内、下通外界、内与所述空腔连通的放净管口6；
覆层管板1和基层管板2采用焊接连接，焊接的焊缝为角焊缝，且角焊缝处开有坡口；
覆层管板1的厚度为20mm，基层管板的厚度为55mm，
换热管4沿换热器轴向穿过覆层管板1和基层管板2的换热管孔，覆层管板1上的换热管孔直径比基层管板2上的换热管孔径大0.55mm；
换热管4与基层管板2之间采用强度胀连接，换热管4与覆层管板1之间采用强度焊连接；
覆层管板1的布管区域内设有2个开孔，与基层管板2塞焊；两塞焊点对称布置，位于覆层管板1的竖直中心线上、到水平中心线距离为150mm；
基层管板2兼作壳程的法兰设备；
换热器公称直径750mm，换热管长度4000mm、数量574根、规格Φ19X2.0mm。管/壳侧设计压力为1.6/1.1MPa，管/壳侧设计温度为50/65℃，管侧介质进出口温度9/4℃，壳侧介质进出口温度14/23℃。管侧介质环氧丙烷，壳侧介质冷却水。

Claims (9)

1.一种复合式双管板结构的管程式换热器，包括壳程筒体（5）、换热管（4）和换热管板，其特征在于：
所述换热管板是由基层管板（2）和覆层管板（1）组成的周边密封、中间设有空腔的一体结构，所述空腔为基层管板（2）的布管区域沿换热器轴向凹陷的空腔；
基层管板（2）上部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板（2）内的、上通外界、内与所述空腔连通的放空管口（3）；
基层管板（2）下部设有沿垂直于换热管方向插入基层管板（2）内、下通外界、内与所述空腔连通的放净管口（6）；
所述覆层管板（1）的布管区域内设有用于塞焊的开孔。
2.如权利要求1所述的管程式换热器，其特征在于：
所述基层管板（2）的布管区域沿换热器轴向凹陷量为2～4mm。
3.如权利要求1所述的管程式换热器，其特征在于：
所述覆层管板（1）的厚度为10～25mm。
4.如权利要求1所述的管程式换热器，其特征在于：
所述开孔在覆层管板（1）上均匀分布，并且相互间距离不小于200mm。
5.如权利要求1所述的管程式换热器，其特征在于：
所述换热管（4）沿换热器轴向穿过覆层管板（1）和基层管板（2）的换热管孔；
所述覆层管板（1）上的换热管孔直径比基层管板（2）上的换热管孔径大0.1～1mm。
6.如权利要求2所述的管程式换热器，其特征在于：
所述覆层管板（1）的厚度为10～25mm；
所述覆层管板（1）的布管区域内设有用于塞焊的开孔，所述开孔在覆层管板（1）上均匀分布，并且相互间距离不小于200mm；
所述的换热管（4）沿换热器轴向穿过覆层管板（1）和基层管板（2）的换热管孔；
所述覆层管板（1）上的换热管孔直径比基层管板（2）上的换热管孔径大0.1～1mm。
7.如权利要求1～6之一所述的复合式双管板结构的管程式换热器，其特征在于：
所述基层管板（2）和覆层管板（1）之间采用焊接连接。
8.如权利要求7所述的复合式双管板结构的管程式换热器，其特征在于：
所述焊接的焊缝为角焊缝，且角焊缝处开有坡口。
9.如权利要求7所述的复合式双管板结构的管程式换热器，其特征在于：
所述换热管（4）与基层管板（2）之间采用强度胀连接，换热管（4）与覆层管板（1）之间采用焊接连接。
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附图1.
附图1-3.

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