CN107883789A - 一种u型管换热器的换热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种U型管换热器的换热方法。该方法采用本发明提出的U型管换热器，管程介质(20)进入U型管。壳程介质(15)进入中心管(6)，再进入内侧换热通道(9)、向U型管尾端的方向流动，与在U型管返回管段(32)中向管板(5)的方向流动的管程介质进行纯逆流换热。之后壳程介质进入外侧换热通道(10)、向管板(5)的方向流动，与在U型管入口管段(31)中向U型管尾端的方向流动的管程介质进行纯逆流换热。换热后的壳程介质流经流动通道(11)，最后从壳程介质出口管(16)流出。换热后的管程介质进入管程介质聚集室(12)，最后从管程介质出口管(13)流出。本发明可用于各种气液介质的换热。

Description

一种U型管换热器的换热方法
技术领域
本发明涉及一种U型管换热器的换热方法。
背景技术
工业上常用的U型管换热器设有壳程壳体、管程壳体、管板、多根U型管。管程壳体的内腔中设有隔板，管板设于壳程壳体与管程壳体之间。U型管设于壳程壳体的内腔中；U型管入口与管板的U型管入口部分(半圆形)相连，U型管出口与管板的U型管出口部分(半圆形)相连。采用上述的U型管换热器进行壳程壳体内腔中的壳程介质与U型管中的管程介质的换热时，存在着以下问题：壳程介质与管程介质不是进行纯逆流换热，换热效果不够理想。换热后的壳程介质有时与换热前的壳程介质接触进行再次换热，会造成热损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种U型管换热器的换热方法，以解决现有方法所存在的壳程介质与管程介质不是进行纯逆流换热、换热效果不够理想，以及换热后的壳程介质与换热前的壳程介质进行再次换热、造成热损失的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种U型管换热器的换热方法，其特征在于：所用的U型管换热器设有壳程壳体、管程壳体、管板和U型管，管板设于壳程壳体与管程壳体之间，U型管设于壳程壳体的内腔中，U型管入口和出口与管板相连，U型管入口与管程壳体的内腔相通，壳程壳体的一端与管程壳体的一端通过法兰连接，另一端为壳程封头，壳程壳体的内腔中自内向外设置有中心管、内套筒和外套筒，内套筒的一端与管板相连，外套筒靠近壳程封头的一端至中心管靠近壳程封头的部分设有内封头，中心管与内套筒之间形成内侧换热通道，内套筒与外套筒之间形成外侧换热通道，外套筒与壳程壳体之间形成流动通道，中心管与内侧换热通道在靠近管板的一端相通，内侧换热通道与外侧换热通道在靠近U型管尾端的一端相通，外侧换热通道与流动通道在靠近管板的一端相通，流动通道的另一端与壳程壳体的内腔在靠近壳程封头的部分相通，U型管入口管段的主体位于外侧换热通道中，U型管返回管段的主体位于内侧换热通道中，中心管在靠近壳程封头的部分与壳程介质入口管相连，壳程壳体上设有壳程介质出口管，管程壳体上设有管程介质入口管，管程壳体的内腔中，在管板的中部设有管程介质聚集室，U型管出口与管程介质聚集室相通，管程介质聚集室上设有管程介质出口管，通往管程壳体的外部。
采用上述U型管换热器进行换热的方法，包括如下步骤：管程介质从管程介质入口管进入管程壳体的内腔，再从U型管入口进入U型管，在U型管中流动，壳程介质从壳程介质入口管进入中心管，在中心管中向管板的方向流动，再从中心管靠近管板的一端流出，从内侧换热通道靠近管板的一端进入内侧换热通道，进入内侧换热通道中的壳程介质在内侧换热通道中向U型管尾端的方向流动，与在U型管返回管段中向管板的方向流动的管程介质进行纯逆流换热，在内侧换热通道中换热后的壳程介质从内侧换热通道靠近U型管尾端的一端流出，从外侧换热通道靠近U型管尾端的一端进入外侧换热通道，进入外侧换热通道中的壳程介质在外侧换热通道中向管板的方向流动，与在U型管入口管段中向U型管尾端的方向流动的管程介质进行纯逆流换热，在外侧换热通道中换热后的壳程介质从外侧换热通道靠近管板的一端流出，从流动通道靠近管板的一端进入流动通道，进入流动通道中的壳程介质在流动通道中向壳程封头的方向流动，进入壳程壳体的内腔靠近壳程封头的部分，最后从壳程介质出口管流出，在U型管中与壳程介质换热后的管程介质从U型管出口流出，进入管程介质聚集室，最后从管程介质出口管流出。
采用本发明，具有如下的有益效果：换热前的壳程介质进入中心管，再在内侧换热通道和外侧换热通道中与U型管中的管程介质换热。U型管入口管段中的管程介质与外侧换热通道中的壳程介质、U型管返回管段中的管程介质与内侧换热通道中的壳程介质，均是进行纯逆流换热，换热效果比较理想。此外，换热后的壳程介质进入流动通道、壳程壳体内腔靠近壳程封头的部分，最后从壳程介质出口管流出，不与换热前的壳程介质进行再次换热，能够避免热损失。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明所用的一种U型管换热器的结构示意图。
图2是图1中的A—A剖视图(放大)。
图3是图1中的B—B剖视图(放大)。
图4是U型管换热器U型管入口管段中的管程介质与外侧换热通道中的壳程介质、U型管返回管段中的管程介质与内侧换热通道中的壳程介质进行纯逆流换热的局部放大示意图。
图1至图4中，相同附图标记表示相同的技术特征。图2和图3中的小圆表示U型管，图2中未示出管程法兰和壳程法兰，图3中未示出壳程介质入口管和壳程介质出口管等部件。图1和图4中，以实心箭头表示壳程介质的流动方向，空心箭头表示管程介质的流动方向。
具体实施方式
参见图1、图2、图3和图4，本发明方法所用的一种U型管换热器设有壳程壳体1、管程壳体2、管板5和U型管。管板5设于壳程壳体1与管程壳体2之间，U型管设于壳程壳体1的内腔中。U型管入口和出口与管板5相连，U型管入口与管程壳体2的内腔相通。壳程壳体1的一端与管程壳体2的一端通过壳程法兰18和管程法兰19连接，壳程壳体1的另一端为壳程封头。壳程壳体1的内腔中自内向外设置有中心管6、内套筒7和外套筒8，中心管6、内套筒7和外套筒8与壳程壳体1同轴设置。内套筒7的一端与管板5相连，外套筒8靠近壳程封头的一端至中心管6靠近壳程封头的部分设有内封头4。外套筒8通过若干个支撑件与壳程壳体1固定连接(图略)。
中心管6与内套筒7之间形成内侧换热通道9，内套筒7与外套筒8之间形成外侧换热通道10，外套筒8与壳程壳体1之间形成流动通道11。中心管6与内侧换热通道9在靠近管板5的一端相通，内侧换热通道9与外侧换热通道10在靠近U型管尾端(即半圆弯管)的一端相通，外侧换热通道10与流动通道11在靠近管板5的一端相通，流动通道11的另一端与壳程壳体1的内腔在靠近壳程封头的部分相通。U型管入口管段31的主体(即大部分)位于外侧换热通道10中，U型管返回管段32的主体(即大部分)位于内侧换热通道9中。中心管6在靠近壳程封头的部分与壳程介质入口管14相连，壳程壳体1上设有壳程介质出口管16。
管程壳体2上设有管程介质入口管17。管程壳体2的内腔中，在管板5的中部设有管程介质聚集室12，U型管出口与管程介质聚集室12相通。管程介质聚集室12上设有管程介质出口管13，通往管程壳体2的外部。
壳程壳体1、管程壳体2、U型管、中心管6、内套筒7、外套筒8、壳程介质入口管14、壳程介质出口管16、管程介质入口管17、管程介质出口管13的横截面形状均为圆形，内侧换热通道9、外侧换热通道10、流动通道11的横截面形状均为圆环形，管板5的形状为圆形。内封头4的形状可以是圆锥面形(如图1所示)，也可以是半球面形(图略)。图1和图2所示管程介质聚集室12的壳体由圆筒形筒体和圆锥面形筒体组成，它们通常与管程壳体2同轴设置。壳程壳体1与管程壳体2通常是同轴设置。
根据壳程介质与管程介质换热量的大小，U型管换热器可以设置几十根至几百根的U型管。参见图1、图2和图3，本发明的一种方案是，同一种规格的U型管绕壳程壳体1的轴心线均匀设置、组成一组U型管。一组U型管中，U型管入口位于管板的U型管入口部分(圆环形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的一个布管圆上，U型管出口位于管板的U型管出口部分(圆形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的另一个布管圆上。不同组U型管中的U型管入口和U型管出口，分别位于圆心相同但半径不同的多个布管圆上。
为强化换热效果，内侧换热通道9和外侧换热通道10中最好均设有折流板22，折流板22可以使用各种常用的折流板。图1、图3和图4所示的折流板22为带有外圆环缺口的圆环形折流板和带有内圆环缺口的圆环形折流板，在内侧换热通道9和外侧换热通道10中沿壳程壳体1的轴向交替设置。U型管入口管段31和U型管返回管段32从折流板22上的开孔穿过。
本发明所用的U型管换热器可以是立式的(如附图所示)，也可以是卧式的(图略)，采用裙座或鞍座支撑(图略)。根据不同的换热条件，各部件选用不同的金属材料制造。
下面结合附图说明采用本发明U型管换热器进行换热的方法，该方法包括如下步骤：管程介质20从管程介质入口管17进入管程壳体2的内腔，再从U型管入口进入U型管，在U型管中流动。壳程介质15从壳程介质入口管14进入中心管6，在中心管6中向管板5的方向流动，再从中心管6靠近管板5的一端流出，从内侧换热通道9靠近管板5的一端进入内侧换热通道9。进入内侧换热通道9中的壳程介质在内侧换热通道9中向U型管尾端的方向流动，与在U型管返回管段32中向管板5的方向流动的管程介质进行纯逆流换热(如图1和图4所示)。在内侧换热通道9中换热后的壳程介质从内侧换热通道9靠近U型管尾端的一端流出，从外侧换热通道10靠近U型管尾端的一端进入外侧换热通道10。进入外侧换热通道10中的壳程介质在外侧换热通道10中向管板5的方向流动，与在U型管入口管段31中向U型管尾端的方向流动的管程介质进行纯逆流换热(如图1和图4所示)。在外侧换热通道10中换热后的壳程介质从外侧换热通道10靠近管板5的一端流出，从流动通道11靠近管板5的一端进入流动通道11。进入流动通道11中的壳程介质在流动通道11中向壳程封头的方向流动，进入壳程壳体1的内腔靠近壳程封头的部分，最后从壳程介质出口管16流出。在U型管中与壳程介质换热后的管程介质从U型管出口流出，进入管程介质聚集室12，最后从管程介质出口管13流出。图1中，附图标记21表示换热后的管程介质，附图标记23表示换热后的壳程介质。
本发明可用于各种气液介质的换热。壳程介质可以是气相或液相，管程介质也可以是气相或液相。
例如，进入U型管换热器的管程介质20为水蒸汽，壳程介质15为烃类气体；利用烃类气体的余热产生过热水蒸汽。一组典型的条件是：管程介质入口管17中管程介质20(水蒸汽)的温度为300～350℃，压力为10～15MPa；管程介质出口管13中换热后管程介质21(过热水蒸汽)的温度为500～600℃，压力为10～15MPa；壳程介质入口管14中壳程介质15(烃类气体)的温度为600～900℃，压力为1～5MPa；壳程介质出口管16中换热后壳程介质23(换热后烃类气体)的温度为300～450℃，压力为1～5MPa。本发明提到的压力均为表压。
对于上述的操作条件，壳程壳体1和管程壳体2可以使用普通的低合金钢(例如Q345R)板材制造，内壁不设置绝热衬里。壳程壳体1的壁厚一般不超过50毫米，管程壳体2的壁厚一般不超过200毫米。U型管和管板5的材料和壁厚与现有在高温高压条件下操作的U型管换热器中所用的U型管和管板的材料和壁厚基本相同。中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、壳程介质入口管14、管程介质聚集室12的壳体、管程介质出口管13、折流板22等部件，通常使用不锈钢(例如奥氏体不锈钢)板材或管材制造，这些部件的壁厚一般为6～20毫米。中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、壳程介质入口管14、管程介质聚集室12的壳体和管程介质出口管13的表面上涂敷有隔热涂料，可以单面涂敷或双面涂敷。隔热涂料应能耐换热前后管程介质或壳程介质的温度，例如磷酸盐铝粉涂料。

Claims (1)

1.一种U型管换热器的换热方法，其特征在于：所用的U型管换热器设有壳程壳体(1)、管程壳体(2)、管板(5)和U型管，管板(5)设于壳程壳体(1)与管程壳体(2)之间，U型管设于壳程壳体(1)的内腔中，U型管入口和出口与管板(5)相连，U型管入口与管程壳体(2)的内腔相通，壳程壳体(1)的一端与管程壳体(2)的一端通过法兰连接，另一端为壳程封头，壳程壳体(1)的内腔中自内向外设置有中心管(6)、内套筒(7)和外套筒(8)，内套筒(7)的一端与管板(5)相连，外套筒(8)靠近壳程封头的一端至中心管(6)靠近壳程封头的部分设有内封头(4)，中心管(6)与内套筒(7)之间形成内侧换热通道(9)，内套筒(7)与外套筒(8)之间形成外侧换热通道(10)，外套筒(8)与壳程壳体(1)之间形成流动通道(11)，中心管(6)与内侧换热通道(9)在靠近管板(5)的一端相通，内侧换热通道(9)与外侧换热通道(10)在靠近U型管尾端的一端相通，外侧换热通道(10)与流动通道(11)在靠近管板(5)的一端相通，流动通道(11)的另一端与壳程壳体(1)的内腔在靠近壳程封头的部分相通，U型管入口管段(31)的主体位于外侧换热通道(10)中，U型管返回管段(32)的主体位于内侧换热通道(9)中，中心管(6)在靠近壳程封头的部分与壳程介质入口管(14)相连，壳程壳体(1)上设有壳程介质出口管(16)，管程壳体(2)上设有管程介质入口管(17)，管程壳体(2)的内腔中，在管板(5)的中部设有管程介质聚集室(12)，U型管出口与管程介质聚集室(12)相通，管程介质聚集室(12)上设有管程介质出口管(13)，通往管程壳体(2)的外部。
采用上述U型管换热器进行换热的方法，包括如下步骤：管程介质(20)从管程介质入口管(17)进入管程壳体(2)的内腔，再从U型管入口进入U型管，在U型管中流动，壳程介质(15)从壳程介质入口管(14)进入中心管(6)，在中心管(6)中向管板(5)的方向流动，再从中心管(6)靠近管板(5)的一端流出，从内侧换热通道(9)靠近管板(5)的一端进入内侧换热通道(9)，进入内侧换热通道(9)中的壳程介质在内侧换热通道(9)中向U型管尾端的方向流动，与在U型管返回管段(32)中向管板(5)的方向流动的管程介质进行纯逆流换热，在内侧换热通道(9)中换热后的壳程介质从内侧换热通道(9)靠近U型管尾端的一端流出，从外侧换热通道(10)靠近U型管尾端的一端进入外侧换热通道(10)，进入外侧换热通道(10)中的壳程介质在外侧换热通道(10)中向管板(5)的方向流动，与在U型管入口管段(31)中向U型管尾端的方向流动的管程介质进行纯逆流换热，在外侧换热通道(10)中换热后的壳程介质从外侧换热通道(10)靠近管板(5)的一端流出，从流动通道(11)靠近管板(5)的一端进入流动通道(11)，进入流动通道(11)中的壳程介质在流动通道(11)中向壳程封头的方向流动，进入壳程壳体(1)的内腔靠近壳程封头的部分，最后从壳程介质出口管(16)流出，在U型管中与壳程介质换热后的管程介质从U型管出口流出，进入管程介质聚集室(12)，最后从管程介质出口管(13)流出。
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