CN111788451A - 管束型热交换器、管座及其密封方法 - Google Patents

管束型热交换器、管座及其密封方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管束型热交换器、管座及其密封方法。本发明的方面涉及用于管束型热交换器的管座。特别地是，所述管座包括多个管座板的堆叠，其中所述堆叠具有用于接纳所述管束型热交换器的相应管的至少一个通孔。所述通孔通过至少一个密封环密封。另外的方面涉及一种包括这种管座的管束型热交换器以及一种用于特别是在所述管座的区域中密封管束型热交换器的方法。

Description

管束型热交换器、管座及其密封方法
技术领域
本发明的方面涉及一种用于壳管式热交换器的管座。特别地是，管座包括多个管座板的堆叠，所述堆叠具有用于接纳壳管式热交换器的相应管的至少一个通孔。通孔通过至少一个密封环密封。其它方面涉及一种包括这种管座的壳管式热交换器以及一种用于特别是在管座的区域中密封该壳管式热交换器的方法。
背景技术
用于高腐蚀性环境中的热交换器通常由耐腐蚀材料(诸如，例如石墨、碳化硅、玻璃或PTFE)制成的管构成。管容纳第一流体，并且被位于内壳区域中的第二流体围绕，使得第一流体与第二流体之间的热交换能够通过管壁发生。管的入口点和出口点通过管座与内壳区域分开，使得进入和离开的第一流体无法与第二流体混合。管座的优异密封对此至关重要。
典型的这种热交换器的管座通常由一个或更多个带有塑料护套的金属芯的管座板构成。塑料护套可以例如包括耐化学性材料(诸如，PFA或PTFE)，以便使得将其与腐蚀性介质(第一流体和/或第二流体)一起使用成为可能。
与由金属制成的热交换器(其中管通过焊接和类似方法以流体密封的方式连接到管座)不同，当使用玻璃管或碳化硅管时，这是不可能的。而是，管(全部或部分地)穿过管座中的通孔，并且必须以复杂方式进行密封。
例如，DE 197 14 423 C2公开了一种具有管座的壳管式热交换器，所述管座被划分成两个部分并由塑料材料制成，其中放置有金属板。其中，布置在孔中的管在每种情况下借助于O形环在各个管座之间被密封。然而，对于这样的热交换器，密封作用可能会在一段时间后减弱。因此，希望的是改进密封作用。
作为另一实例，DE 10 2010 005216 A1公开一种具有管座的壳管式热交换器，所述管座划分成两个部分并由塑料材料制成，所述两个部分之间布置有中间板。复合套管能够被插入到中间板中的通孔中。
已知的解决方案的缺点在于，它们在设计方面需要高复杂性，但密封的长期稳定性并不总是得到保证。
发明内容
因此，本发明的目的是使得减少上述缺点中的至少一些缺点的壳管式热交换器成为可能。特别地是，应使得具有尽可能可靠的密封作用的尽可能简单的设计成为可能。
因此，提出根据权利要求1所述的管座、根据权利要求11所述的壳管式热交换器、根据权利要求14所述的方法和根据权利要求15所述的用途。其它有利方面呈现在从属权利要求、附图以下描述中。
根据本发明的一个方面，能够获得一种用于壳管式热交换器的管座。管座包括：第一管座板，该第一管座板具有芯和围绕所述芯的塑料护套；第二管座板，该第二管座板由耐温材料(例如，石墨或陶瓷板)制成；以及第三管座板，具有芯和围绕所述芯的塑料护套。
第一管座板、第二管座板和第三管座板被堆叠起来，以形成堆叠，其中第二管座板被布置为第一管座板(20)与第三管座板(40)之间的中间板，使得第二管座板的第一表面朝向第一管座板，并且第二管座板的相反的第二表面朝向第三管座板。
该堆叠具有用于接纳壳管式热交换器的相应管的至少一个通孔。对于所述至少一个通孔中的每一个通孔，管座还具有：至少一个密封环，所述至少一个密封环各自用于密封相应管；以及至少一个密封座，所述至少一个密封座各自用于接纳所述至少一个密封环，其中所述密封座是第二管座板中的缺口，该缺口以环状方式直接围绕相应的通孔。
本发明的方面的优点在于，能够获得由耐温材料制成的第二管座板，并且在其中设定有用于接纳密封环的密封座。这种密封座使得管座板的可靠且长期稳定的密封成为可能。
此外，第二管座板在堆叠中被布置在两个带有塑料护套的管座板(第一管座板和第三管座板)之间，并由此被保护而免受机械负载。由于此布置结构，管座的稳定性被进一步提高。由于这种作为堆叠的布置结构，特别是能够获得结合相应管座板的有利特性的管座。
因为第二管座板整体由耐温材料构造并优选由耐温材料构成，所以密封座的可靠性被更进一步提高。此外，结果能够实现管座的特别简单的结构。
本发明的其它方面的描述
此外，下文将描述本发明的优选(即，可选)方面。附图标记为了说明而涉及在此之后更精确描述的附图，但并不将所述方面限于附图中所示的实施例。除非另有指示，否则任何方面都可以与本文中所述的任何其它方面或本文中所述的任何其它实施例组合。
根据一个方面，第二管座板的耐温材料的定义在于，该材料在高达至少250℃的温度下没有实质上的(substantial)流动行为。对于塑料材料，此条件由大于250℃的偏转温度定义，偏转温度是根据DIN EN ISO 75-2:2013(根据方法B在0.45MPa的负荷下)确定的。传统的塑料材料(诸如，PFA或PTFE)不满足这个条件。偏转温度大于250℃的一个例外是塑料材料PEEK。高度填充有尺寸稳定填料的塑料材料也可满足这个条件。上述准则类似地适用于非塑料材料。在这种情况下，无论上述条件如何，钢、陶瓷、石墨、玻璃和在250℃下具有类似低流动特性的其它材料通常被视为是耐温的。更优选地是，第二管座板的材料是陶瓷。
根据另一方面，第二管座板的耐温材料因此选自材料钢、陶瓷、玻璃、如上定义的偏转温度大于250℃的塑料材料(特别是PEEK)及上述的混合物(例如为复合材料)。
根据另一方面，对于-50℃与200℃之间的任何温度，第二管座板的材料具有小于20μm/mK的线性热膨胀α。即使在温度波动的情形下，这也确保了可靠密封座。
根据另一方面，第二管座板的材料具有大于300GPa的弹性模量。这确保了第二管座板的良好挠曲强度。
根据另一方面，第一管座板和/或第三管座板的芯(22、42)在每种情况下包括金属(例如，金属合金)和纤维复合材料中的至少一种或由其构成。纤维复合材料可以例如是碳基纤维复合材料，诸如，例如CFRP和/或CFC。第一管座板和/或第三管座板的塑料护套(24、44)可以在每种情况下包括至少一种含氟聚合物，诸如，例如PFA和/或PTFE。根据一个方面的塑料护套(24、44)不是由或由仅有限耐温的材料制成(例如，不满足耐温材料的上述定义)。
根据另一方面，第一管座板(20)和第三管座板(40)具有相同构造，因此能够减少不同部分的数量。
根据另一方面，第二管座板(30)是石墨板或陶瓷板，其中陶瓷优选是非氧化物陶瓷，诸如，例如SSiC、SiSiC和/或SN。第二管座板可以包括石墨或陶瓷或由其构成。这些材料的优点是它们的耐温性和同时具有的耐腐蚀性以及堆叠时有利的机械性能。
根据另一方面，所述至少一个通孔(14)是多个通孔。根据另一方面，第二管座板(30)是一件式的，使得第二管座板(30)的相同整体材料(例如，石墨或陶瓷)邻接所述多个通孔(14)。
根据另一方面，所述至少一个密封座(34、38、39)和/或所述至少一个密封环(52)被设计有部分矩形(特别是，正方形)、梯形、圆锥形、锥形或椭圆形的横截面。在这种情况下，密封座的横截面可朝向相应通孔(14)的内侧敞开。此外，密封座的一侧可以分别由第一管座板或第三管座板的表面部分形成。根据一个部分，密封座的至少两侧由第二管座板的(锯齿状)表面部分形成。
根据另一方面，每个至少一个密封环(52)是至少两个密封环。因此，每个至少一个密封座(34、38)包括至少第一密封座和第二密封座。第一密封座(34)可以例如被布置为第二管座板(30)的第一表面(32)中的缺口，并且第二密封座(38)可以被布置为第二管座板(30)的第二表面(36)中的缺口。
根据另一方面，相应密封座(34、38)中的密封环(52)分别以如下方式被挤压在第二管座板(30)与第一管座板(20)或第二管座板(30)与第三管座板(40)之间，即：使得密封环在至多一侧上接触相应的塑料护套(24、44)，但优选在至少两侧(其中一侧是与通孔相反的一侧)上接触第二管座板的材料。
根据另一方面，密封座(39)被布置为通孔(14)的侧壁中的缺口，与第二管座板(30)的第一表面(32)和第二表面(36)间隔开。
根据另一方面，第一管座板(20)、第二管座板(30)和第三管座板(40)通过楔入(例如，通过凸缘和/或贯穿螺栓)而彼此压靠。优选地是，用于使管座板彼此压靠的力例如通过凸缘而唯一地从管座板(20、30、40)的边缘区域引入。否则，管座板(20、30、40)优选是在机械上分离的。充足夹持作用能够由第二管座板的刚性赋予。
根据另一方面，能够获得一种具有本文中所述的管座(10)的壳管式热交换器(1)。对于所述至少一个通孔(14)中的每一个通孔，壳管式热交换器(1)包括管(50)，该管(50)完全或部分(至少到第二管座板)穿过相应通孔，并且通过位于所述至少一个密封座(34、38、39)中的所述至少一个密封环(52)密封。这并不排除存在其它通孔(例如，用于贯穿螺栓的)。
根据另一方面，管(50)是石墨管、SiC管或玻璃管，即，包括这些材料或由其构成。
根据另一方面，壳管式热交换器是针对强腐蚀性介质(例如，强酸，诸如，氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)，或者替代性地是强碱)而提供的。塑料护套(24、44)对这些腐蚀性介质有耐化学性。
根据另一方面，提出一种用于密封壳管式热交换器(1)的方法。该方法包括以下步骤：能够获得根据权利要求1到10中的任一项所述的管座(10)；并且壳管式热交换器的至少一个管(50)穿过相应的通孔(14)，并且通过位于所述至少一个密封座(34、38、39)中的所述至少一个密封环(52)密封。该方法可以是壳管式热交换器的生产方法的一部分或是壳管式热交换器的维护或修理方法的一部分。
附图说明
下文中，将参照附图中所示的实施例来讨论本发明，从附图中，其它优点和变型将变得显而易见，并且在附图中：
图1是具有根据本发明的一个实施例的管座的壳管式热交换器的横截面图；
图2是根据本发明的另一实施例的管座的放大横截面图；并且
图3是根据本发明的另一实施例的管座的第二管座板的横截面图。
具体实施方式
参照图1，下文描述根据本发明的一个实施例的壳管式热交换器1。壳管式热交换器1具有壳体6、带有通孔14的管座10和穿过相应的通孔14的管50。
在操作中，管50容纳第一流体，并且被位于内壳区域(图1中的管座10的右侧)中的第二流体围绕，使得第一流体与第二流体之间的热交换能够通过管壁发生。管50的入口点和出口点(图1中管座10的左侧)通过管座10与管座10的右侧的内壳区域分开，并且如下所述被密封在管座中。
管座10包括：第一管座板20，该第一管座板20具有芯22和围绕所述芯的塑料护套24；第二管座板30，该第二管座板30由上文已述的耐温材料制成；以及第三管座板40，第二管座板30具有芯42和围绕所述芯的塑料护套44。
三个管座板20、30、40被堆叠起来，以形成堆叠，在该堆叠中，第二管座板30被布置为第一管座板20与第三管座板40之间的中间板。换句话说，第二管座板的第一表面32朝向第一管座板20，并且第二管座板的相反的第二表面36朝向第三管座板40。
在所述通孔14中的每一个通孔中，形成有两个密封座34、38，在每种情况下，一个密封环52被接纳在其中，以便密封相应管50。更精确地是，密封座34、38被设计为第二管座板30中的缺口，其中该缺口以环状方式直接围绕通孔14。位于通孔14的相反侧的背面和密封座34、38的侧面由第二管座板30形成，并且密封座34、38的另一侧面分别由第一管座板20或第三管座板40形成，更精确地是，由第一管座板或第三管座板的塑料护套24、44形成。
由于密封座34、38被设计为温度稳定的第二管座板30中的缺口这一事实，稳定且可靠的密封作用成为可能。
三个管座板20、30和40通过壳体6的一对凸缘彼此压靠，并且因此被楔入在一起。通过未示出的支撑元件(例如，诸如螺钉的张力元件)进行楔入，该支撑元件穿过凸缘并穿过管座板20、30和40组成的堆叠，以便将凸缘彼此压靠并因此压缩所述堆叠。此处，支撑元件延伸穿过凸缘通孔16，该凸缘通孔16穿过凸缘并穿过三个管座板20、30和40组成的堆叠。
支撑元件被唯一地布置在管座的边缘区域(凸缘区域)中。然而，在壳体6的内部中，管座板20、30、40在机械上被分离。由于管座、尤其是第二管座板30的抗弯曲性，能够省去位于更内侧的支撑元件或连接元件，并且仍然还能够确保管座板20、30、40彼此被充分压靠。
图2是根据本发明的另一实施例的管座的放大横截面图。此实施例在很大程度上与图1的实施例一致，并且图1的描述对应也适用于此处。
仅密封环52和相关联的密封座34、38的横截面形状不同。在图1中，密封环52和密封座34、38具有矩形(正方形)横截面，而在图2中，它们具有梯形横截面。上文所述的其它横截面也是可能的。
图3是根据本发明的另一实施例的管座的第二管座板30的横截面图。除了第二管座板30的所示的构造之外(并且特别是除了密封座和相关联密封环之外)，该实施例与图1中所示的结构一致。
在图4的第二管座板30中，代替图1到图3中所示的两个密封座34、38，仅形成单个密封座39。密封座39在第二管座板30的轴向中心部分中被形成在通孔14的侧壁上，并因此与第一管座板和第三管座板间隔开。因此，在图4中，每个通孔仅设置单个密封环。密封座39的所有侧面都由第二管座板30的耐热材料形成。
除非另有说明，否则图1到图4的实施例可以具有上述所有其它方面。所述实施例和方面仅用于说明，并不旨在限制保护的范围。保护的范围由所附权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种用于壳管式热交换器(1)的管座(10)，所述管座包括：
-第一管座板(20)，所述第一管座板(20)具有芯(22)和围绕所述芯的塑料护套(24)，
-第二管座板(30)，所述第二管座板(30)由耐温材料制成，其中所述耐温材料在高达至少200℃的温度下没有实质上的流动行为，并且在-50℃与200℃之间的温度下没有实质上的热膨胀，以及
-第三管座板(40)，所述第三管座板(40)具有芯(42)和围绕所述芯的塑料护套(44)，其中
所述第一管座板、所述第二管座板和所述第三管座板被堆叠起来，以形成堆叠，其中所述第二管座板(30)被布置为所述第一管座板(20)与所述第三管座板(40)之间的中间板，使得所述第二管座板的第一表面(32)朝向所述第一管座板(20)，并且所述第二管座板的相反的第二表面(36)朝向所述第三管座板(40)，并且其中
所述堆叠包括至少一个通孔(14)，用于接纳所述壳管式热交换器的相应管(50)，并且其中
对于所述至少一个通孔(14)中的每一个通孔，所述管座还具有：
-至少一个密封环(52)，所述至少一个密封环(52)各自用于密封所述相应管，
-至少一个密封座(34、38、39)，所述至少一个密封座(34、38、39)各自用于接纳所述至少一个密封环(52)，其中所述密封座是所述第二管座板(30)中的缺口，所述缺口以环状方式直接围绕相应的所述通孔。
2.根据权利要求1所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述第一管座板和/或所述第三管座板的所述芯(22、42)在每种情况下包括金属和纤维复合材料中的至少一种。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述第一管座板(20)和所述第三管座板(40)具有相同构造。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述第二管座板(30)是石墨板或陶瓷板。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述至少一个通孔(14)是多个通孔，并且其中所述第二管座板(30)是一件式的，使得所述第二管座板(30)的相同整体材料邻接所述多个通孔(14)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述至少一个密封环(52)被设计有部分矩形、梯形、圆锥形、锥形或椭圆形的横截面。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中每个至少一个密封环(52)是至少两个密封环，并且其中每个至少一个密封座(34、38)包括至少第一密封座和第二密封座，其中所述第一密封座(34)被布置为所述第二管座板(30)的所述第一表面(32)中的缺口，并且所述第二密封座(38)被布置为所述第二管座板(30)的所述第二表面(36)中的缺口。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中相应的所述密封座(34、38)中的所述密封环(52)分别以如下方式被挤压在所述第二管座板(30)与所述第一管座板(20)或所述第二管座板(30)与所述第三管座板(40)之间，即：使得所述密封环在至多一侧上接触相应的所述塑料护套(24、44)。
9.根据权利要求1到6中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述密封座(39)被布置为所述通孔(14)的侧壁中的缺口，与所述第二管座板(30)的所述第一表面(32)和所述第二表面(36)间隔开。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的用于壳管式热交换器的管座，其中所述第一管座板(20)、所述第二管座板(30)和所述第三管座板(40)通过楔入而彼此压靠。
11.一种壳管式热交换器(1)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的管座(10)，并且对于所述至少一个通孔(14)中的每一个通孔，所述壳管式热交换器包括管(50)，所述管(50)穿过相应的所述通孔，并且通过位于所述至少一个密封座(34、38、39)中的所述至少一个密封环(52)密封。
12.根据权利要求11所述的壳管式热交换器，其中所述管(50)是石墨管、SiC管或玻璃管。
13.根据权利要求11或12所述的壳管式热交换器，其中所述壳管式热交换器被设置用于腐蚀性介质，并且其中所述塑料护套(24、44)对所述腐蚀性介质有耐化学性。
14.一种用于密封壳管式热交换器(1)的方法，所述方法包括：
-能够获得根据权利要求1到10中的任一项所述的管座(10)，
-所述壳管式热交换器的至少一个管(50)穿过对应的所述通孔(14)，并通过位于所述至少一个密封座(34、38、39)中的所述至少一个密封环(52)密封。
15.根据权利要求1到10中的任一项所述的管座(10)的用途，用于密封所述壳管式热交换器(1)。
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