CN117470001A - 一种多重换热的整体管板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石化装备技术领域，具体涉及一种多重换热的整体管板式换热器，包括管箱、管板和筒体，筒体内设置有并列布置的多条夹套管，换热器内形成的壳程流道、夹套流道和管程流道这三条流道可流动不同温度的介质，实现多重换热，一台换热器实现两台以上的功能，占地空间小，成本低。再者，相比现有多条扁圆管并列贴紧焊接的方式，本发明的管板为整体板式结构，在其中开出带有挠性的夹套汇流孔，管板结构紧凑稳定，降低制造难度，节省制造成本；且减少了传统多条扁圆管之间的焊缝，节省大量的焊接工作，使用更稳定，延长装备使用寿命。而夹套汇流孔的孔壁形成有挠性部，其能够跟随内管和外管热伸长而挠性形变，以适应温差带来的形变差量。

Description

一种多重换热的整体管板式换热器

技术领域

本发明涉及石化装备技术领域，具体涉及一种多重换热的整体管板式换热器。

背景技术

在化学工业和石油化工中，换热器的应用十分广泛，是不可缺少的常用的工艺设备。近年来随着节能技术的发展，利用换热器进行高温、低温热能的回收带来了显著的经济效益。进入21世纪以来，随着装置大型化的高速发展，大型换热器的使用愈来愈广、愈来愈频繁、技术难度愈来愈大、装备的可靠性要求愈来愈高。如何保障换热效果、提高热效率，提高装备的可靠性，已经成为十分重要的研究课题，各种应用于特殊工艺条件下的大型换热器技术层出不穷，不胜枚举。

乙烯是重要的石化原料，乙烯装置是石化行业的“龙头”装置。急冷换热器是乙烯装置中一种工艺性非常强的关键设备，主要承担两个任务：其一，将裂解炉出来的高温(800℃左右)裂解气迅速冷却至二次反应温度以下，避免二次反应，减少烯烃损失和结焦；其二，把裂解气中的高位热能以超高压蒸汽(12MPa左右)的形式回收下来，降低能耗，提高乙烯装置的经济性。急冷换热器采用间壁换热方式，即高温裂解气走管内，冷却介质走管外，使高温裂解气迅速冷却，同时产生高压蒸汽。随着国内乙烯产业大型化的快速发展，单台裂解炉的运行能力大大提高，20万吨/年及以上级的轻质原料裂解炉、30万吨/年及以上级气体原料裂解炉工业应用成功，对急冷换热器的处理量要求大大增加，对急冷换热器的停留时间、换热面积、出口温度、周期要求更加严格。线性急冷换热器是乙烯裂解装置中的关键设备，如公开号为CN101975527A、CN209558979U、CN113188353A的中国专利文献所公开的线性急冷换热器，其特点是高温、高压、进出口温差大、操作负荷大、工艺和工况设计复杂。线性急冷换热器采用套管结构，管程侧介质为裂解炉流出的乙烯裂解气，壳程侧介质为高温高压水(或水蒸气)，二者同向流动。

与上述线性急冷换热器不同的是，扁圆管型急冷换热器，也称施密特(Schmidt)型急冷换热器，是德国施密特公司自1959年设计开发的专利产品，并且跟随世界石化行业水平的发展不断进行改进，其使用以及公开与线性急冷换热器具有较大区别，如公开号为CN213984696U的中国专利文献所公开的扁圆管套管式急冷换热器。

而后申请人设计了如公开号为CN116294699A的中国专利文献所公开的扁圆管急冷换热器，主要由进口管箱、出口管箱和多个换热单元等几部分组成，每个换热单元包括内管、外管、上下布置的两条扁圆管(上扁圆管和下扁圆管)，内管穿在外管中，且外管的内壁与内管的外壁之间形成环形通道，环形通道的两端分别连通上扁圆管和下扁圆管，而内管两端则穿过上扁圆管和下扁圆管分别连通进口管箱和出口管箱。可见上下扁圆管与外管连接的内腔构成扁圆管型急冷换热器换热单元的壳程，内管从外管内穿过并伸出上下扁圆管的外表面构成其换热单元的管程。多个换热单元的同一端的多条扁圆管相互并列贴紧焊接，从而形成管板结构，上部的管板结构与出口管箱固定，下部的管板结构与进口管箱固定。

存在待改进之处：

第一，现有的换热器只有内管与夹套之间的一重换热，对于需要预热和过热的过程则等多重换热情形则需要配置不同的换热器来实现，成本高，设备占地空间大。

第二，多条扁圆管并列贴紧焊接，制造难度大、成本高，且拼焊形成的管板端面存在较多焊缝，使用时其经受管箱介质的冲刷，对制造有较高的要求。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种多重换热的整体管板式换热器。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种多重换热的整体管板式换热器，包括管箱、管板和筒体，管板固定于筒体的端部，从而共同围成壳程，筒体设置有壳程入口和壳程出口，从而形成壳程入口-筒体-壳程出口这样的壳程流道；管箱固定于管板的背离筒体的侧部；

筒体内设置有并列布置的多条夹套管，每条夹套管包括内管和外管，内管穿设在外管中，且内管的外壁与外管的内壁之间围成夹套环腔；

管板为整体板状结构，其内部开出并列布置的多个夹套汇流孔，多条夹套管沿着各个夹套汇流孔长度方向分隔布置，夹套管的外管固定于管板的靠近壳程的侧部且连通夹套环腔，管板设有夹套入口和夹套出口，从而形成夹套入口-夹套汇流孔-夹套环腔-夹套出口这样的夹套流道；夹套汇流孔的孔壁形成有挠性部，其能够跟随内管和外管热伸长而挠性形变；

管箱设有管程入口和管程出口，夹套管的内管穿过夹套汇流孔固定于管板的远离壳程的侧部且连通管箱，从而形成管程入口-内管-管程出口这样的管程流道。

作为进一步可选方案，夹套汇流孔的沿垂直于长度方向的截面呈椭圆形，从而使得夹套汇流孔的内壁包括相向布置的两个平壁和位于两个平壁面之间的弯壁，平壁与管板的表面之间形成所述挠性部，其中一个平壁开有供内管穿设的第一管孔，另一个平壁开有供外管穿设的第二管孔，第一管孔的孔径小于第二管孔的孔径。

作为进一步可选方案，内管的端口处与第一管孔相互焊接固定，外管的端口处与第二管孔相互焊接固定。

作为进一步可选方案，管板包括分别固定于筒体两端部的第一板体和第二板体，管箱对应包括第一箱体和第二箱体，内管的一端穿过第一板体连通第一箱体，内管的另一端穿过第二板体连通第二箱体；外管的一端连通第一板体的夹套汇流孔，外管的另一端连通第二板体的夹套汇流孔。

作为进一步可选方案，第一板体和第二板体的多个夹套汇流孔分别设有接管，第一板体的接管作为所述夹套入口；第二板体的接管作为所述夹套出口，以使得多个夹套汇流孔对应的多排夹套管的夹套环腔的介质流动方向相同。

作为进一步可选方案，第一板体和第二板体的多个夹套汇流孔分别设有接管，第一板体部分接管作为所述夹套入口，另一部分接管作为所述夹套出口；第二板体部分接管作为所述夹套出口，另一部分接管作为所述夹套入口，以使得多个夹套汇流孔对应的多排夹套管的夹套环腔的介质流动方向不同。

作为进一步可选方案，夹套汇流孔的一端为盲端，所述接管设置在夹套汇流孔的另一端；或夹套汇流孔的两端分别设有所述接管。

作为进一步可选方案，同一块管板的不同夹套汇流孔的接管独立设置；或位于管板的外侧还设置有总管，同一块管板的不同夹套汇流孔的接管汇总连通总管。

作为进一步可选方案，管板的外侧壁内凹形成有条形槽，条形槽对应于各相邻两个夹套汇流孔之间，从而使夹套汇流孔的侧壁等壁厚。

作为进一步可选方案，筒体设置有膨胀节。

本发明的有益效果：

本发明的一种多重换热的整体管板式换热器，与现有技术相比：

1、使用时壳程流道、夹套流道和管程流道这三条流道可流动不同温度的介质，实现多重换热，一台换热器实现两台以上的功能，占地空间小，成本低。

2、相比现有多条扁圆管并列贴紧焊接的方式，本发明的管板为整体板式结构，在其中开出带有挠性的夹套汇流孔，管板结构紧凑稳定，降低制造难度，节省制造成本；且减少了传统多条扁圆管之间的焊缝，节省大量的焊接工作，消除了管箱介质冲刷拼接焊缝的情形，使用更稳定，延长装备使用寿命。

3、夹套汇流孔的孔壁形成有挠性部，其能够跟随内管和外管热伸长而挠性形变，以适应温差带来的形变差量。

4、适用于高温高压、高温差、高压差、多股换热介质、多流场换热等多种场合。

附图说明

图1为实施例中的一种多重换热的整体管板式换热器的结构示意图，夹套管仅简要示意出两个条。

图2实施例中的管板与夹套管之间的示意图，夹套管的数量以及长度仅简要示意。

图3为图2的半剖立体图。

图4为图2的俯视图。

图5为图4中以A-A为截面的剖视图。

图6为图4中以B-B为截面的剖视图。

附图标记：

管箱1、第一箱体11、第二箱体12、管程入口13、管程出口14；

管板2、夹套汇流孔21、平壁211、弯壁212、挠性部213、夹套入口22、夹套出口23、第一板体24、第二板体25、接管26、总管261、条形槽27；

筒体3、壳程31、壳程入口32、壳程出口33、膨胀节34；

夹套管4、内管41、外管42、夹套环腔43；

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

本实施例的一种多重换热的整体管板式换热器，如图1至图6所示，包括管箱1、管板2和筒体3，管板2固定于筒体3的端部，从而共同围成壳程31。筒体3设置有壳程入口32和壳程出口33，从而形成壳程入口32-筒体3-壳程出口33这样的壳程31流道。筒体3设置有膨胀节34，其作为筒体3的局部节段筒壁，用于适应因温差带来的变形差量。

本实施例中，筒体3内设置有并列布置的多条夹套管4，每条夹套管4包括内管41和外管42，内管41穿设在外管42中，且内管41的外壁与外管42的内壁之间围成夹套环腔43。

本实施例中，管板2为整体实心金属板状结构，其内部开出并列布置的多个夹套汇流孔21，夹套汇流孔21沿着垂直夹套管4轴向方向布置，多条夹套管4沿着各个夹套汇流孔21长度方向分隔布置，如此形成多排夹套管4，一个夹套汇流孔21对应一排夹套管4。夹套管4的外管42固定于管板2的靠近壳程31的侧部且连通夹套环腔43，管板2设有夹套入口22和夹套出口23，从而形成夹套入口22-夹套汇流孔21-夹套环腔43-夹套出口23这样的夹套流道。

本实施例中，管箱1固定于管板2的背离筒体3的侧部，管箱1设有管程入口13和管程出口14，夹套管4的内管41穿过夹套汇流孔21固定于管板2的远离壳程31的侧部且连通管箱1，从而形成管程入口13-管箱1-内管41-另一管箱1-管程出口14这样的管程流道。

本实施例中，夹套汇流孔21的沿垂直于长度方向的截面呈椭圆形，从而使得夹套汇流孔21的内壁包括相向布置的两个平壁211和位于两个平壁211面之间的弯壁212，平壁211与管板2的表面之间形成挠性部213，其能够跟随内管41热伸长而挠性形变，用于适应内管41和外管42温差带来的变形差量。其中一个平壁211开有供内管41穿设的第一管孔，另一个平壁211开有供外管42穿设的第二管孔，第一管孔的孔径小于第二管孔的孔径。具体的，内管41的端口处与第一管孔相互焊接固定，外管42的端口处与第二管孔相互焊接固定。管板2的外侧壁内凹形成有条形槽27，条形槽27对应于各相邻两个夹套汇流孔21之间，从而使夹套汇流孔21的侧壁等壁厚设置，增强挠性效果。

本实施例中，管板2包括分别固定于筒体3两端部的第一板体24和第二板体25，管箱1对应包括第一箱体11和第二箱体12，内管41的一端穿过第一板体24连通第一箱体11，内管41的另一端穿过第二板体25连通第二箱体12；外管42的一端连通第一板体24的夹套汇流孔21，外管42的另一端连通第二板体25的夹套汇流孔21。

本实施例中，第一板体24和第二板体25的多个夹套汇流孔21分别设有接管26，第一板体24的接管26作为所述夹套入口22，第二板体25的接管26作为所述夹套出口23，以使得多个夹套汇流孔21对应的多排夹套管4的夹套环腔43的介质流动方向相同。

实际可以改为：第一板体24部分接管作为所述夹套入口，另一部分接管作为所述夹套出口；第二板体25部分接管作为所述夹套出口，另一部分接管作为所述夹套入口，以使得多个夹套汇流孔21对应的多排夹套管4的夹套环腔43的介质流动方向不同。例如第一个夹套汇流孔21对应第一排的多个夹套环腔43的介质从上至下，而第二个夹套汇流孔21对应的第二排的多个夹套环腔43的介质由下至上···依次类推，或实际改为其它顺序的不同排夹套管4介质流动方向不同，例如两排向上、接着两排向下等等。适用于更复杂的换热情景需求。

本实施例中，夹套汇流孔21的一端为盲端，所述接管26设置在夹套汇流孔21的另一端，这样对于每个夹套汇流孔21而言，仅从夹套汇流孔21的一端流入/流出介质。实际可以改为夹套汇流孔21的两端分别设有所述接管26。

本实施例中，位于管板2的外侧还设置有总管261，同一块管板2的不同夹套汇流孔21的接管26汇总连通总管261，这样多个夹套汇流孔21对应的多排夹套管4同时进出介质。实际中，可以同一块管板2的不同夹套汇流孔21的接管26独立设置，各个夹套回流孔的介质独立流入/流出。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：包括管箱、管板和筒体，管板固定于筒体的端部，从而共同围成壳程，筒体设置有壳程入口和壳程出口，从而形成壳程入口-筒体-壳程出口这样的壳程流道；管箱固定于管板的背离筒体的侧部；

筒体内设置有并列布置的多条夹套管，每条夹套管包括内管和外管，内管穿设在外管中，且内管的外壁与外管的内壁之间围成夹套环腔；

管板为整体板状结构，其内部开出并列布置的多个夹套汇流孔，多条夹套管沿着各个夹套汇流孔长度方向分隔布置，夹套管的外管固定于管板的靠近壳程的侧部且连通夹套环腔，管板设有夹套入口和夹套出口，从而形成夹套入口-夹套汇流孔-夹套环腔-夹套出口这样的夹套流道；夹套汇流孔的孔壁形成有挠性部，其能够跟随内管和外管热伸长而挠性形变；

管箱设有管程入口和管程出口，夹套管的内管穿过夹套汇流孔固定于管板的远离壳程的侧部且连通管箱，从而形成管程入口-内管-管程出口这样的管程流道。

2.根据权利要求1所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：夹套汇流孔的沿垂直于长度方向的截面呈椭圆形，从而使得夹套汇流孔的内壁包括相向布置的两个平壁和位于两个平壁面之间的弯壁，平壁与管板的表面之间形成所述挠性部，其中一个平壁开有供内管穿设的第一管孔，另一个平壁开有供外管穿设的第二管孔，第一管孔的孔径小于第二管孔的孔径。

3.根据权利要求2所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：内管的端口处与第一管孔相互焊接固定，外管的端口处与第二管孔相互焊接固定。

4.根据权利要求1所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：管板包括分别固定于筒体两端部的第一板体和第二板体，管箱对应包括第一箱体和第二箱体，内管的一端穿过第一板体连通第一箱体，内管的另一端穿过第二板体连通第二箱体；外管的一端连通第一板体的夹套汇流孔，外管的另一端连通第二板体的夹套汇流孔。

5.根据权利要求4所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：第一板体和第二板体的多个夹套汇流孔分别设有接管，第一板体的接管作为所述夹套入口；第二板体的接管作为所述夹套出口，以使得多个夹套汇流孔对应的多排夹套管的夹套环腔的介质流动方向相同。

6.根据权利要求4所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：第一板体和第二板体的多个夹套汇流孔分别设有接管，第一板体部分接管作为所述夹套入口，另一部分接管作为所述夹套出口；第二板体部分接管作为所述夹套出口，另一部分接管作为所述夹套入口，以使得多个夹套汇流孔对应的多排夹套管的夹套环腔的介质流动方向不同。

7.根据权利要求5或6所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：夹套汇流孔的一端为盲端，所述接管设置在夹套汇流孔的另一端；或夹套汇流孔的两端分别设有所述接管。

8.根据权利要求7所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：同一块管板的不同夹套汇流孔的接管独立设置；或位于管板的外侧还设置有总管，同一块管板的不同夹套汇流孔的接管汇总连通总管。

9.根据权利要求2所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：管板的外侧壁内凹形成有条形槽，条形槽对应于各相邻两个夹套汇流孔之间，从而使夹套汇流孔的侧壁等壁厚。

10.根据权利要求1所述的一种多重换热的整体管板式换热器，其特征是：筒体设置有膨胀节。