CN112432530A - 化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，包括若干螺旋管单体和介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管，螺旋管单体堆叠在一起并通过紧固件相互固定，螺旋管单体对外具有介质进口、介质出口、冷却水进口和冷却水出口，各介质进口均连接至介质进口总管，各介质出口均连接至介质出口总管，各冷却水进口连接至冷却水进口总管，各冷却水出口连接至冷却水出口总管。螺旋管单体包括上盖板、下盖板和螺旋板，螺旋板设置于上盖板、下盖板之间，螺旋板在中央位置与外延终止处带有圆弧段，螺旋板配合上盖板和下盖板在螺旋管单体内构造出两个区域：介质螺旋槽和冷却水螺旋槽。

Description

化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体是一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器。

背景技术

热交换器是工艺系统常用的一种装置，其用于将介质冷却或加热至需要的条件以便后续操作。

化工真空系统中常常在真空系统前设置降温换热器，让进入真空泵的气体在较低的条件下进入真空泵，因为有机物类的介质在高温条件下会有较大可能发生聚合反应生成絮状高分子，进而卡死真空泵。

现有技术中，在不同工艺条件下的换热器具有特定的的额热负荷，更换工艺条件就需要更换换热器，十分麻烦，而且成本增加，不利于生产工艺的改造升级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，包括若干螺旋管单体和介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管，螺旋管单体堆叠在一起并通过紧固件相互固定，螺旋管单体对外具有介质进口、介质出口、冷却水进口和冷却水出口，各介质进口均连接至介质进口总管，各介质出口均连接至介质出口总管，各冷却水进口连接至冷却水进口总管，各冷却水出口连接至冷却水出口总管。

相互累叠的螺旋管单体分别承担一路路的冷却工作，每层螺旋管单体独立地进行换热过程，根据原始设计，介质的进气温度、出气温度、冷却水的进水温度与出水温度已知，所以，每层的换热负荷制造时已然确定，之后，如果出现换热需要增大，例如进气温度大大提高或者进气流量大大提成，那么，原始数量的螺旋管单体可能无法完全满足换热需求，所以，需要增大换热结构，而本发明可以通过增加螺旋管单体的数量来增大处理能力，例如，原先的三千方小时气流量时需要十层螺旋管单体，那么在工艺系统中出现长期的四千方流量需求的情况下，可以拆下介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管，然后再将三层或四层的螺旋管单体安装上去并接上介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管即可满足使用需求，这一改造方式比起更换换热器来说是成本大大降低的，而且接口位置与大小保持不变，不需要改造相关管路。

进一步的，螺旋管单体包括上盖板、下盖板和螺旋板，螺旋板设置于上盖板、下盖板之间，螺旋板在中央位置与外延终止处带有圆弧段，螺旋板配合上盖板和下盖板在螺旋管单体内构造出两个区域：介质螺旋槽和冷却水螺旋槽；

介质螺旋槽外延终止处的上盖板或下盖板上设置介质进口，介质螺旋槽中央处的上盖板或下盖板上设置介质出口，冷却水螺旋槽外延终止处的上盖板或下盖板上设置冷却水出口，冷却水螺旋槽中央处的上盖板或下盖板上设置冷却水进口。

螺旋状的介质流道与冷却水流道，由于介质与冷却水在其各自的流道内是螺旋前进的，流动带有连续的转弯，所以，其流动更容易趋向湍流，湍流状态下，流体与壁面的换热系数更高，所以可以增大换热效果。将介质的进口与冷却水的进口分别设置于中央和外侧，即介质是由外向内流动，而冷却水是由内向外流动，介质在中央出口处具有较低的温度，此时让刚进入螺旋槽的低温水进行冷却，效果更佳，经历换热过后的较高温水在其出口处遇到刚进入螺旋管单体的原始介质，此时介质为高温状态，无需很低温度的水去进行冷却，而且，在介质进入螺旋管单体时，如果遇到强冷壁面，反而急剧收缩影响进气连续性。

上下盖板框覆住螺旋板构造冷却水与介质的流动空间。

进一步的，螺旋管换热器还包括密封板，同一螺旋管单体中，介质进口、介质出口、冷却水进口和冷却水出口分别上下成对形式地设置在上盖板和下盖板上，相邻螺旋管单体的相应进出口分别对接连通；介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管连接在最底部或最顶部的螺旋管单体上，远离介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管的螺旋管单体上的裸露的介质进口、介质出口、冷却水进口和冷却水出口外使用密封板封堵。

上下盖板上均开设上下一致的介质进口、介质出口、冷却水进口和冷却水出口，使得层叠起来的若干螺旋管单体只需要将一个螺旋管单体与介质进口总管、介质出口总管、冷却水进口总管和冷却水出口总管连接即可将所有流道连通起来，防止繁琐的管路连接，为了螺旋管单体制造时的标准化，所有的开口均位置一致，在末级螺旋管单体上使用密封板封堵相应接口即可。

进一步的，介质螺旋槽具有从中央往外逐渐变大的槽宽。介质螺旋槽是气体介质的流动通道，而气体在冷却后具有收缩的趋势，如果其流动路径上的断面面积保持不变，气体在这样的流动路径上前进，那么其经历换热而温度降低后是会导致压力降低的，压力的降低又一次导致温度降低，但是，此因素导致的温度降低并不是气体本身的热量损失，气体内部的热量不是传递给冷却水的，所以，在后续的真空泵压缩环节依然会转化为气体高温，另外，由于压力降低导致的温降，反而阻碍气体在后续路径上与冷却水的换热，本发明通过渐缩的气体流道，使得气体在温降后可以受到一定的压缩，从而温降不显著，在流动路径上充分与冷却水进行换热，将自身热量传递出去。 由于气体进出换热器前后的压力基本不变，从而不会导致气体在后续的真空泵内发生大压缩比的压缩输送，大压缩比可能导致急剧温升，引起一些高分子单体发生聚合。

螺旋板的螺旋形方程在极坐标系下的一般性表示为

，其中，ρ为极径，t为极角，a、b、c、d、e分别为自定义系数，要求c大于1。

等距螺旋线对应的单根螺旋线为

，选转一百八十度的螺旋线，只需要将t加上半个周期（式中的b）即可，而槽宽渐变的螺旋线，需要式中的系数c大于，c越大，变化率越大，根据处理介质的不同以及介质进出前后的温度差异可以大致估算体积变化率，从而选取合适数值的系数c。式中的a影响螺旋线的整体大小，根据装置所要处理的气体流量选择合适的系数a，式中的d和e影响螺旋线的偏移，用来进行螺旋板的壁厚调整与冷却水槽介质槽的槽宽比例。

进一步的，上盖板、下盖板与螺旋板为可拆连接。可拆式连接可以方便操作人员清理螺旋槽或者更换螺旋板，如前述，不同的介质、工况有不同的气体收缩率，所以，螺旋板的形状最好进行相应调整以便螺旋管单体可以高效运行，更换螺旋板可以获得最优适配。

作为优化，螺旋管换热器还包括挤流块，挤流块也为螺旋形，挤流块在其延伸方向上具有相同的壁厚，挤流块放置于介质螺旋槽内。螺旋板为了尽可能降低换热热阻而将冷却水槽和介质槽使用一块螺旋板分隔，所以，更换螺旋板需要整体更换，而如前述，其实只需要改变气体流路槽的路径宽度变化即可适配不同的冷却工况的，所以，通过在介质槽内加入排挤物即可改变通路面积，排挤物具有沿其长度不变的壁厚，而介质槽是逐渐缩宽的，所以，介质进出前后的流动面积比发生减小，即气体在换热器内发生了更大程度的收缩。

进一步的，螺旋板与上盖板、下盖板的接触处设有密封垫。密封垫防止介质槽与冷却水槽窜流。

介质螺旋槽与冷却水螺旋槽具有相异的槽宽。根据热负荷需要而改变介质与冷却水的过流面积。

进一步的，上盖板与下盖板外缘设有连接耳，螺旋管换热器还包括螺杆和螺母，螺杆依次穿过连接耳并在两端使用螺母紧固。类似糖葫芦被串起来，空间节省，结构紧凑。

进一步的，介质进口总管的侧面设有阻聚剂添加口。除去降温减小聚合条件、尽量减小压力急剧变化导致急剧温升，还可以通过增加阻聚剂的方式防止介质在后续真空泵内的聚合，其作用原理是化学机理，而本发明提供一个喷射混流口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将介质从介质进口总管引入装置，分别在每一层的螺旋管单体内螺旋向内前进，受到反向流动的冷却水的冷却，在螺旋管单体的中间位置通过介质出口汇集进介质出口总管上，然后排出装置外。螺旋前进的气流为湍流状态，与周围壁面换热系数高，而且，由于流道收缩，抵消温降引起的压力降低而尽可能的保持进出压力一致，防止出口低压而在后续的真空泵内出现很大的压力升高引起急剧温升导致聚合发生，交叉流动的冷却水与介质，防止介质在进口处发生急冷而体积骤缩影响进气连续。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的总装结构示意图；

图2为本发明螺旋管单体的正视剖面图；

图3为本发明螺旋管单体的俯视示意图；

图4为图1中的视图A；

图5为本发明螺旋管单体等槽宽的俯视示意图；

图6为本发明螺旋管单体加入挤流块后的俯视示意图；

图7为本发明介质螺旋槽与冷却水螺旋槽槽宽相异的俯视示意图。

图中：1-螺旋管单体、101-介质螺旋槽、102-冷却水螺旋槽、11-上盖板、12-下盖板、13-螺旋板、14-介质进口、15-介质出口、16-冷却水进口、17-冷却水出口、18-连接耳、21-介质进口总管、22-介质出口总管、25-阻聚剂添加口、29-密封板、3-挤流块、8-螺杆、9-密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，包括若干螺旋管单体1和介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管，螺旋管单体1堆叠在一起并通过紧固件相互固定，螺旋管单体1对外具有介质进口14、介质出口15、冷却水进口16和冷却水出口17，各介质进口14均连接至介质进口总管21，各介质出口15均连接至介质出口总管22，各冷却水进口16连接至冷却水进口总管，各冷却水出口17连接至冷却水出口总管。

相互累叠的螺旋管单体1分别承担一路路的冷却工作，每层螺旋管单体1独立地进行换热过程，根据原始设计，介质的进气温度、出气温度、冷却水的进水温度与出水温度已知，所以，每层的换热负荷制造时已然确定，之后，如果出现换热需要增大，例如进气温度大大提高或者进气流量大大提成，那么，原始数量的螺旋管单体1可能无法完全满足换热需求，所以，需要增大换热结构，而本发明可以通过增加螺旋管单体1的数量来增大处理能力，例如，原先的三千方小时气流量时需要十层螺旋管单体1，那么在工艺系统中出现长期的四千方流量需求的情况下，可以拆下介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管，然后再将三层或四层的螺旋管单体1安装上去并接上介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管即可满足使用需求，这一改造方式比起更换换热器来说是成本大大降低的，而且接口位置与大小保持不变，不需要改造相关管路。

如图2、3所示，螺旋管单体1包括上盖板11、下盖板12和螺旋板13，螺旋板13设置于上盖板11、下盖板12之间，螺旋板13在中央位置与外延终止处带有圆弧段，螺旋板13配合上盖板11和下盖板12在螺旋管单体1内构造出两个区域：介质螺旋槽101和冷却水螺旋槽102；

介质螺旋槽101外延终止处的上盖板11或下盖板12上设置介质进口14，介质螺旋槽101中央处的上盖板11或下盖板12上设置介质出口15，冷却水螺旋槽102外延终止处的上盖板11或下盖板12上设置冷却水出口17，冷却水螺旋槽102中央处的上盖板11或下盖板12上设置冷却水进口16。

螺旋状的介质流道与冷却水流道，由于介质与冷却水在其各自的流道内是螺旋前进的，流动带有连续的转弯，所以，其流动更容易趋向湍流，湍流状态下，流体与壁面的换热系数更高，所以可以增大换热效果。将介质的进口与冷却水的进口分别设置于中央和外侧，即介质是由外向内流动，而冷却水是由内向外流动，介质在中央出口处具有较低的温度，此时让刚进入螺旋槽的低温水进行冷却，效果更佳，经历换热过后的较高温水在其出口处遇到刚进入螺旋管单体1的原始介质，此时介质为高温状态，无需很低温度的水去进行冷却，而且，在介质进入螺旋管单体1时，如果遇到强冷壁面，反而急剧收缩影响进气连续性。

上下盖板框覆住螺旋板13构造冷却水与介质的流动空间。

如图1、4所示，螺旋管换热器还包括密封板29，同一螺旋管单体1中，介质进口14、介质出口15、冷却水进口16和冷却水出口17分别上下成对形式地设置在上盖板11和下盖板12上，相邻螺旋管单体1的相应进出口分别对接连通；介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管连接在最底部或最顶部的螺旋管单体1上，远离介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管的螺旋管单体1上的裸露的介质进口14、介质出口15、冷却水进口16和冷却水出口17外使用密封板29封堵。

上下盖板上均开设上下一致的介质进口14、介质出口15、冷却水进口16和冷却水出口17，使得层叠起来的若干螺旋管单体1只需要将一个螺旋管单体1与介质进口总管21、介质出口总管22、冷却水进口总管和冷却水出口总管连接即可将所有流道连通起来，防止繁琐的管路连接，为了螺旋管单体1制造时的标准化，所有的开口均位置一致，在末级螺旋管单体1上使用密封板封堵相应接口即可。

如图3所示，介质螺旋槽101具有从中央往外逐渐变大的槽宽。介质螺旋槽101是气体介质的流动通道，而气体在冷却后具有收缩的趋势，如果其流动路径上的断面面积保持不变，对照图5的等距螺旋线，如果气体在这样的流动路径上前进，那么其经历换热而温度降低后是会导致压力降低的，压力的降低又一次导致温度降低，但是，此因素导致的温度降低并不是气体本身的热量损失，气体内部的热量不是传递给冷却水的，所以，在后续的真空泵压缩环节依然会转化为气体高温，另外，由于压力降低导致的温降，反而阻碍气体在后续路径上与冷却水的换热，本发明通过渐缩的气体流道，使得气体在温降后可以受到一定的压缩，从而温降不显著，在流动路径上充分与冷却水进行换热，将自身热量传递出去。 由于气体进出换热器前后的压力基本不变，从而不会导致气体在后续的真空泵内发生大压缩比的压缩输送，大压缩比可能导致急剧温升，引起一些高分子单体发生聚合。

螺旋板13的螺旋形方程在极坐标系下的一般性表示为

，其中，ρ为极径，t为极角，a、b、c、d、e分别为自定义系数，要求c大于1。

图5对应的单根螺旋线为

，选转一百八十度的螺旋线，只需要将t加上半个周期（式中的b）即可，而槽宽渐变的螺旋线，需要式中的系数c大于1，c越大，变化率越大，根据处理介质的不同以及介质进出前后的温度差异可以大致估算体积变化率，从而选取合适数值的系数c。式中的a影响螺旋线的整体大小，根据装置所要处理的气体流量选择合适的系数a，式中的d和e影响螺旋线的偏移，用来进行螺旋板的壁厚调整与冷却水槽介质槽的槽宽比例。

如图2所示，上盖板11、下盖板12与螺旋板13为可拆连接。可拆式连接可以方便操作人员清理螺旋槽或者更换螺旋板，如前述，不同的介质、工况有不同的气体收缩率，所以，螺旋板的形状最好进行相应调整以便螺旋管单体1可以高效运行，更换螺旋板13可以获得最优适配。

如图3所示，螺旋管换热器还包括挤流块3，挤流块3也为螺旋形，挤流块3在其延伸方向上具有相同的壁厚，挤流块3放置于介质螺旋槽101内。螺旋板13为了尽可能降低换热热阻而将冷却水槽和介质槽使用一块螺旋板分隔，所以，更换螺旋板需要整体更换，而如前述，其实只需要改变气体流路槽的路径宽度变化即可适配不同的冷却工况的，所以，通过在介质槽内加入排挤物即可改变通路面积，排挤物具有沿其长度不变的壁厚，而介质槽是逐渐缩宽的，所以，介质进出前后的流动面积比发生减小，即气体在换热器内发生了更大程度的收缩。

螺旋板13与上盖板11、下盖板12的接触处设有密封垫。密封垫防止介质槽与冷却水槽窜流。

如图7所示，介质螺旋槽101与冷却水螺旋槽102具有相异的槽宽。根据热负荷需要而改变介质与冷却水的过流面积。

如图1所示，上盖板11与下盖板12外缘设有连接耳18，螺旋管换热器还包括螺杆8和螺母，螺杆8依次穿过连接耳18并在两端使用螺母紧固。类似糖葫芦被串起来，空间节省，结构紧凑。

如图1所示，介质进口总管21的侧面设有阻聚剂添加口25。除去降温减小聚合条件、尽量减小压力急剧变化导致急剧温升，还可以通过增加阻聚剂的方式防止介质在后续真空泵内的聚合，其作用原理是化学机理，而本发明提供一个喷射混流口。

本装置的使用原理是：介质从介质进口总管21进入装置，分别在每一层的螺旋管单体1内螺旋向内前进，受到反向流动的冷却水的冷却，在螺旋管单体1的中间位置通过介质出口15汇集进介质出口总管22上，然后排出装置外。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，其特征在于：所述螺旋管换热器包括若干螺旋管单体（1）和介质进口总管（21）、介质出口总管（22）、冷却水进口总管和冷却水出口总管，所述螺旋管单体（1）堆叠在一起并通过紧固件相互固定，螺旋管单体（1）对外具有介质进口（14）、介质出口（15）、冷却水进口（16）和冷却水出口（17），各介质进口（14）均连接至介质进口总管（21），各介质出口（15）均连接至介质出口总管（22），各冷却水进口（16）连接至冷却水进口总管，各冷却水出口（17）连接至冷却水出口总管；

所述螺旋管单体（1）包括上盖板（11）、下盖板（12）和螺旋板（13），所述螺旋板（13）设置于上盖板（11）、下盖板（12）之间，螺旋板（13）在中央位置与外延终止处带有圆弧段，螺旋板（13）配合上盖板（11）和下盖板（12）在螺旋管单体（1）内构造出两个区域：介质螺旋槽（101）和冷却水螺旋槽（102）；

所述介质螺旋槽（101）外延终止处的上盖板（11）或下盖板（12）上设置介质进口（14），所述介质螺旋槽（101）中央处的上盖板（11）或下盖板（12）上设置介质出口（15），所述冷却水螺旋槽（102）外延终止处的上盖板（11）或下盖板（12）上设置冷却水出口（17），所述冷却水螺旋槽（102）中央处的上盖板（11）或下盖板（12）上设置冷却水进口（16）；

所述介质螺旋槽（101）具有从中央往外逐渐变大的槽宽；

所述螺旋管换热器还包括挤流块（3），所述挤流块（3）也为螺旋形，挤流块（3）在其延伸方向上具有相同的壁厚，挤流块（3）放置于介质螺旋槽（101）内；

所述上盖板（11）、下盖板（12）与螺旋板（13）为可拆连接；所述上盖板（11）与下盖板（12）外缘设有连接耳（18），所述螺旋管换热器还包括螺杆（8）和螺母，所述螺杆（8）依次穿过连接耳（18）并在两端使用螺母紧固。

2.根据权利要求1所述的一种化工真空系统用防介质聚合的螺旋管换热器，其特征在于：所述螺旋板（13）与上盖板（11）、下盖板（12）的接触处设有密封垫。

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