CN112414177A - 管式换热装置以及换热方法、应用 - Google Patents

管式换热装置以及换热方法、应用 Download PDF

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CN112414177A CN202011402967.4A CN202011402967A CN112414177A CN 112414177 A CN112414177 A CN 112414177A CN 202011402967 A CN202011402967 A CN 202011402967A CN 112414177 A CN112414177 A CN 112414177A
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钱渊
姚剑
姜迪
陈贵生
仝路路
杜林�
赵乾坤
唐晓星
马继飞
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Abstract

本发明公开了一种管式换热装置以及换热方法、应用。该装置自上至下依次包括上封头、上管板、筒体、下管板以及下封头，筒体内设有若干换热管，换热管依次穿设上管板和下管板；上封头与上管板之间设有第一过渡变径段，下封头与下管板之间设有第二过渡变径段；第一过渡变径段包括第一喉口段、第一扩张段、第一连接部；第二过渡变径段包括第二喉口段、第二扩张段、第二连接部；上封头上设有物料进口、且物料进口依次通过第一喉口段、第一扩张段与各换热管连通，下封头上设有物料出口、且物料出口依次通过第二喉口段、第二扩张段与各换热管连通。本发明的换热装置能够及时冷却物料、减小能量损耗以及提高换热效率。

Description

管式换热装置以及换热方法、应用
技术领域
本发明涉及管式换热装置以及换热方法、应用。
背景技术
换热器是化工、石油、动力工程和食品等许多领域的通用设备，可实现热量的传递和交换，以满足工艺设计的需要，在工业生产中占有重要地位，目前，常见的换热器普遍面临能量损耗较高、换热效率较低，且在高温环境下使用的寿命较短等缺点，其经济效益低实用性受限。因此，优化换热装置结构，来提高换热效率，减少能量损耗，降低设备制作成本，延长设备在高温环境下的重复使用寿命，一直是本领域急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的换热器能量损耗高、换热效率低以及在高温环境下使用寿命短的缺陷，而提供管式换热装置以及换热方法、应用。
本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题的：
一种管式换热装置，其自上至下依次包括上封头、上管板、筒体、下管板以及下封头，所述筒体内设有若干换热管，所述换热管依次穿设所述上管板和所述下管板；
所述上封头与所述上管板之间设有第一过渡变径段，所述下封头与所述下管板之间设有第二过渡变径段；所述第一过渡变径段包括第一喉口段，和与所述第一喉口段连接的第一扩张段，以及分别与所述上封头与所述上管板衔接的第一连接部，所述第一连接部包设于所述第一喉口段与所述第一扩张段的外部；所述第二过渡变径段包括第二喉口段，和与所述第二喉口段连接的第二扩张段，以及分别与所述下封头与所述下管板衔接的第二连接部，所述第二连接部包设于所述第二喉口段与所述第二扩张段的外部；
所述上封头上设有物料进口、且所述物料进口依次通过所述第一喉口段、所述第一扩张段与各所述换热管连通，所述下封头上设有物料出口、且所述物料出口依次通过所述第二喉口段、所述第二扩张段与各所述换热管连通；
所述第一连接部的上侧与所述上封头的内侧构成一第一冷却腔室、且所述第一冷却腔室连接有第一冷却介质进口与第一冷却介质出口；
所述第二连接部的下侧与所述下封头的内侧构成一第二冷却腔室、且所述第二冷却腔室连接有第二冷却介质进口与第二冷却介质出口。
本发明中，一般地，所述筒体上的不同位置设有第三冷却介质进口与第三冷却介质出口；所述第三冷却介质进口与所述第三冷却介质出口均与所述筒体的内部连通。
本发明中，较佳地，所述物料进口设于所述上封头的中心位置处。
本发明中，较佳地，所述物料出口设于所述下封头的中心位置处。
本发明中，较佳地，所述物料进口和/或所述物料出口处设有测温装置。所述测温装置可为本领域常规，例如热电偶。
本发明中，较佳地，所述第一喉口段的中心线与所述筒体的中心线重合。
本发明中，较佳地，所述第二喉口段的中心线与所述筒体的中心线重合。
本发明中，所述第一冷却介质进口和/或所述第一冷却介质出口较佳地设于所述第一连接部上。
本发明中，所述第二冷却介质进口和/或所述第二冷却介质出口较佳地设于所述第二连接部上。
本发明中，较佳地，所述上管板和/或所述下管板中周向设置有循环冷却通道，所述循环冷却通道用于循环冷却介质。其中，所述循环冷却通道一般连接有第四冷却介质进口与第四冷却介质出口。
本发明中，较佳地，所述筒体的内壁上设有若干折流板，所述折流板沿所述筒体的轴向方向上交错设置。
其中，较佳地，所述筒体内设有若干定距管，所述定距管用于调整所述折流板之间的距离。一般地，根据实际需求，本领域技术人员均知晓将定距管与上管板、折流板连接，或者将定距管与折流板、下管板之间连接，或者与折流板、折流板之间连接。
其中，一般地，所述定距管的固定通过拉杆实现。
其中，所述折流板上较佳地开设有若干个换热管安装孔。所述换热管可通过所述换热管安装孔贯穿于所述折流板，这样增加湍流，减少死区，加长流程，同时对换热管起支撑定位作用。
本发明中，较佳地，所述换热管中置有混合元件，用于加强混合与换热。所述混合元件的结构可为本领域常规。
本发明中，较佳地，所述筒体自上至下包括第一筒体与第二筒体，所述第一筒体与所述第二筒体之间设有分别与所述第一筒体、所述第二筒体连接的膨胀节。其中，更佳地，所述第一筒体的高度为所述筒体的高度的三分之一。膨胀节分别与第一筒体、第二筒体焊接，用于缓解因热胀冷缩造成的筒体轴向、横向、角向的变形，降低筒体与换热管的轴向载荷、降低热膨胀差所引起的管板应力，同时减少振动对换热装置的影响；具有伸缩量的膨胀节便于管式换热装置的安装，保证密封和便于检修及拆卸。
其中，所述膨胀节的外部较佳地设有分别与所述第一筒体、所述第二筒体连接的保护装置，用于保护膨胀节免受外界损坏。
本发明中，较佳地，所述换热管的排布方式为六方最密堆积的方式。所述六方最密堆积方式是指相邻排换热管的中心错开堆积，这种堆积方式在沿换热管轴向方向看去时能够从中划出一个六方单位。
在本发明一较佳实施方式中，所述换热管按照所述六方最密堆积的方式进行排列，所述换热管的数量依次为“2、6、9、10、9、10、11、10、9、10、9、6、2”。
本发明还提供一种采用上述管式换热装置的换热方法，将热物料依次经由所述物料进口、所述第一喉口段和所述第一扩张段输送至各所述换热管，再将冷却介质分别由所述第一冷却介质进口和所述第二冷却介质进口通入，由所述第一冷却介质出口和所述第二冷却介质出口通出，对所述热物料进行冷却；经所述冷却后物料经由所述第二扩张段、所述第二喉口段和所述物料出口输出。
本发明中，所述热物料的温度可为600～800℃，所述热物料可为本领域常规，例如体积比为1:3的氢气与水蒸气的混合气体，氢气为25℃，水蒸气为650℃。
本发明中，所述冷却介质可为本领域常规，例如水。
本发明中，所述换热管可为本领域常规，例如铜管。
本发明还提供一种上述管式换热装置在制氢领域中作为换热与混合装置的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1)本发明的管式换热装置通过设置冷却腔室、过渡变径段能够实现对热流体进行及时的冷却、减小能量损耗以及提高换热效率，同时还能够保护换热装置不受高温影响，延长装置的寿命。
2)本发明的管式换热装置的通过设置过渡变径段，还能有助于流体的分配均匀。
3)在本发明的优选方案中，通过设置冷却腔室、过渡变径段以及管板中的循环冷却通道，三者配合，能够最大程度实现对热流体的换热。
附图说明
图1为实施例1中管式换热装置结构示意图。
图2为实施例1中管式换热装置B-B方向的筒体剖面图。
图3为实施例1中管式换热装置中的换热管。
其中，1上封头，101物料进口，2上管板，201上管板上的第四冷却介质进口，202上管板上的第四冷却介质出口，3筒体，301第三冷却介质进口，302第三冷却介质出口，4下管板，401下管板上的第四冷却介质进口，402下管板上的第四冷却介质出口，5下封头，501物料出口，6第一过渡变径段，611第一喉口段，612第一扩张段，613第一连接部，7第二过渡变径段，711第二喉口段，712第二扩张段，713第二连接部，8定距管，9第一冷却腔室，901第一冷却介质进口，902第一冷却介质出口，10第二冷却腔室，1001第二冷却介质进口，1002第二冷却介质出口，11折流板，12换热管，13膨胀节，14保护装置，15混合元件。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1管式换热装置
如图1所示，管式换热装置自上至下依次包括上封头1、上管板2、筒体3、下管板4以及下封头5，筒体3内设有若干换热管12，换热管12依次穿设上管板2和下管板4；上封头1与上管板2之间设有第一过渡变径段6，下封头5与下管板4之间设有第二过渡变径段7；第一过渡变径段6包括第一喉口段611，和与第一喉口段连接的第一扩张段612，以及分别与上封头1与上管板2衔接的第一连接部613，第一连接部613包设于第一喉口段611与第一扩张段612的外部；第二过渡变径段7包括第二喉口段711，和与第二喉口段711连接的第二扩张段712，以及分别与下封头5与下管板4衔接的第二连接部713，第二连接部713包设于第二喉口段711与第二扩张段712的外部；上封头1上设有物料进口101、且物料进口101依次通过第一喉口段611、第一扩张段612与各换热管12连通，下封头5上设有物料出口501、且物料出口501依次通过第二喉口段711、第二扩张段712与各换热管12连通；第一连接部613的上侧与上封头1的内侧构成一第一冷却腔室9、且第一冷却腔室9连接有第一冷却介质进口901与第一冷却介质出口902；第二连接部713的下侧与下封头5的内侧构成一第二冷却腔室10、且第二冷却腔室10连接有第二冷却介质进口1001与第二冷却介质出口1002。
本实施例中，筒体3上的不同位置设有第三冷却介质进口301与第三冷却介质出口302；第三冷却介质进口301与第三冷却介质出口302均与筒体3的内部连通。
本实施例中，物料进口101设于上封头1的中心位置处；物料出口501设于下封头5的中心位置处；第一喉口段611的中心线与筒体3的中心线重合；第二喉口段711的中心线与筒体3的中心线重合。
本实施例中，物料进口101和物料出口501处设有测温装置热电偶，用于测量进出口的物料温度(图中未示出)。
本实施例中，第一冷却介质进口901和第一冷却介质出口902设于第一连接部613上。
本实施例中，第二冷却介质进口1001和第二冷却介质出口1002设于第二连接部713上。
本实施例中，上管板2和下管板4分别周向设置有循环冷却通道，循环冷却通道用于循环冷却介质，上管板2中的循环冷却通道连接有第四冷却介质进口201与第四冷却介质出口202；下管板4中的循环冷却通道连接有第四冷却介质进口401与第四冷却介质出口402。
本实施例中，筒体3的内壁上设有若干折流板11，折流板11沿筒体3的轴向方向上交错设置。筒体3内设有若干定距管8，定距管8用于调整折流板11之间的距离。其中，定距管8与上管板2、折流板11连接。定距管8的固定通过拉杆实现。折流板11上开设有若干个换热管安装孔。换热管12可通过换热管安装孔贯穿于折流板11，这样增加湍流，减少死区，加长流程，同时对换热管起支撑定位作用。
本实施例中，如图3所示，换热管12中置有混合元件15，用于加强混合与换热。
本实施例中，筒体3自上至下包括第一筒体与第二筒体，第一筒体与第二筒体之间设有分别与第一筒体、第二筒体连接的膨胀节13；第一筒体的高度为筒体3的高度的三分之一，也就是说膨胀节13设于筒体3的三分之一处。膨胀节13分别与第一筒体、第二筒体焊接，用于缓解因热胀冷缩造成的筒体轴向、横向、角向的变形，同时减少振动对换热装置的影响；具有伸缩量的膨胀节便于管式换热装置的安装，保证密封和便于检修及拆卸。其中，膨胀节13的外部设有分别与第一筒体、第二筒体连接的保护装置14，用于保护膨胀节免受外界损坏。
本实施例中，如图2所示，换热管12的排布方式为六方最密堆积的方式，换热管12的数量从左至右依次为“2、6、9、10、9、10、11、10、9、10、9、6、2”。六方最密堆积方式是指相邻排换热管的中心错开堆积，这种堆积方式在沿换热管轴向方向看去时能够从中划出一个六方单位。
实施例2换热方法
采用实施例1中的换热装置，将热物料(体积比为1:3的氢气与水蒸气的混合气体，氢气为25℃，水蒸气为650℃)依次经由物料进口101、第一喉口段611和第一扩张段612输送至各换热管12(本实施例中的换热管为铜管)，再将冷却介质(本实施例中为水)分别由第一冷却介质进口901和第二冷却介质进口1001通入，由第一冷却介质出口902和第二冷却介质出口1002通出，对热物料进行冷却；经冷却后物料经由第二扩张段712、第二喉口段711和物料出口501输出。
本实施例中，同时需要将冷却介质由第三冷却介质进口301、上管板上的第四冷却介质进口201、下管板上的第四冷却介质进口401通入，由第三冷却介质出口、上管板上的第四冷却介质出口202和下管板上的第四冷却介质出口402通出，对高温物料进行冷却，氢气与水蒸气在换热管12中混合、换热，换热后的混合气体由物料出口501通出，采用热电偶进行测温，温度为100℃。换热效果显著、且能够保护换热装置不受高温损伤。

Claims (10)

1.一种管式换热装置，其特征在于，其自上至下依次包括上封头、上管板、筒体、下管板以及下封头，所述筒体内设有若干换热管，所述换热管依次穿设所述上管板和所述下管板；
所述上封头与所述上管板之间设有第一过渡变径段，所述下封头与所述下管板之间设有第二过渡变径段；所述第一过渡变径段包括第一喉口段，和与所述第一喉口段连接的第一扩张段，以及分别与所述上封头与所述上管板衔接的第一连接部，所述第一连接部包设于所述第一喉口段与所述第一扩张段的外部；所述第二过渡变径段包括第二喉口段，和与所述第二喉口段连接的第二扩张段，以及分别与所述下封头与所述下管板衔接的第二连接部，所述第二连接部包设于所述第二喉口段与所述第二扩张段的外部；
所述上封头上设有物料进口、且所述物料进口依次通过所述第一喉口段、所述第一扩张段与各所述换热管连通，所述下封头上设有物料出口、且所述物料出口依次通过所述第二喉口段、所述第二扩张段与各所述换热管连通；
所述第一连接部的上侧与所述上封头的内侧构成一第一冷却腔室、且所述第一冷却腔室连接有第一冷却介质进口与第一冷却介质出口；
所述第二连接部的下侧与所述下封头的内侧构成一第二冷却腔室、且所述第二冷却腔室连接有第二冷却介质进口与第二冷却介质出口。
2.如权利要求1所述的管式换热装置，其特征在于，所述筒体上的不同位置设有第三冷却介质进口与第三冷却介质出口；所述第三冷却介质进口与所述第三冷却介质出口均与所述筒体的内部连通。
3.如权利要求1所述的管式换热装置，其特征在于，所述物料进口设于所述上封头的中心位置处；
和/或，所述物料出口设于所述下封头的中心位置处；
和/或，所述物料进口和/或所述物料出口处设有测温装置；
和/或，所述第一喉口段的中心线与所述筒体的中心线重合；
和/或，所述第二喉口段的中心线与所述筒体的中心线重合；
和/或，所述第一冷却介质进口和/或所述第一冷却介质出口设于所述第一连接部上；
和/或，所述第二冷却介质进口和/或所述第二冷却介质出口设于所述第二连接部上；
和/或，所述上管板和/或所述下管板中周向设置有循环冷却通道，所述循环冷却通道连接有第四冷却介质进口与第四冷却介质出口。
4.如权利要求1所述的管式换热装置，其特征在于，所述筒体的内壁上设有若干折流板，所述折流板沿所述筒体的轴向方向上交错设置；
较佳地，所述筒体内设有若干定距管，所述定距管用于调整所述折流板之间的距离；
较佳地，所述定距管的固定通过拉杆实现；
较佳地，所述折流板上开设有若干个换热管安装孔。
5.如权利要求1所述的管式换热装置，其特征在于，所述换热管中置有混合元件；
和/或，所述筒体自上至下包括第一筒体与第二筒体，所述第一筒体与所述第二筒体之间设有分别与所述第一筒体、所述第二筒体连接的膨胀节；
较佳地，所述第一筒体的高度为所述筒体的高度的三分之一；
较佳地，所述膨胀节的外部设有分别与所述第一筒体、所述第二筒体连接的保护装置。
6.如权利要求1所述的管式换热装置，其特征在于，所述换热管的排布方式为六方最密堆积的方式。
7.如权利要求6所述的管式换热装置，其特征在于，所述换热管按照所述六方最密堆积的方式进行排列，在所述筒体的横截面上所述换热管的数量从左到右依次为“2、6、9、10、9、10、11、10、9、10、9、6、2”。
8.一种换热方法，其特征在于，其采用如权利要求1～7任一项所述的管式换热装置进行换热，其包括如下步骤：将热物料依次经由所述物料进口、所述第一喉口段和所述第一扩张段输送至各所述换热管，再将冷却介质分别由所述第一冷却介质进口和所述第二冷却介质进口通入，由所述第一冷却介质出口和所述第二冷却介质出口通出，对所述热物料进行冷却；经所述冷却后的物料经由所述第二扩张段、所述第二喉口段和所述物料出口输出。
9.如权利要求8所述的换热方法，其特征在于，所述热物料的温度为600～800℃，例如体积比1:3的氢气与水蒸气的混合气体，氢气为25℃，水蒸气为650℃。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的管式换热装置在制氢领域中作为换热与混合装置的应用。
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