CN1666077A - 多用途热交换单元 - Google Patents

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Abstract

所谓的多用途型热交换单元(1)，其包含：通过相应的基板(3，4)在相对的端部上闭合的基本圆柱形壳体(2)，多个在该壳体(2)内支撑且与其外部流体相通的热交换器(13)。

Description

多用途热交换单元
技术领域
就最广方面而言，本发明涉及一种所谓的多用途型热交换单元，换言之，涉及一种可以在其使用的装置中提供多种不同用途例如锅炉、锅炉水的预热器和水冷却器的多用途单元。
具体而言，本发明涉及一种所谓的多用途型热交换单元，其包含通过相应的基板在相对的端部上闭合的基本圆柱形壳体，多个在该壳体内支撑且与其外部流体相通的热交换器。
背景技术
对于在化工厂内可以得到的要求，例如用于制备氨，可以提供多种用途例如锅炉、锅炉水的预热器和水冷却器等单元的要求是众所周知的。
现在，这种要求通常通过所谓的“多用途”单元来满足，该单元是基于在所考虑的装置中可以获得的许多流体之间的热交换，并且包含多个热交换器，通常对于每个所想要提供的或自身拥有的“用途”有一个热交换器。而，每个热交换器是这种类型的，其基本上包含通过相应的基板在相对的端部上闭合的圆柱形壳体，和在该壳体内支撑且与其外部流体相通的用于热交换的管束。
这具有一些缺点，如相当大的投资，特别是由于每个壳体的高费用，相当多的障碍，难以控制和高的维护费用。
准确地说，为了克服具体而公认涉及实现圆柱形壳体的经济缺陷，建议了构造对于单个壳体提供的多用途单元，其内含有预定总量的管束式热交换器，每个用途一个交换器，每个交换器与外面相通。
这意味着，庞大的壳体对于装置的结构和操作条件具有大的经济影响。事实上，使得可以在所述的壳体内容纳多个管束式热交换器，需要大尺寸的结构部件，特别使其复杂而昂贵。
而且，在所述的壳体内装配这些管束具有结构性实现的复杂问题，只要涉及到这种部件的连接。所有这些还可以引起所述管束内部的温度分布不良，不利于热交换的效率。
发明概述
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有克服现有技术缺点的结构特征的多用途热交换单元，即为小尺寸、高效率、容易控制和降低维护费用。
根据本发明，这样的技术问题通过一种多用途型热交换单元来解决，该热交换单元包含：通过相应的基板在相对的端部上闭合的基本圆柱形壳体，多个在该壳体内支撑且与其外部流体相通的热交换器，其特征在于，至少部分热交换器是箱形板式交换器，其是由相互隔开且周边相连的一对并列的金属板形成的，以限定用于让至少一种热交换流体通过的内腔。
一个或多个所述的板式热交换器有助于提供由本发明的多用途热交换单元所提供的预定用途之一。
有利的是，所述的板式热交换器具有扁平的结构，且是与壳体同轴以圆柱形排列方式而聚集的，其中它们是根据径向排列而支撑的。
根据本发明的多用途单元的主要优点在于：在单个壳体内组合不同的热交换用途，与本领域的现有技术相比，所述壳体的尺寸与多个板式交换器的尺寸严格相关，其结果是节省实现的投资，容易操作和维护。
而且，还提高了交换器的效率，原因在于与管束式交换器相比，板式交换器可以获得更大的热交换表面。
根据一个优选的实施方案，所述的壳体含有惰性填料，其既不与工作流体化学或物理相互作用，所述的板式交换器陷入在大量的填料中。由于所述填料的存在，强迫工作流体在多用途单元内进行迂回运行，一方面，可以使所述的工作流体与所述的交换器之间更好的接触，而另一方面，可更好地混合，由此在流体本身内部的温度更加均匀。如此，提高了多用途单元的热交换效率，由此改善了性能。
本发明的进一步的特征和优点从包括根据本发明的多用途热交换单元的实施方案指示而非限制的实例的详细描述中并参照附图而变得更加清楚。
附图简述
图1所示为根据本发明的热交换单元的示意图；
图2所示为图1的热交换单元的详细的放大透视图；
图3所示为图1的热交换单元的板式热交换器的放大透视图；
图4至14所示用于本发明的多用途单元中的板式热交换器实施方案的相应变体。
附图详述
参考图1，根据本发明的多用途热交换单元总体上由1所示，包含通过相应的下基板3和上基板4在相对的端部上闭合的具有纵轴的圆柱形壳体2，多个在该壳体2内支撑且与其外部流体相通的热交换器13。
根据本发明，上面所述的多个热交换器13由具有基本上平坦的拉长的长方形结构的箱形板式换热器组成，其中重点的是两个相对的长边21和两个相对的短边22a，22b(图3和3a)。
更具体地(图3和3a)，每个交换器13由一对并列的金属板23、24组成，金属板23、24相互隔开、由焊边25周边闭合，以限定内腔26。
根据本发明的特征，所述的板式交换器13还配备有用于热交换工作流体的进口连接器27和出口连接器28，其可以都位于相同侧，如图3所示，在短边22b上，或在不同侧，如图3a所示，在边22a和22b上。
下基板和上基板3、4分别配备有用于工作流体的进入通道5和流出通道6，所述的工作流体流入壳体侧上的反应器内。所述的上基板4还分别常规地配备有热交换工作流体的多个用于输入的通道7和多个用于排放的通道8，所述的工作流体向内通过板式交换器13，进入和流出所述的多用途单元1。
在壳体2中，限定了热交换区(或环境)，其中常规地支撑具有环形横截面的基本圆柱形形状的篮14；所述的篮14基本上由外圆柱形的壁15、内圆柱形壁17和下面的环形基板33组成，所述的篮14与所述壳体2限定宽度减少的空间16。
内壁17在中心限定了轴向通道，其中通常支撑着用于收集流经壳体侧的热交换单元的工作流体的输送管18，其具有关闭的上端19和打开的下端20，并且是通过基板3的通道6直接与流体连接。
将所述的外壁和内壁15和17穿孔，以得到从空间16到所述篮14的里面的在壳体侧和从所述的篮14到所述的中心导管18的工作流体通道。
在篮14的里面，基本上径向地安置板式交换器13，其中长边21平行于所述的多用途单元1的轴(因此平行于壳体2的轴)，且短边22径向延伸，且优选地以图1的实例安置，以形成多套三径向板式交换器13。
更具体而言，在图1的实例中，安置三共轴和同中心排列的板式交换器13，其以本身已知的方式支撑在篮14中，板式交换器13以圆柱环状结构均匀地分布，其具有的外径基本上与篮14的外径相等，并通过具有直径基本上与篮本身的内径相等的通道轴向通过。
根据本发明的优选实施方案，一组预定数目的板式交换器13共有一个入口收集导管和出口收集导管(图2)。这组交换器限定并负责实现本发明的多用途单元的一个用途。优选地，但不是限制地，限定用途的所述的一组板式交换器13包括同样的共轴和同中心排列的所有交换器。具体地，根据本发明的优选实施方案，热交换器13的三共轴和同中心排列中的每一个构成通过本发明的多用途单元实现的用途之一。
所述的板式交换器13的入口和出口连接器27、28在顶部分别与工作流体的环形分配器和收集导管29和30连接，其根据篮14的上端且以倾斜于板式交换器13的圆柱形环状结构的位置安置。每一个环形分配器与单个共轴排列的板式交换器13连接；每一个收集导管30也是如此。
通过分别用于所述流体进料的导管31和用于排放的导管32，前述的环状导管29和30也与热交换单元1的外面流体相通，反过来分别与用于所述的热交换工作流体的入口通道7中的一个和排放通道8中的一个连接。
由于上述的结构，特别是由于板式交换器13的使用，得到在壳体侧的工作流体和流经板式交换器13里面的工作流体之间的热交换最优化。此外，以简单、节省成本和易于完成的方式解决使用许多工作流体的问题。
根据一个优选实施方案，篮14可以包括大量的适当填料，例如惰性固体材料大理石(未显示)，板式交换器13在其中浸没且支撑。根据本发明，这种解决方案允许进一步提高热交换单元的总热交换系数。
根据一个优选实施方案，从通道5流入和从通道6流出的工作流体，穿过壳体侧的交换器，与板式交换器13的外面接触。剩下的三种工作流体通过通道7、8、9进入，且通过从前述通道7、8、9延伸的进料导管31、环状导管29和分配器连接器27分别分配，每一个里面有不同的板式交换器13的共轴同中心排列。在所述的板式交换器13的出口，前述的工作流体穿过收集连接器28，进入环状收集导管30的里面，通过出口导管32，输送至相应的排放导管10、11、12。
此外，为了得到在壳体侧的工作流体和流经板式交换器13里面的工作流体之间的热交换系数最优化，在壳体侧的工作流体应当以基本径向方向穿过热交换单元。
有利的是，这可以由在壳体侧的工作流体的通道得到，所述的通道通过空间16，从这里穿过篮外面的穿孔壁15，所述的工作流体将进入所述的篮，通过板式交换器13的同中心和共轴以径向方向流过。从这里，通过篮里面的穿孔壁17，所述的流体将从所述的篮流出，进入导向出口通道6的中心导管18。
这允许所述的工作流体沿着其在热交换单元里面的通道依次与板式交换器13里面的工作流体进行交换热，以这种方式：允许在均匀的梯度从篮的外圆柱壁15开始，通过板式交换器13的不同的同心行，一直到中心收集导管18进行热交换。如果需要，所述的在壳体侧的工作流体还可以相反的方向，从中心导管进入圆柱壁15，通过前述的通道。
应当注意的是，上面考虑的壳体2可以不用重新设计，或可以由复原的壳体(recovered shell)组成。
根据不同结构可以构造板式交换器，不同结构允许以各种方式使热交换最优化。
根据一个实施方案(图4)，板23和24通过多个焊点结合在一起，通常以规则的方式分布，优选根据所谓的“梅花型(quinconce)”和/或以正方形间距分布排列，其赋予交换器13基本上被状(quilted)外观。
在交换器13中，焊点34的排列也可以是不规则的，例如在某些区域集中而在其他区域完全没有。
应当注意的是，由于前述的焊点34的存在，通过本发明热交换器的空隙26的流体通道沿着弯曲通道产生，所有的通道相互且与各自的连接器27和28流体相通，通道可以出现持续而随意地变化。由于交换器13里面的工作流体的这种分配，得到交换器13本身的工作流体的最优分配，实际上有助于它们的热交换率。
再一个实施方案(图5)在于：向所述的交换器13的一个壁，例如在壁23上，且在相对短的边22的预定中间位置，固定两个(或更多，或者只有一个)相同的分配器35、36，所述的分配器35、36与用于流体入口和流体出口的连接器27和28分别以预先计算好的距离平行延伸。
所述的分配器35和36，其保持相互隔开的关系，其一端上与在所述的交换器13的内腔26连接，并且另一端通过相应的配件37和38与导管39连接。
本质上(图6)每个分配器35、36包含：多个透孔40和一个槽箱41，所述的透孔形成在所述的壁23中且至少在一个直线线列中规则地排列，纵向延伸至分配器(35、36)本身，且所述的槽箱41基本上形成沟道，当固定在覆盖所述多个透孔40的壁23时，与它形成内腔42。
由于本发明，当热交换工作流体的通道通过热交换器13期间，可以控制所述热交换工作流体的温度在预定值范围内。
参考图7和8，且根据上面所述实施方案的热交换器13的优选实施方案，用于供给第二种工作流体流的导管被限定为相同结构的交换器。
特别地，热交换器13包含：两块厚度减少了的金属板23、24，以便可以塑性变形，通过周边焊25基本上并列地连接在一起，由于连接器27和28的存在，提供与所述板的相对面23、24相一致的分别用于工作流体的入口和出口。
所述的板23、24还通过基本上L型的焊线43而相互连接，平行地延伸至交换器13的长边21，而没有用于流体的入口或出口的连接器并且在与其缩短了的距离处。在热交换器13的短边22和按照所述的焊线43，提供用于所述第二种工作流体流的入口的第三配件44。
在交换器13中，通过所述的板23、24的塑性变形，例如通过它们之间的加压气体的注入而得到的塑性变形，形成了内腔26，使热交换工作流体通过，并且用于供给所述第二种工作流体流的导管39，按照所述的L型焊线43和交换器自身的侧面21之间的区域延伸。
应当注意的是，形成于交换器13的壁23、24之间的供给导管39通过焊线43本身与内腔26完全分离，焊线43也保障了流体的密封。
在板上，例如在交换器13的板23上，固定了两个或更多个的分配器35、36，其结构和功能与分配器总体上类似于参考图5至6所述的分配器35、36。这些分配器35、36都通过考虑在板上形成的多个透孔40与内腔26流体相通，且通过相应的开口45与供给导管39流体相通，所述的开口是在其适宜的位置提供的。
本实施方案允许将在交换器13内部特循环的工作热交换流体的温度控制在围绕预定的值的非常窄的范围内，如果在所述液体通过相应的交换器13的同时，实际上不允许所述的流体的温度基本保持恒定。
根据本发明的一个更有利的特征(图9)，在每个交换器13中，提供隔板46，用于从其短边22延伸和具有比长边21更短的预定长度，且相对于长边具有预定的倾斜度。
优选地，通过两块板23、24的相互焊接而得到隔板46，两个板23、24形成所述的交换器13，从它们的短边22a之一的适当的位置开始延伸至相对的短边22b，由于其具有预定的距离关系，所以在它的终点的两个相对的长边21是等距离的。
由于所述的隔板46的存在，每个交换器13的内腔26被分隔为两个相邻的部分47a、47b，其仅接近于短边22b时相互相通，所述的短边22b与短边22a相对，板本身从短边22a延伸。
根据本发明的另一个特征，每个交换器的内腔26的两个相邻的部分47a、47b通过相应的管状连接器27、28与外面相通，在所述的交换器13中，根据其短边22a，看见隔板46从短边22a伸出。
由本发明的结构，由于倾斜的隔板46，流体沿着逐渐增大横截面的通道前进，当所述工作流体必须经受由于温度造成的膨胀时，这允许所述的工作流体的速度保持恒定，对于液体，使膨胀与可能的更大体积平衡。
根据本发明的备选的实施方案(图10至13)，根据相对的长边21，每个交换器13配备有分配导管48，以及相应地，所述流体的收集导管49。导管48和49的一端通过至少一个，优选通过多个开口或透孔50和51与所述的内腔26流体相通，其中开口或透孔沿着一个或多个母线配备，且其另一端通过用于所述的流体的入口和出口的相就连接器27和28与交换器13的外面相通。
根据本变体的一个优选实施方案，在组成它的附图和金属板23和24的周边焊制中，所述的导管48和49是直接“形成”在交换器13的长边21上。有利的是，在从周边焊25开始的预定距离，通过平行延伸至长边21的焊线52a、52b来得到它们，而通过这种焊线52a、52b的适当的中断，得到用于流体通道的开口53a、53b。
此外，根据该备选的实施方案，每个交换器13的内腔被分隔为多个腔室55，所述的腔室55相互不直接连接，且例如通过相应的多个金属板23、24的焊线56而得到，所述的焊线56平行延伸至交换器13，换言之，垂直于其分配导管和其收集导管48、49。每个腔室55通过其至少一个开口50与所述的分配导管48流体相通，且通过其至少一开口51与所述的收集导管49流体相通。
这种备选结构允许工作流体以随之改善的热交换率在交换器13内流动，导向所需要的方向，例如且特别是导向相对于反应器的轴的径向方向。
根据本发明，如图14所示，所述的交换器13的所述内腔26可以沿着进口连接器的管线平行的方向具有可变尺寸，即板23a、24b之间的距离沿着所述的方向增加或减少，以便有利地得到工作流体在工作流体本身的流动方向的速度改变。
根据一个优选实施方案，在内腔26中，限定了工作流体在前述流动方向AA彼此顺次的三个区域54a、54c、54e，三个中的每一个具有固定尺寸，但是与另外两个区域的尺寸不同。更具体地，所述的尺寸应当在区域54a达到最大值，在区域54e达到最小值，54c在它们的两者之间。所述的区域54a、54c、54e通过在所述方向AA集中的连接区域54b、54d而相互相通。优选地，所述连接区域54b、54d通过在相对的板中实现适宜的折线对(分别在区域54b之上和之下的P1和P2；分别在区域54d之上和之下的P3和P4)而限定。
以从建造的角度考虑简单方式，本实施方案允许基本保持热交换能量(由于在其通道区域的减少)和热交换器13的效率恒定，根据在板里面的工作流体的密度变化，同时随之速度变化，因此优选保持恒定。
由此构思的本发明可以进行进一步的变体和修改，所有这些都是本领域的技术人员的能力范围内，且同样落入如后附权利要求所定义的本发明本身的保护范围内。

Claims (15)

1.所谓的多用途型热交换单元(1)，其包含：通过相应的基板(3，4)在相对的端部上闭合的基本圆柱形壳体(2)，多个在该壳体(2)内支撑且与其外部流体相通的热交换器(13)，其特征在于，至少部分热交换器是箱形板式交换器，其是板式的，由相互隔开且周边相连的一对并列的金属板(23，24)形成，以限定用于让热交换流体通过的内腔(26)。
2.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述的板式热交换器(13)具有扁平的结构，且是与壳体(2)同轴以圆柱形排列的方式聚集的，其中所述的板式热交换器(13)是根据径向结构排列的。
3.根据权利要求1或2所述的热交换单元，其特征在于，一组预定量的所述板式热交换器(13)共享一个进口(27)和一个出口(28)。
4.根据前面权利要求的任何一项所述的热交换单元，其特征在于，所述基本圆柱形壳体(2)填充有填料，所述的多个板式热交换器(13)浸没在填料中。
5.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述至少一个板式热交换器(13)的金属板(23，24)通过多个焊点(34)连接，产生基本上被状外观。
6.根据权利要求5所述的热交换单元，其特征在于，所述的焊点(34)以“梅花型”和/或以正方形间距分布。
7.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述的热交换器13具有基本上矩形平坦的结构，其中两个相对的长边(21)平行于壳体(2)的轴，且两个相对的短边(22a，22b)被径向安置于所述壳体(2)内，且在相对的短边(22a，22b)配备有用于流体进口(27)和出口(28)的连接器。
8.根据权利要求7所述的热交换单元，其特征在于，至少一个分配器(35)在预定的中间位置被固定于至少一个交换器(13)的壁上，至于两个相对的短边(22a，22b)，其一端与所述的交换器(13)的所述内腔(26)连接，而其另一端与用于供给流体的导管(39)连接。
9.根据权利要求8所述的热交换单元，其特征在于，所述的分配器(35)包含实质上形成沟槽的槽箱(41)，当固定于所述至少一个交换器(13)的金属板(23)时，与其形成内腔(42)，内腔与交换器(13)的里面通过多个透孔(40)相通。
10.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述至少一个交换器(13)在内部配备有隔板(46)，隔板从所述交换器(13)的一侧(22a)延伸至与其相对的另一侧(22b)，且由此，所述的隔板(46)为预定的隔开关系，所述的隔板(46)具有小于所述长边(21)的预定长度，由此其具有预定的倾斜度。
11.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，根据与至少一个分配器/收集导管(48)的相对的长边(21)，内部配备所述至少一个交换器(13)，所述的导管(48)的一端通过至少一个开口(50)与所述的内腔(26)连接，而另一端通过连接器(27)与交换器(13)的外部连接。
12.根据权利要求11所述的热交换单元，其特征在于，所述的导管(48)直接形成在交换器(13)的长边(21)中。
13.根据权利要求11所述的热交换单元，其特征在于，所述的至少一个交换器(13)分隔成多个腔室(55)。
14.根据权利要求7所述的热交换单元，其特征在于，所述的板式交换器(13)限定可变尺寸的内腔(26)，所述的内腔尺寸在连接所述的连接器(27，28)的虚线方向变大。
15.根据权利要求7所述的热交换单元，其特征在于，所述的板式交换器(13)限定可变尺寸的内腔(26)，所述的内腔尺寸在连接所述的连接器(27，28)的虚线方向变小。
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