CN107328269B - 一种由并联板束构成的板壳式热交换器 - Google Patents

Abstract

一种由并联板束构成的板壳式热交换器，板束甲和板束乙并联连接成一体式并联板束：两者板程入口相邻布置，而两者的壳程出口分布在板程入口的两侧；壳程横镶条为整体结构，板程入口为板程横镶条上的若干通孔组成；设置好位置的板束甲和板束乙的两侧连接压紧板，该压紧板外上部安装板束支耳，该板束支耳安装在外壳内上部的壳内支座上，从而使板束吊装在外壳内；所述板束甲和板束乙下部的结合处固装有横梁，该横梁支撑在板程下封头的侧板上；而板程下封头的侧板和所述压紧板为一体结构。本发明并联板束优化了板束的三维几何尺寸，提供了一种可克服现有板片宽度受限，横向尺寸可以扩展的热交换器，另外该板束结构紧凑，运行可靠性高，便于加工制造。

Description

一种由并联板束构成的板壳式热交换器

技术领域

本发明属于热交换器设计与制造技术领域，具体涉及一种板壳式热交换器，特别是涉及一种由并联板束构成的板壳式热交换器。

背景技术

板式热交换器是一种高效节能型换热器，广泛应用于石油、石化等大型工业场合，近年来，其发展极为迅速。但是目前的板式热交换器，却很难适应一些超大换热量的工艺环境。究其因，波纹板片的宽度方向受钢厂轧机所限，板片的宽度不能随意地扩展，为了适应换热量，要么无限延长板片的长度，要么增加板管的叠摞厚度，因此板束变得及其细长，这种结构不但极大地降低了板束的稳定性，而且增大了设备运行的振动，同时也增加了板束纵向的热应力，使设备运行的可靠程度大大降低，严重地影响了板式热交换器换热性能的发挥。另外使用增加板管叠摞厚度的办法，使得热交换器壳体内容积的利用率降低，增加了设备的制造成本。

发明内容

本发明提供了一种由并联板束构成的板壳式热交换器，可克服现有板片宽度受限的问题，提供一种横向尺寸可以扩展的热交换器，同时通过带孔镶条、横梁、膨胀节、导向辊筒、进液接管上的螺旋管等的设置，提高了设备运行的可靠性。

本发明所采用的技术方案为：

一种由并联板束构成的板壳式热交换器，包括外壳及安装在外壳内的具有板程出入口、壳程出入口的结构相同的板束甲和板束乙，所述板束甲和板束乙并联连接成一体式的并联板束：两者的板程入口相邻布置，而两者的壳程出口分布在板程入口的两侧；壳程横镶条为整体结构，板程入口为板程横镶条上的若干通孔组成；设置好位置的板束甲和板束乙的两侧连接压紧板，该压紧板外上部安装板束支耳，该板束支耳安装在外壳内上部的壳内支座上，从而使并联板束吊装在外壳内；所述并联板束上、下部设有板程上、下封头及壳程上、下封头，该板程上、下封头及壳程上、下封头上的各自的接管通过外壳上的壳体上封头、壳体下封头引出换热器；所述板束甲和板束乙下部的结合处固装有横梁，该横梁支撑在板程下封头的侧板上；而板程下封头的侧板和所述压紧板为一体结构。

所述外壳内部设置若干组导向辊筒，其由辊筒、轴及支座构成；支座焊接在外壳内部，轴安装在支座上，而辊筒安装在轴上；安装状态下，辊筒与所述并联板束间有间隙。

所述板程横镶条和壳程横镶条的施焊部位设计成具有角度的坡口。

所述并联板束的上部封头为嵌入式双封头，板程上封头位于壳程上封头内部，板程上封头与板程相通；板程上接管下端和板程上封头连通后其另一端由壳程上封头引出，然后通过膨胀节，再由壳体上封头引出热交换器；壳程上接管和壳程上封头连通后其另一端通过膨胀节，再由壳体上封头引出热交换器。

所述壳程上封头、板程上封头之间设置第一横向加强衬、第一纵向加强衬；第一横向加强衬上设置引流孔。

所述板程下封头为带第二横向加强衬及第二纵向加强衬的加强结构，第二横向加强衬及第二纵向加强衬上均设置若干气孔，所述板程下封头侧板上设有横梁安装孔。

所述壳程下封头外下部可调节设有导流板，该导流板围成的空腔形成导流槽。

有益效果：本发明并联板束优化了板束的三维几何尺寸，提供了一种可克服现有板片宽度受限，横向尺寸可以扩展的热交换器，带孔镶条的采用增强了板束薄弱部位的强度，提高了设备运行的可靠程度。板程出口端部横梁的应用，优化了板束的受力状况；悬挂方式吊装在热交换器壳体内的并联板束，充分地利用了板束的自重条件，使其在纵向方向自由伸缩，导向辊筒的布置，及时地约束了横向部位的扭曲变形，减小甚至消除了由于扭曲变形而对板束端部焊缝强度的损伤；通过导流槽对一流体介质的引导、调速，以及喷嘴对另一液体介质的雾化，优化了两种介质混合的均匀程度问题；通过螺旋管热膨冷缩膨胀量的补偿，降低了板束的热应力，提高了热交换器运行的可靠度。另外该板束结构紧凑，运行可靠性高，便于加工制造。

本发明可应用于煤化工、石油石化、核电热电等行业的板式热交换器上。

附图说明

图1为本发明由并联板束构成的板壳式热交换器结构总图；

图2为本发明热交换器外壳结构图；

图3为本发明导向辊筒结构示意图；

图4为本发明导向辊筒横向分布图；

图5为本发明并联板束结构示意图；

图6为本发明并联板束上部封头附近区域结构示意图；

图7为本发明上部封头结构示意图；

图8为构成本发明并联板束上端结构的组焊示意图；

图9为本发明构成并联板束的单元板束结构示意图；

图10为本发明板程下封头结构示意图；

图11为构成本发明并联板束下端结构的简图；

图12为构成本发明并联板束上端结构的组焊详图。

附图编号

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

参照图1、2、5，一种由并联板束构成的板壳式热交换器，主体结构包括外壳17及并联板束2两部分。其中，外壳由壳体上封头31、壳体下封头32及筒体33组成，外壳17内安装壳内支座13、导向辊筒34，外壳17外周安装裙座14，以及若干接管构成；外壳17板束由上部封头1、并联方式连接的单元板束、板束支耳16、板程下封头4、壳程下封头5、接管、膨胀节、液体分布器9等构成。板束支耳16由支撑板8与加强衬10 组成。

板束甲乙的制造方法：波纹板片由薄金属板经冲压加工而成，波纹形状可以为圆台状、条状、或者是人字形、亦或为上述三者间的任意组合。无论是哪一种类型的波纹，其结构均可分为凸波纹及凹波纹两种，波纹板片的同一传热面上凸、凹波纹采取相间分布的方式布置。为了便于描述，将波纹板片的两个面分别命名为A传热面及B传热面，由于波纹板片为冲压件，因而波纹板片的A传热面上的凸波纹即为B传热面上的凹波纹、A传热面上的凹波纹即为B传热面上的凸波纹。以波纹板片的纵向中心轴为对称轴，使凸（凹）波纹对称分布。

如此将两张波纹板片的A（B）传热面同向布置，上边（上部横向边）及下边（下部横向边）分别对齐，将一张波纹板片的右边（右纵向边）与另一张波纹板片的左边（左纵向边）对齐，然后沿相邻的这两条纵向边对扣，使两张波纹板片的A（B）传热面相对，则其上的凸波纹互相接触形成触点，触点的存在增强了板片的刚性支撑，最后在周边焊接镶条，形成板管。在板管的上、下端部即横边所在位置大约1/2处预留开口，即开口位置无镶条，板管内的空腔即为板程，板管的上、下开口分别为板程入口及板程出口，即板程出入口分别位于板管的上下端。

位于板管内的A（B）传热面上的凹波纹即为板管外B（A）传热面上的凸波纹，将两个板管叠摞在一起，两个板管外部的凸波纹相互接触形成板管间的支撑。然后在周边焊接镶条，板管与板管之间的空腔即为壳程。在壳程上、下端部即横边所在位置大约1/2处预留开口，即开口位置无镶条。壳程的上、下开口分别为壳程出口及壳程入口，即壳程出入口分别位于板束的上下端。同理，依次叠摞若干数量的板管，在周边焊接镶条、设置同样的开口，最后在第一个板管、最后一个板管上各加一压紧板即形成一个单元板束甲乙。

单元板束甲乙上，板程开口与壳程开口依次相间分布，即沿板管叠摞方向依次为板程开口、壳程开口、板程开口、壳程开口……。沿板管叠摞方向，在横向边的一侧，依次为板程开口、壳程镶条、板程开口、壳程镶条……，在横向边的另一侧，依次布置着板程镶条、壳程开口、板程镶条、壳程开口……。

板束是板壳式热交换器的核心元器件，在高温、高压工况下其受力状况异常复杂。假如将两个板束简单地并在一起，即板束甲、板束乙各自独立仅仅是公共上下封头，由于介质流动的不均匀会造成左右板束温度场不一致,进而影响各自板束的变形量，由此在板束结构的薄弱部位——端部焊缝处开裂，造成热交换器的失效。考虑到变形的协调性、一致性问题，必须使板束甲与板束乙在加工制造环节即形成一体式结构。因此，在板管成型后，务必将板束甲与板束乙各个相邻的纵镶条焊接在一起，将壳程上相邻的横镶条也焊接在一起，即将两板管的相邻镶条都焊接在一起。为了充分保证焊接强度，将两板束相邻的横镶条设计成一条共用镶条，将相邻的纵镶条也设计成一条共用镶条，横梁与板束甲、板束乙焊接在一起。

本发明板束，壳程内压较大，因此板程受外压，从总体来看板束为外压环境所围裹，因此考虑的重点部位应该是板管的失稳问题以及壳程横镶条与板片的焊接问题。失稳，即在承受外压的情况下板管是否会垮塌，为此将板管内两张波纹板片的凸波纹设计成相互接触的支撑结构。总观板束的受力状况以及其对结构的影响，位于板程封头内的壳程横镶条与板片的连接部位是本发明板束结构的薄弱部位，该部位的焊接问题属于厚板与薄板的焊接问题，存在熔深浅、焊脚窄、施焊困难、薄板易熔透等问题。同时，该部位的受力方向由内向外，焊缝受内压，即焊缝处的应力为拉应力，因此焊缝强度不足。为此将板程出入口做如图12所示的具有一定角度的坡口结构。

参照图8，将板程横镶条242设计成带孔镶条，施焊部位设计成具有一定角度的坡口，同样将壳程横镶条241也设计成具有一定角度的坡口，如此即可增加此部位的焊脚尺寸、增强焊缝强度，还可引入焊接机器人实现自动化焊接，而此时仅需保证熔池处的板片熔化均匀无穿孔、无气泡即可。

参照图6，上部封头1为嵌入式双封头，板程上封头102位于壳程上封头101内部，板程上封头102内部与板程相通，通过接管由壳程上封头101引出，然后通过膨胀节，再经接管由壳体上封头31引出热交换器，此接管即板程上接管。同样，壳程上封头101通过膨胀节，再经接管由壳体上封头31引出热交换器，此接管即壳程上接管11。

本发明板束，板程与壳程之间存在压差，其中壳程压力较大，因此内部封头承受的压力为外压，为了增强内部封头的强度及稳定性，同时对流入板程的介质不造成任何干扰，在壳程上封头101、板程上封头102之间设置第一横向加强衬105、第一纵向加强衬104。第一横向加强衬上设置引流孔，该孔的设置保障了壳程介质流动的通畅，详见图7所示。

参照图10，板程下封头4位于板束下部，它与板束的板程相通，是板程介质汇集流出的通道。为了增强其承受外压的能力，板程下封头设计为带第二横向加强衬43及第二纵向加强衬44的加强结构，第二横向加强衬43及第二纵向加强衬44上均设置若干气孔45，该气孔有平衡板程下封头各室内压力的作用。板程下封头侧板上设有横梁安装孔42，横梁安装在此横梁安装孔42内。参照图11，横梁12与板束甲、板束乙焊接在一起，如此板束的部分自重由板程下封头4的侧板分担，而板程下封头4的侧板与压紧板3为一体式结构，因此重力通过压紧板3传递到板束支耳16，支耳16安装在壳内支座13上，因此板束的全部重量由其壳内支座13承担。

壳程介质流体甲进入热交换器的同时，流体丙也进入热交换器。根据工艺的需要，必须将这两种流体充分混合，这两种流体往往为不同物态的流体，一般情况下，流体丙为液态物质，流体甲为气态物质，流体丙可能是反应物也可能是催化剂。所以流体丙是反应器的必需物质。根据工艺的需要，要求导入流体丙的分布器不但要具备通畅、不易堵塞的特点，而且还必须具有喷洒均匀的特点。

壳程下封头5位于板束下部，分布于板程下封头4两侧，它与板束的壳程相通，是壳程介质流入的通道。

液体分布器9可以采用现有技术中可以达到相同功能的任何设备。

在并联板束上端面附近四周设置板束支耳16，板束支耳16的作用是支撑板束及附属构件的全部重量。在外壳17内上部设置壳内支座13，板束支耳16安装在壳内支座13上。即并联板束采用悬挂的方式吊装在热交换器壳体内。

对板式热交换器而言，板束内的温度场比较复杂，不但上、下板束存在温差，而且板程与壳程也存在温差。由于板束纵向尺寸较大，因此纵向温差对设备的影响较大，故此本发明热交换器板束采用吊装的方式进行安装，这样在热膨胀作用下，板束可沿重力方向伸缩，伸缩量由膨胀节及进液接管补偿，上部封头及接管产生的膨胀量由上部膨胀节补偿。膨胀节的设置减小、甚至消除了热应力，保证了设备的正常运转。

内部复杂的温度场极易使板束产生麻花状的扭曲变形，此种形变有可能使板束端部的焊缝撕裂，为了消除此种形变，参照图2、3在外壳内部设置导向辊筒34，导向辊筒34由辊筒301、轴302及支座303构成，支座303焊接在外壳17内部。安装状态下，辊筒301与板束间存在一定的间隙，正常工作状态下，由热胀冷缩而引起的板束的横向移动会受到辊筒301的限制，从而避免了板束的扭曲变形，同时导向辊筒34对板束的纵向移动具有导向作用。导向辊筒为分组方式布置，同一组布置在同一水平面上。

相对板束纵向的变形，板束横向的扭曲变形较小，本发明对热应力的处理原则是不约束大变形、大位移，而约束限制横向小变形、小位移。

板束支耳16由水平布置的支撑板8及竖直布置的加强衬10构成。

为了便于检修，在热交换器外壳17的壳体上封头31、壳体下封头32上各自设置一个人孔35。

壳程下接管15设置在热交换器外壳的下封头32上。

本发明的工作过程：流体甲经壳程下接管15进入热交换器壳体，充满壳内空间后，分两路经各自的导流槽进入各自的壳程下封头5，一路经壳程入口进入板束甲，另一路经另一壳程入口进入板束乙，壳程的两路流体由各自的壳程出口流出，在壳程上封头101与板程上封头102围成的空间内相汇，经壳程上接管11流出热交换器；流体乙由板程上接管6进入热交换器后，进入板程上封头102内，经板程入口进入并联板束的板程，由板程出口流入板程下封头4，经板程下接管41流出热交换器；流体丙由进液接管进入液体分布器，经内置喷嘴雾化，与导流槽内流出的流体甲进行混合，其后流经路线与流体甲的流经路线相同。冷热流体在各自的流程内流动，通过波纹板片实现热量交换。

Claims (7)

1.一种由并联板束构成的板壳式热交换器，包括外壳及安装在外壳内的具有板程出入口、壳程出入口的结构相同的板束甲和板束乙，其特征在于：所述板束甲（21）和板束乙（22）并联连接成一体式的并联板束（2）：两者的板程入口（201）相邻布置，而两者的壳程出口（202）分布在板程入口（201）的两侧；壳程横镶条（241）为整体结构，板程入口（201）为板程横镶条（242）上的若干通孔组成；设置好位置的板束甲（21）和板束乙（22）的两侧连接压紧板（3），该压紧板（3）外上部安装板束支耳（16），该板束支耳（16）安装在外壳（17）内上部的壳内支座（13）上，从而使并联板束（2）吊装在外壳（17）内；所述并联板束（2）上、下部设有板程上、下封头及壳程上、下封头，该板程上、下封头及壳程上、下封头上的各自的接管通过外壳（17）上的壳体上封头（31）、壳体下封头（32）引出换热器；所述板束甲（21）和板束乙（22）下部的结合处固装有横梁（12），该横梁（12）支撑在板程下封头（4）的侧板上；而板程下封头（4）的侧板和所述压紧板（3）为一体结构；所述外壳（17）内部设置若干组导向辊筒（34），其由辊筒（301）、轴（302）及支座（303）构成；支座（303）焊接在外壳（17）内部，轴（302）安装在支座（303）上，而辊筒（301）安装在轴（302）上；安装状态下，辊筒（301）与所述并联板束（2）间有间隙。

2.根据权利要求1所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：所述板程横镶条（242）和壳程横镶条（241）的施焊部位设计成具有角度的坡口。

3.根据权利要求1所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：所述并联板束（2）的上部封头（1）为嵌入式双封头，板程上封头（102）位于壳程上封头（101）内部，板程上封头（102）与板程相通；板程上接管（6）下端和板程上封头（102）连通后其另一端由壳程上封头（101）引出，然后通过膨胀节（7），再由壳体上封头（31）引出热交换器；壳程上接管（11）和壳程上封头（101）连通后其另一端通过膨胀节（7），再由壳体上封头（31）引出热交换器。

4.根据权利要求3所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：所述壳程上封头（101）、板程上封头（102）之间设置第一横向加强衬（105）、第一纵向加强衬（104）；第一横向加强衬（105）上设置引流孔。

5.根据权利要求1所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：所述板程下封头（4）为带第二横向加强衬（43）及第二纵向加强衬（44）的加强结构，第二横向加强衬（43）及第二纵向加强衬（44）上均设置若干气孔（45），所述板程下封头（4）侧板上设有横梁安装孔（42）。

6.根据权利要求1所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：壳程下封头（5）上安装液体分布器。

7.根据权利要求1所述的一种由并联板束构成的板壳式热交换器，其特征在于：所述外壳（17）的上下部设有人孔（35）。

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