CN110274507A - 一种可完全消除热应力的换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可完全消除热应力的换热器，所述换热器包括两块管板，所述管板上开有换热管孔，两块管板间设有换热管，换热管两端分别穿过两块管板的换热管孔，所述换热管至少其中一端与换热管孔通过密封圈密封连接，且该端换热管外端固定连接有止动套。这样的结构可以完全消除换热管与管板间的热应力，实现所有换热管在管板处的自由伸缩。

Description

一种可完全消除热应力的换热器

技术领域

本发明专利涉及换热器技术领域，特别是涉及一种可完全消除热应力的换热器。

背景技术

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，又称热交换器，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

换热管是换热器的元件之一，置于筒体之内，用于两介质之间热量的交换。具有很高的导热性和良好的等温性。管板，就是在圆形钢板上钻出比管子外径一样略大一些的孔，是换热器中起到固定管子以及密封介质作用的圆钢。

换热管与管板的连接目前主要有三种：(1)胀接；(2)焊接；(3)胀焊结合。这几种连接方法除本身结构固有的特点外，在加工中，也与生产条件、操作技术都有一定的关系。

最开始使用的固定管板式换热器，是在换热管的两端使用管板进行固定、支撑，且两个管板都与壳体固定连接，这使得换热器有较大的热应力存在，易造成管子与管板结合处拉脱破裂而发生泄漏或管子失稳的情况。后来出现的浮头式换热器有效的解决了热应力的产生，可以在高温高压下工作，这是因为浮头式换热器两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动；浮头由浮动管板、钩圈和浮头法兰组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出，当管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力；虽然浮头式换热器能够很好地消除热应力，但因为其结构超静定，每根换热管与管板之间均采用固定连接，换热管与管板必须同时“浮动”，不能完全消除每根换热管与管板的应力，甚至由于拉伸作用导致换热管破损。此外，浮头式换热器结构复杂，造价高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查且易发生内漏，制造时对密封要求较高。另一种U形管式换热器也能很好的解决热应力的产生，由于U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，所以其热补偿性能好，无热应力；但是由于受弯管曲率半径的限制，需要布管空间大，无效换热面积大，导致其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，会减小换热面积。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种可完全消除热应力的换热器，本发明能够完全消除每根换热管与管板之间的应力；相比传统消除热应力的结构，无需在壳体内另设非换热空间，结构更简单；必要时除去两端止动套结构，方便换热管的抽出、更换；特别适用于管板与换热管不能胀接或焊接的场合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可完全消除热应力的换热器，所述换热器包括两块管板，所述管板上开有换热管孔，两块管板间设有换热管，换热管两端分别穿过两块管板的换热管孔，其特征在于，所述换热管至少其中一端与换热管孔通过密封圈密封连接，且该端换热管外端固定连接有止动套。

作为优选，所述密封圈的数量为一个或多个。

作为优选，所述换热管的一端与换热管孔通过密封圈密封连接，该端换热管外固定连接有止动套，换热管的另一端固定连接在管板上。

作为优选，所述换热管的两端均与换热管孔通过密封圈密封连接，换热管的两端部固定有止动套。

作为优选，所述止动套上开有贯通的孔，孔内壁设有凹槽或螺纹。

作为优选，所述凹槽形状为圆弧凹槽、U型凹槽或波浪形凹槽。

作为优选，所述凹槽数目为1个或多个。

作为优选，所述换热器为管壳式换热器、列管式换热器、沉浸式换热器、喷淋式换热器等其他管式换热器。

作为优选，所述换热管为直管、肋片管、U型管、蛇形管、椭圆管、波纹管等。

作为优选，所述止动套与换热管胀接、焊接或螺纹连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)换热管因没有采用传统与管板的连接方式(胀接或焊接)，可以实现在轴向方向上的自由伸缩，而不破坏其自身与管板结构；为实现换热介质之间及换热介质与外界的密封及所有换热管均可自由伸缩的目的，通过O型密封圈实现管板与换热管的动密封。这样的结构可以完全消除换热管与管板间的热应力，实现所有换热管在管板处的自由伸缩；

(2)相比传统消除热应力的结构，结构简单；

(3)除去止动套，可方便实现换热管的抽出、更换。

(4)提高换热器的可靠性，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例一的换热器示意图；

图2是本发明图1中II处的放大图；

图3是本发明图1中III处放大图；

图4是本发明实施例二的换热器示意图；

图5是本发明图4中I处放大图；

图6是本发明实施例三的换热器示意图；

图7是本发明图6中IV处放大图；

图8是本发明图6中V处放大图；

图9是本发明图8中A-A处剖面图；

图10是本发明实施例四的换热器示意图；

图11是本发明图10中VI处放大图；

图中：左管板1、右管板2、换热管孔3、换热管4、密封圈5、止动套6、孔7、环槽8。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

如图1-11所示，一种可完全消除热应力的换热器，所述换热器包括两块管板(记为左管板1和右管板2)，所述管板上开有换热管孔3，两块管板间设有换热管4，换热管4两端分别穿过两块管板的换热管孔3，所述换热管4至少其中一端与换热管孔3通过密封圈5密封连接，且该端换热管4外端固定连接有止动套6。

如图1-3所示，在本申请的一实施方式中，为了使换热管4因受外力或因受热或冷却时自由伸缩的位移可控，所述换热管4的一端与换热管孔3通过密封圈5密封连接，该端换热管4外固定连接有止动套6，换热管4的另一端固定连接在管板上(可通过胀接、焊接或胀焊结合的形式)，此时换热管4一端固定，另一端可自由位移，膨胀和收缩方向明确，能够完全消除换热管4的热应力，止动套6的作用是防止换热管4收缩过多缩回到管板内，换热管4收缩过多时，止动套6抵住管板的外壁，从而防止换热管4进一步的收缩。

如图4-5所示，在本申请的一实施方式中，当需要两端都设为自由端的时候，即所述换热管4的两端均与换热管孔3通过密封圈5密封连接，在两端采用止动套6对换热管4伸缩位移进行限位。

如图4所示，在本申请的一实施方式中，所述密封圈5采用O型密封圈，密封圈5的数量可以为一个或多个，具体根据管板厚度与管板和换热管4之间的密封要求选取。

在本申请的一实施方式中，止动套6上开有贯通的孔7，孔7内壁具有凹槽或螺纹。

使用时，止动套6同轴穿设在管板与换热管4间采用O型密封圈密封的那端换热管4的外面，止动套6内壁与金属管外壁具有间隙，用于胀接连接。胀接后换热管4外壁与止动套6内壁紧密贴合，防止因换热管4伸缩导致换热管4端部缩至管板内部而使O型密封圈密封失效。孔内壁如果是螺纹，则是内螺纹，换热管4外壁具有外螺纹，外螺纹和内螺纹旋接啮合，从而将止动套6固定在换热管4上。

在本申请的一实施方式中，止动套6优选圆柱筒状结构，根据实际安装情况可以选用空心多边形结构。

在本申请的一实施方式中，凹槽可以为圆弧形、U形、波浪形等，凹槽数目可以为1或多个。

在本申请的一实施方式中，止动套6本体的材质可以为SUS304、S2205等不锈钢或Q235、Q345等碳钢，优选SUS304不锈钢。

需要说明的是，以上仅是本实施例止动套6优选的方案，止动套6任何变型或者适应性变化，其起到的是防止换热管4收缩过多缩回到管板内这一作用，均在本申请的保护范畴内。

所述换热器为管壳式换热器、列管式换热器、沉浸式换热器、喷淋式换热器等其他管式换热器。所述换热管4为直管、肋片管、U型管、蛇形管、椭圆管、波纹管等。所述管板为固定管板、浮动管板等。

实施例一：

如图1-3所示，本实施例给出本发明的另一个应用场合，以列管式换热器为例，右管板2处采用双O型密封圈和圆弧凹槽型止动套6结构，列管式换热器的左管板1和右管板2间连接有多根换热管4，左管板1和右管板2上均开有与换热管4数量相同的换热管孔3，其中右侧换热管孔3上开设一道用于安装密封圈5的环槽8，换热管4的左端穿设在左管板1的换热管孔3上，左侧管板与换热管4焊接连接；换热管4的右端穿设在右管板2的换热管孔3上，右侧换热管孔3通过密封圈5与换热管4外壁连接，从而实现管板左右两侧的隔绝。换热管4的右端穿出右管板2后在其端部同轴安装止动套6，止动套6内壁与金属管外壁具有间隙，用于胀接连接，胀接后金属管外壁与止动套6内壁紧密贴合，防止因换热管4伸缩导致换热管4端部缩至管板内部而使O型密封圈密封失效。

本实施例适用于换热管4外表面材料不适合加工螺纹或焊接的场合，如覆膜金属管等。

实施例二：

如图4-5所示，本实施例给出本发明的一个应用场合，以管壳式换热器为例，两端管板处均采用单O型密封圈和圆弧凹槽型止动套6结构，管壳式换热器的壳体上具有左管板1和右管板2，左右管板2间连接有多根换热管4，左管板1和右管板2上均开有与换热管4数量相同的换热管孔3，换热管孔3上开设一道用于安装密封圈5的环槽8，换热管4的左端穿设在左管板1的换热管孔3上，换热管4的右端穿设在右管板2的换热管孔3上，换热管孔3通过密封圈5与换热管4外壁连接，从而实现管板左右两侧的隔绝。

换热管4的左右端穿出左管板1和右管板2后在其端部同轴安装止动套6，止动套6内壁与金属管外壁具有间隙，用于胀接连接，胀接后金属管外壁与止动套6内壁紧密贴合，防止因换热管4伸缩导致换热管4端部缩至管板内部而使O型密封圈密封失效。

本实施例适用于换热管4外表面材料不适合加工螺纹或焊接的场合，如覆膜金属管等。

实施例三：

如图6-9所示，本实施例给出本发明的另一个应用场合，以列管式换热器为例，右管板2处采用双O型密封圈和内螺纹型止动套6结构，本实施例与实施例一的区别是止动套6内壁开有内螺纹，换热管4外壁加工有外螺纹，二者通过螺纹连接，螺纹连接后换热管4外壁与止动套6内壁紧密贴合，防止因换热管4伸缩导致换热管4端部缩至管板内部而使O型密封圈密封失效。

本实施例适用于换热管4外表面可以加工螺纹的场合，比如一般的金属管。

实施例四：

如图10-11所示，本实施例给出本发明的另一个应用场合，以管壳式换热器为例，本实施例和实施例二的差别是：止动套6内壁为通孔，止动套6与换热管4外表面通过焊接连接，焊接后的止动套6可以防止因换热管4伸缩导致换热管4端部缩至管板内部而使O型密封圈密封失效。

本实施例适用于换热管4外表面可以焊接的场合，比如一般的金属管。

现有技术换热管与管板的连接基本上都是通过焊接或胀接来实现固定连接的，不易于消除换热管与管板连接的热应力，且无法实现换热管的更换；虽然浮头式换热管、U形管式换热器能够很好地消除热应力，但二者结构较复杂，使用具有一定局限性：浮头式换热器为实现“浮动管板”，需要浪费一定的壳体空间，导致相同壳体直径下，换热面积更小；U型管式换热器受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，且其弯管段导致U型管换热器应用受限。

本发明的所述换热管4因没有采用传统与管板的连接方式(胀接或焊接)，可以实现在轴向方向上的自由伸缩，而不破坏其自身与管板结构；为实现换热介质之间及换热介质与外界的密封及所有换热管4均可自由伸缩的目的，通过O型密封圈实现管板与换热管4的动密封。

另外，需要说明的是本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种可完全消除热应力的换热器，所述换热器包括两块管板等，所述管板上开有换热管孔，两块管板间设有换热管，换热管两端分别穿过两块管板的换热管孔，其特征在于，所述换热管至少其中一端与换热管孔通过密封圈密封连接，且该端换热管外端固定连接有止动套。

2.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述密封圈的数量为一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述换热管的一端与换热管孔通过密封圈密封连接，该端换热管外固定连接有止动套，换热管的另一端固定连接在管板上。

4.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述换热管的两端均与换热管孔通过密封圈密封连接，换热管的两端部固定有止动套。

5.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述止动套上开有贯通的孔，孔内壁设有凹槽或螺纹。

6.根据权利要求5所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述凹槽形状为圆弧凹槽、U型凹槽或波浪型凹槽。

7.根据权利要求5所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述凹槽数目为1个或多个。

8.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述换热器为管壳式换热器、列管式换热器、沉浸式换热器或喷淋式换热器。

9.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述换热管为光管、肋片管、U型管、蛇形管、椭圆管或波纹管。

10.根据权利要求1所述的一种可完全消除热应力的换热器，其特征在于，所述止动套与换热管胀接、焊接或螺纹连接。