CN113418409A - 全逆流、双套管型热回收装置 - Google Patents

全逆流、双套管型热回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全逆流、双套管型热回收装置，其包括外壳，外壳内的分割管板将外壳的内腔分割为换热腔和进水腔；在换热腔内设置有换热筒，该换热筒朝向分割管板的一端设置有出气通道，换热筒与外壳之间形成一环形气道；折流筒焊接在分割管板上，并将分割管板分为内侧管板区和外侧管板区；中心气管插入到折流筒内，中心气管朝向分割管板的一端具有布气通道，中心气管背离分割管板的一端贯穿换热筒后形成为进气端；U型换热管的一端连接在外侧管板区，另一端绕过折流筒后连接在内侧管板区。利用本申请，能够有效地提高换热效率。

Description

全逆流、双套管型热回收装置
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，具体为一种全逆流、双套管型热回收装置。
背景技术
列管换热器作为合成气热能回收的常规设备，得到广泛的应用，由于合成气中含有高浓度的氢气，为了避免氢腐蚀，需要采用耐高温，耐强氢腐蚀腐蚀的材料制作，导致换热器的制作成本较高，且设备的维护成本也较高。另外列管换热器的结构一般是采用半逆流式结构，即换热管只有一段是逆流式换热，有部分区域为顺流式换热，降低了换热器的换热效率。
发明内容
为提高换热的换热效率，本申请提供了一种全逆流、双套管型热回收装置，其包括沿一轴线方向延伸的外壳，在该外壳内固定设置有一分割管板，该分割管板将外壳的内腔沿该轴线方向分割为换热腔和进水腔；在换热腔内设置有沿该轴线方向延伸的换热筒，该换热筒朝向分割管板的一端设置有出气通道，换热筒背离分割管板的一端呈封闭状，换热筒与外壳之间形成一环形气道；
在换热筒内设置有一折流筒，该折流筒朝向分割管板的一端密封地焊接在该分割管板上，折流筒将分割管板分割为内侧管板区和外侧管板区；折流筒背离分割管板的一端为自由端，且在轴线方向上，折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间具有距离；中心气管沿该轴线方向延伸并插入到折流筒内，该中心气管朝向分割管板的一端设置有布气通道，中心气管背离分割管板的一端向外密封地贯穿换热筒后形成为进气端；
折流筒将换热筒与中心气管之间的空间分割为内侧气道和外侧气道，折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间的距离形成为回流通道，内侧气道经回流通道连通外侧气道；
中心气管经布气通道连通内侧气道，外侧气道经出气通道连通环形气道；在外壳上设置有连通进气端的进气管和连通环形气道的排气口；
在换热筒内安装有若干根U型换热管，每一U型换热管的两端分别形成为冷媒进口端和冷媒出口端，该冷媒进口端贯穿外侧管板区后连通进水腔，该冷媒出口端沿外侧气道、回流通道和内侧气道延伸、并贯穿内侧管板区后连通排水管，该排水管贯穿外壳后形成为冷媒出口管，在外壳上还安装有连通进水腔的冷媒进口管。
本申请中，折流筒背离分割管板的一端为自由端且与换热筒之间具有距离，使折流筒背离分割管板的一端与换热筒无连接。由于中心气管在贯穿换热筒的同时，换热筒背离分割管板的一端固定连接在中心气管的外壁上。
本申请中，合成气与换热介质处于完全逆流状态，相比现有的半逆流设备，能够提高换热效率10-15％，由于换热效率的提高，有利于提高加热介质的出口温度。折流筒仅连接在分割管板上的一端为固定端，另一端为自由端，使折流筒在热胀冷缩时，能够自由伸缩，降低了设备工作时的内应力。
由于折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间无连接，U型换热管能够自由地穿过折流筒与换热筒之间的空间，使U型换热管的两端跨越折流筒后分别连接到内侧管板区和外侧管板区上，由于U型换热管的折弯部不固定在与分割管板相连接的部件上，保证了在受热时， U型换热管能够沿轴线方向自由地伸长，且能够保证合成气的顺利地流过，避免对合成气产生过大的阻力。在本申请中，在轴线方向上，换热筒背离分割管板的一端与最近的U型换热管之间距离为600-1400mm。
进一步，在中心气管朝向分割管板的一端的端部设置有封闭端板，并在中心气管朝向分割管板的一端的管壁上开设有通气孔，该通气孔形成为布气通道。该设计能够有效地避免合成气对分割管板的冲刷，提高分割管板的使用寿命。
进一步，在内侧气道和外侧气道内均设置有折流板，U型换热管贯穿折流板，折流板同时形成为U型换热管的支撑架。具体地，折流板包括设置在内侧气道内的内折流板和设置在外侧气道内的外折流板，内折流板包括第一内圈折流板和第一外圈折流板，外折流板包括第二内圈折流板和第二外圈折流板；第一内圈折流板滑动地抵靠在中心气管的外壁上、且与折流筒之间具有距离，第一外圈折流板滑动地抵靠在折流筒的内壁上、且与中心气管之间具有距离；第二内圈折流板滑动地抵靠在折流筒的外壁上、且与换热筒之间具有距离，第二外圈折流板滑动地抵靠在换热筒的内壁上、且与折流筒之间具有距离；沿轴线方向观察，第一内圈折流板与第一外圈折流板部分重叠，第二内圈折流板与第二外圈折流板部分重叠，使至少有一根U型换热管同时穿过第一内圈折流板与第一外圈折流板，且使至少有一根U型换热管同时穿过第二内圈折流板与第二外圈折流板。
上述设计能够使折流板与U型换热管形成为一个整体，可以在内侧气道和外侧气道内进行滑动，以避免热胀冷缩时U型换热管由于伸缩受到限制而产生内应力。
进一步，为避免设备在工作时，U型换热管产生振动，所有U型换热管的弯曲部经固定件固定在一起。利用固定件将U型换热器全部固定为一个整体，避免其中部分U型换热管在传热介质以及合成气的冲击下产生振动。
为避免换热筒在受热伸长时受到限制而产生较大的内压力，影响设备的安全性，该换热筒与分割管板之间无连接，换热筒与分割管板之间的缝隙形成为出气通道。本申请中，换热筒与分割管板之间在轴线方向上的距离为400-800mm，且能够保证合成气的顺利地流过，避免对合成气产生过大的阻力。
为保证中心气管在受热时能够自由伸长，降低内压力，中心气管与分割管板之间具有距离。该设计能够使中心气管在设备的最高温度运行时，仍能够保证中心气管不抵压到分割管板上。中心气管与分割管板之间的距离优选为50-150mm，具体根据中心气管的长度调整。
进一步，在进水腔内设置有一焊接在分割管板上的集气封头，该集气封头覆盖内侧管板区、且仅覆盖内侧管板区，U型换热管的冷媒出口端经该集气封头连通排水管。该设计可以简化设备结构，使U型换热管的冷媒出口端汇集到一起。
进一步，该进气管用于连接合成气反应器，该合成气反应器具有一连接管和一反应气出口管，该连接管外套在该反应气出口管上；
当该进气管连接到合成气反应器上时，该连接管密封地连接到该进气管上，该反应气出口管插入到进气管内、并密封地连通中心气管，且该反应气出口管的外壁密封地抵压到进气管朝向外壳的内腔的一端上，在反应气出口管与进气管之间形成第一环形腔，在反应气出口管与连接管之间形成第二环形腔，该第一环形腔经第二环形腔连通合成气反应器的进气腔，该进气腔连通合成气反应器的反应腔；
在该进气管上安装有连通该第一环形腔的保护气入口管，保护气能够经该保护气入口管进入到第一环形腔内，并依次经第二环形腔和进气腔进入到反应腔内进行反应，该保护气为合成气原料气。
设置保护气入口管后，可以向第一环形腔内充入冷却气，以降低进气管的温度，从而降低进气管由于热胀冷缩而导致的变形，还能够使进气管的温度保持在440℃以下，降低进气管的材质要求，以降低设备的制造费用。由于保护气采用合成气原料气，可以取消采用其它气体作为保护气时的保护气回收管道，降低设备的安装费用，以及保护气的生产费用。
进一步，为保证换热效率，当该热回收装置工作时，合成气由进气管进入到中心气管内，然后经布气通道进入到内侧气道内，合成气再依次流经回流通道、外侧气道和出气通道后进入到环形气道内，最后经排气口排出；
传热介质由冷媒进口管进入到进水腔内，然后进入到U型换热管内，与U型换热管外部的合成气进行换热，完成换热的传热介质冷媒出口管排出；
合成气的进口温度为425-435℃，合成气的出口温度为195-205℃；传热介质的进口温度为130±5℃，传热介质的出口温度为215±5℃。
传热介质具体可以为水、蒸汽或导热油等无腐蚀性介质。
在本申请中，换热筒背离分割管板的一端固定在中心气管的外壁上，且换热筒和中心气管朝向分割管板的一端均与分割管板无连接，而折流筒背离分割管板的一端为自由端，U型换热管经折流板滑动地支撑在换热筒和中心气管上，当设备在工作时，U型换热管和折流板能够在中心气管和换热筒之间的腔室内自由地伸缩，较好地降低了内应力的产生，避免了设备各内部构件在受热膨胀时相互触碰，限制其自由膨胀而产生的较大内应力，利用本申请在提高换热效率的同时，由于同时能够减少设备运行时的内应力，由此可以设备制造材料的等级，降低制造成本。
附图说明
图1是本发明的一实施例的结构示意图。
图2是图1中A部分的放大图。
图3是图1中B部分的放大图。
图4是图3中C-C向的视图。
具体实施方式
请参阅图1，图1中，箭头200表示轴线方向，该轴线沿水平方向延伸。
全逆流、双套管型热回收装置，其包括沿一轴线方向延伸的外壳10，该外壳10包括依次连接为一体的气侧管箱11、复合筒体12和水侧管箱13，在复合筒体12与水侧管箱13之间设置有分割管板33，复合筒体12与水侧管箱13分别焊接在分割管板的两侧，即在该外壳10内设置有一分割管板33。
在气侧管箱11背离分割管板的一端可拆卸地安装有平板封头15，在水侧管箱13背离分割管板33的一端安装有圆形封头14，并在圆形封头14的中心部开设有人孔133，并在人孔 133上安装有盖板134，其中的复合筒体12由多层钢板叠合而成，复合筒体12即现有技术中的包扎筒体。在外壳的下侧安装有滑动支座100。
该分割管板将外壳的内腔沿该轴线方向分割为换热腔101和进水腔102；在换热腔101 内设置有沿轴线方向延伸的换热筒32，该换热筒32包括沿轴向方向延伸的内筒体36和密封地焊接在内筒体36背离分割管板一端上的内封头31，使换热筒32背离分割管板的一端呈封闭状。该换热筒32朝向分割管板33的一端与分割管板之间无连接，使换热筒与分割管板之间的缝隙形成为出气通道321。本实施例中，换热筒与分割管板之间在轴线方向上的距离M 为500mm。
内筒体36与外壳之间形成一环形气道103，即换热筒与外壳之间形成一环形气道。
在换热筒32内设置有一折流筒23，该折流筒朝向分割管板33的一端密封地焊接在该分割管板33上，折流筒23将分割管板33分割为内侧管板区331和外侧管板区332。折流筒背离分割管板的一端为自由端，且在轴线方向上，折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间具有距离，即折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间无连接。
在进水腔102内设置有一集气封头34，该集气封头34密封焊接在分割管板上，该集气封头覆盖内侧管板区331、且仅覆盖内侧管板区331。排水管35的一端连接在集气封头34上，另一端向外贯穿水侧管箱13后形成为冷媒出口管132，即排水管贯穿外壳后形成为冷媒出口管。在外壳上还安装有连通进水腔的冷媒进口管131。
中心气管21沿该轴线方向延伸并插入到折流筒23内，在中心气管21朝向分割管板33 的一端的端部设置有封闭端板222，中心气管朝向分割管板的一端形成为通气部22，在该通气部的管壁上开设有通气孔221，该通气孔形成为布气通道。合成气进入到中心气管21内后，由于封闭端板222的阻碍，避免了对分割管板的冲击。
中心气管21背离分割管板的一端向外贯穿内封头31后形成为进气端211，内封头密封地焊接在中心气管的外壁上，即中心气管背离分割管板的一端向外密封地贯穿换热筒后形成为进气端。在进气端上开设有进气孔212。内封头31焊接在中心气管的外壁上，即换热筒背离分割管板的一端固定连接在中心气管的外壁上。
在本实施例中，中心气管与分割管板之间具有距离，以使高温工作下的中心气管能够自由伸长，且不抵靠在分割管板上，减少设备工作时所产生的内应力。具体在本实施例中，中心气管与分割管板之间的距离W为100mm。
折流筒23将换热筒32与中心气管21之间的空间分割内侧气道231和外侧气道232，外侧气道232位于内侧气道231的外侧；折流筒23背离分割管板的一端与换热筒32之间具有距离，该距离形成为回流通道323，内侧气道231经回流通道323连通外侧气道232。即在换热筒背离分割管板的一端设置有回流通道，内侧气道经回流通道连通外侧气道。
中心气管经布气通道连通内侧气道，外侧气道经出气通道连通环形气道。在外壳上设置有进气管51和排气口111，该进气管经进气孔212连通进气端211，排气口连通环形气道。
在换热筒内安装有若干根U型换热管41，为显示清楚，在图1中，U型换热管仅仅显示了其中心线，每一U型换热管41的两端分别形成为冷媒进口端和冷媒出口端，该冷媒出口端贯穿内侧管板区331后经集气封头34的内腔341连通排水管。冷媒进口端沿内侧气道、回流通道和外侧气道延伸、并贯穿外侧管板区后连通进水腔102。
在本申请中，在轴线方向上，内封头31与最近的U型换热之间的距离S为1000mm，即在轴线方向上，换热筒背离分割管板的一端与最近的U型换热管之间距离为1000mm。
在内侧气道和外侧气道内均设置有折流板，U型换热管贯穿折流板，折流板同时形成为 U型换热管的支撑架。
具体在本实施例中，折流板包括设置在内侧气道内的内折流板和设置在外侧气道内的外折流板，内折流板包括第一内圈折流板241和第一外圈折流板242，外折流板包括第二内圈折流板261和第二外圈折流板262。第一内圈折流板滑动地抵靠在中心气管的外壁上、且与折流筒之间具有距离，第一外圈折流板滑动地抵靠在折流筒的内壁上、且与中心气管之间具有距离。第二内圈折流板滑动地抵靠在折流筒的外壁上、且与换热筒之间具有距离，第二外圈折流板滑动地抵靠在换热筒的内壁上、且与折流筒之间具有距离。沿轴线方向观察，第一内圈折流板与第一外圈折流板部分重叠，第二内圈折流板与第二外圈折流板部分重叠，使至少有一根U型换热管同时穿过第一内圈折流板与第一外圈折流板，且使至少有一根U型换热管同时穿过第二内圈折流板与第二外圈折流板。
其中，第一内圈折流板241和第一外圈折流板242间隔设置，第二内圈折流板261和第二外圈折流板262间隔设置。
固定件29将所有U型换热管41的弯曲部411固定在一起，形成一个整体，减少工作时，由于换热介质以及合成气的冲击而产生的振动。具体在本实施例中，固定件29包括插设在相邻两排U型换热管的弯曲部之间的支撑管291和将各支撑管291串联在一起的连接杆292，在连接杆的两端旋拧有螺母293，将各U型换热管固定在一起。
进气管安装在外壳的上侧，并沿竖直方向延伸，该进气管51用于连接合成气反应器800，该合成气反应器800具有一连接管801和一反应气出口管802，该连接管801外套在该反应气出口管802上。
当该进气管51连接到合成气反应器800上时，该连接管801经Ω密封环803密封地连接到该进气管51上，该反应气出口管802插入到进气管51内、并经金属弹性环59密封连接到中心气管21进气孔212上。
本实施例中，内筒体36朝向分割管板的一端经支脚322支撑在外壳的内壁上。内封头焊接在中心气管21上，从而使换热筒背离分割管板的一端经中心气管悬挂在反应气出口管802 上，使换热筒与外壳之间形成一环形气道103。
反应气出口管802的的外壁经填料组件58密封地抵压到进气管51朝向外壳的内腔的一端上，在反应气出口管802与进气管51之间形成第一环形腔54，在反应气出口管802与连接管801之间形成第二环形腔808，该第一环形腔54经第二环形腔808连通合成气反应器的进气腔807，该进气腔807连通合成气反应器800的反应腔806。合成气反应器设置有连通进气腔807的原料气进口管804。
在该进气管51上安装有连通该第一环形腔54的保护气入口管53，保护气能够经该保护气入口管进入到第一环形腔54内，并依次经第二环形腔808和进气腔807进入到反应腔内进行反应，完成反应的合成气进入到收集管805内，该收集管805连通反应气出口管802。该保护气为合成气原料气。
当本实施例工作时，合成气由进气管进入到中心气管内，然后经布气通道进入到内侧气道内，合成气再依次流经回流通道、外侧气道和出气通道后进入到环形气道内，最后经排气口排出；
传热介质由冷媒进口管进入到进水腔内，然后进入到U型换热管内，与U型换热管外部的合成气进行换热，完成换热的传热介质冷媒出口管排出；
合成气的进口温度为425-435℃，合成气的出口温度为195-205℃；传热介质的进口温度为130±5℃，传热介质的出口温度为215±5℃。
传热介质具体可以为水、蒸汽或导热油等无腐蚀性介质。

Claims (10)

1.全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，包括沿一轴线方向延伸的外壳，在该外壳内固定设置有一分割管板，该分割管板将外壳的内腔沿该轴线方向分割为换热腔和进水腔；在换热腔内设置有沿该轴线方向延伸的换热筒，该换热筒朝向分割管板的一端设置有出气通道，换热筒背离分割管板的一端呈封闭状，换热筒与外壳之间形成一环形气道；
在换热筒内设置有一折流筒，该折流筒朝向分割管板的一端密封地焊接在该分割管板上，折流筒将分割管板分割为内侧管板区和外侧管板区；折流筒背离分割管板的一端为自由端，且在轴线方向上，折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间具有距离；中心气管沿该轴线方向延伸并插入到折流筒内，该中心气管朝向分割管板的一端设置有布气通道，中心气管背离分割管板的一端向外密封地贯穿换热筒后形成为进气端；
折流筒将换热筒与中心气管之间的空间分割为内侧气道和外侧气道，折流筒背离分割管板的一端与换热筒之间的距离形成为回流通道，内侧气道经回流通道连通外侧气道；
中心气管经布气通道连通内侧气道，外侧气道经出气通道连通环形气道；在外壳上设置有连通进气端的进气管和连通环形气道的排气口；
在换热筒内安装有若干根U型换热管，每一U型换热管的两端分别形成为冷媒进口端和冷媒出口端，该冷媒进口端贯穿外侧管板区后连通进水腔，该冷媒出口端沿外侧气道、回流通道和内侧气道延伸、并贯穿内侧管板区后连通排水管，该排水管贯穿外壳后形成为冷媒出口管，在外壳上还安装有连通进水腔的冷媒进口管。
2.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
在中心气管朝向分割管板的一端的端部设置有封闭端板，并在中心气管朝向分割管板的一端的管壁上开设有通气孔，该通气孔形成为布气通道。
3.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
在内侧气道和外侧气道内均设置有折流板，U型换热管贯穿折流板，折流板同时形成为U型换热管的支撑架。
4.根据权利要求3所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
折流板包括设置在内侧气道内的内折流板和设置在外侧气道内的外折流板，内折流板包括第一内圈折流板和第一外圈折流板，外折流板包括第二内圈折流板和第二外圈折流板；
第一内圈折流板滑动地抵靠在中心气管的外壁上、且与折流筒之间具有距离，第一外圈折流板滑动地抵靠在折流筒的内壁上、且与中心气管之间具有距离；第二内圈折流板滑动地抵靠在折流筒的外壁上、且与换热筒之间具有距离，第二外圈折流板滑动地抵靠在换热筒的内壁上、且与折流筒之间具有距离；
沿轴线方向观察，第一内圈折流板与第一外圈折流板部分重叠，第二内圈折流板与第二外圈折流板部分重叠，使至少有一根U型换热管同时穿过第一内圈折流板与第一外圈折流板，且使至少有一根U型换热管同时穿过第二内圈折流板与第二外圈折流板。
5.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
所有U型换热管的弯曲部经固定件固定在一起。
6.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
该换热筒与分割管板之间无连接，换热筒与分割管板之间的缝隙形成为出气通道。
7.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
中心气管与分割管板之间具有距离。
8.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
在进水腔内设置有一焊接在分割管板上的集气封头，该集气封头覆盖内侧管板区、且仅覆盖内侧管板区，U型换热管冷媒出口端经该集气封头连通排水管。
9.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，该进气管用于连接合成气反应器，该合成气反应器具有一连接管和一反应气出口管，该连接管外套在该反应气出口管上；
当该进气管连接到合成气反应器上时，该连接管密封地连接到该进气管上，该反应气出口管插入到进气管内、并密封地连通中心气管，且该反应气出口管的外壁密封地抵压到进气管朝向外壳的内腔的一端上，在反应气出口管与进气管之间形成第一环形腔，在反应气出口管与连接管之间形成第二环形腔，该第一环形腔经第二环形腔连通合成气反应器的进气腔，该进气腔连通合成气反应器的反应腔；
在该进气管上安装有连通该第一环形腔的保护气入口管，保护气能够经该保护气入口管进入到第一环形腔内，并依次经第二环形腔和进气腔进入到反应腔内进行反应，该保护气为合成气原料气。
10.根据权利要求1所述的全逆流、双套管型热回收装置，其特征在于，
当该热回收装置工作时，合成气由进气管进入到中心气管内，然后经布气通道进入到内侧气道内，合成气再依次流经回流通道、外侧气道和出气通道后进入到环形气道内，最后经排气口排出；
传热介质由冷媒进口管进入到进水腔内，然后进入到U型换热管内，与U型换热管外部的合成气进行换热，完成换热的传热介质冷媒出口管排出；
合成气的进口温度为425-435℃，合成气的出口温度为195-205℃；传热介质的进口温度为130±5℃，传热介质的出口温度为215±5℃。
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