CN110631393A - 一种新型高温气-气管壳式换热器 - Google Patents

一种新型高温气-气管壳式换热器 Download PDF

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杜宏德
田伟明
胡建军
张志�
王涛
李文娟
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Abstract

本发明属于石油化工、环保等领域用高温气体换热设备，具体涉及一种新型高温气‑气管壳式换热器，其高温气体入口管箱下方依次设置有高温部管板筒体、壳程筒体、高温气体出口管箱；高温气体入口管箱的下端与高温部管板筒体的上端之间设置有高温部上薄管板，高温部管板筒体的下端与壳程筒体的上端之间设置有高温部下薄管板，高温部上薄管板与高温部下薄管板之间形成空腔，空腔的侧壁为高温部管板筒体，壳程筒体的下端与高温气体出口管箱的上端之间设置有高温气体出口管板。本发明特别适用于高温带压气‑气换热状况，设备的制造成本大大减少，经济可行，可有效推进高温工艺状况的能量回收，降低生产过程成本。

Description

一种新型高温气-气管壳式换热器
技术领域
本发明属于石油化工、环保等领域用高温气体换热设备，具体涉及一种新型高温气-气管壳式换热器。
背景技术
随着国家工业生产和环保产业的进一步发展，在满足原有工业生产的基础上，进一步加紧生产过程中高温介质的能量回收直接再回用于自身的生产环节，实现高效率的节能减排，降低生产运行和管理成本显得尤为重要。根据常规的管壳式换热器的结构设计，难以满足高温生产过程，特别是高温带压气-气换热工况，目前高温换热设备存在管板与换热管在高温状况下应力导致焊缝拉裂、应力疲劳失效，设备使用寿命不长；同时耐高温材料应用导致设备制造成本高等实际工业问题。因此，开发新型的高温气-气管壳式换热器结构是石油化工以及环保领域亟需的关键设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型高温气-气管壳式换热器，解决高温换热设备存在管板与换热管在高温状况下应力导致焊缝拉裂、应力疲劳失效的问题。
本发明的实现过程如下：
一种新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱、高温部管板筒体、壳程筒体、高温气体出口管箱；所述高温气体入口管箱下方依次设置有高温部管板筒体、壳程筒体、高温气体出口管箱；所述高温气体入口管箱的下端与高温部管板筒体的上端之间设置有高温部上薄管板，高温部管板筒体的下端与壳程筒体的上端之间设置有高温部下薄管板，所述高温部上薄管板与高温部下薄管板之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体，所述壳程筒体的下端与高温气体出口管箱的上端之间设置有高温气体出口管板。
进一步，所述高温部上薄管板上设置有若干个管程换热管，所述管程换热管依次贯穿高温部下薄管板、高温气体出口管板，所述管程换热管的上端与高温气体入口管箱连通，所述管程换热管的下端与高温气体出口管箱连通；所述高温部下薄管板上设置有高温部管板预冷气体出口接管，所述高温部管板预冷气体出口接管的下端延伸至壳程筒体的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管将高温部管板筒体与壳程筒体连通。
进一步，所述高温气体出口管板根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。
进一步，所述壳程筒体的内侧壁交错设置有若干个折流板，所述高温部管板预冷气体出口接管、管程换热管均贯穿折流板。
进一步，所述壳程筒体连接有膨胀节。
进一步，所述高温部管板筒体的侧壁设置有若干个高温部管板预冷气体入口接管，所述高温部管板预冷气体入口接管的数量根据工况温度和设备直径确定。
进一步，所述壳程筒体的上部侧壁设置有低温气体出口接管，所述壳程筒体的下部侧壁设置有低温气体入口接管。
进一步，所述高温气体入口管箱上设置有高温气体入口接管。
进一步，所述高温气体出口管箱的侧壁上设置有高温气体出口接管；所述高温气体出口管箱的底部设置有高温气体底部排灰出口。
进一步，所述高温气体入口管箱、高温部上薄管板、壳程筒体、高温气体出口管箱中任意之一或全部为耐火隔热材料制成。
本发明的积极效果：
(1)高温气体进出口管箱和低温气体流通的筒体可根据工况选择内衬隔热材料，降低设备制造对耐高温金属材料的使用，只需用普通钢制材料就可满足要求，大大降低设备制造成本。
(2)高温换热器采用双薄管板结构。
(3)双薄管板采用独立的连接方式，易于修复上薄管板和下薄管板、管程换热管。
(4)双薄管板之间有预冷却气体接入，避免双薄管板不超温。
附图说明
图1为本发明所述新型高温气-气管壳式换热器的结构示意图；
图2为本发明所述新型高温气-气管壳式换热器的工作原理图；
图中，1高温气体入口接管，2高温气体入口管箱，3高温部上薄管板，4高温部下薄管板，5高温部管板筒体，6高温部管板预冷气体入口接管，7高温部管板预冷气体出口接管，8管程换热管，9壳程筒体，10折流板，11低温气体出口接管，12膨胀节，13低温气体入口接管，14高温气体出口管板，15高温气体出口管箱，16高温气体出口接管，17高温气体底部排灰出口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
根据现有高温气-气换热器存在的技术不足，结合工艺设计，提出了一种新型高温气-气管壳式换热器，特别适用于高温带压气-气换热状况，设备的制造成本大大减少，经济可行，可有效推进高温工艺状况的能量回收，降低生产过程成本。
实施例1
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，见图1，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。所述高温部上薄管板3上设置有若干个管程换热管8，所述管程换热管8依次贯穿高温部下薄管板4、高温气体出口管板14，所述管程换热管8的上端与高温气体入口管箱2连通，所述管程换热管8的下端与高温气体出口管箱15连通；所述高温部下薄管板4上设置有高温部管板预冷气体出口接管7，所述高温部管板预冷气体出口接管7的下端延伸至壳程筒体9的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管7将高温部管板筒体5与壳程筒体9连通。所述高温气体出口管板14根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。所述壳程筒体9的内侧壁交错设置有若干个折流板10，所述高温部管板预冷气体出口接管7、管程换热管8均贯穿折流板10。所述壳程筒体9连接有膨胀节12。
所述高温部管板筒体5的侧壁设置有若干个高温部管板预冷气体入口接管6，所述高温部管板预冷气体入口接管6的数量根据工况温度和设备直径确定。所述壳程筒体9的上部侧壁设置有低温气体出口接管11，所述壳程筒体9的下部侧壁设置有低温气体入口接管13。所述高温气体入口管箱2上设置有高温气体入口接管1。所述高温气体出口管箱15的侧壁上设置有高温气体出口接管16；所述高温气体出口管箱15的底部设置有高温气体底部排灰出口17。
本实施例所述高温气体入口管箱2、高温部上薄管板3、壳程筒体9、高温气体出口管箱15中任意之一或全部为耐火隔热材料制成。
结合图2可知，本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器的工作原理如下：
高温气体的走向：高温气体从高温气体入口接管1进入高温气体入口管箱2，管程换热管8将高温气体入口管箱2与高温气体出口管箱15连通，高温气体通过管程换热管8从高温气体入口管箱2输送到高温气体出口管箱15中，输送过程中管程换热管8中高温气体与壳程中的温度较低气体进行热交换，经过热交换后的高温气体进入高温气体出口管箱15中，然后从高温气体出口接管16排出，高温气体出口管箱15在高温气体带固体颗粒物的状况下如焚烧锅炉产生的含尘烟气、煤化工气化锅炉含尘气等，在高温气体出口管箱15的底部设置有高温气体底部排灰出口17，从而使得固体颗粒物在重力作用下从高温气体底部排灰出口17排出。
低温气体的走向：低温气体从低温气体入口接管13进入壳程筒体9的下部，低温气体与管程换热管8中的高温气体进行热交换，加热后的低温气体上升依次通过交错设置的折流板10，使得低温气体充分与管程换热管8中的高温气体进行热交换后，最终与加热后的预冷气体混合后从低温气体出口接管11排出。
预冷气体的走向：预冷气体是从低温气体中分出的一部分气体，预冷气体从高温部管板预冷气体入口接管6进入高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间的空腔，然后通过高温部管板预冷气体出口接管7将预冷气体输送到壳程筒体9的下部，预冷气体与管程换热管8中的高温气体进行热交换，加热后的预冷气体上升依次通过折流板10，最终与加热后的低温气体混合后从低温气体出口接管11排出。
实施例2
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。
实施例3
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。所述高温部上薄管板3上设置有若干个管程换热管8，所述管程换热管8依次贯穿高温部下薄管板4、高温气体出口管板14，所述管程换热管8的上端与高温气体入口管箱2连通，所述管程换热管8的下端与高温气体出口管箱15连通；所述高温部下薄管板4上设置有高温部管板预冷气体出口接管7，所述高温部管板预冷气体出口接管7的下端延伸至壳程筒体9的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管7将高温部管板筒体5与壳程筒体9连通。
实施例4
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。所述高温部上薄管板3上设置有若干个管程换热管8，所述管程换热管8依次贯穿高温部下薄管板4、高温气体出口管板14，所述管程换热管8的上端与高温气体入口管箱2连通，所述管程换热管8的下端与高温气体出口管箱15连通；所述高温部下薄管板4上设置有高温部管板预冷气体出口接管7，所述高温部管板预冷气体出口接管7的下端延伸至壳程筒体9的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管7将高温部管板筒体5与壳程筒体9连通。所述高温气体出口管板14根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。所述壳程筒体9的内侧壁交错设置有若干个折流板10，所述高温部管板预冷气体出口接管7、管程换热管8均贯穿折流板10。
实施例5
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。所述高温部上薄管板3上设置有若干个管程换热管8，所述管程换热管8依次贯穿高温部下薄管板4、高温气体出口管板14，所述管程换热管8的上端与高温气体入口管箱2连通，所述管程换热管8的下端与高温气体出口管箱15连通；所述高温部下薄管板4上设置有高温部管板预冷气体出口接管7，所述高温部管板预冷气体出口接管7的下端延伸至壳程筒体9的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管7将高温部管板筒体5与壳程筒体9连通。所述高温气体出口管板14根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。所述壳程筒体9的内侧壁交错设置有若干个折流板10，所述高温部管板预冷气体出口接管7、管程换热管8均贯穿折流板10。所述壳程筒体9连接有膨胀节12。
实施例6
本实施例所述新型高温气-气管壳式换热器，包括高温气体入口管箱2、高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2下方依次设置有高温部管板筒体5、壳程筒体9、高温气体出口管箱15；所述高温气体入口管箱2的下端与高温部管板筒体5的上端之间设置有高温部上薄管板3，高温部管板筒体5的下端与壳程筒体9的上端之间设置有高温部下薄管板4，所述高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体5，所述壳程筒体9的下端与高温气体出口管箱15的上端之间设置有高温气体出口管板14。所述高温部上薄管板3上设置有若干个管程换热管8，所述管程换热管8依次贯穿高温部下薄管板4、高温气体出口管板14，所述管程换热管8的上端与高温气体入口管箱2连通，所述管程换热管8的下端与高温气体出口管箱15连通；所述高温部下薄管板4上设置有高温部管板预冷气体出口接管7，所述高温部管板预冷气体出口接管7的下端延伸至壳程筒体9的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管7将高温部管板筒体5与壳程筒体9连通。所述高温气体出口管板14根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。所述壳程筒体9的内侧壁交错设置有若干个折流板10，所述高温部管板预冷气体出口接管7、管程换热管8均贯穿折流板10。所述壳程筒体9连接有膨胀节12。
所述高温部管板筒体5的侧壁设置有若干个高温部管板预冷气体入口接管6，所述高温部管板预冷气体入口接管6的数量根据工况温度和设备直径确定。所述壳程筒体9的上部侧壁设置有低温气体出口接管11，所述壳程筒体9的下部侧壁设置有低温气体入口接管13。所述高温气体入口管箱2上设置有高温气体入口接管1。所述高温气体出口管箱15的侧壁上设置有高温气体出口接管16；所述高温气体出口管箱15的底部设置有高温气体底部排灰出口17。
实施例7典型案例
将实施例1所述新型高温气-气管壳式换热器应用在如下工况条件：
项目 高温侧/管程 低温侧/壳程
流体 高温烟气 空气
入口温度℃ 900 25
出口温度℃ 550 730
允许压降KPa 5 5
从实际案例中可见，由于本发明所述新型高温气-气管壳式换热器的结构特殊设计，使得换热介质高温烟气温度可高达900℃，而普通的换热介质最高只能达到550℃左右。
本发明所述新型高温气-气管壳式换热器中高温气体从换热设备的管程通过，低温气体从换热设备的壳程通过，两种介质进行热量交换后，高温气体被冷却，低温气体被加热，特别适用于带压气-气换热的工况，极大的回收了高温气体的热量，节约了低温气体加热用能量消耗。高温气体进出口管箱、管板和低温气体流通的筒体可根据工况选择内衬耐火隔热材料，降低设备制造对耐高温金属材料的使用，只需用普通钢制材料就可满足要求，大大降低设备制造成本。高温部上薄管板3与高温部下薄管板4相互独立。在使用过程中，管板与换热管受热应力损坏后，可方便通过把高温部上薄管板3、高温部管板筒体5、高温部下薄管板4分离开，易于修复高温部上薄管板3与高温部下薄管板4、管程换热管8，完成后也可方便安装恢复使用。高温部上薄管板3与高温部下薄管板4之间通入预冷气体，该气体是由低温气体分流而来，通过壳程加热，受热后与壳程加热气体混合，从壳程低温气体出口接管11排出。其目的是冷却高温部管板的温度，降低管板材料耐受温度的限制，进一步提高设备高温应用工况；另一作用保持高温部上下薄管板之间温度接近，降低上下薄管板相互之间以及上下薄管板与管程换热管8之间的应力作用影响，大大延长设备使用寿命。
高温部上薄管板3可通过管接头与管程换热管8连接在一起。高温气体出口管箱15在高温气体带固体颗粒物的状况下如焚烧锅炉产生的含尘烟气、煤化工气化锅炉含尘气等，可设计高温气体底部排灰出口17。
根据本发明所述新型高温气-气管壳式换热器，基于本发明整体构思而可以不断改进管板结构形式，以及连接方式，都属于本发明权力保护范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：包括高温气体入口管箱(2)、高温部管板筒体(5)、壳程筒体(9)、高温气体出口管箱(15)；所述高温气体入口管箱(2)下方依次设置有高温部管板筒体(5)、壳程筒体(9)、高温气体出口管箱(15)；所述高温气体入口管箱(2)的下端与高温部管板筒体(5)的上端之间设置有高温部上薄管板(3)，高温部管板筒体(5)的下端与壳程筒体(9)的上端之间设置有高温部下薄管板(4)，所述高温部上薄管板(3)与高温部下薄管板(4)之间形成空腔，所述空腔的侧壁为高温部管板筒体(5)，所述壳程筒体(9)的下端与高温气体出口管箱(15)的上端之间设置有高温气体出口管板(14)。
2.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温部上薄管板(3)上设置有若干个管程换热管(8)，所述管程换热管(8)依次贯穿高温部下薄管板(4)、高温气体出口管板(14)，所述管程换热管(8)的上端与高温气体入口管箱(2)连通，所述管程换热管(8)的下端与高温气体出口管箱(15)连通；所述高温部下薄管板(4)上设置有高温部管板预冷气体出口接管(7)，所述高温部管板预冷气体出口接管(7)的下端延伸至壳程筒体(9)的下部，所述高温部管板预冷气体出口接管(7)将高温部管板筒体(5)与壳程筒体(9)连通。
3.根据权利要求2所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温气体出口管板(14)根据工况使用温度选用高温部的圆锥型薄管板或者平板型薄管板。
4.根据权利要求2所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述壳程筒体(9)的内侧壁交错设置有若干个折流板(10)，所述高温部管板预冷气体出口接管(7)、管程换热管(8)均贯穿折流板(10)。
5.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述壳程筒体(9)连接有膨胀节(12)。
6.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温部管板筒体(5)的侧壁设置有若干个高温部管板预冷气体入口接管(6)，所述高温部管板预冷气体入口接管(6)的数量根据工况温度和设备直径确定。
7.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述壳程筒体(9)的上部侧壁设置有低温气体出口接管(11)，所述壳程筒体(9)的下部侧壁设置有低温气体入口接管(13)。
8.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温气体入口管箱(2)上设置有高温气体入口接管(1)。
9.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温气体出口管箱(15)的侧壁上设置有高温气体出口接管(16)；所述高温气体出口管箱(15)的底部设置有高温气体底部排灰出口(17)。
10.根据权利要求1所述新型高温气-气管壳式换热器，其特征在于：所述高温气体入口管箱(2)、高温部上薄管板(3)、壳程筒体(9)、高温气体出口管箱(15)中任意之一或全部为耐火隔热材料制成。
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