CN1847768A - 多圈套管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换装置。它是由换热流体的进出口、壳体、封头、中间隔板、多圈套管、封条或配流板、定距器件、翅片、程间隔板和支撑、结构件等所组成，其特征在于，相邻的两流体的流道为多圈同心相套的环隙，它们是由相套的金属管或螺纹焊管组合而成，依靠封条或配流板，使两换热流体呈逆向流动、换热。这种换热器有普通型和强化型；单程和多程；两股流和多股流；不可拆卸和可拆卸密封；采用翅片、内插物和波纹板强化有多种结构形式。它们分别适用于不同的具体条件和某些特殊工艺要求，应根据运行工况、流体的理化性质，综合考虑择优选择。本发明的有益效果是，可克服各种IV型螺旋板式换热器现存的缺点，扩大了适用范围，可用于目前只能采用管壳式换热器的高参数(高温、高压、巨型，或超低温)的工况中，有可能以显著的可比优势，在任何工况中取代号称换热器之母的管壳式换热器。

Description

多圈套管式换热器

所属技术领域

本发明涉及一种热交换装置。

背景技术

通过换热面使相邻两流体之间进行间接换热，是换热器的主要结构形式，按换热面的形状分，换热器主要有管壳式和板式两大类。管壳式是工业用主流换热器，石化工业中的换热器80％是管壳式，故号称“换热器之母”。这是由于它处理量大，使用时间最长，技术成熟，压力等级高，温度范围广，人们已建立了设计、制造和运行一整套程序，很方便查找到设计和制造标准，可用多种材料制造，对其工作温度和工作压力设有太多的限制。但实践也暴露了它存在以下缺点：

(1)不能实现逆流换热，使末端温差大(8℃以上)，热效率低；

(2)壳程流道截面积约为管程的2.5倍，为增大壳程流速，要采用折流板，并由此带来一系列问题；

(3)紧凑性最低，单位换热面积最重，滞液量最大，自重和操作重量最重，安装占地面积最大，单位热负荷耗材最多；

(4)需要管板，另部件多，强化传热的手段有限，传热系数很小；

(5)热应力大，当两流体温差较大时，要采用热补偿，结构复杂；

(6)相同材质的管材的价格比板材贵；

(7)壳程流体斜向冲刷管束，诱发振动，使管子在折流板穿孔处发生磨损或疲劳损坏；

(8)壳程只能采用化学办法清垢，会污染环境。

螺旋板式换热器是一种紧凑型换热器，具有许多优点：端部温差可小到2-3℃；传热效率高；以板代管，材料购置费用低；材料消耗少；紧凑性好；温差应力小；结垢倾向小。其缺点是处理量太小；流体的流动阻力较大；缺乏进一步强化传热的技术手段，不适于用于气-液、气-气热交换的场合；工作压力不高。由申请人发明的“一种新型热交换装置-多圈式换热器”专利(ZL95215477.3)，和“一种可拆卸耐压多程双轴向流螺旋板式换热器”专利(CN03131883.5已公开，实审中)，有效地克服传统螺旋板式换热器存在的上述缺点。迄今已涉及过程有：水-水、水-液、液-液、水-气、气-液换热，和蒸发器和冷凝器换热。取得了显著的经济效益和社会效益。

为汲取板式换热器的优点，又能克服它的缺点，强化传热，提高紧凑性，大幅降低材料消耗量，申请人又申报了“一种螺旋波纹板式换热器”(CN200510038575.3已公开)。为适应海上采油平台和远洋舰船上耐腐蚀需用钛、钽、铌等昂贵金属材料的特性，申请人又申报了“一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板式换热器”，(CN200510041521.2已公开)。目的在于：克服昂贵金属与碳钢互焊性差的缺点，减少昂贵耐腐蚀材料的消耗量，降低生产成本。

以上以螺旋板为基本结构的换热器(商品名称为IV型螺旋板式换热器)，都有以下缺点：1.螺旋道首尾连通，整个螺旋体内部只要有一个微小漏点，很难修理，只能整台报废；2.受商品卷板宽度(目前在1500mm以下)的限制，单元换热器的长度只2米左右，增加了端部封条的焊接工作量，大型换热器要将多个单元换热器串联安装，不仅增加法兰、垫圈、螺栓、螺母的用量，增加了泄漏点，造成安装和捡漏的工作量，影响运行寿命也增加设备购置费用；3.尽管将卷板拼接，再卷制成螺旋体在工艺上是可能的，但由于在大跨度卷床上卷制螺旋体，所需传递的力矩很大，需要大直径的中心管，这样做会使换热器的紧凑性变差，4两流体主要呈轴向流和半圈周向流，流体流经的路程不长。

发明内容

为克服上述缺点，本发明提供了一种多圈套管式换热器，它是由换热流体的进出口、壳体、封头、换热套管、中间隔板、封条或配流板、定距器件、翅片、程间隔板和支撑、结构件等所组成。其特征在于，相邻流体的流道为多圈同心相套的环隙，它们是由相套的金属管或螺纹焊管组合而成，依靠封条或配流板，使两流体逆向流动、换热。

这种换热器有多种结构形式，按热工性能分有普通(基本)型和强化型两种，按流体流动分有单程和多程两种，按换热流体的数量分有两股流和多股流两种，按流道封堵方式分有不可拆卸的封条焊接密封和可拆卸的将传热套管与配流板采用粘合、钎焊、填料压紧密封两种，按强化传热的方法分有采用各种翅片、内插物和波纹板，波纹形状有斜波、人字波和环波，波的成型在套管卷制前后均可。按换热芯能否外抽分有可抽和不可抽两种。它们分别适用于不同的具体条件和某些特殊工艺要求，应根据运行工况、流体的理化性质，综合考虑择优选择。例如，当流体中固体杂质较多、含有纤维状物质、粘度很大、结垢严重，就不应选用强化型结构，当装置平面布置，对换热器的长度有特别限制时，可选用多程结构，当工艺要求实现多股流换热时，可选用多股流结构，当换热套管使用钛钽铌等昂贵金属制造时，为节约材料，可考虑选择波纹板结构，当换热介质有气相时，应优先考虑在气侧设置翅片，当工艺上要求尽量降低两流体的端部温差，可考虑选择由蛇状定距条构成的螺纹流。

本发明的有益效果是，可克服各种IV型螺旋板式换热器的前述缺点，扩大了适用范围，可用于目前只能采用管壳式换热器的高参数(高温、高压、巨型，或超低温)的工况中，有可能以显著的可比优势，在任何工况中取代号称换热器之母的管壳式换热器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是普通型单程多圈套管式换热器正剖面示意图，图2是图1的A-A剖示图，图3是普通型三程多圈套管式换热器正剖面示意图，图4是图3A部放大图，图5是图3B-B剖示图，图6是图3

A-A剖示图，图7是普通型多股流多圈套管式换热器正剖面示意图，图8是图7的M-M剖示图，图9是图7的N-N剖示图，图10是图7的A向视图，图11是图7的B向视图，图12是将传热基板轧制成波纹板的展开图，图13是全波波纹板的剖示图，图14是半波波纹板的剖示图，图15是波纹传热基板在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图16是图15的A-A剖示图，图17是采用定距条为定距器件、传热基板为平板在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图18是图17的侧示图，图19是一流道设置翅片、另一流道设置定距条在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图20是图19的侧示图，图21是一流道不设定距器件、另一流道设置定距器件的示意图，图22是图21的A-A视图，图23是图21的B-B视图。图24是一种传热芯可外抽的多圈套管式换热器的示意图，图25是图24的A向视图，图26是图24的B向视图。图中：1冷流体进出口，2封头用螺栓、螺母和垫圈，3配流板垫圈，4壳体用螺栓、螺母和垫圈，5配流板，6可拆卸密封，7壳体法兰(1)，8外壳筒体，9换热套管，10封条，11中间隔板，12壳体法兰(2)，13垫圈，14封头法兰，15封头用螺栓、螺母和垫圈，16热流体进出口，17埋头螺栓，18支撑块，19封头，20程间隔板，21中心管，22封固料，23 1#股流进出口，24 2#股流进出口，25 3#股流进出口，26 4#股流进出口，27环形槽，28弓形透槽，29定距柱，30定距条，31翅片，32波纹槽，33冷流体配流室(用附加括号内的I、II、III代表程数)，34热流体配流室(用附加括号内的I、II、III代表程数)，35填料压盖，36压紧螺栓，37填料函，38填料，39支架，40可抽换热芯，n多圈套管的圈数，n-1为n圈的内圈，n+1为n圈的外圈，α螺旋焊管螺旋焊缝的螺纹升角，B基板宽，L待卷基板长，δ待卷基板厚，h翅片高。

具体实施方式

实施例1普通型单程多圈套管式换热器。

图1是其正剖面示意图，图2是图1的A-A剖视图。为简化说明，图1的左边为采用可拆卸结构，右边为不可拆卸结构。在实际实施时，两边应用同样的结构。图中：热流体(用实线箭头表示)，从左下的热流体进口16进到左下半部的配流室34，经配流板5的分配，进入到偶数套环流道中，由左向右流动，右下半部的偶数套环是封闭的，对应右上半部的偶数套环是开口的，于是热流体在每一个套环中回转半圈，由右上半部偶数套环流往右上半部配流室34，最后由热流体出口16外排。冷流体(用虚线箭头表示)，从右下的冷流体进口1进到右下半部的配流室33，经封条10和中间隔板11的分配，进入到奇数套环流道中，由右向左流动，左下半部的奇数套环是封闭的，对应左上半部的奇数套环是开口的，于是冷流体在每一个套环中回转半圈，由左上半部奇数套环流往左上半部配流室33，最后由冷流体出口1外排。配流室有两种结构形式，左边为非平板形封头，右边为平板形封头，可择优选择。

当选用可拆卸结构时，需配以配流板5。按照配流需要，上面开有弓形透槽28(参见图4、图5、图6)，依靠可拆卸密封垫片6，使多圈套管端部密封。可拆卸结构的各套管间不得设置使套管相互压紧的器件。它们可以是套管间互不压紧的光管或波纹管。

不可拆卸是首选结构。它有两种封堵方法，一种是采用封条10，来封堵，另一种是采用具环形缝隙的配流板，将多圈套管插入环形缝隙27中，再用封固料22进行封固密封(参见图4)。

实施例2普通型可拆卸的三程多圈套管式换热器

图3是其正剖面示意图，它的两端都采用可拆卸结构。图中：热流体(用实线箭头表示)，从左下的热流体进口16进到左下半部的热流体I程配流室，经配流板5的分配，进入到偶数套环流道中，由左向右流动，右下半部的偶数套环是封闭的，对应右上半部的偶数套环是开口的，于是热流体在每一个套环中回转半圈，由右上半部偶数套环流往右上半部热流体I-II程配流室，折而向上，这里奇数道是封闭的，而偶数道是开口的，于是热流体经偶数道由右向左流动，对应左上半部配流室的偶数道是封闭的，而左下部热流体II--III程配流室的偶数道是开口的，热流体在这里折而流入III程中，再由左向右流动，对应的右下半部的偶数圈是封闭的，而右上半部的偶数圈是开口的，最后由热流体出口16外排。冷流体(用虚线箭头表示)，从右下的冷流体进口1进到右下半部的冷流体III程配流室，经配流板5和程间隔板20的分配，进入到奇数套环流道中，由右向左流动，左下半部的奇数圈是封闭的，对应左上半部的奇数圈是开口的，于是冷流体在每一个奇数圈中回转半圈，由左上半部奇数圈流往左上半部冷流体II-III配流室中，由III程折而流向II程，在奇数圈中由左向右流动，回转半圈，到右下半部冷流体I-II配流室折而向上，经冷流体I程配流室，仍走奇数圈，由右向左流动，回转半圈，到左上部冷流体I程配流室，最后由冷流体出口1外排。如上所述，冷热两流体在整个流动过程中，都是逆向流动。各程之间，用程间隔板20予以分隔。

图4是图3A部放大图，在配流板5的内侧面，开有环形槽27和弓形透槽28，多圈套管9镶在环形槽中，槽宽大于多圈套管的壁厚，它们间的间隙用封固料22来保证密封。结构胶、塑料、钎焊料都可以用作封固料，应根据流体性质、工况、价格和工艺性择优选用。弓形透槽28供流体配流用。按奇数或偶数圈按配流的需要布置。

图5是图3的B-B剖示图，图6是图3A-A剖示图。由图可见，弓形透槽28是交叉没置的，上半部如处于奇数圈，则下半部一定处于偶数圈。反之亦然。

当多圈套管较长时，和图1一样，为避免挠度过大，需设置若干支撑块18。

实施例3普通型不可拆卸多股流多圈套管式换热器

图7是其正剖面示意图(以4股流为代表)。这里共有1^#流体(用实线箭头表示其流向，走1、5、9、13……圈)，2^#流体(用虚线箭头表示其流向，走2、6、10、14……圈)，3^#流体(用单点划线箭头表示其流向，走3、7、11、15……圈)，4^#流体(用双点划线箭头表示其流向，走4、8、12、16……圈)四股流体同时进行热交换。图8是图7的M-M剖示图，即左侧配流室剖示图，图9是图7的N-N剖示图，即右侧配流室剖示图。两侧各有4个配流室，它们用呈十字交叉的中间隔板11相互隔开，对应4股流，两侧封头19共设置四对流体进出口23、24、25、26，分别供1^#2^#3^#4^#流体作进出口用。现以1^#流体为代表，说明其流动状况。1^#流体由左下部进出口23(参见图10)进到其1^#流体进口配流室(图8的左下方)中，此室中的1^#5^#9^#11^#……圈是开口的，对应地，1^#流体出口配流室(图9的右上方)中的1^#5^#9^#11^#……圈也是开口的，其它各圈都是封闭的，于是1^#流体由左向右流动，回转半圈，经出口配流室，最后由1^#流体进出口23(参见图11)外排。与此类似，其余三股流体的流动状况，巳在图中用相应的箭头表示，无须赘述。

可以采用多种成熟的强化传热的技术措施，是这种换热器的一个重要优点。例如，设置翅片、内插物和将传热面轧制成波纹状，是最为成熟的，也是能取得显著效果的强化措施。可以采用不同结构的定距条、翅片，使相邻的传热基板与它们紧密贴紧，可以显著地增加基板的强度和稳定性，是这种换热器的又一个重要优点。

实施例4将传热基板轧制成波纹板的多圈套管式换热器

图12是其展开图，图13是全波波纹板的剖示图，图14是半波波纹板的剖示图，图15是波纹传热基板在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图16是图15的A-A剖示图。

在专用的螺纹卷管机上，以中心管21为轴，将传热基板按螺纹升角α螺旋紧密缠绕其上，形成一道螺纹状对接缝隙，将其施焊并经探伤，当确认焊缝质量优良后，再缠绕笫二圈，依次类推逐圈缠绕直至达到设计要求。当基板宽度B一定时，由于多圈套管的直径由小到大，故各圈的螺纹升角α是变化的。此外，最好使相邻的套管交替采用左旋和右旋螺纹。这样的结构，适于用于液-液换热的场合。

以上各图所示，均为人字形波纹板，当然亦可采用其它的形状，可参考板式换热器的有关专著，这里不再赘述。全波波纹板的性能优于半波波纹板，只是模具价格较贵，我们推荐优选前者。

实施例5传热基板为平板、采用定距条为定距器件的多圈套管式换热器

图17是、在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图18是图17的侧示图。在专用的螺纹卷管机上，以中心管21为轴，将定距条(它可以是圆钢或扁钢)30焊在中心管21上，再将传热基板按螺纹升角α螺旋紧密缠绕其上，形成一道螺纹状对接缝隙，将其施焊并经探伤，当确认焊缝质量优良后，就完成了第一圈螺纹焊管。再在第一圈管的外侧焊上定距条30后，继续缠绕笫二圈，依次类推逐圈缠绕直至达到设计要求。当基板宽度B一定时，由于多圈套管的直径由小到大，故各圈的螺纹升角α是变化的。此外，最好使相邻的套管交替采用左旋和右旋螺纹。定距条30有以下功能：1.保持流道的宽度；2.增加基板的强度和提高基板的稳定性，将各圈套管承受的外力，最后都传递到外壳上，因此可显著提高设计压力；3.起到二次换热面的作用。图18显示，两流道都采用这种定距条，它适用于操作压力较高的液-液换热的场合。

实施例6传热基板为平板、一流道设置翅片、另一流道设置定距条的多圈套管式换热器，它适用于气体的加热或冷却。

图19是其在螺纹卷管机上的卷制时的示意图，图20是图19的侧示图。在专用的螺纹卷管机上，以中心管21为轴，在其上缠绕并固定蛇状单头或多头定距条(它可以是圆钢或扁钢)30，再将传热基板按螺纹升角α螺旋紧密缠绕其上，形成一道螺纹状对接缝隙，将其施焊并经探伤，当确认焊缝质量优良后，就完成了第二圈螺纹焊管。再在第二圈管的外侧焊上缠绕翅片31，当翅片的抗压强度较低，为保护和挟持，可设置定距柱29，其高度取翅片高度h的负偏差，当然，当翅片有足够的抗压强度，也可不设置定距柱29，只需设法将翅片固定即可。依次类推逐圈缠绕直至达到设计要求。当基板宽度B一定时，由于多圈套管的直径由小到大，故各圈的螺纹升角α是变化的。这样的结构，适于用于气-液换热的场合。气体走具翅片的流道，液体走具蛇状定距条的流道。蛇状定距条的另一功能是，可延长液体的流程路径长度，以利于进一步降低端部温差。

实施例7一流道不设置定距器件、另一流道设置定距器件的多圈套管式换热器。

它适用于工艺流含有纤维和固体物料(例如，发酵法生产酒精中的工艺流中就含有数量不等的纤维和固体物料，易缠绕在定距柱上，发生堵塞)的场合。

图21是其正剖面示意图，图22是图21的A-A剖视图，图23是图21的B-B剖视图。图中：含有纤维和固体物料的酒精(用实线箭头表示)，从左下的热流体进口16进到左部的配流室34，与之对应的偶数套环流道是开口的，而奇数套环流道则是闭合的，于是含有纤维和固体物料的酒精就进入到偶数套环流道中，由左向右流动，对应的右部的偶数套环也是开口，于是含有纤维和固体物料的酒精流往右部配流室34中，最后由含有纤维和固体物料的酒精由右上部的出口16外排。冷流体(用虚线箭头表示)，从右下的冷流体进口1进到右部的配流室33中，与这配流室对应的奇数套环是开口的，而偶数套环则是闭合的，于是冷流体就由奇数套环由右向左流动，与左部的配流室33对应的奇数套环也是开口的，而偶数套环则也是闭合的，于是冷流体就在左部的配流室33中集中，最后由由左上部的冷流体出口1外排。在冷流体流道中设置定距柱29或定距条。而在含有纤维和固体物料的工艺流道中没有定距柱，所以就避免纤维和固体物料缠绕在定距柱上，发生堵塞的可能。

实施例8传热芯可外抽的多圈套管式换热器

这种结构适用于换热芯所用材料和壳体材料互焊性很差，而换热芯材料又十分昂贵的场合。

图24是其示意图，图25是图24的A向视图，图25是图24的B向视图。换热芯40是可以外抽的，一般是由钛、钽、铌等昂贵金属制成，内部走腐蚀性流体(芯内流)，外壳8、封头19等承压元件用碳钢制成，走非腐蚀性流体(芯外流)，当芯外流具有腐蚀性时，外壳，封头等承压元件仍可用碳钢制成，只需采用成熟的耐腐蚀涂层即可，无需使用昂贵金属材料。为使换热芯40可外抽，在换热芯的进出口管处，采用填料压盖35、压紧螺栓36、填料函37、填料38等，实现可拆卸密封。

Claims (8)

1.一种多圈套管式换热器，是由换热流体的进出口、壳体、封头、中间隔板、多圈套管、封条或配流板、定距器件、翅片、内插物、程间隔板和支撑、结构件等所组成，其特征在于，相邻的两流体的流道为多圈同心相套的环隙，它们是由相套的金属管或螺纹焊管组合而成，依靠封条或配流板，使两换热流体呈逆向流动、换热。

2.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，传热基板可以是平光板，亦可以轧制成形状不同的波纹板。

3.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按热工性能分有普通(基本)型和强化型两种。

4.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按流体流动分有单程和多程两种。

5.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按换热流体的数量分有两股流和多股流两种。

6.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按流道封堵方式分有不可拆卸的封条焊接密封和可拆卸的将传热套管与配流板采用粘合、钎焊、填料压紧密封两种。

7.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按强化传热的方法分有采用各种翅片、内插物和波纹板，波纹形状有斜波、人字波和环波，波的成型在套管卷制前后均可。

8.一种如权利要求1所述的多圈套管式换热器，其特征在于，按换热芯能否从外壳中外抽分，有可外抽与不可外抽两种。

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