CN116007411A - 一种超高温高压刺刀管换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及换热器领域，具体为一种超高温高压刺刀管换热器，为了开发一种简单高效节约成本且能安全稳定运行的换热设备，本方案端盖、管箱、管板和壳体由左至右顺次连接，出口集箱在管箱内，出口集箱的出口管在管箱顶部的管侧出口内，管箱的底部有管侧入口，出口集箱连接的的若干个刺刀管内管分别设置在一个刺刀管外管的内部，刺刀管外管与刺刀管内管之间留有间隙，刺刀管外管插装在管板上，刺刀管外管与管箱内的空间连通，刺刀管外管的右端封口且设置在壳体内，壳体包壳在壳体内，壳体包壳的入口管在壳体底部的壳侧入口内，壳体的顶部有壳侧出口，壳体包壳设置在若干个刺刀管外管的外部，壳体包壳的左侧留有出口，本方案提高了换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体为一种超高温高压刺刀管换热器，特别是一种适合于超高温高压介质腐蚀性强的新型刺刀管结构换热器。
背景技术
环境的恶化和能源的短缺，进一步导致发电、石油、化工等过程工业向高温、高压和大型化发展，以提高装置的效益和能源利用效率，同时对设备的安全可靠性也提出了更高的要求。在石化领域，乙烯裂解炉炉管的最高设计温度达到1150℃，合成氨制氢转化炉炉管设计温度为900℃.加氢反应装置的温度达到565℃，压力达到28MPa。
在发电领域美国能源部研发的超超临界火电机组工作参数可达35Mpa、760℃。新型的高温气冷堆核电站堆芯出口温度在1000℃以上。
通常情况下，设备需要在高于900℃度的高温，大于20Mpa的压力下能有长期稳定运行，将热量传给冷侧工质，热侧介质入口和冷侧介质出口均是大于850度的高温。此时换热器的受热面材料可能承受800℃以上的高温。由于该设备存在920℃对850℃的高温换热工况，且冷热流体工作压力均高达25MPa，最高温差达495℃，较高的冷热流体工作压力差和温度差使机组设备面临着如何平稳运行的挑战。
新型发电系统中，越来越多的研发采用超临界介质，来提高机组循环发电效率，超临界介质运行操作条件均为高温高压，超临界介质对于浇筑料具有极强的腐蚀性。主要的失效方式包括：高压下的壳体失效，高温下壳体的腐蚀失效、高温高压下的泄漏失效以及高温蠕变失效。显然高温、高压是现代过程工业面临的主要挑战。而这些高参数的实现，关键在于高温设备的设计、制造和使用维护方面，常规的管壳式换热器从材料选择、结构设计和强度计算上都无法实现使机组长期稳定安全运行。
因此开发一种简单高效节约成本且能安全稳定运行的换热设备具有十分显著地现实意义，同时该类结构也可用于大型燃机、石油化工领域高温高压的余热回收系统。
发明内容
发明目的：为了开发一种简单高效节约成本且能安全稳定运行的换热设备，本发明提出一种超高温高压刺刀管换热器。
本发明是通过以下方案实施的：一种超高温高压刺刀管换热器，它包括端盖、管箱、出口集箱、刺刀管内管、管板、刺刀管外管、壳体包壳和壳体；
所述端盖、管箱、管板和壳体由左至右顺次连接，管箱的顶部设有管侧出口，管箱的底部设有管侧入口，出口集箱设置在端盖、管箱和管板合围的区域内，出口集箱的出口管设置在管侧出口内，出口集箱的右端与若干个刺刀管内管连通，每个刺刀管外管设置在一个刺刀管内管的外部，且每个刺刀管外管与该刺刀管外管内的刺刀管内管之间留有间隙，刺刀管外管插装在管板上，刺刀管外管的左端与管箱内的空间连通，刺刀管外管的右端设置在壳体内，且刺刀管外管的右端封口设置，壳体的顶部设有壳侧出口，壳体的底部设有壳侧入口，壳体包壳设置在管板和壳体合围的区域内，壳体包壳的入口管设置在壳侧入口内，壳体包壳设置在若干个刺刀管外管的外部，壳体包壳的左侧留有出口。
进一步地，所述壳体包壳的壳壁内设有包壳夹层。
再进一步地，所述刺刀管内管的管壁内设有内管夹层。
进一步地，所述刺刀管内管的外壁上设有多个限行凹陷，所述限行凹陷处内管夹层的截面面积小于其他部位内管夹层的截面面积。
再进一步地，内管夹层的左端连通刺刀管内管形成工质入口。
进一步地，出口集箱与刺刀管内管的连接处设有设置在出口集箱上的弧形凹槽，所述工质入口设置在弧形凹槽内。
再进一步地，所述刺刀管内管的右端管口呈逐渐收缩设置。
进一步地，所述刺刀管内管的管壁外部套装有限流接头，所述限流接头的外壁由左至右收缩设置。
再进一步地，所述端盖与管箱之间、管箱与管板之间、管板与壳体之间均采用伍德密封。
进一步地，出口集箱的出口管与管侧出口内之间填装有保温材料，壳体包壳的入口管与壳侧入口之间也填装有保温材料。
有益效果：
1.本方案新增绝热包壳结构(壳体内部设置壳体包壳)，创新刺刀管内的流动方式，实现纯逆流动，提高了换热效率。新型刺刀管换热器冷侧从管侧外管进入,热侧进入壳侧新增的绝热包壳,提升热侧壳体能承担的温度极限，从而实现纯逆换热，本发明具有换热效率高，能够承受900℃超高温，同时承受30Mpa以上的高压，大温差以及强腐蚀介质，安全性高以及成本低。
2.传统的刺刀管换热器热侧介质走管侧内管,避开选材问题。但是由于目前的热侧温度过高，换热管材质要求非高，故选择先进入壳侧，换热管外管材质为镍基,内管和套管为不锈钢,壳体包壳有一段选择镍基，其余为不锈钢，最大限度节约成本。
3.用液相介质来平衡刺刀管内压力相较于恒压外壳中充氮气等气相介质，更能适配系统调控的灵活性，以保证设备在各个工况下安全可靠。
4.制造加工工艺简便，设备运行稳定可靠，换热元件的热膨胀不受限制。
附图说明
图1为本发明的一种超高温高压刺刀管换热器的示意图；
图2为本发明的一种超高温高压刺刀管换热器的壳体示意图；
图3为本发明的内部放大图。
附图标记：l.端盖；2.管箱；3.出口集箱；4.刺刀管内管；5.内管夹层；6.管板；7.刺刀管外管；8.壳体包壳；9.壳体；10.包壳夹层；11.限流接头；N1.管侧出口；N2.管侧入口；N3.壳侧出口；N4.壳侧入口。
具体实施方式
结合图1-2说明本具体实施方式。
具体实施方式一：一种超高温高压刺刀管换热器，它包括端盖1、管箱2、出口集箱3、刺刀管内管4、管板6、刺刀管外管7、壳体包壳8和壳体9；
所述端盖1、管箱2、管板6和壳体9由左至右顺次连接，管箱2的顶部设有管侧出口N1，管箱2的底部设有管侧入口N2，出口集箱3设置在端盖1、管箱2和管板6合围的区域内，出口集箱3的出口管设置在管侧出口N1内，出口集箱3的右端与若干个刺刀管内管4连通，每个刺刀管外管7设置在一个刺刀管内管4的外部，且每个刺刀管外管7与该刺刀管外管7内的刺刀管内管4之间留有间隙，刺刀管外管7插装在管板6上，刺刀管外管7的左端与管箱2内的空间连通，刺刀管外管7的右端设置在壳体9内，且刺刀管外管7的右端封口设置，壳体9的顶部设有壳侧出口N3，壳体9的底部设有壳侧入口N4，壳体包壳8设置在管板6和壳体9合围的区域内，壳体包壳8的入口管设置在壳侧入口N4内，壳体包壳8设置在若干个刺刀管外管7的外部，壳体包壳8的左侧留有出口。
本实施方式中：壳体9壳侧介质温度最高，先由壳侧入口N4进入壳体包壳8内部与刺刀管外管7进行纯逆流换热，温度得到迅速下降，而后从壳体包壳8左侧流出，流入壳体包壳8与壳体9的间隙，从壳体9的壳侧出口N3流出。管箱2管侧从管侧入口N2进入从管板处进入刺刀管外管7，完成与壳侧最高温换热之后进入刺刀管内管4以及刺刀管内管4的内管夹层5死区，从内管中流出后进入3集箱，由管箱出口流出。
具体实施方式二：一种超高温高压刺刀管换热器，所述壳体包壳8的壳壁内设有包壳夹层10。
本实施方式中：所述壳体包壳8的壳壁内设有包壳夹层10，能够起到保温隔热、加强换热效果的作用。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：一种超高温高压刺刀管换热器，所述刺刀管内管4的管壁内设有内管夹层5。
本实施方式中：管内管4的管壁内设有内管夹层5，能够起到保温隔热、加强换热效果的作用。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：一种超高温高压刺刀管换热器，所述刺刀管内管4的外壁上设有多个限行凹陷，所述限行凹陷处内管夹层5的截面面积小于其他部位内管夹层5的截面面积。
其他实施方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：一种超高温高压刺刀管换热器，内管夹层5的左端连通刺刀管内管4形成工质入口。
本实施方式中：内管夹层5处只有工质入口，没有工质出口，工质只进不出，起到保温隔热作用。
其他实施方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：一种超高温高压刺刀管换热器，出口集箱3与刺刀管内管4的连接处设有设置在出口集箱3上的弧形凹槽，所述工质入口设置在弧形凹槽内。
本实施方式中：如此设置，内管夹层长度略小于刺刀管内管4的长度，内管夹层较长，可以更好的对刺刀管内管4内的工质形成保温隔热作用。
其他实施方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：一种超高温高压刺刀管换热器，所述刺刀管内管4的右端管口呈逐渐收缩设置。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：一种超高温高压刺刀管换热器，所述刺刀管内管4的管壁外部套装有限流接头11，所述限流接头11的外壁由左至右收缩设置。
本实施方式中：本实施方式中，限流接头一方面将刺刀管内管4在刺刀管外管7内进行支撑，另一方面，可以降低工质流速，避免工质流动过快。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：一种超高温高压刺刀管换热器，所述端盖1与管箱2之间、管箱2与管板6之间、管板6与壳体9之间均采用伍德密封。
本实施方式中：端盖1与管箱2之间、管箱2与管板6之间、管板6与壳体9之间均采用伍德密封，密封效果好。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：出口集箱3的出口管与管侧出口N1内之间填装有保温材料，壳体包壳8的入口管与壳侧入口N4之间也填装有保温材料，能够保证工质流体的温度，同时避免设备金属温度超温。
本实施方式中：
其他实施方式与具体实施方式一相同。
工作原理：
该设备管箱出口介质温度高达850℃，为避免高温介质直接接触管板及管箱的筒体，设置出口集箱，并采用刺刀管式换热管，管侧入口设置隔热材料，高温介质经刺刀管内管和刺刀管外管换热后返回管程冷端(进入出口集箱)。结构设计细节上,由于温度压力较高,本方案密封上采用全自紧式伍德密封,管侧入口和管侧出口分别连接高温进口接管和高温出口接管，高温进口接管和高温出口接管外侧设置冷却水夹套降低金属温度。高温进口接管和高温出口接管与管箱间设置膨胀节，可以更好的出口高温膨胀。
壳体壳侧介质温度最高，先进入壳侧的壳体包壳内部与换热管进行纯逆流换热，温度得到迅速下降，而后从壳体包壳另一侧流出，流入包壳夹层死区以及包壳与壳体间隙，从壳侧出口流出。通过包壳和包壳夹层的设置可以提高传热效率，避免壳体直接接触高温介质，直接提升热侧壳体能承担的温度极限。
管箱管侧的介质从管侧入口进入，再从管板处进入刺刀管外管，完成与壳体壳侧最高温换热之后进入刺刀管内管，从刺刀管内管中流出后进入出口集箱，由管侧出口中的管箱的出口流出。刺刀管内管的内管夹层死区介质只有入口没有出口，故不存在流动，同时内管夹层介质温度较高，对于刺刀管内管的流体有一种保温作用，提高换热效率。
Claims (10)
1.一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：它包括端盖(1)、管箱(2)、出口集箱(3)、刺刀管内管(4)、管板(6)、刺刀管外管(7)、壳体包壳(8)和壳体(9)；
所述端盖(1)、管箱(2)、管板(6)和壳体(9)由左至右顺次连接，管箱(2)的顶部设有管侧出口(N1)，管箱(2)的底部设有管侧入口(N2)，出口集箱(3)设置在端盖(1)、管箱(2)和管板(6)合围的区域内，出口集箱(3)的出口管设置在管侧出口(N1)内，出口集箱(3)的右端与若干个刺刀管内管(4)连通，每个刺刀管外管(7)设置在一个刺刀管内管(4)的外部，且每个刺刀管外管(7)与该刺刀管外管(7)内的刺刀管内管(4)之间留有间隙，刺刀管外管(7)插装在管板(6)上，刺刀管外管(7)的左端与管箱(2)内的空间连通，刺刀管外管(7)的右端设置在壳体(9)内，且刺刀管外管(7)的右端封口设置，壳体(9)的顶部设有壳侧出口(N3)，壳体(9)的底部设有壳侧入口(N4)，壳体包壳(8)设置在管板(6)和壳体(9)合围的区域内，壳体包壳(8)的入口管设置在壳侧入口(N4)内，壳体包壳(8)设置在若干个刺刀管外管(7)的外部，壳体包壳(8)留有出口。
2.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述壳体包壳(8)的壳壁内设有包壳夹层(10)。
3.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述刺刀管内管(4)的管壁内设有内管夹层(5)。
4.根据权利要求3所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述刺刀管内管(4)的外壁上设有多个限行凹陷，所述限行凹陷处内管夹层(5)的截面面积小于其他部位内管夹层(5)的截面面积。
5.根据权利要求3所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：内管夹层(5)的左端连通刺刀管内管(4)形成工质入口。
6.根据权利要求5所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：出口集箱(3)与刺刀管内管(4)的连接处设有设置在出口集箱(3)上的弧形凹槽，所述工质入口设置在弧形凹槽内。
7.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述刺刀管内管(4)的右端管口呈逐渐收缩设置。
8.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述刺刀管内管(4)的管壁外部套装有限流接头(11)，所述限流接头(11)的外壁由左至右收缩设置。
9.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：所述端盖(1)与管箱(2)之间、管箱(2)与管板(6)之间以及管板(6)与壳体(9)之间均采用伍德密封。
10.根据权利要求1所述的一种超高温高压刺刀管换热器，其特征在于：出口集箱(3)的出口管与管侧出口(N1)内之间填装有保温材料，壳体包壳(8)的入口管与壳侧入口(N4)之间也填装有保温材料。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310067852.1A CN116007411A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 一种超高温高压刺刀管换热器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202310067852.1A CN116007411A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 一种超高温高压刺刀管换热器 |
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|---|---|
| CN116007411A true CN116007411A (zh) | 2023-04-25 |
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| CN202310067852.1A Pending CN116007411A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 一种超高温高压刺刀管换热器 |
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| CN (1) | CN116007411A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117419586A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 中国核动力研究设计院 | 一种单向微通道换热管组件及换热器 |
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2023
- 2023-01-16 CN CN202310067852.1A patent/CN116007411A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117419586A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 中国核动力研究设计院 | 一种单向微通道换热管组件及换热器 |
| CN117419586B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-02-20 | 中国核动力研究设计院 | 一种单向微通道换热管组件及换热器 |
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