CN111473668A - 一种自清洁换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自清洁换热器，包括出料管路1、固液分离管箱2、列管换热器3、颗粒循环管4、颗粒调节阀门6、导流筒7、物料进口9和颗粒混合器10。本发明利用固体颗粒的自重外循环进行换热器的自清洁，从根本上解决换热器运行中结垢的难题和固体颗粒分离循环的问题，达到换热器运行过程中不结垢、不污堵、保持换热器高效节能运行的效果。固体颗粒的分离、储存和换热器封头合并为一体，使自清洁换热器的结构得到简化。

Description

一种自清洁换热器

技术领域

本发明专利涉及化工设备领域，具体涉及一种自清洁换热器。

背景技术

在我国化工、食品、制药领域等，换热器作为一种常见的设备，应用非常广泛，其常见的换热介质分为蒸汽与低温物料溶液换热、高温物料溶液与低温物料溶液换热、高温烟气与物料溶液换热等多种方式，结构形式以板式和列管式为主。

物料溶液换热设备在实际运行中，最大的问题在于结垢问题，由于物料溶液中含有钙离子、镁离子、硅离子、硫酸根离子、碳酸根等无机物和蛋白质、淀粉、果胶等有机物，在两种流体换热过程中，极易在换热器热交换壁面形成硫酸钙、碳酸钙、不溶性硅和有机沉淀析出物等而生成结垢，换热器换热面污垢层的形成，将降低换热器换热效率、堵塞换热器流体通道，造成换热效率低下，对工业生产等能耗损失极大。

根据我国有关科研单位的不完全统计,换热器在运行中，换热器表面的污垢是逐步增加、增厚的过程，结垢形式主要硫酸钙、碳酸钙、硅化合物以及部分参杂的有机污垢等，污垢物质在换热器壁面沉积，大大降低换热效率，理论上换热器表面污垢每增加1毫米厚度，换热器换热系数大概下降8％左右,同时能耗将增加9％以上，我国因为换热器结垢问题导致的能耗经济损失很大，根据粗略估算，经济损失约占工业GDP的0.03％左右。

为了防止换热器的结垢，现有技术主要以采用化学法去除水中钙镁硅，常见的药剂是氢氧化钠、碳酸钠、镁盐等，这些药剂消耗量大、价格昂贵，软化后的溶液产生大量固体废弃物，加大了工业生产运行成本和环保成本。

综上所述，换热器的防结垢问题是我国化工、食品、制药等领域面临的难题，迫切需要找到一种能够解决该难题的装置以及技术解决方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自清洁换热器，从根本上解决换热器运行中结垢的难题和固体颗粒分离、循环困难的问题，达到换热器运行过程中不结垢、不污堵、保持换热器高效节能运行的效果。本发明将固体颗粒的分离、储存和换热器封头合并为一体，使自清洁换热器的结构得到简化。

本发明专利解决上述技术问题的技术方案如下：一种自清洁换热器，包括出料管路1、液固分离管箱2、列管换热器3、颗粒循环管4、颗粒调节阀门6、导流筒7、物料进口9和颗粒混合器10。

所述物料进口9与颗粒混合器10的下端管口连接，所述颗粒混合器10的上端管口和侧壁分别与列管换热器3的底部管板和颗粒循环管4的下端管口连接，所述列管换热器3的顶部管板与导流筒7连接，所述导流筒7连接在液固分离管箱2的内底部，所述颗粒循环管4的顶端管口与液固分离管箱2的底部连接，所述颗粒循环管4上设置颗粒调节阀门6，所述出料管路1与液固分离管箱2的顶部或侧壁相连接。

本发明专利的有益效果是：

通过在换热器内添加能耐酸碱腐蚀的特定惰性固体颗粒，惰性固体颗粒与传热工质在换热器内的混合流动，形成含有固体颗粒的两相或多相流化床或输送床，流化状态的惰性固体颗粒的无序运动对传热壁面产生碰撞、摩擦和边界层扰动等多重综合效应，破坏换热器加热管壁面热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到防止结垢和强化传热的目的。

在换热器上管箱内设置导流筒装置，导流装置将上管箱分为三个区域：导流筒内为两相或多相流化区，导流筒外为固体颗粒贮存区，贮存区和流化区上方为固体颗粒分离区。将固体颗粒的分离装置、贮存装置和换热器上管箱进行合并，使流化床自清洁换热器的结构得到简化。将固体颗粒贮存区用竖直管与换热器下颗粒循环管连接，固体颗粒通过竖直管依靠重力回流至下颗粒混合器，实现固体颗粒的自然循环。

附图说明

图1为本发明专利实施例提供的一种自清洁换热器的结构及工艺流程图；

图2为实施案例1中对换热器进出口流体料液温度的监测结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明专利，并非用于限定本发明专利的保护范围。

本发明专利实施例提供的一种自清洁换热器的结构及工艺流程如图1所示，该结构包括出料管路1、液固分离管箱2、列管换热器3、颗粒循环管4、颗粒调节阀门6、导流筒7、物料进口9和颗粒混合器10。

所述物料进口9与颗粒混合器10的下端管口连接，所述颗粒混合器10的上端管口和侧壁分别与列管换热器3的底部管板和颗粒循环管4的下端管口连接，所述列管换热器3的顶部管板与导流筒7连接，所述导流筒7连接在液固分离管箱2的内底部，所述颗粒循环管4的顶端管口与液固分离管箱2的底部连接，所述颗粒循环管4上设置颗粒调节阀门6，所述出料管路1与连接在固液分离管箱2的顶部。

下面对各个部件分别介绍如下

1、出料管路1：

与液固分离管箱2顶端或侧面连接，是加热后流体物料排出管路。

2、液固分离管箱2：

液固分离管箱2材质可选择碳钢、304型号不锈钢、316L不锈钢或钛材，分离器体为圆筒形结构，底部为半锥体结构、液固分离管箱2底部与导流筒7、颗粒循环管4顶部连接，顶部与出料管路1连接，筒壁与导流筒7之间形成颗粒贮存区8、颗粒分离区5。液固分离管箱2内在流体力与重力的作用下，实现固体颗粒与流体物料的有效分离。液固分离管箱2同时兼具颗粒分离、颗粒贮存和换热器管箱(封头)功能。

3.列管换热器3：

列管换热器技术成熟，工业应用广泛，主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢、钛材制作。在进行换热时，物料由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

运行期间颗粒从管程进入，形成在管程内的两相或多相流运行状态，实现列管换热器3内换热效率提高10％以上，实现换热管壁清洁、不结垢、不污堵，管内物料溶液流速达到1.5米/s以上。

本实施例中，可采用通用立式列管式换热器，主要是防止管内结垢和强化管内传热，可用于加热也可用于冷却，可以是液体，也可以是气体，或气液两相流体。

4.颗粒循环管4：

颗粒循环管4可以是单根或多根竖直圆管或异形管，顶端管口与颗粒储存区域8连接，下端管口与列管式换热器3的底部颗粒混合器10连接，在颗粒循环管4的底端设置颗粒调节阀6用于控制和调节固体颗粒循环流量。颗粒循环管4的管径是列管换热器单根管径的2倍以上，作为颗粒下降回流的通道，其材质选用耐腐蚀不锈钢、2205双相钢、钛材等材料。

5、颗粒调剂阀门6

其为常用流体开关阀或流量调节阀，过流件根据物料可选择不锈钢304、不锈钢316L、钛材等，起到调节下降颗粒流量的作用。

6、导流筒7：

导流筒7为圆筒形结构，固定在列管换热器3的上管板上，与列管换热器3上端流体物料出口无缝连接。导流筒7内为颗粒流化和输送区域，将两相流或多相流引向颗粒分离区。导流筒7与液固分离管箱2周边器壁形成一定大小空间，空间底部为颗粒贮存区，空间上部为固体颗粒分离区。导流筒的设置使液固分离管箱2兼具颗粒分离、贮存和列管式换热器管箱(封头)多重功能。

7、物料进口9

物料进口9为物料流通的进口管路，流体物料从管路进入。物料进口9与颗粒混合器10连接。

8、颗粒混合器10

颗粒混合器内与物料进口9管路、列管换热器3底部管板、颗粒循环管4底端连接，进入的物料流体与颗粒在流体力的作用下于颗粒混合器内混合，形成含有固体颗粒的两相或多相流体，进入列管换热器3换热管内。颗粒混合器10直径不大于列管换热器3的外壳直径，不小于物料进口9管路直径该结构的工艺原理如下：

被加热流体物料首先从物料进口9进入，流体物料进入颗粒混合器10，颗粒混合器10与颗粒循环管4、列管换热器3底部管板连接，颗粒混合器10内流体物料与来自颗粒循环管4的颗粒扰动、均匀混合，在流体物料的带动下，混合颗粒的流体物料一同进入列管换热器3内部的管束，列管换热器3壳程通入加热工质，管程内形成固体颗粒和被加热流体物料的两相或三相流体混合状态，固体颗粒在管程内形成沸腾、冲击、扰动的效应，破坏加热管壁面的热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到强化传热和防止结垢的目的。

含有固体颗粒的物料流体在列管换热器3加热管内向上流动，经加热管上端出口并在导流筒7作用下进入液固分离管箱2，颗粒在流体力与重力沉降的作用实现固液分离。导流筒7与液固分离管箱2筒壁之间形成颗粒贮存区8、固体颗粒分离区5。颗粒在颗粒贮存区8经过颗粒循环管4在重力作用下向下流动，经过颗粒调节阀6重新返回到列管换热器3底部连接的颗粒混合器10，在此与流体物料混合，如此往复，实现颗粒在列管换热器3内上行、颗粒分离区分离、颗粒贮存区贮存、颗粒循环管4下行、颗粒混合器10混合、循环进入列管换热器3的颗粒循环流动模式。

本专利的主要创新之处：

1.设置导流筒，将列管式换热器的管箱进行分区利用，形成固液分离箱结构、使上管箱兼具固体颗粒分离、贮存功能，从而使多相流自清洁换热器的结构得到简化。

2.在换热器外设置竖直颗粒循环管，将换热器上端颗粒贮存区与换热器下端颗粒混合器连接，颗粒依靠重力实现循环，结构简单，循环运行可靠，循环量可控。

3.换热器底端设置固体颗粒混合流化缓冲空间(颗粒混合器)，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果。

实施案例1：

采用本发明专利所述自清洁换热器预热某高硬度卤水，三台换热器串联操作，对换热器进出口流体料液温度的监测结果如图2所示，由此可以看出，新型换热器在连续运行135天时，料液卤水的出口温度基本没有明显的降低，预热后的卤水出口温度完全能满足生产工艺要求，可连续生产。而没有采用新技术前，预热器运行30～40天时，由于结垢严重，预热卤水出口温度降低明显，达不到生产工艺要求，预热器必须停车进行机械清洗，机械清洗三台换热器耗时3天以上。这种对比结果表明，本发明所述新型换热器能达到完全防结垢和强化传热的目的，不需要停车清洗，生产效率提高15％以上，节能在10％以上。

实施案例2：

采用本发明专利所述自清洁换热器，用于加热某30万吨/年真空蒸发制盐生产线所需石膏型井矿盐水，经长期连续运行证明，换热器内部固体颗粒的流化、循环和流动较为稳定，设备易于操作控制；本发明所述自清洁换热器能完全达到石膏型井矿盐水换热器的防垢、除垢和强化传热的目的，可连续生产，不需要停车对换热器进行除垢清理。通过对产量统计对比，采用该本发明所述换热器后，在蒸汽耗量相同的条件下，日增产量在100吨左右，即产量提高10％左右，同时有大约10％的节能；产品质量化验分析表明，该技术应用对蒸发制盐系统及产品质量无明显的负面影响。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例，并不用以限制本发明专利的保护范围，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自清洁换热器，其特征在于，包括出料管路(1)、液固分离管箱(2)、列管换热器(3)、颗粒循环管(4)、颗粒调节阀门(6)、导流筒(7)、物料进口(9)和颗粒混合器(10)。

所述物料进口(9)与颗粒混合器(10)的下端管口连接，所述颗粒混合器(10)的上端管口和侧壁分别与列管换热器(3)的底部管板和颗粒循环管(4)的下端管口连接，所述列管换热器(3)的顶部管板与导流筒(7)连接，所述导流筒(7)连接在液固分离管箱(2)的内底部，所述颗粒循环管(4)的顶端管口与液固分离管箱(2)的底部连接，所述颗粒循环管(4)上设置颗粒调节阀门(6)，所述出料管路(1)与连接在液固分离管箱(2)的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种自清洁换热器，其特征在于，所述颗粒循环管(4)采用单根或多根竖直的圆管或异形管。

3.根据权利要求1所述的一种自清洁换热器，其特征在于，所述颗粒调节阀门(6)采用流体开关阀或流量调节阀。

4.根据权利要求1所述的一种自清洁换热器，其特征在于，所述颗粒混合器(10)直径不大于列管换热器(3)的外壳直径，不小于物料进口(9)管路直径。

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