CN105258536A - 一种新型全焊接板壳式换热器 - Google Patents

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CN105258536A CN201510669975.8A CN201510669975A CN105258536A CN 105258536 A CN105258536 A CN 105258536A CN 201510669975 A CN201510669975 A CN 201510669975A CN 105258536 A CN105258536 A CN 105258536A
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李凤清
傅建敏
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Abstract

本发明涉及一种新型全焊接板壳式换热器,包括壳体(1)、换热板对主体(7)以及设置在壳体(1)上的板程换热流体入口、板程换热流体出口、壳程换热流体入口、壳程换热流体气相出口和壳程换热流体液相出口,所述的换热板对主体(7)安装在壳体(1)内,由换热板对(3)构成,所述的换热板对(3)由两块金属板通过焊接多个触点形成板程腔体,供板程换热流体流通,各换热板对(3)之间及其与壳体(1)之间形成壳程腔体,供壳程换热流体流通,所述的换热板对主体(7)为长方体结构、圆柱体结构或螺旋圆柱体结构中的一种。与现有技术相比,本发明具有换热效率高、占地面积小、结构灵活多变、换热面积大、换热系统紧凑、压降低的优点。

Description

一种新型全焊接板壳式换热器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种板壳式换热器,尤其是涉及一种新型全焊接板壳式换热器。
背景技术
[0002] 换热器是一种十分重要的热量交换设备,实现不同温度的多种介质之间的热量传递,它能在很大程度上提高能源的利用率,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、制冷及食品等行业。随着能源需求的快速增长,各行业的产业规模也在逐步扩大,也就给各种设备带来了挑战,相同的工况,规模加大后,设备也将同时增大,继而带来占地、制造、安装维修等一系列的困难。所以,如何实质性的增加换热器的换热效率是一个重要的课题。
[0003]目前应用最成熟的换热器型式是管壳式换热器,创新在常规管壳式换热器的基础上,出现了如螺旋槽纹管换热器、管内插入物换热器、折流杆式换热器、管翅式换热器等新型式,它们的主要原理是通过增加单侧流体的扰动从而增加换热效率,在提高换热效率的同时压降大大增加,并且复杂不通透的结构也不便于清洗;另外,板壳式换热器是一种效率更高的设备,包括含有凹槽的换热板及壳体,壳体充当压力容器,两侧通道均很小,从而两侧流体均实现了扰动,它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑、占地面积小等特点,相比于含橡胶等垫片式板式换热器,它能承受更高的压力以及能耐腐蚀,但是为了实现高的换热效率,其板片与板片间隙很小,且含触点,清洗很不方便,因此限定了该类型换热器只能用于两侧介质均很清洁的工位。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换热效率高、压降可调、清洗方便、体积小、结构灵活的新型全焊接板壳式换热器。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006] —种新型全焊接板壳式换热器,包括壳体、换热板对主体以及设置在壳体上的板程换热流体入口、板程换热流体出口、壳程换热流体入口、壳程换热流体气相出口和壳程换热流体液相出口,其特征在于,所述的换热板对主体安装在壳体内,由换热板对构成,所述的换热板对由两块金属板通过焊接多个触点形成板程腔体,供板程换热流体流通,各换热板对之间及其与壳体之间形成壳程腔体,供壳程换热流体流通,所述的换热板对主体为长方体结构、圆柱体结构或螺旋圆柱体结构中的一种。
[0007] 所述的换热器的摆放形式为立式、卧式或倾斜摆放中的一种。
[0008] 所述的长方体结构由多对相同尺寸的方形换热板对平行排布而成;
[0009] 所述的圆柱体结构由多对长度相同的换热板对平行排布而成,不同位置的换热板对的宽度变化呈从两侧向中间逐渐增加的趋势,形成截面呈圆形的换热板对主体;
[0010] 所述的螺旋圆柱体结构为一对截面呈螺旋状的卷板换热板对,其整体呈圆柱体状。
[0011 ] 所述的板程换热流体入口和板程换热流体出口至少设有一对,当板程换热流体入口和板程换热流体出口设置一对时,为单股流换热;当板程换热流体入口和板程换热流体出口设置多对时,换热板对主体分成多个模块,每个模块连接一对板程换热流体入口和板程换热流体出口,每个模块的板程中通过一股板程换热流体,实现多股流换热。
[0012] 所述的换热板对内部焊有焊缝,在板程腔体内形成弯折形流道,板程换热流体从板程换热流体入口流入后,经过折流,从板程换热流体出口流出。
[0013] 所述的换热板对内部焊缝条数大于或等于1,当焊缝条数为1时,板程腔体为U型流道,板程换热流体入口和板程换热流体出口设置在换热板对同一端,换热板对另一端封口,板程换热流体从板程换热流体入口流至换热板对另一端后,反方向折流,从板程换热流体出口流出,从而实现双流程换热,增加单位体积的换热面积;
[0014]当焊缝条数大于1时,各焊缝交错设置,板程腔体为蛇型流道,板程换热流体入口和板程换热流体出口设置在换热板对同一端或不同端,板程换热流体从板程换热流体入口流入后,经过多次折流,从板程换热流体出口流出,从而实现多流程换热,进一步增加单位体积的换热面积。
[0015] 所述的长方体结构和圆柱体结构中,各换热板对之间设有条形的换热板对固定件,换热板对固定件上设有多个卡槽,所述的换热板对的间距通过其在换热板对固定件对应卡槽的位置控模型进行调节,根据各种工况下流体流量、压降要求以及流体物性清洁程度等要求调节。
[0016] 所述的螺旋圆柱体结构中,所述的换热板对两端的外沿设有舌片,通过舌片上的定位孔将换热板对固定在壳体上。
[0017] 该换热器还包括膨胀节,所述的膨胀节设置在换热流体入口处,为弹性补偿元件,起到补偿轴向变形的作用;当换热板对主体和壳体由于温差和压力作用变形不一致时,能吸收变形能,自动调节壳体和换热板对主体中的应力大小。
[0018] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0019] (1)从本质上强化换热效果,提高换热效率,减小占地面积:
[0020] 焊接触点和凹凸不平的换热板对表面增加了换热板对两侧壳程换热流体的扰动,从而加快了壳程换热流体流速;由于换热板对的两片板之间有触点,使板程换热流体的流动形式呈湍流状态,能加大板程换热流体的扰动,大大强化换热板对内外的传热;同时对于有气态的流体,换热板对间的凹凸不平腔体能够强化气体的扰动,较大程度地增大了含气侧换热(气体传热效率一般较低)。越高的换热效率,意味着达到同样的换热效果所需的换热面积越小,这样不仅减小了设备的占地面积,同样减少了设备的安装、维护清洗等的难度。
[0021] (2)结构灵活多变,可根据工况设计:
[0022] 利用了换热板对主体灵活的结构形式及特殊的成型方式,可根据换热流体的温度、压力、压降要求、换热要求以及换热流体的状态,综合调整加强换热的扰动与压降要求、换热流体状态与形式等细节设计,最终可将换热器设计为与管壳式类似的圆柱形、长方体或正方体、螺旋板圆柱形等形式。
[0023] (3)多流程、多股流换热,增加换热面积,换热系统更加紧凑:
[0024] 对于换热板对,通过焊接触点将换热板对板程腔体分割为多个流程,可以实现多流程设计,从而增加单位体积内的换热面积;对于整个换热板对主体,通过设置不同换热板对的板程换热流体入口和板程换热流体出口,将不同的换热流体分离,独立进入各自的板程腔体,实现多股流换热,使换热系统更加紧凑,能量回收利用率高。
[0025] (4)可实现至少单侧较低压降:
[0026] 根据不同的工况要求,可以灵活调节换热板及板对束的结构参数,达到不同程度的换热效果。由于整个结构较通透,并且可以根据流体流量和介质物性调整流体通道,能达到很低的压降。如附图9所示是某个实际应用工位,采用管壳式及新型板式换热器实现的压降区别。如果既需要实现单侧较低压降,又需满足较大的换热要求时,可通过增大低压降侧通道大小,减小另一侧通道大小或同时将该侧设计为多流程,由此平衡两侧压降和换热的矛盾。
[0027] (5)设备本体能实现气液分离,无需附加分离器:
[0028] 常规的板壳式换热器基本无法实现气液分离,在换热结束时同时含气液两相的工况,一般在流体流出换热器后,需要增加气液分离器进行气液分离,本新型换热器虽为板式换热器,但其结构拥有管壳式换热器的优点,即可以在设备内实现气液分离,无需增加额外的气液分离器,简化了换热过程。
[0029] (6)不易结垢,拆卸清洗方便:
[0030]由于触点存在,且流体流动形式为湍流,由此产生壁面剪切力较大,使换热器本身有了自清洁功能;此外,即使长时间使用后,有了一定程度的结垢,整个换热板束可以从壳体中拆卸出来进行清洗,壳程间距较大且可通过换热板对固定件调整,清洗很方便。
附图说明
[0031] 图1为本发明传热板对的局部剖面结构示意图;
[0032] 图2为本发明传热板对的多流程设计示意图;
[0033] 图3为本发明传热板对的多股流设计示意图;
[0034]图4为本发明新型全焊接板壳式换热器的整体结构示意图;
[0035] 图5 (a)为管壳式换热器俯视示意图;
[0036] 图5(b)为本发明新型全焊接板壳式换热器的圆柱形结构俯视示意图;
[0037]图6为本发明新型全焊接板壳式换热器的螺旋板结构示意图;
[0038]图7为本发明新型全焊接板壳式换热器的螺旋板结构俯视图;
[0039]图8为本发明新型全焊接板壳式换热器的方形结构示意图;
[0040] 图9为某实际工况下,管壳式换热器与本发明换热器的压降比较;
[0041] 附图标号:
[0042] a、焊接触点;b、板程腔体;c、壳程腔体;
[0043] N1、板程换热流体入口 ;N2、板程换热流体出口 ;N3、壳程换热流体入口 ;N4、壳程换热流体气相出口 ;N5、壳程换热流体液相出口 ;
[0044] 1、壳体;2、换热板对固定件;3、换热板对;4、膨胀节;5、第一支架;6、第二支架;7、换热板对主体;8、换热管;9、固定管板;10、外层边缘焊缝;11、内层焊缝;12、板内换热流体接管。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0046] 实施例1
[0047] 如图4所示,一种新型全焊接板壳式换热器,包括壳体1、换热板对主体7以及设置在壳体1上的板程换热流体入口 N1、板程换热流体出口 N2、壳程换热流体入口 N3、壳程换热流体气相出口 N4和壳程换热流体液相出口 N5。所述的换热板对主体7安装在壳体1内,由换热板对3构成,如图1所示,所述的换热板对3由两块金属板通过焊接多个触点形成板程腔体b,供板程换热流体流通,各换热板对3之间及其与壳体1之间形成壳程腔体c,供壳程换热流体流通,所述的换热板对3中,所述的触点焊接方式为所述的焊接触点的焊接方式为点形焊接,触点的存在使板程换热流体在板程腔体b中迂回流动。
[0048] 如图2所示,当设备占地面积特别有限的情况下,为了进一步提高换热效率,减小换热面积,可以通过增加一条内层焊缝11,使板程换热流体在板程内呈“U”型流动,板程换热流体入口 N1和板程换热流体出口 N2设置在换热板对同一端,换热板对另一端封口,板程换热流体从板程换热流体入口 N1流至换热板对另一端后,反方向折流,从板程换热流体出口 N2流出,从而实现双流程换热;当压力较高,介质毒性较大时,为了更加保险,可以增加外层边缘焊缝10。而当工况换热程度更深时,可设置多条交错的内层焊缝11,在板程腔体b内形成蛇形流道,即多个U型流道依次反向联接,板程换热流体经过多次折流,走过多流程。内层焊缝11的导流作用使得板程换热流体入口 N1和板程换热流体出口 N2中的换热流体不会混合在一起。
[0049] 与没有设置内层焊缝11的单流程的换热板对相比,采用折流方式以后,换热效率提高了 20%〜50%,且各流程相互紧靠,占据空间小,空间利用率高、结构紧凑,安装方便,结构稳定性强。
[0050] 焊接触点a和凹凸不平的换热板对表面增加了换热板对3两侧壳程换热流体的扰动,从而加快了壳程换热流体流速;由于换热板对3的两片板之间有触点,使板程换热流体的流动形式呈湍流状态,能加大板程换热流体的扰动,大大强化换热板对3内外的传热;同时对于有气态的流体,换热板对3的凹凸不平腔体能够强化气体的扰动,较大程度地增大了含气侧换热(气体传热效率一般较低)。越高的换热效率,意味着达到同样的换热效果所需的换热面积越小,这样不仅减小了设备的占地面积,同样减少了设备的安装、维护清洗等的难度。
[0051] 如图5(b)所示,本实施例中,换热板对主体7为圆柱体结构,所述的圆柱体结构由多对长度相同的换热板对3平行排布而成,不同位置的换热板对3的宽度变化呈从两侧向中间逐渐增加的趋势,形成截面呈圆形的换热板对主体7。各换热板对3之间设有条形的换热板对固定件2,换热板对固定件2上设有卡槽,换热板对3的板内间距和板外间距通过换热板对3插在换热板对固定件2上卡槽的位置调节,根据各种工况下流体流量、压降要求以及流体物性清洁程度等要求调节,通过增大间距,可使清洗更方便。
[0052] 如图5 (a)所示,传统的管壳式换热器通常为圆柱形结构,截面为圆形,换热管8通过固定管板9固定在换热器中。本实施例的新型板壳式换热器相当于将管壳式换热器截面同一弦长上排列的换热管8替换为一个换热板对3,由此相同长度、不同宽度的若干个换热板对3组成了一个换热板对本体7,在提高换热效率的同时,区别于常规管壳式换热器,它减少了独立腔体和通道个数,更利于设备的整体稳定。
[0053] 如图4所示,壳程换热流体由壳程换热流体入口 N3进入,走壳程腔体c,与从板程换热流体入口 N1进入的板程换热流体进行逆流换热;对于同一侧含有气液两相的换热,若是冷凝,则形成的冷凝液在重力作用下往换热器下部流动,从壳程换热流体液相出口 N5出,不凝性气体由壳程换热流体气相出口 N4出,这样就使冷凝液和不凝性气体分离开来;若是蒸发,则形成的蒸气往上走,从壳程换热流体气相出口 N4 口,未蒸发完余液从壳程换热流体液相出口 N5出,同样与常规管壳式换热器一样完成了气液分离,无需额外加分离器;对于换热过程同侧为单一相且无相变的换热过程,板程流体依然从板程换热流体入口N1进,板程换热流体出口 N2出,壳程流体从壳程换热流体入口 N3进,壳程出口的流体若是液体,则从壳程换热流体液相出口 N5出,气体则从壳程换热流体气相出口 N4出。
[0054] 该换热器还包括膨胀节4,所述的膨胀节4设置在换热流体入口处,为弹性补偿元件,起到补偿轴向变形的作用;当换热板对主体7和壳体1由于温差和压力作用变形不一致时,能吸收变形能,自动调节壳体1和换热板对主体7中的应力大小,消除附加热应力,可实现逆流、顺流等换热过程。
[0055] 根据不同的工况要求,可以灵活调节换热板及板对束的结构参数,达到不同程度的换热效果。由于整个结构较通透,并且可以根据流体流量和介质物性调整流体通道,能达到很低的压降。图9是某个实际应用工位,采用管壳式及本发明的新型板式换热器实现的压降区别。如果既需要实现单侧较低压降,又需满足较大的换热要求时,可通过增大低压降侧通道大小,减小另一侧通道大小或同时将该侧设计为多流程,由此平衡两侧压降和换热的矛盾。
[0056] 本实施例换热器的摆放形式可为立式、卧式或倾斜摆放中的一种,根据工况要求进行调整。
[0057] 实施例2
[0058] 如图8所示,本实施例中,新型全焊接板壳式换热器的换热板对主体7为长方体结构,所述的长方体结构由多对相同尺寸的方形换热板对3平行排布而成,组成板束的换热板对具有相同的尺寸,板程内换热流体通过板内换热流体接管12进入板程腔体b,壳程换热流体可以根据物料特性及换热要求,从任意方位进入壳程腔体c,可以实现逆流、顺流、交叉流换热。
[0059] 其余与实施例1相同。
[0060] 实施例3
[0061] 如图6、图7所示,本实施例中,换热板对主体7为螺旋圆柱体结构,所述的螺旋圆柱体结构为一对截面呈螺旋状的卷板换热板对3,其整体呈圆柱体状。螺旋圆柱体结构中,所述的换热板对3两端的外沿设有舌片,通过舌片上的定位孔将换热板对3固定在壳体1上。板程换热流体从板程换热流体入口 N1进入,流经整个换热板对3板程腔体b后,从板程换热流体出口 N2出。壳程换热流体从壳程换热流体入口 N3轴向进入,轴向流经整个壳程空间;或从中心进,边缘流出,环状流经整个壳程空间;或从边缘进,中心流出,环状流经整个壳程空间。
[0062] 其余与实施例1相同。
[0063] 实施例4
[0064] 本发明新型全焊接板壳式换热器,可以实现多股流换热,如图3所示,板程腔体b可流通不同的多股换热流体,通过设置多对板程流体入口 N1和板程流体出口 N2,对应不同的换热板对3,将不同的换热流体分离,独立进入各自的板程腔体c完成换热,从而实现多股流换热,使得换热系统更加紧凑,能量回收利用。该结构均适用于实施例1、2中的换热器。

Claims (10)

1.一种新型全焊接板壳式换热器,包括壳体(1)、换热板对主体(7)以及设置在壳体(1)上的板程换热流体入口、板程换热流体出口、壳程换热流体入口、壳程换热流体气相出口和壳程换热流体液相出口,其特征在于,所述的换热板对主体(7)安装在壳体(1)内,由换热板对(3)构成,所述的换热板对(3)由两块金属板通过焊接多个触点形成板程腔体,供板程换热流体流通,各换热板对(3)之间及其与壳体(1)之间形成壳程腔体,供壳程换热流体流通,所述的换热板对主体(7)为长方体结构、圆柱体结构或螺旋圆柱体结构中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的换热器的摆放形式为立式、卧式或倾斜摆放中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的长方体结构由多对相同尺寸的方形换热板对(3)平行排布而成;所述的圆柱体结构由多对长度相同的换热板对(3)平行排布而成,不同位置的换热板对(3)的宽度变化呈从两侧向中间逐渐增加的趋势,形成截面呈圆形的换热板对主体(7); 所述的螺旋圆柱体结构为一对截面呈螺旋状的卷板换热板对(3),其整体呈圆柱体状。
4.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的板程换热流体入口和板程换热流体出口至少设有一对,当板程换热流体入口和板程换热流体出口设置一对时,为单股流换热;当板程换热流体入口和板程换热流体出口设置多对时,换热板对主体(7)分成多个模块,每个模块连接一对板程换热流体入口和板程换热流体出口,每个模块的板程中通过一股板程换热流体,实现多股流换热。
5.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的换热板对内部焊有焊缝,在板程腔体内形成弯折形流道,板程换热流体从板程换热流体入口流入后,经过折流,从板程换热流体出口流出。
6.根据权利要求5所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的换热板对内部焊缝条数大于或等于1,当焊缝条数为1时,板程腔体为U型流道,板程换热流体入口和板程换热流体出口设置在换热板对同一端,板程换热流体从板程换热流体入口流至换热板对另一端后,反方向折流,从板程换热流体出口流出。
7.根据权利要求5所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,当焊缝条数大于1时,各焊缝交错设置,板程腔体为蛇型流道,板程换热流体入口和板程换热流体出口设置在换热板对同一端或不同端,板程换热流体从板程换热流体入口流入后,经过多次折流,从板程换热流体出口流出。
8.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的长方体结构和圆柱体结构中,各换热板对(3)之间设有条形的换热板对固定件(2),换热板对固定件(2)上设有多个卡槽,所述的换热板对(3)的间距通过其在换热板对固定件(2)对应卡槽的位置控模型进行调节,根据各种工况下流体流量、压降要求以及流体物性清洁程度等要求调节。
9.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,所述的螺旋圆柱体结构中,所述的换热板对(3)两端的外沿设有舌片,通过舌片上的定位孔将换热板对(3)固定在壳体⑴上。
10.根据权利要求1所述的一种新型全焊接板壳式换热器,其特征在于,该换热器还包括膨胀节(4),所述的膨胀节(4)设置在换热流体入口处,为弹性补偿元件,起到补偿轴向变形的作用;当换热板对主体(7)和壳体(1)由于温差和压力作用变形不一致时,吸收变形能,自动调节壳体(1)和换热板对主体(7)中的应力大小。
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