CN112944956A - 一种具有高温高压管程结构的u形管式换热器 - Google Patents

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洪超
唐卉
李明
李召生
张旭
王喆
田露
郜愿锋
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
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    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates

Abstract

本发明为一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，属于管壳式换热器领域，针对在高温高压工况下管板因温度分布不均致使其厚度及材料等级过高的弊端所提出，其包括管箱、壳程筒体和U形管束，U形管束置于壳程筒体内，管箱和壳程筒体通过改良管板组件实现固连，改良管板组件包括环形固定管板、挠性管板和隔热层，环形固定管板固定在管箱和壳程筒体间，挠性管板焊接在环形固定管板的内环上，在挠性管板和环形固定管板的围合区域内设有隔热层，U形管束的热端入口依次穿过挠性管板和隔热层与管箱内的热箱组件连通，U形管束的冷端出口穿过环形固定管板与套设在热箱组件外侧的导流筒连通。本发明通过优化管板结构，减少温差应力，降低换热器成本。

Description

一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器
技术领域：
本发明属于管壳式换热器领域，具体涉及一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器。
背景技术：
随着化工技术的发展，对于高温高压的高参数换热器应用越来越广泛，尤其对于某些极端工况，换热器的管程入口温度达到500℃以上，基本上达到了大部分材料的蠕变温度，通常需采用耐高温不锈钢或者镍基合金等高等级材料。
此类换热器的管程高温介质经换热管换热冷却后降低到较低的温度，此时管程入口侧高温高压介质对材料要求较高，而出口侧介质对于材料的要求较低，对于常规U形管式换热器来说，管箱和管板结构需用高参数来选用材料，使得管程材料等级提高，部件所需壁厚也会增加，导致换热器材料的浪费。
对于管程进出口温差较大的U形换热器，由于管板两侧的温度分布不均匀，管板上冷热两侧的大温差会导致管板上存在较大环向温差应力，所需管板厚度相应增加，无法完全发挥管板的承载能力。
对于管壳程两侧温度和压力参数均较高时，采用常规的U形管式换热器，管板的整体厚度均需按高温高压的参数设计，增加了设备成本。
发明内容：
本发明为克服现有U形管式换热器的管板在高温高压工况下因温度分布不均致使管板所需厚度及材料等级过高，增加设备成本的缺陷，提供了一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，该换热器通过改进管程结构，消除环向温差应力，增强管板的承载能力，降低高参数管板对材料的要求或者有效减少高等级材料用量，提高设备运行可靠性，从而降低设备成本。
本发明采用的技术方案在于：一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，包括：管箱、壳程筒体和U形管束，所述U形管束置于壳程筒体内，所述管箱和壳程筒体通过改良管板组件实现固定及连通，所述U形管束的开口端固定在改良管板组件上，所述改良管板组件包括环形固定管板、挠性管板和隔热层，所述环形固定管板固定在管箱和壳程筒体之间，所述挠性管板焊接在环形固定管板的内环上，且挠性管板的凸起部朝向壳程筒体侧设置，在挠性管板和环形固定管板的围合区域内浇筑有隔热层，所述U形管束的热端入口依次穿过挠性管板和隔热层与管箱内的热箱组件连通，且热箱组件与管箱的管程介质入口连通，所述U形管束的冷端出口穿过环形固定管板与套设在热箱组件外侧的导流筒连通。
优选地，在U形管束的热端入口内设有隔热套管，所述隔热套管的一端插入U形管束内，位于U形管束外侧的隔热套管，其纵截面呈喇叭口结构，且在隔热套管的外壁上设有与U形管束热端入口抵接的卡环。
优选地，所述热箱组件包括连接管、热箱筒体、热箱端盖和隔热衬里，所述热箱筒体位于导流筒内，热箱筒体的入口通过连接管与管程介质入口连通，所述热箱筒体的出口与环形固定管板固定，热箱端盖焊接在热箱筒体出口的相对侧，由管程介质入口至热箱筒体的出口形成高温介质流动通道，所述隔热衬里通过隔热衬里固定件固定在高温介质流动通道的内壁上。
优选地，在连接管上还设有膨胀节。
优选地，所述导流筒通过支撑件固定在管箱内壁上。
优选地，所述U形管束由若干周向设置的U形换热单管组成，且每个U形换热单管的热端入口分布于U形管束的中心内环处，每个U形换热单管的冷端出口分布于U形管束的外环处。
本发明的有益效果是：
1、本发明将常规U形换热器管板的两侧高低温分布方式优化为中心区高温和外环区低温的分布方式，消除环向温差应力，并将管板进行改良，在环形固定管板上设计了挠性管板，利用椭圆或球形挠性管板的变形协调能力，极大增强高温下管板结构的热膨胀吸收能力，减少管板上的温差应力，减少管板材料消耗，通过U形管束与挠性管板的配合，在保证管板承载能力的同时，提高了设备的运行可靠性，减少管板材料用量，降低了换热器成本。
2、本发明中的导流筒将U形管束冷端出口的气体均匀分布在热箱外周的管箱空间内，降低了管箱和管板的金属壁温，除挠性管板可单独应用高等级材料外，降低了其余零部件材料等级要求，从而有效节约了换热器的制造成本。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为改良管板组件的结构示意图；
图3为图1中A处放大图；
图4为U形管束的端部分布图；
其中：1连接管、2热箱箱体、3环形固定管板、4挠性管板、5U形管束、6壳程筒体、7隔热套管、8隔热层、9支撑件、10导流筒、11管箱、12热箱端盖、13隔热衬里、14隔热衬里固定件、15卡环。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，本发明为一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，包括：U形管束5、壳程筒体6、管箱11和改良管板组件，所述管箱11设有管程介质入口和管程介质出口，在管箱11内嵌套设有热箱组件和导流筒10，所述壳程筒体6设有壳程介质入口和壳程介质出口，所述管箱11和壳程筒体6通过改良管板组件实现固定及连通，所述U形管束5水平置于壳程筒体6内，U形管束5的开口端固定在改良管板组件上，且U形管束5的热端入口通过热箱组件与管箱11的管程介质入口连通，U形管束5的冷端出口与导流筒10连通，所述导流筒10通过支撑件9固定在管箱11内壁上，且导流筒10与管箱11的管程介质出口相通。
如图2所示，所述改良管板组件包括环形固定管板3、挠性管板4、隔热套管7和隔热层8，所述环形固定管板3焊接在管箱11和壳程筒体6之间，所述挠性管板4采用椭圆封头或球形封头形式，其焊接在环形固定管板3的内环上，且挠性管板4的凸起部朝向壳程筒体6侧设置，该设计方式有利于增强高温下管板结构的热膨胀吸收能力，减少作用在管板上的温差应力，通过挠性管板4采用的压差设计，可有效减少管板结构的材料用量。在挠性管板4和环形固定管板3的围合区域内浇筑有隔热层8，所述U形管束5的热端入口依次穿过挠性管板4和隔热层8与管箱11内的热箱组件连通，且U形管束5与环形固定管板3和挠性管板4为焊接连接。如图3和图4所示，所述U形管束5由若干周向设置的U形换热单管组成，且每个U形换热单管的热端入口集中分布于U形管束5的中心内环处，每个U形换热单管的冷端出口分散布置于U形管束5的外环处。所述隔热套管7的一端插入U形换热单管的热端入口内一定长度，并通过隔热层8实现固定，为了降低高温介质进入U形换热单管时对热端入口产生局部阻力，将位于每个U形换热单管外侧的隔热套管7的纵截面设计成喇叭口结构，并在隔热套管7的外壁上设有与U形换热单管热端入口抵接的卡环15，使每个U形换热单管与隔热套管7装配更加便捷。
所述热箱组件包括连接管1、热箱筒体2、热箱端盖12、隔热衬里13和隔热衬里固定件14，所述热箱筒体2位于导流筒10内，热箱筒体2的入口与连接管1焊接，连接管1穿过导流筒10与管箱11焊接，并与管程介质入口连通，所述热箱筒体2的出口与环形固定管板3焊接，热箱端盖12焊接在热箱筒体2出口的相对侧。由管程介质入口至热箱筒体2的出口形成高温介质流动通道，所述隔热衬里13通过隔热衬里固定件14固定在高温介质流动通道的内壁上。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于，在连接管1上还设有膨胀节。
根据管箱11内应用介质的不同，可在连接管1上可设置膨胀节，通过膨胀节更好地吸收运行工况下热箱筒体2产生的热膨胀，提高设备运行的可靠性。
工作过程：
高温介质从管箱11的管程介质入口进入，经热箱筒体2进入U形管束5内，并与进入壳程筒体6内的低温介质进行换热，换热后的低温介质从壳程介质出口流出壳程筒体6，换热后的高温介质从U形管束5流出后，经导流筒10从管程介质出口流出管箱11。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，包括：管箱(11)、壳程筒体(6)和U形管束(5)，所述U形管束(5)置于壳程筒体(6)内，其特征在于：所述管箱(11)和壳程筒体(6)通过改良管板组件实现固定及连通，所述U形管束(5)的开口端固定在改良管板组件上，所述改良管板组件包括环形固定管板(3)、挠性管板(4)和隔热层(8)，所述环形固定管板(3)固定在管箱(11)和壳程筒体(6)之间，所述挠性管板(4)焊接在环形固定管板(3)的内环上，且挠性管板(4)的凸起部朝向壳程筒体(6)侧设置，在挠性管板(4)和环形固定管板(3)的围合区域内浇筑有隔热层(8)，所述U形管束(5)的热端入口依次穿过挠性管板(4)和隔热层(8)与管箱(11)内的热箱组件连通，且热箱组件与管箱(11)的管程介质入口连通，所述U形管束(5)的冷端出口穿过环形固定管板(3)与套设在热箱组件外侧的导流筒(10)连通。
2.如权利要求1所述的一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，其特征在于：在U形管束(5)的热端入口内设有隔热套管(7)，所述隔热套管(7)的一端插入U形管束(5)内，位于U形管束(5)外侧的隔热套管(7)，其纵截面呈喇叭口结构，且在隔热套管(7)的外壁上设有与U形管束(5)热端入口抵接的卡环(15)。
3.如权利要求1或2所述的一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，其特征在于：所述热箱组件包括连接管(1)、热箱筒体(2)、热箱端盖(12)和隔热衬里(13)，所述热箱筒体(2)位于导流筒(10)内，热箱筒体(2)的入口通过连接管(1)与管程介质入口连通，所述热箱筒体(2)的出口与环形固定管板(3)固定，热箱端盖(12)焊接在热箱筒体(2)出口的相对侧，由管程介质入口至热箱筒体(2)的出口形成高温介质流动通道，所述隔热衬里(13)通过隔热衬里固定件(14)固定在高温介质流动通道的内壁上。
4.如权利要求3所述的一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，其特征在于：在连接管(1)上还设有膨胀节。
5.如权利要求1所述的一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，其特征在于：所述导流筒(10)通过支撑件(9)固定在管箱(11)内壁上。
6.如权利要求1所述的一种具有高温高压管程结构的U形管式换热器，其特征在于：所述U形管束(5)由若干周向设置的U形换热单管组成，且每个U形换热单管的热端入口分布于U形管束(5)的中心内环处，每个U形换热单管的冷端出口分布于U形管束(5)的外环处。
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