CN111879154A - 一种双补偿换热器及其换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双补偿换热器及其换热方法，属于换热器领域。针对现有换热器在对高温气体换热时易发生磨损，工作不稳定的问题，本发明提供一种双补偿换热器，它包括壳体，壳体上设置有烟气入口、烟气出口和补偿器I，壳体的一侧设置有冷流体入口，另一侧设置有冷流体出口，所述壳体内部设置有若干个换热管，换热管的一端与冷却装置连接，冷却装置设置在壳体内部靠近烟气入口的一端，换热管的另一端通过补偿器II与连接板连接，所述连接板设置在壳体内部靠近烟气出口的一端。本发明通补偿器的设置避免壳体和换热管因受热发生膨胀导致损坏，同时高温烟气进入到换热管内，冷却装置对换热管进行冷却，使得换热器在超600℃的高温气体下能够稳定工作。

Description

一种双补偿换热器及其换热方法

技术领域

本发明属于换热器领域，更具体地说，涉及一种双补偿换热器及其换热方法。

背景技术

换热器是化工、石油行业普遍使用的一种换热设备，在工业设备价值及作用方面占有十分重要的地位。如高温换热器在煤化工等领域的使用，用于对大流量高温烟气进行冷却、热量回收。一般管板式换热器只可以进行较低温度的流体换热，在对600摄氏度的气体进行换热的换热器即可称之为高温换热器，而对1000摄氏度进行换热的换热器，在运行时几乎全部会由于高温的作用使其损坏。在高温烟气进入换热器时，在短时间内无法均匀进入换热管内，因流场不均匀，烟气中的尘颗粒会对换热器入口位置造成严重磨损，这是在使用换热器中普遍面临的问题；在煤化工领域，循环流化床气化炉的出口烟气温度达1000摄氏度及以上，上管板在前述高温下会导致上管板强度下降，寿命减短；换热过程中，换热管受热膨胀，当各换热管的膨胀程度不同，会导致换热管间受力挤压损坏换热管。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201910183233.2，公开日为2019年5月24日，该专利公开了一种高温高压换热器及其工作方法，包括壳体及分别设于壳体前、后两端的前、后端封头盖，壳体内有设传热管，传热管的前、后两端分别连接固定管板、浮动管板；固定管板固定于前端封头盖内，前端封头盖前端设有传热介质进口；浮动管板连接浮头盖，浮头盖设于后端封头盖内，浮头盖后端设有传热介质出口管，传热介质出口管与后端封头盖上的传热介质出口联通；壳体两端分别设有工质进、出口；壳体及后端封头盖内侧设有隔热罩，壳体及后端封头盖内壁与隔热罩之间形成冷却腔，壳体上设有冷却工质进口。该专利的不足之处在于：整体换热器结构复杂，并且传热管受热膨胀易发生损坏。

又如中国专利申请号CN201910586432.8，公开日为2019年9月6日，该专利公开了一种换热器。该换热器中，上管板采用挠性薄管板，上管板、管箱筒体和壳程筒体通过h形对接接头的形式连接，与普通的搭接焊接接头相比，减小了焊缝处的高温侧应力，更能保证焊接性能，结合挠性薄管板结构，能够满足管板的协调变形；通过在连接部上设置排气口，解决了壳侧排气死区的排气问题。该专利的不足之处在于：结构复杂，冷却效果差。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中换热器在对温度超过600℃的高温气体进行换热时易发生磨损，工作不稳定的问题，本发明提供了一种双补偿换热器及其换热方法。本发明的双补偿换热器通过在不同位置设置补偿器，有效避免壳体和换热管因受热发生膨胀导致损坏；同时冷却装置进一步对换热管内的高温烟气进行冷却，避免换热管的磨损，结构简单，使用寿命长。整个换热方法过程简单，壳体与换热管能够承受高达1000℃的超高温烟气，使烟气换热的工作过程较为稳定。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种双补偿换热器，包括壳体，壳体上设置有烟气入口、烟气出口和补偿器I，壳体的一侧设置有冷流体入口，另一侧设置有冷流体出口，所述壳体内部设置有若干个换热管，换热管的一端外侧与冷却装置连接，冷却装置设置在壳体内部靠近烟气入口的一端，换热管的另一端外侧通过补偿器II与连接板连接，所述连接板设置在壳体内部靠近烟气出口的一端。整个装置结构简单，壳体与换热管能够承受高达1000℃的超高温烟气，工作稳定。

更进一步的，所述冷却装置包括在壳体内部从上到下依次设置的至少三个管板，管板均与换热管的一端连接，相邻两个管板之间形成腔室，壳体在与腔室所对应的位置上设置有工艺气体进口。结构简单，易于安装与维修，有效提高换热管的耐高温性能。

更进一步的，管板上设置有若干个通孔，通孔分布在换热管的四周。便于对换热管进行全方位的冷却，使换热管受热均匀。

更进一步的，所述壳体内部还设置有若干个等间距排列的折流板。加热冷流体与换热管内高温烟气的换热时间，进一步提高传热效果。

更进一步的，相邻两个折流板之间的距离不小于50mm。

更进一步的，壳体内部还设置有定距管，相邻两个折流板之间通过定距管固定。保证折流板之间的间距相等同时对折流板起到固定和支撑作用。

更进一步的，壳体的内壁设置有耐高温层。提高壳体整体的使用寿命。

更进一步的，所述换热管靠近烟气入口的一端设置有套管，套管套设在换热管内侧。对换热管起到保护作用，且方便拆卸与维修。

更进一步的，沿套管内部的周向设置有耐磨层。增加套管的耐磨损能力，提高套管的使用寿命。

一种如上述任一项所述一种双补偿换热器的热换方法，包括以下步骤：

S1：烟气从烟气入口通过冷却装置进入到换热管的一端；同时，冷流体通过冷流体入口进入到壳体内；

S2：烟气进入换热管内在换热管内流动，同时冷流体在壳体内部流动；

S3：烟气从烟气出口流出，冷流体从冷流体出口流出，完成换热过程。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过补偿器I补偿壳体因受热而引起的热膨胀，通过补偿器II补偿换热管与壳体之间不均匀膨胀引起的膨胀差，针对不同位置设置补偿器有效避免壳体和换热管因受热发生膨胀导致损坏；同时在换热管靠近烟气入口的一端设置有冷却装置，高温烟气进入到换热管内，此时冷却装置对换热管起到冷却作用，避免高温烟气瞬时进入换热管内对换热管造成损坏，整个装置结构简单，壳体与换热管能够承受高达1000℃的超高温烟气，工作稳定；

(2)本发明所述的冷却装置采用若干个管板依次设置在壳体内部靠近烟气出口的一端，相邻两个管板之间形成腔室，换热管依次与管板连接，换热管的外侧与管板连接，内侧通入高温烟气，在腔室内通入工艺气体，工艺气体在腔室内流动过程中被换热管内高温烟气加热同时吸收换热管外侧热量对换热管进行冷却，最终从烟气出口流出，有效保证换热管能够在超高温氛围下正常使用，且结构简单，易于安装和维修，成本低；

(3)本发明在管板上设置有若干个通孔，因管板上设置有安装换热管的安装孔，安装孔直径比换热管直径略大，工艺气体可从安装孔中进入到不同腔室最终从烟气出口流出，但是效率较慢，因此在管板上开设通孔，工艺气体可以从通孔中进行流通，提高工艺气体在壳体内部的流通效率；并且通孔设置在换热管的四周，能够对换热管进行全方面的冷却，避免换热管局部受热膨胀，受热不均匀易发生损坏，提高换热管的使用寿命，保证换热管的稳定工作；

(4)本发明在壳体内部设置有等间距排列的折流板，折流板能够改变冷流体在壳体内部的流向，冷流体能够实现扰流，继而增加了冷流体与换热管内高温烟气的换热时间，进一步提高传热效果，同时折流板的设置提高了冷流体的湍流强度使其换热能力增强；并且将相邻两个折流板之间的间距设置成不小于50mm，使冷流体在壳体内部的扰动效果更佳；

(5)本发明在相邻两个折流板之间采用定距管固定，定距管的设置一方面能够保证相邻两个折流板之间的间距一致，保证折流板的扰流效果；另一方面，定距管既对折流板起到固定支撑作用，保证折流板的强度，又对换热管起到固定支撑作用，防止换热管受到高速折流气体的冲击导致较大的震动；

(6)本发明在壳体内壁设置有耐高温层，保证壳体不会因高温气体的冲击发生损坏，提高壳体的使用寿命；同时在换热管靠近烟气入口的一侧设置有套管，套管对换热管起到保护作用，套管插入换热管内侧，能够对进入到换热管内的高温烟气起到一个整流作用，避免换热管瞬时通入大量高温烟气易受热发生膨胀磨损，提高换热管靠近烟气入口一端的使用寿命；

(7)本发明所述的双补偿器换热方法在换热管内部通入高温烟气，在换热管外部通入冷却流体，冷却流体在换热管周围流动对换热管内的高温烟气进行一个吸热作用，两个补偿器分别补偿壳体与换热管受热发生的膨胀，同时通入高温烟气的一端换热管与冷却装置连接，冷却装置进一步对换热管起到冷却换热作用，整个方法简便，操作安全的同时保证壳体与换热管能够承受高达1000℃的超高温烟气。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中冷却装置结构示意图。

图中：1、壳体；2、补偿器I；3、补偿器II；4、烟气出口；5、冷流体入口；6、折流板；7、定距管；8、换热管；9、冷却装置；91、上腔室；92、中层管板；93、下腔室；10、烟气入口；11、套管；12、冷流体出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种双补偿换热器，包括壳体1，壳体1为立式的圆柱体形状，且在壳体1的内壁设置有耐高温层，所述耐高温层即由耐高温材料制成的涂层涂覆在壳体1内壁所形成的涂层，因壳体1内部为高温烟气换热的场所，因此耐高温层的设置能够提高壳体1的耐高温性能，减缓高温烟气对壳体1带来的磨损，有效提高壳体1的使用寿命。壳体1上设置有烟气入口10、烟气出口4和补偿器I2。具体的，在壳体1顶部设置有烟气入口10，底部设置有烟气出口4，烟气自上而下在壳体1内部流动。补偿器I2焊接设置在壳体1的两侧，连接稳固，因烟气具有较高的温度，因此在壳体1两侧均布补偿器I2，补偿器I2能够补偿壳体1的受热所引起的膨胀，减少壳体1所受到的热应力，保证壳体1的正常使用。同时在壳体1的一侧底部设置有冷流体入口5，另一侧上部设置有冷流体出口12，此处冷流体可以为冷却水，通过冷流体在壳体1内部的流动对高温烟气进行一个换热冷却。所述壳体1内部设置有若干个换热管8，换热管8在壳体1内部呈等间距平行设置。换热管8的一端外侧与冷却装置9连接，内侧与烟气入口10连通，冷却装置9设置在壳体1内部靠近烟气入口10的一端；换热管8的另一端外侧通过补偿器II3与连接板连接，内侧与烟气出口4连通，所述连接板设置在壳体1内部靠近烟气出口4的一端。换热管8的内侧为烟气流动通道，换热管8靠近烟气入口10的一端设置有冷却装置9，冷却装置9能够对换热管8外侧进行一个冷却作用，因烟气具有较高的温度，一般都高达600℃以上，从烟气入口10进入的高温烟气瞬时进入到换热管8时无法进入均匀，因此在换热管8靠近烟气入口10的一端容易被高温烟气和高温烟气中的灰尘颗粒影响造成磨损。在换热管8靠近烟气出口4的一端外侧焊接设置补偿器II3，补偿器II3用于补偿换热管8与壳体1之间不均匀膨胀所引起的膨胀差，同时因每个换热管8内部长期通入高温烟气，换热管8易受热发生膨胀，当各个换热管8的膨胀程度不同时，会导致换热管8间受力挤压损坏换热管8，所以每个换热管8上均焊接有补偿器II3，能够有效补偿每个换热管8受热所引起的膨胀，保证每个换热管8能够正常工作。因补偿器I2和补偿器II3均为管道补偿器，为现有技术，且补偿器I2和补偿器II3的结构并不是本发明的创新点，因此就不在本实施例中对其具体结构做描述。

本发明通过补偿器I2补偿壳体1因受热而引起的热膨胀，通过换热管8靠近烟气入口10的一端外侧设置有冷却装置9，冷却装置9对刚进入高温烟气的那一段换热管8进行冷却保护，换热管8靠近烟气出口4的一端外侧设置有补偿器II3，有效补偿每个换热管8受热所引起的膨胀，同时补偿换热管8与壳体1之间不均匀膨胀所引起的膨胀差，保证每个换热管8能够正常工作。对换热管8的两端均采取措施保证换热管8的正常工作，同时对壳体1也采取相应的措施，使得该换热器能够对高达1000℃的超高温烟气进行换热工作，并且换热管8与壳体1工作稳定，不会受热发生膨胀引起损坏。整体结构简单，安装与维修都较为方便，具有较高的使用价值。本发明的一种双补偿换热器的热换方法，包括以下步骤：

S1：烟气从烟气入口10通过冷却装置9进入到换热管8的一端，烟气在冷却装置9中对换热管8起到一个冷却作用，吸收换热管8内部烟气的热量，降低换热管8外侧及壳体1内部温度；同时，冷流体通过冷流体入口5进入到壳体1内；

S2：烟气进入换热管8内在换热管8内流动，同时冷流体在壳体1内部流动，通过冷流体在壳体1内部的流动实现对换热管8内部烟气的换热，且壳体1两侧的补偿器I2补偿壳体因受热而引起的热膨胀，每个换热管8上的补偿器II3对换热管8进行补偿，保证每个换热管8在受热不一致时也能满足膨胀补偿的需要；

S3：烟气从烟气出口4流出，冷流体从冷流体出口12流出，完成换热过程。

在本实施例中，如图2所示，所述冷却装置9包括在壳体1内部从上到下依次设置的至少三个管板，管板焊接在壳体1内部。所述管板即为圆板，圆板上开设有若干个安装孔，安装孔与换热管8一一对应，换热管8的外侧固定在安装孔内。管板均与换热管8的一端连接，相邻两个管板之间形成腔室，壳体1在与腔室所对应的位置上设置有工艺气体进口，所述工艺气体即为不与烟气发生反应的惰性气体，惰性气体从工艺气体进口处流入，最终从烟气出口4流出，惰性气体在流动的过程中与换热管8接触，换热管8内的高温烟气能够对惰性气体进行加热同时惰性气体吸收热量达到对换热管8的冷却效果。因冷却装置9至少形成两个腔室，可以在每个腔室所对应的壳体1上开设工艺气体进口，使得每个腔室都能够有足够的工艺气体对换热管8内部的高温烟气进行换热，换热效率高且效果好，但是相应的成本也较高。也可以在一个腔室所对应的壳体1位置上开设工艺气体进口，工艺气体从该腔室内进入，随着管板上的安装孔进入到不同的腔室内对换热管8不同位置进行换热，最终从烟气出口4流出，成本较低。同时，在每块管板上设置有若干个通孔，通孔分布在换热管8的四周，通孔的设置使工艺气体不仅可以从管板上的安装孔内进行流通，还可以通过通孔流通，提高工艺气体在壳体1内部的流通效率；并且通孔设置在换热管8的四周，能够对换热管8进行全方面的冷却，避免换热管8局部受热膨胀，受热不均匀易发生损坏，提高换热管8的使用寿命，保证换热管8的稳定工作。

为了保证冷却装置9能够顺利工作的同时节约成本，在本实施例中所述冷却装置9由三块管板组成，三块管板在壳体1内部从上到下依次焊接设置，分别为上层管板，中层管板92和下层管板，上层管板和中层管板92之间形成上腔室91，中层管板92和下层管板之间下腔室93，且在上腔室91所对应的壳体1位置上开设有工艺气体进口。同时在中层管板92上开设有若干个通孔，通孔设置在换热管8的四周。工艺气体通过工艺气体进口进入到上腔室91，再通过通孔进入到下腔室93，最终从烟气出口4中流出。因壳体1靠近烟气入口10的一端为高温烟气入口段，在进入到换热管8的过程中由于烟气瞬时大量进入至换热管8内，换热管8和壳体1内部其余部件瞬时受到高温冲击易发生损坏，因此通过工艺气体在腔室内进行流动的时候被换热管8内的高温烟气所加热，工艺气体吸收每个腔室内的热量，对管板以及对换热管8均起到冷却作用，保证部件在高温环境下能够稳定运行。在这值得说明的是，一般换热器中换热管8的两端分别与上下管板连接，在本发明中，下管板即为本发明中的连接板，上管板即为本发明中的中层管板92，即本实施例所述的冷却装置9即为在现有的换热器上管板的上下各增加一块管板，因上管板在煤化工领域，循环流化床气化炉出口烟气温度达1000℃及以上，上管板在前述高温下会导致上管板强度下降，寿命减短，因此本发明在上管板的上下各增加一块管板形成冷却装置9能够有效对上管板进行一个吸热降温冷却的作用，因为上管板在冷却装置9中为中层管板92，工艺气体在上腔室91内进入通过中层管板92进入下腔室93内流通，给三个管板进行降温保证管板的强度和寿命，避免管板许用应力下降。

实施例2

基本同实施例1，为了进一步保证冷流体在壳体1内部流动换热效果，本实施例中在所述壳体1内部还设置有若干个等间距排列的折流板6，折流板6为圆缺型钢板，在换热器中，高温烟气在换热管8内流动行程称之为管程，冷流体在换热管8外侧流动行程称之为壳程，为了加强壳程冷流体的扰动，强化传热系数，本实施例优选采用单弓形折流板。同时，相邻两个单弓形折流板在壳体1内部呈交错布置，即一个单弓形折流板与壳体1一侧固定，则与该单弓形折流板相邻的单弓形折流板与壳体1另一侧固定，以此类推。折流板6的设置能够改变冷流体在壳体1内部的流向，冷流体能够实现扰流，继而增加了冷流体与换热管8内高温烟气的换热时间，进一步提高传热效果，同时折流板6的设置提高了冷流体的湍流强度使其换热能力增强。为了进一步保证折流板6的换热效果，将相邻两个折流板6之间的距离不小于壳体1内径的0.2倍，使冷流体在壳体1内部的扰动效果更佳，且相邻两个折流板6之间的距离不小于50mm，距离过小对冷流体产生流动阻碍，使得壳程的压降过大，使得冷流体在壳体1内部流动过于缓慢，不利于传热，工作效率低。

同时，壳体1内部还设置有定距管7，相邻两个折流板6之间通过定距管7固定，定距管7的设置一方面能够保证相邻两个折流板6之间的间距一致，保证折流板6的扰流效果；另一方面，定距管7既对折流板6起到固定支撑作用，保证折流板6的强度，使得若干个折流板6形成一个统一的整体，折流板6所形成的整体又对换热管8起到固定支撑作用，防止换热管8受到高速折流气体的冲击导致较大的震动。

换热管8靠近烟气入口10的一端直接接触高温烟气，易发生磨损，本实施例在所述换热管8靠近烟气入口10的一端设置有套管11，套管11套设在换热管8内侧。套管11插入换热管8内侧，为了便于套管11的更换，采用点焊的方式与换热管8进行连接。套管11的设置能够对进入到换热管8内的高温烟气起到一个整流作用，不仅能够有效避免换热管8因烟气不均匀分布带来的磨损，而且可自由拆卸，方便维修，所述换热管8可采用耐磨耐高温合金钢制作。更进一步的，沿套管11内部的周向设置有耐磨层，耐磨层即为由耐磨材料制成的涂层。增加套管11的耐磨性，提高使用寿命。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双补偿换热器，包括壳体(1)，壳体(1)上设置有烟气入口(10)、烟气出口(4)和补偿器I(2)，壳体(1)的一侧设置有冷流体入口(5)，另一侧设置有冷流体出口(12)，其特征在于：所述壳体(1)内部设置有若干个换热管(8)，换热管(8)的一端外侧与冷却装置(9)连接，冷却装置(9)设置在壳体(1)内部靠近烟气入口(10)的一端，换热管(8)的另一端外侧通过补偿器II(3)与连接板连接，所述连接板设置在壳体(1)内部靠近烟气出口(4)的一端。

2.根据权利要求1所述的一种双补偿换热器，其特征在于：所述冷却装置(9)包括在壳体(1)内部从上到下依次设置的至少三个管板，管板均与换热管(8)的一端连接，相邻两个管板之间形成腔室，壳体(1)在与腔室所对应的位置上设置有工艺气体进口。

3.根据权利要求2所述的一种双补偿换热器，其特征在于：管板上设置有若干个通孔，通孔分布在换热管(8)的四周。

4.根据权利要求1或2所述的一种双补偿换热器，其特征在于：所述壳体(1)内部还设置有若干个等间距排列的折流板(6)。

5.根据权利要求4所述的一种双补偿换热器，其特征在于：相邻两个折流板(6)之间的距离不小于50mm。

6.根据权利要求5所述的一种双补偿换热器，其特征在于：壳体(1)内部还设置有定距管(7)，相邻两个折流板(6)之间通过定距管(7)固定。

7.根据权利要求1所述的一种双补偿换热器，其特征在于：壳体(1)的内壁设置有耐高温层。

8.根据权利要求1所述的一种双补偿换热器，其特征在于：所述换热管(8)靠近烟气入口(10)的一端设置有套管(11)，套管(11)套设在换热管(8)内侧。

9.根据权利要求8所述的一种双补偿换热器，其特征在于：沿套管(11)内部的周向设置有耐磨层。

10.一种如权利要求1-9任一项权利要求所述一种双补偿换热器的热换方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：烟气从烟气入口(10)通过冷却装置(9)进入到换热管(8)的一端；同时，冷流体通过冷流体入口(5)进入到壳体(1)内；

S2：烟气进入换热管(8)内在换热管(8)内流动，同时冷流体在壳体(1)内部流动；

S3：烟气从烟气出口(4)流出，冷流体从冷流体出口(12)流出，完成换热过程。

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