CN109654909B - 一种高温高压微细管壳式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温高压微细管壳式换热器。该换热器结构简单紧凑，内部流量、温度分布均匀，换热效率高，密封性能好，耐高温高压。其结构包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体上设置有热流体入口以及热流体出口；换热器管束为多条且均位于换热器壳体内部轴向分布；每一个管箱内均设置有管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。
Description
技术领域
本发明属于热交换领域，具体涉及一种高温高压微细管壳式换热器。
背景技术
在第四代高温气冷堆核电站的研发中，超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是一种新型、高效、安全的能量循环系统。在超临界二氧化碳布雷顿循环中，回热器是最为重要的换热部件之一，其热工水力性能对整个循环的效率和系统尺寸有着重要的影响。
目前，第二、第三代压水堆核电站中采用的换热器普遍为管壳式换热器。传统的管壳式换热器具有结构简单、造价低、流通截面宽、易于清洗的优点。但由于换热管管径较大、管程较长，管壳式换热器换热效率低、占地面积大，同时耐压性能和抗震性能较差，传统的管壳式换热器已不能满足超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆的发展要求。
此外，传统的管壳式换热器结构上还存在着以下缺点：
固定管板式换热器换热温差通常不能超过100℃，U型管式换热器换热器管束较少且管束不易清洗维修，浮头式换热器结构复杂、造价高，螺旋缠绕管式换热器内部温度流量分布不均、管束不易更换清洗。因此，需要一种高效、紧凑、新型的高温高压换热设备。
将常规尺寸管束改成微管束，管壳式换热器的换热面积与体积比能得到巨大提升，可以实现紧凑式换热。此外，由于尺寸的缩小，换热器耐压能力也将会提高。因此，微细管壳式换热器能够用于超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆的换热。但是，超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆中，回热器的运行工况通常在冷侧20MPa、300℃，热侧10MPa、500℃左右。由于工作温度与压力的增大、冷热流体温差的巨大提升，加上换热器尺寸的缩小，微细管壳式换热器的设计制造难度相比于传统管壳式换热器将大大增加。尤其是，管板与微细管束间的密封连接相比于常规尺寸下难度将会成倍提升。金属微细管的密封连接通常采用钎焊，但是传统的钎焊工艺在加工时容易出现微细管变形、熔蚀、虚焊等现象，无法满足加工要求。而目前发展的金属微细管真空电子束钎焊、脉冲激光焊等新技术存在着工艺不成熟、加工效率低、加工成本高等缺点。
中国专利，专利公开号CN 106949754 A公开了一种小微通道换热器及其换热方法，该换热器的水平圆筒状集管内设置有水平隔板，换热器管束穿过集管与水平隔板相连，且换热器管束与集管相连，连接方式为胀接或是焊接。在此专利中管束与集管、水平隔板的双重密封连接能够提高换热器的密封性能，但是也增加了加工工序，提高了加工难度，且胀接的不适用于高温高压下金属微细管的密封连接。
中国专利，专利公开号CN 103128519A公开了一种微通道换热器制造方法和装置，该换热器的换热器管束与集管之间采用冷挤压连接，冷挤压连接有着节约原料、能源，提高效率降低成本的优点，但是该工艺不适用于高温高压的工况。
中国专利，专利授权号CN 206709658 U公开了一种微细管发卡式换热器，该换热器的壳程筒体与管束均为U型，能够消除换热中产生的应力，节省材料并减少加工工序。但是换热器管束与管板之间采用螺纹连接，无法满足高温高压的工况。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种高温高压微细管壳式换热器。该换热器结构简单紧凑，内部流量温度分布均匀，换热效率高，密封性能好，耐高温高压。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种高温高压微细管壳式换热器，包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；其中，一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体设置有热流体入口以及热流体出口，换热器为逆流换热器；换热器管束为多条且均轴向分布于换热器壳体内部；
其改进之处是：
还包括设置在每一个管箱内的管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。
进一步地，为了便于后期维修，管箱采用分体式结构设计，具体包括封头、底座、紧固螺母以及紧固螺栓；封头和底座扣合，紧固螺栓穿过所述底座以及封头后通过紧固螺母将封头和底座进行固定，底座与换热器壳体固连，封头上设置冷流体入口或冷流体出口。
进一步地，为了保证密封性的同时也利于后期拆卸维修，本发明中所采用的管板密封装置具体结构是：
包括依次设置的下管板、石墨密封垫和上管板；
下管板固定安装在所述底座内；
下管板、石墨密封垫、上管板上均开设有数量、位置相同的多个管束固定孔；多个管束固定孔的数量、位置与多个换热器管束相适配；换热器管束的端部依次穿过下管板、石墨密封垫以及上管板上的管束固定孔；
下管板上还设有多根固定螺柱，石墨密封垫和上管板相对于所述多根固定螺柱的位置开设有多个螺柱固定孔；上管板、石墨密封垫穿过所述多个固定螺柱后通过螺母固定在下管板上。
进一步地，为了使换热器的换热效果更加均匀，所有换热器管束外形统一，单根换热器管束可在管束固定孔上旋转任意角度，同一排设置的单根换热器管束旋转角度相同，相邻上下排换热器管束同向平行或反向平行(即就是相邻两排的换热器管束的折弯方向相同或相反)。
进一步地，为了进一步的提高整个换热器的密封性，所述底座和下管板之间还设有第一金属密封圈；封头和底座之间还设有第二金属密封圈。
进一步地，多个管束固定孔组成多个孔组；每个孔组中管束固定孔的中点连线呈等边三角形或是正方形。
进一步地，第一金属密封圈与第二金属密封圈均采用镀镍软铁或镀银软铁制作。
进一步地，上述上管板、下管板均采用42CrMo合金钢或其他耐高温高强度合金材料制成。
进一步地，上述换热器管束为光滑无缝金属微细圆管，换热器管束外径为1～3mm，管壁厚度为0.1～0.5mm，材质为耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金。
进一步地，上述换热器壳体为无缝金属厚壁圆管，换热器壳体、管箱采用焊接方式连接，且换热器壳体、管箱均采用耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金制成。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用的换热器管束为正弦形或梯形弯折管，增加了流程，提高了换热效率；由于该设计，从而相比现有换热器可以取消折流板组件，降低了加工难度和成本；换热器管束可随流体温度变化自由伸缩，能够有效消除热应力。
2、本发明采用所有换热器管束流程相等，能够确保管侧、壳侧流量分配均匀，提高换热效率。
3、本发明采用的换热器壳体为无缝金属厚壁圆管，避免了传统管壳式换热器壳体的卷板焊接分段制造的加工方式，承压能力更好。
4、本发明采用上管板、石墨密封垫、下管板的连接结构，使得换热器管束与管板之间密封为挤压密封，不仅密封性强，同时各个零件均活动可拆，方便后期换热器维护修理。
5、本发明采用换热器管束为微细无缝金属圆管，直径较小，结构紧凑，能够承受高温高压，换热效率高，能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环的换热需求。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图。
图2为本发明中管箱结构示意图。
图3为本发明中管板密封装置结构示意图。
图4为本发明中管板密封装置中上管板结构示意图。
图5为本发明中管板密封装置中下管板结构示意图。
图6为本发明中管板密封装置与管箱连接示意图。
图7为本发明中换热器管束结构示意图。
图8为本发明中换热器管束排布示意图。
图9为本发明中换热流动示意图。
附图标记如下：
1-换热器壳体；
2-管箱、21-封头、22-底座、23-第一密封圈、24-紧固螺母、25-紧固螺栓；
3-换热器管束；
4-管板密封装置、41-下管板、411-固定螺柱、42-上管板、421-螺柱固定孔、422-管束固定孔、43-石墨密封垫、44-第二金属密封圈、45-螺母、46螺钉；
5-冷流体入口、6-冷流体出口、7-热流体入口、8-热流体出口。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
在本实施例中，本发明提供的一种高温高压微细管壳式换热器，如图1中所示：包括换热器壳体1、管箱2、换热器管束3和管板密封装置组成；换热器壳体1的两端分别安装管箱2；其中，一个管箱2上设有冷流体入口5，另一个管箱2上设置冷流体出口6，，换热器壳体1设置有热流体入口7以及热流体出口8；换热器为逆流换热器，热流体入口7靠近冷流体出口6的位置设置，热流体出口8靠近冷流体入口5的位置设置；换热器管束3为多条且均轴向分布于换热器壳体1内部；多条换热器管束3的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束3一端均与所述冷流体入口5连通，另一端均与冷流体出口6连通；如图7所示，每条换热器管束3均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。
根据上述换热器基本结构的描述，现对其各个部件的结构以及各个部件之间的连接结构进行描述：
如图2所示，管箱2由封头21、底座22、第一密封圈23、紧固螺母24和紧固螺栓25组成。封头21和底座22扣合，紧固螺栓25穿过所述底座22、第一密封圈23以及封头21后通过紧固螺母24将封头21、底座22、第一密封圈进行固定，底座22与换热器壳体1固连，封头21上设置冷流体入口5或冷流体出口6。
如图3、图4、图5以及图6所示，管板密封装置4由下管板41、上管板42、石墨密封垫43和螺母45组成。下管板41通过螺钉46固定在所述底座22内；下管板41、石墨密封垫43、上管板42上均开设有数量、位置相同的多个管束固定孔422；多个管束固定孔422的数量、位置与多个换热器管束3相适配；换热器管束3的端部依次穿过下管板41、石墨密封垫43以及上管板42上的管束固定孔422；
下管板41上还设有多根固定螺柱411，石墨密封垫43和上管板42相对于所述多根固定螺柱411的位置开设有多个螺柱固定孔421；上管板42、石墨密封垫43穿过所述多个固定螺柱411后通过螺母45固定在下管板上，通过旋转螺母45，施力给上管板42，挤压石墨密封垫43，从而达到密封换热器管束3的效果。
上管板42、石墨密封垫43、下管板41中的多个管束固定孔422均能组成多个孔组；每个孔组中管束固定孔的中点连线呈等边三角形或正方形排布。螺柱固定孔421和固定螺柱411的数量与位置可根据换热器管束3的数量与分布范围具体调整。
由于管板密封装置置于管箱2内，为进一步地保证密封性，底座22与下管板之间设置有第二金属密封圈44。
本实施中其他的优选设计如下：
1、换热器壳体1与底座22连接形式为焊接。
2、上管板42、下管板41、螺母45、紧固螺母24和紧固螺栓25材质均为42CrMo合金钢。
3、换热器壳体1为316L不锈钢无缝厚壁圆管，封头21和底座22材质均为316L不锈钢。
4、第一密封圈23与第二密封圈44材质为镀镍软铁。
5、换热器管束3为光滑金属微细圆管，换热器管束外径为2mm，管壁厚度为0.5mm，材质为316L不锈钢。如图7、图8所示，所有换热器管束外形统一，单根换热器管束可在管束固定孔422上旋转任意角度，第n排设置的单根换热器管束旋转角度相同，相邻n排与n+1排换热器管束同向平行或反向平行(即就是相n排与n+1排的换热器管束的折弯方向相同或相反)。
如图9所示，在本实施例中的低压高温热流体由热流体入口7流入，再由热流体出口8流出，完成换热；高压低温流体由冷流体入口5流入管箱2，经换热器管束3后由冷流体出口6流出，完成换热。
本实施例中的高温高压微细管壳式换热器可实现550℃、10MPa与350℃、25MPa工况下高温高压超临界二氧化碳的换热。
与传统管壳式换热器相比，本发明中的换热器取消了折流板，结构更为简单，降低了加工难度和成本；换热器管束外形为正弦形或梯形弯折管，增加了流程，且管束可随流体温度变化自由伸缩，能够有效消除热应力；管束流程相等，能够确保管侧、壳侧流量分配均匀，提高换热效率；换热器管束与管板之间密封为挤压密封，部件活动可拆，方便后期换热器维护修理；换热器管束为细微通道，壳体为无缝金属后壁圆管，结构紧凑，耐高温高压且换热效率高，能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环的换热需求。
根据上述说明书，本领域技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，并不局限于上面描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高温高压微细管壳式换热器，包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；其中，一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体设置有热流体入口以及热流体出口，换热器为逆流换热器；换热器管束为多条且均轴向分布于换热器壳体内部；
其特征在于：
还包括设置在每一个管箱内的管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管；
所述管箱包括封头、底座、紧固螺母以及紧固螺栓；封头和底座扣合，紧固螺栓穿过所述底座以及封头后通过紧固螺母将封头和底座进行固定，底座与换热器壳体固连，封头上设置冷流体入口或冷流体出口；
所述管板密封装置包括依次设置的下管板、石墨密封垫和上管板；
下管板固定安装在所述管箱的底座内；
下管板、石墨密封垫、上管板上均开设有数量、位置相同的多个管束固定孔；多个管束固定孔的数量、位置与多个换热器管束相适配；换热器管束的端部依次穿过下管板、石墨密封垫以及上管板上的管束固定孔；
下管板上还设有多根固定螺柱，石墨密封垫和上管板相对于所述多根固定螺柱的位置开设有多个螺柱固定孔；上管板、石墨密封垫穿过所述多个固定螺柱后通过螺母固定在下管板上。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所有换热器管束形状、尺寸一致，每根换热器管束可在管束固定孔上旋转任意角度，同一排设置的单根换热器管束旋转角度相同，相邻上下排换热器管束同向平行或反向平行。
3.根据权利要求2所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述底座和下管板之间还设有第一金属密封圈；封头和底座之间还设有第二金属密封圈。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：多个管束固定孔组成多个孔组；每个孔组中管束固定孔的中点连线呈等边三角形或是正方形。
5.根据权利要求4所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：第一金属密封圈与第二金属密封圈均采用镀镍软铁或镀银软铁制作。
6.根据权利要求5所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述上管板、下管板均采用42CrMo合金钢或其他耐高温高强度合金材料制成。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述换热器管束为光滑无缝金属微细圆管，换热器管束外径为1～3mm，管壁厚度为0.1～0.5mm，材质为耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金。
8.根据权利要求7所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述换热器壳体为无缝金属厚壁圆管，换热器壳体、管箱采用焊接方式连接，且换热器壳体、管箱均采用耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金材质制成。
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