CN113446873A - U形管换热器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种U形管换热器，包括壳体和管板，管板将壳体分隔成具有第一入口和第一出口的第一腔室和具有第二入口和第二出口的第二腔室，第二腔室内设置有多个U形换热管，U形换热管的入口端和出口端分别安装于管板上并与第一腔室连通，第一腔室内设置有液流管道，液流管道的入口端与U形换热管的出口端连通，出口端与第一出口连通，在U形管换热器工作时，从第一入口进入第一腔室的流体依次经由U形换热管和液流管道并从第一出口流出，这样，管板及管箱设备法兰的周边，其金属壁的温度将由管程介质的入口温度决定，受热均匀，从而消除了管板及管箱设备法兰周边的温差应力。

Description

U形管换热器

技术领域

本公开涉及石油化工装置中的换热器技术领域，具体地，涉及一种管束集合式U形管换热器。

背景技术

在石油及化工领域中，U形管式换热器的应用非常普遍。管壳式换热器一般采用卧式或立式放置，介质分别存在于管程和壳程。在相关技术中，管壳式换热器的一个特点是，在管箱中存在分程隔板，使管程的流体介质成强制流动，入口介质和出口介质分隔开来。

在管程进出口介质温差较大的场合，传统的U形管换热器存在有明显的缺点：分程隔板两侧的管板、设备法兰的金属温差较大，使得管板、设备法兰容易发生变形，分程隔板也容易发生翘曲，导致在设备法兰处、分程隔板处的密封失效，换热管和管板的连接焊缝也容易开裂。

发明内容

本公开的目的是提供一种U形管换热器，能够消除管板及管箱设备法兰周边的温差应力。

为了实现上述目的，本公开提供一种U形管换热器，包括壳体和管板，所述管板将所述壳体分隔成具有第一入口和第一出口的第一腔室和具有第二入口和第二出口的第二腔室，所述第二腔室内设置有多个U形换热管，所述U形换热管的入口端和出口端分别安装于所述管板上并与所述第一腔室连通，所述第一腔室内设置有液流管道，所述液流管道的入口端与所述U形换热管的出口端连通，出口端与所述第一出口连通，在所述U形管换热器工作时，从所述第一入口进入所述第一腔室的流体依次经由所述U形换热管和所述液流管道并从所述第一出口流出。

可选地，所述液流管道包括集合部和管道部，所述集合部安装于所述管板上并与所述U形换热管的出口端连通；所述管道部一端与所述集合部连通，另一端与所述第一出口连通；所述集合部的管径大于所述管道部的管径。

可选地，所述集合部包括圆筒壳和凸形封头，所述圆筒壳用于安装在所述管板上，并与所述U形换热管的入口端连通；所述凸形封头朝向所述管道部的一侧向外凸出，并与所述管道部连通。

可选地，所述液流管道上设置有膨胀节。

可选地，所述液流管道的外周壁上套设有第一隔热件。

可选地，所述第一隔热件包括第一金属套圈和第一非金属隔热层，其中，所述第一金属套圈套设于所述第一非金属隔热层的外侧，所述第一非金属隔热层贴靠在所述液流管道的外周壁上。

可选地，所述第一隔热件沿所述液流管道的轴向覆盖整个所述液流管道的外周壁。

可选地，所述液流管道构造为直管状，进出所述液流管道的流体与所述液流管道的轴线在一条直线上。

可选地，所述U形管换热器还包括设置在所述U形换热管内周壁上的第二隔热件。

可选地，所述第二隔热件包括第二金属套圈和第二非金属隔热层，其中，所述第二金属套圈套设于所述第二非金属隔热层的外侧，所述第二非金属隔热层贴靠在所述U形换热管的内周壁上。

可选地，所述第二隔热件设置在所述U形换热管的入口端与所述管板的连接处。

可选地，所述管板上开设有用于安装所述U形换热管的入口端和出口端的多个管孔，所述管孔在所述管板上呈放射状同心圆分布和/或呈矩阵分布。

通过上述技术方案，液流管道将第一腔室分隔成两部分，管程介质经第一入口进入到第一腔室后，由液流管道的外部，即液流管道与壳体之间形成的区域进入到U形换热管中，再由U形换热管汇集到液流管道，最后从第一出口流出，这样，U形管换热器的管板及管箱设备法兰的周边，其金属壁的温度将由管程介质的入口温度决定，受热均匀，从而消除了管板及管箱设备法兰周边的温差应力。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一种示例性实施方式提供的U形管换热器的结构示意图；

图2是本公开一种示例性实施方式提供的另一种U形管换热器的结构示意图；

图3是本公开一种示例性实施方式提供的液流管道的结构示意图；

图4是本公开一种示例性实施方式提供的另一种液流管道的结构示意图；

图5是在本公开一种示例性实施方式提供的U形换热管入口端内部设置有第二隔热件的结构示意图；

图6是本公开一种示例性实施方式提供的管板的结构示意图；

图7是本公开一种示例性实施方式提供的另一种管板的结构示意图；

图8是相关技术中的U形管换热器的结构示意图。

附图标记说明

1 壳体 11 第一入口

12 第一出口 13 第二出口

14 第二入口 2 管板

21 管孔 3 第一腔室

4 第二腔室 5 U形换热管

51 第二隔热件 511 第二金属套圈

512 第二非金属隔热层 52 入口端

53 出口端 6 液流管道

61 集合部 611 圆筒壳

612 凸形封头 62 管道部

63 膨胀节 64 第一隔热件

641 第一金属套圈 642 第一非金属隔热层

7 分程隔板

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”是指以相应附图的图面为基准定义的。“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外。使用的术语“第一”、“第二”不表示任何顺序及重要性，而是用于区别一个要素与另一个要素。另外，下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

如图1和图2所示，本公开提供一种U形管换热器，包括壳体1和管板2，管板2将壳体1分隔成具有第一入口11和第一出口12的第一腔室3和具有第二入口14和第二出口13的第二腔室4。第二腔室4内设置有多个U形换热管5，U形换热管5的入口端52和出口端53分别安装于管板2上并与第一腔室3连通。第一腔室3也被称为管箱。

管程介质和壳程介质能够分别从第一入口11和第二入口14进入到第一腔室3和第二腔室4，其中，管程介质从第一入口11进入到第一腔室3中，经由U形管热管5的入口端52进入到U形管热管5中，然后从U形管热管5的出口端53流出，这一介质流经U形换热管及与其相贯通的部分称为管程，反之，介质流经U形换热管外及与其相贯通的部分称为壳程，即壳程介质从第二入口14进入到第二腔室4中，然后从第二出口13流出。

如图8所示，传统U形管换热器的管箱3’(相当于本公开的第一腔室3)中通常设置有分程隔板7，管程介质在进入到管箱3’后，由于分程隔板7的存在，管程介质仅能够在管箱3’的上半部分流动并进入到U形换热管5’中，然后从U形换热管5’流出后进入到管箱3’的下半部分。由于管程介质在U形换热管5’中将进行热量交换，在管程进出口流体温差较大的场合，将导致位于分程隔板7两侧的管板2’以及设备法兰(通常由金属材料制成)温度差别很大，管板2’和设备法兰容易发生变形，分程隔板7本身也容易发生翘曲，导致设备法兰处和分程隔板7处密封失效，U形换热管5’和管板2’的连接焊缝也容易开裂。

为解决上述技术问题，继续参考图1和图2，本公开在第一腔室3内设置有液流管道6，该液流管道6的入口端与所述U形换热管5的出口端53连通，液流管道6的出口端与第一出口12连通。在U形管换热器工作时，管程介质(直线箭头所示流向)从第一入口11进入第一腔室3的管程介质，依次经由U形换热管5和液流管道6，然后从第一出口12流出，管程介质在U形换热管5中流动的过程中将与壳程介质(曲线箭头所示流向)发生热量交换。

通过上述技术方案，本公开设置液流管道6替代传统U形管换热器中的分程隔板，将第一腔室3分隔成两部分，即液流管道6的管道内部的区域，以及液流管道6与壳体1之间形成的区域。管程介质经第一入口11进入到第一腔室3后，能够由液流管道6的外部，即液流管道6与壳体1之间形成的区域进入到U形换热管5中，再由U形换热管5汇集到液流管道6，最后从第一出口12流出。由于管程介质在进入第一腔室3后逐渐充满液流管道6与壳体1之间形成的区域，使得管程介质能够与管板2以及管箱设备法兰的周边充分的接触，其金属壁的温度将由管程介质的入口温度决定，受热更加均匀，从而消除了管板2及管箱设备法兰周边的温差应力。

本公开的换热器为集束式U形管换热器，具有多个U形管热管5，这些U形换热管5可以如图1或者图2那样在换热器中分布。进一步地，如图6和图7所示，管板3上开设有多个管孔21，用于安装U形换热管5的入口端52和出口端53。这些管孔21可以在管板2上呈放射状同心圆分布和/或呈矩阵分布，即分别呈放射状同心分布，或者呈矩阵分布，或者同时具有呈放射状同心圆和矩阵分布，其中，矩阵分布例如可以是形成为方形的分布区域。采用上述管孔21分布的管板2能够提高管孔21的开设密度，提高管板2的利用率，同时增加可安装的U形换热管的数量还能够提高换热器的换热效率。

液流管道6可以同时接受从多组U形换热管5流出的管程介质，例如图2所示，包括上下布置的两组U形换热管5，每一组均包含有多个U形换热管5，此时，液流管道6的入口端将瞬时承受非常大的压力。如图3所示，本公开的液流管道6可以包括集合部61和管道部62，集合部61安装于管板2上并与U形换热管5的出口端53连通，管道部62一端与集合部61连通，管道部62的另一端则与第一出口12连通。集合部61的管径大于管道部62的管径，且集合部61的管径至少应当被设计成能够将U形换热管5的出口端53全部覆盖在其中。此外，在存在两组U形换热管5的情况下，两组U形换热管5的出口端53需要设置成相互靠近的形式，即两组U形换热管5的入口端52分别位于换热器的上下两侧，而出口端53则相互靠近的位于换热器的中间部分。

通过上述结构的液流管道6，流出U形换热管5的管程介质首先被汇集到集合部61中，由于集合部61的管径大于管道部62的管径，相当于在U形换热管5的出口端53处设置了一个缓冲区，管程介质的压力得到释放，然后再经管道部62后流出壳体1。此外，液流管道6可以被构造为直管状，并使得进出液流管道6的流体与液流管道6的轴线在一条直线上。这样，能够进一步减小管程介质对液流管道6形成的冲击压力。

作为实现集合部61的一种实施方式，继续参考图3，集合部61可以包括圆筒壳611和凸形封头612，圆筒壳611用于安装在管板2上，并与U形换热管5的入口端52连通，凸形封头612朝向管道部62的一侧向外凸出，并与管道部62连通。圆筒壳611的管径被构造为能够覆盖U形换热管5的出口端53，凸形封头612朝向管道部62的一侧向外凸出以进一步扩大集合部61的容纳空间。

进一步地，液流管道6上还可以设置有膨胀节63。膨胀节63具有克服由于液流管道6内外温度差所带来的热膨胀差的问题。膨胀节63可以设置在管道部62上，并且可以设置多个，多个膨胀节63沿管道部62的延伸方向间隔设置。设置有膨胀节63的一段管道可以单独制造，并通过法兰安装在集合部61和管道部62之间，或者，膨胀节63也可以一体成型在管道部62上，安装便捷。

为克服液流管道6内外温差带来的不利影响，除了采用膨胀节63的方式为，如图4所示，还可以在液流管道6的外周壁上套设第一隔热件64。作为实现第一隔热件64的一种实施方式，第一隔热件64可以包括第一金属套圈641和第一非金属隔热层642，即第一隔热件64被构造为套筒状以套设在液流管道6的外周壁上。其中，第一金属套圈641套设于第一非金属隔热层642的外侧，第一非金属隔热层642贴靠在液流管道6的外周壁上。第一金属套圈641可以采用热导率较小且耐腐蚀的金属材料制成。

本公开的U形换热管5内周壁上设置有第二隔热件51，如图5所示，作为实现第二隔热件51的一种实施方式，第二隔热件51可以包括第二金属套圈511和第二非金属隔热层512，即第二隔热件51被构造为套筒状以套设在U形换热管5的内周壁上。其中，第二金属套圈511套设于第二非金属隔热层512的外侧，第二非金属隔热层512贴靠在U形换热管5的内周壁上。同样的，第二金属套圈511也可以采用热导率较小且耐腐蚀的金属材料制成。进一步地，第二隔热件设置在U形换热管的入口端52与所述管板2的连接处。这样，既能够节约第二隔热件51的使用，还能够避免U形换热管5和管板2的连接处的焊缝出现开裂。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种U形管换热器，包括壳体(1)和管板(2)，所述管板(2)将所述壳体(1)分隔成具有第一入口(11)和第一出口(12)的第一腔室(3)和具有第二入口(14)和第二出口(13)的第二腔室(4)，所述第二腔室(4)内设置有多个U形换热管(5)，所述U形换热管(5)的入口端(52)和出口端(53)分别安装于所述管板(2)上并与所述第一腔室(3)连通，其特征在于，所述第一腔室(3)内设置有液流管道(6)，所述液流管道(6)的入口端与所述U形换热管(5)的出口端(53)连通，出口端与所述第一出口(12)连通，在所述U形管换热器工作时，从所述第一入口(11)进入所述第一腔室(3)的流体依次经由所述U形换热管(5)和所述液流管道(6)并从所述第一出口(12)流出。

2.根据权利要求1所述的U形管换热器，其特征在于，所述液流管道(6)包括集合部(61)和管道部(62)，所述集合部(61)安装于所述管板(2)上并与所述U形换热管(5)的出口端(53)连通；所述管道部(62)一端与所述集合部(61)连通，另一端与所述第一出口(12)连通；所述集合部(61)的管径大于所述管道部(62)的管径。

3.根据权利要求2所述的U形管换热器，其特征在于，所述集合部(61)包括圆筒壳(611)和凸形封头(612)，所述圆筒壳(611)用于安装在所述管板(2)上，并与所述U形换热管(5)的入口端(52)连通；所述凸形封头(612)朝向所述管道部(62)的一侧向外凸出，并与所述管道部(62)连通。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的U形管换热器，其特征在于，所述液流管道(6)上设置有膨胀节(63)。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的U形管换热器，其特征在于，所述液流管道(6)的外周壁上套设有第一隔热件(64)，可选地，所述第一隔热件(64)包括第一金属套圈(641)和第一非金属隔热层(642)，其中，所述第一金属套圈(641)套设于所述第一非金属隔热层(642)的外侧，所述第一非金属隔热层(642)贴靠在所述液流管道(6)的外周壁上。

6.根据权利要求5所述的U形管换热器，其特征在于，所述第一隔热件(64)沿所述液流管道(6)的轴向覆盖整个所述液流管道(6)的外周壁。

7.根据权利要求1所述的U形管换热器，其特征在于，所述液流管道(6)构造为直管状，进出所述液流管道(6)的流体与所述液流管道(6)的轴线在一条直线上。

8.根据权利要求1所述的U形管换热器，其特征在于，包括设置在所述U形换热管(5)内周壁上的第二隔热件(51)，可选地，所述第二隔热件(51)包括第二金属套圈(511)和第二非金属隔热层(512)，其中，所述第二金属套圈(511)套设于所述第二非金属隔热层(512)的外侧，所述第二非金属隔热层(512)贴靠在所述U形换热管(5)的内周壁上。

9.根据权利要求8所述的U形管换热器，其特征在于，所述第二隔热件(51)设置在所述U形换热管(5)的入口端(52)与所述管板(2)的连接处。

10.根据权利要求1所述的U形管换热器，其特征在于，所述管板(2)上开设有用于安装所述U形换热管(5)的入口端(52)和出口端(53)的多个管孔(21)，所述管孔(21)在所述管板(2)上呈放射状同心圆分布和/或呈矩阵分布。

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