CN106524789B - 芯壳分离的绕管式换热器 - Google Patents

Abstract

一种低温换热技术领域的芯壳分离的绕管式换热器，包括由外而内依次设置的壳体、套筒和中心筒、均布器和环形密封段，其中：中心筒和壳体之间构成环腔，凹槽形圆盘结构的均布器和环形密封段依次嵌套于套筒外部，环形密封段与均布器底部相连，套筒内设有若干绕管，所述的绕管一端直接从壳体底部伸出，另一端通过气相流通孔从均布器顶部伸出，均布器上设有若干均布的液相流通孔以及若干对称的气相流通孔。本发明能够解决换热器小型化后传统结构难以加工制造的问题，可用于天然气液化中工业级换热设备的放大实验。

Description

芯壳分离的绕管式换热器

技术领域

本发明涉及的是一种低温换热领域的技术，具体是一种芯壳分离的绕管式换热器。

背景技术

绕管式换热器是大型陆上天然气液化工厂和海上天然气浮式平台的首选主低温换热器，占有率超过90％。它的结构是由数千根圆管一层层交替缠绕在中心筒上，并由一个壳体密封组成。单个绕管式换热器的初投资大，可靠的设计方法是通过进行工业级设备的放大实验来获取实验数据，提高设计精度。

绕管式换热器的放大实验受场地和费用限制，只能基于相似准则缩小直径和高度尺寸后进行测试。直接将传统的大型绕管式换热器结构应用到绕管式换热器模型上，会使换热器芯体的制造加工难以实现，具体存在的问题包括以下三点：

1)传统的套筒结构不适用于绕管式换热器模型；大型绕管式换热器中，布置有一个套筒包裹住最外层的绕管，用于阻挡壳侧液体进入壳体和绕管之间的间隙；如图1所示，套筒在最上方通过翻边工艺形成漏斗状，并与壳体焊接成一个整体，将上方流入的壳侧液体导流进入绕管区域换热；在绕管式换热器中，套筒和壳体的间距仅为数个毫米，换热器内内没有足够的径向距离用于套筒的翻边，并且操作空间有限使得套筒焊接困难；

2)传统的均布装置不适用于绕管式换热器模型；大型绕管式换热器的壳侧进口为两相制冷剂，在入口段布置有均布装置用于液体均布，气体则通过均布器和壳体的空隙进入换热器，并且由于套筒翻边结构的阻挡，气液两相均不会进入壳体和套筒的间隙，避免造成无效换热；在绕管式换热器模型中，由于套筒翻边工艺不可行，均布器的液体流道和气体流道都需要重新设计，以保证液体均布效果，同时避免流体旁通进入壳体和套筒间隙；

3)传统的侧面管板布置方式不适用于绕管式换热器模型。大型绕管式换热器由于在绕管上方布置有均布装置，绕管是从侧面管板伸出；同时大型绕管式换热器直径可达5米，由中心筒和壳体组成的环腔空间很大，绕管有足够空间能弯折到侧面的管板上；而绕管式换热器模型最小直径仅为0.1m，环腔内空间不到0.05m，远小于绕管0.5m的弯曲曲率，直接弯折到侧面管板上会造成管子破裂，使绕管式换热器模型失效。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种芯壳分离的绕管式换热器，解决了换热器小型化后传统结构难以加工制造的问题，可用于天然气液化中工业级换热设备的放大实验。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：由外而内依次设置的壳体、套筒和中心筒、均布器和环形密封段，其中：中心筒和壳体之间构成环腔，凹槽形圆盘结构的均布器和环形密封段依次嵌套于套筒外部，环形密封段与均布器底部相连，套筒内设有若干绕管，所述的绕管一端直接从壳体底部伸出，另一端通过气相流通孔从均布器顶部伸出，均布器上设有若干均布的液相流通孔以及若干对称的气相流通孔。

所述的气相流通孔的孔径大于作为气体通道的绕管外径，以通过绕管的同时，剩余空隙供壳侧的气体通过。

所述的均布器为凹槽型且外部具有凸起侧壁，使气体通道与液体均布区域隔离。

所述的均布器顶部设有导流板，该导流板靠近中心筒处设有两相制冷剂入口，导流板上设有绕管管孔，以使得绕管通过并到达壳体顶部。

所述的导流板的外缘处设有与均布器的顶部相连的环状凸起，以阻挡壳侧制冷剂进入均布器、壳体和中心筒围成的环腔，导致无效换热。

所述的环形密封段为倒置的阶梯形结构，其底部嵌套在套筒内，以阻隔壳体和中心筒之间的空隙。

技术效果

与现有技术相比，本发明解决了绕管式换热器模型有限腔体空间内的管路布置、套筒布置和均布器布置问题，能够有效防止管道破裂、液体旁通和气体泄漏，能够用于天然气换热设备的放大实验，提高大型绕管式换热器的设计精度。

附图说明

图1为传统大型绕管式换热器的结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为图2中I区剖面图；

图4为本发明中均布器的俯视结构示意图；

图中：绕管1、壳体2、套筒3、中心筒4、均布器5、导流板6、环形密封段7、液相流通孔8、气相流通孔9、两相制冷剂入口10。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

实施例1

如图2和图3所示，本实施例包括设置于壳体内的中心筒4、凹槽型的均布器5和环形密封段7，其中：中心筒4设置在壳体2内两者之间形成环腔，均布器5嵌套在壳体2内并套设在中心筒4上，环形密封段7嵌套在壳体2内且与均布器5底部相连，套筒3设置在环腔内并套设在环形密封段7上；

如图3和图4所示，所述的均布器5的底板靠近边缘处对称设有两个气相流通孔9，所述均布器5的底板上除气相流通孔9外均布有若干液相流通孔8。

所述的液相流通孔8的直径为0.2mm～2mm；所述的气相流通孔9为椭圆孔，其尺寸大于液相流通孔8。

所述的气相流通孔9从底部贯穿均布器5的凸起侧壁，使气体通道与液体均布区域隔离。

所述的套筒3内设有两根绕管1，所述的绕管1的外径为2mm～20mm；所述的绕管1一端直接从壳体2底部伸出，另一端通过气相流通孔9从壳体1顶部伸出，所述的气相流通孔9的尺寸大于绕管外径。

所述的均布器5顶部设有导流板6，所述的导流板6靠近中心筒4处设有两相制冷剂入口10，保证壳侧入口的液相制冷剂全部进入均布器5凹槽内而非进入气相流通孔9，实现两相制冷剂的气液分离；所述的导流板6上设有绕管管孔，以使得绕管1通过并到达壳体2顶部。

优选地，所述的导流板6外缘处设有环状凸起，与均布器5顶部相连，其作用是阻挡壳侧制冷剂进入均布器、壳体和中心筒围成的环腔，导致无效换热。

所述的环形密封段7为倒置的阶梯形结构，底部嵌套在套筒3内并通过卡箍固定，阻隔壳体和中心筒之间的空隙。

所述的壳体2的直径为100mm～500mm，所述的中心筒4的直径为40mm～200mm。

本装置使用了分离式的换热器结构，将套筒3及壳体内部的其他结构与壳体2分开，并在套筒3和壳体2之间设置环形密封结构，用于替代传统大型换热器中套筒的翻边结构，既能防止壳侧流体进入套筒3与壳体2的缝隙间造成流体短路，还方便对换热器模型的芯体进行组装和拆卸维护，延长绕管使用寿命。

本装置在工作时，两股管束流路的不同介质从底部进入绕管1和壳侧流体换热，之后通过所属管路经过环形密封段7、均布器5和导流板6到达壳体2顶部，流出换热器模型；

同时壳侧流体通过壳体2上端侧壁的进口和导流板6上的两相制冷剂入口10进入均布器5内，其中：两相制冷剂液体部分在通过液相流通孔8后进入环形密封段7与中心筒4之间的环腔内，两相制冷剂气体部分通过气相流通孔9与绕管1之间的空隙后进入环形密封段7与中心筒4之间的环腔内；气液两相流体流经绕管1和管束流体换热，再通过壳体下端侧壁的出口流出换热器模型；

所述的绕管式换热器模型中管束高压介质和壳侧低压介质互不干扰，壳体内部密封性良好，无管路破损和泄漏发生；进行工艺级设备放大实验时，管速和壳侧流体的质流密度和实际的大型绕管式换热器一致，壳侧均温性控制在2℃以内，经换热器冷却后的出液温度达到零下150℃，可以模拟实际绕管式换热器的运行情况。

Claims (6)

1.一种芯壳分离的绕管式换热器，其特征在于，包括由外而内依次设置的壳体、套筒和中心筒、均布器和环形密封段，其中：中心筒和壳体之间构成环腔，凹槽形圆盘结构的均布器和环形密封段依次嵌套于套筒外部，环形密封段与均布器底部相连，套筒内设有若干绕管，所述的绕管一端直接从壳体底部伸出，另一端通过气相流通孔从均布器顶部伸出，均布器上设有若干均布的液相流通孔以及若干对称的气相流通孔。

2.根据权利要求1所述的芯壳分离的绕管式换热器，其特征是，所述的气相流通孔的孔径大于作为气体通道的绕管外径，以通过绕管的同时，剩余空隙供壳侧的气体通过。

3.根据权利要求1所述的芯壳分离的绕管式换热器，其特征是，所述的均布器为凹槽型且外部具有凸起侧壁，使气体通道与液体均布区域隔离。

4.根据权利要求1或3所述的芯壳分离的绕管式换热器，其特征是，所述的均布器顶部设有导流板，该导流板靠近中心筒处设有两相制冷剂入口，导流板上设有绕管管孔，以使得绕管通过并到达壳体顶部。

5.根据权利要求4所述的芯壳分离的绕管式换热器，其特征是，所述的导流板的外缘处设有与均布器的顶部相连的环状凸起，以阻挡壳侧制冷剂进入均布器、壳体和中心筒围成的环腔，导致无效换热。

6.根据权利要求1所述的芯壳分离的绕管式换热器，其特征是，所述的环形密封段为倒置的阶梯形结构，其底部嵌套在套筒内，以阻隔壳体和中心筒之间的空隙。