CN1900648B - 具有内部折流板和用于折流板的外部旁路的换热器 - Google Patents

Abstract

一种管壳式换热器，它具有至少一块折流板，以支撑换热器壳体内的管道，其中折流板与壳体内壁沿弧线的大部分相交。折流板具有旁路，至少一部分流进壳体和经过该折流板的流体经过该旁路。该旁路至少一部分位于壳体外部。流体通过旁路的这种流动减少了通过换热器的压降，并且在某种程度上，也减少了接近折流板处导致流体流动停滞的部位。

Description

具有内部折流板和用于折流板的外部旁路的换热器

背景技术

在一些生产过程中，换热器用于在过程中使用的第一流体流和第二流体流之间传递热量。这种换热器的一种常见类型叫做管壳式换热器。管壳式换热器(STHE)具有带第一和第二端部的圆筒形壳体。轴线在第一和第二壳体端部之间延伸。壳体内的多根管道几乎沿着整个长度方向延伸。大型的工业STHE可以有几千根管道，其中每根管道在壳体内与那些相邻的管道径向地移置开，以允许流体在单个管道之间径向地流动以及沿着壳体的轴线轴向地流动。

一种STHE包括其内带有第一入口的第一端板。第一端板通过例如端板边缘和壳体第一端部边缘之间连续的焊缝，密封于壳体的第一端部。带有第一出口的第二端板采用相同的方法密封壳体的第二端部。

与第一端板间隔开的第一管板，与第一端板以及相邻的壳体壁一起，形成第一增压空间，或者简称为第一增压室。管道的相邻端部全部穿过管板，并向第一增压室敞开。管道的外壁密封于第一管板，以将第一增压室与壳体内的剩余空间隔离。第一增压室在第一入口接收第一流体流，并将第一流体流分配给第一增压室内各个管道的敞开端。第一入口也可以设置在第一端板和第一管板之间的壳体内。

与第二端板间隔开的第二管板，与第二端板以及相邻的壳体壁一起，形成第二增压空间(第二增压室)。管道的相邻端部全部穿过第二管板。管道的外壁密封于第二管板，以将第二增压室与管板间的空间隔离。第二增压室将来自各个管道第一流体流引导至第一出口。第一出口也可以设置在第二端板和第二管板之间的壳体内。

第二入口布置在两管板之间的壳体内，邻近第一管板或第二管板中的任何一个。第二出口布置在两管板之间的壳体内，邻近另一个管板。第二入口接收第二流体流，该第二流体流横向穿过管道到达第二出口。

因为管道通常很长并具有相对薄的壁面，所以常常需要横向支撑件来防止STHE操作中管道的弯曲或振动。这个问题一般通过在管板之间设置多个由金属板制成的折流板来解决。每块折流板几乎垂直于轴线延伸。每块折流板预制出很多通孔，使管道从这些通孔中穿过，从而为管道提供横向的支撑。通过焊接将折流板固定在轴向位置，以支撑沿轴向穿过壳体延伸的杆，或者支撑壳体本身。典型的STHE中，根据STHE长度的不同，可以有一至十二个或者更多的折流板。如果STHE相对较短，也可以不需要折流板。在具有薄壁管道的长STHE中，折流板可以设置成相互间距例如六英寸。

折流板外缘的一部分一般靠近壳体内部。在其他情况下，折流板可以通过径向延伸的臂或者辐条设置在壳体中心处，或者通过支撑杆固定。

通常每块折流板被至少一半但基本上少于全部的管道穿透。相邻折流板一般设置成从壳体的相对侧面向外突出，从而使从第二入口流至第二出口的流体具有穿过壳体内部稍微迂回的路线。折流板还确保将第二流体流的流动导向大部分管道的至少一部分长度。

有些STHE可以具有串联的管道，这样进入特定管道的流体流，可以横穿过壳体长度两次、三次或者更多次。当流体横穿壳体偶数次时，两个增压室通常设在壳体的同一端。这些变形对于那些熟悉技术的人来说都是非常常见的。下述的本发明很容易适用于任何的这些设计。

STHE的传统设计中存在一些问题。第二流体流在第二入口和第二出口之间有时会出现很大的压降。这种压降主要是由于流体必须经过折流板周围的迂回路线产生的。这种很大的压降需要更大容量的泵或风机。这就使得在某些情况下希望降低经过STHE的压降。

第二，在折流板与壳体内表面相交的地方折流板出现停滞点。这导致第一和第二流体流换热效率的降低。

发明内容

本发明是对一种换热器的改进，该换热器具有带轴线的圆筒形壳体；设置在壳体内并且基本上沿壳体长度方向延伸的多根管道；和至少一块板状折流板，该折流板与壳体内壁沿着预选弧线相交，并基本上横向于壳体轴线延伸。管道穿过支撑着该管道的折流板。折流板只遮住部分壳体横截面。

改进措施包括至少一个流体旁路，该旁路至少部分地设在壳体外部，并且在折流板的两侧与壳体的内部流体连通，并允许流体横穿过折流板流动。

附图说明

图1是本换热器的正视及侧视图。

图2是旁路的优选实施例。

具体实施方式

图1右侧为管壳式换热器(STHE)10的侧视图。图1的侧视图表示换热器10的壳体20，好像面对观察者的壳体20的一侧是透明的一样。

图1的左侧为换热器10的端视投影图。该端视图是上述侧视图中换热器10的剖面I，由此允许观察者可以看到换热器10的内部构造。

如图1所示，STHE 10具有非常简单的构造。本发明适用于任何带有径向延伸折流板的STHE，其中折流板沿着大于一小夹角的角度与壳体20内壁相交。在这里，所述“相交”是指至多也只能有几乎可忽略的流体能够在该夹角以内从折流板和壳体20之间流过。

在理解本发明时，应同时参考图1的两幅图。端视图表示两种流体流中的第一流体流在其中流过的大量管道30。侧视图表示围绕其外缘部分与壳体20端部连接以形成流体密封的第一端板36。在典型的换热器设计中，管道30可以占壳体20横截面积的10-20％。

管道30可以设计成穿过第一管板38突出一小段距离，或者可以基本上与第一管板38齐平，该第一管板38与第一端板36间隔一定的距离。管板38通过例如碾压法，与每根管道30的外壁形成密封。板38的外缘与壳体20的内表面之间通过例如焊接的方法，形成流体密封。

第一流体流通过第一端板36上的第一入口33流入入口增压室50，该入口增压室50由第一端板36、第一管板38、以及板36和38之间的一部分壳体20共同形成。(为了将图1在一页纸中显示，图1所示的增压室50比优选的小。)然后第一流体流从增压室50流入管道30。

第一流体经过管道30流入出口增压室51，该增压室51由第二端板44、第二管板27、以及板27和44之间的一部分壳体20共同形成。第二管板44与每根管道30的外壁形成密封。板44的外缘与壳体20的内表面形成流体密封。

随后第一流体流通过第二端板44上的第一出口47流出。根据应用场合的特殊需要，流体流向也可以与上述相反，改为从出口47流至入口33。

第二流体流由第二入口13流入壳体20，并且经壳体20流到第二出口41。壳体20中的粗箭头大体示出第二流体流的流动路线。在第二流体流从入口13到出口41的流动过程中，第一和第二流体流进行热交换。

因为相对直径而言，管道30非常长，所以在很多设计中都必须考虑使用折流板24-26来横向支撑管道30。折流板24-26与壳体20的内壁相交(相关定义见上)，并与壳体20的内壁通过如焊接等方法牢固地连接。管道30穿过在各个折流板24-26上钻出或冲出的对准的孔。一般来说，折流板24-26与管道30之间无需流体密封。而且折流板24-26与壳体20的内壁之间也无需流体密封。

如果折流板24-26遮住壳体20的整个横截面，显然极少或没有流体能够从第二入口13流到第二出口41。因此，每块折流板24-26可以遮住小于壳体20横截面的50％-75％之间的任何位置。如图所示，折流板24具有边缘24a，该边缘24a形成壳体20圆形横截面的弦。实际上可以比较任意地选择该非支撑边缘的形状，但是直线形的边缘24a易于形成。

为给所有的管道30提供支撑，并同时允许第二流体流从第二入口13流到第二出口41，如图2的侧视图所示，折流板24-26交替地从相反方向伸出。在图1所示的实施例中，部分管道30只被折流板25在中间位置支撑一次。设置在中间位置的部分管道30被所有的三块折流板24-26支撑。另外部分的管道30被两块折流板24和26支撑。

根据换热器10的长度，可能需要超过三块的折流板24-26。但是，一般在给予管道30充分支撑的情况下，最好尽少地设置折流板。这是由于折流板24-26导致第二流体流流过大体迂回的路线。如前所述，这种通过管道30曲折的迂回路线造成第二入口13和第二出口41之间的大幅度压降。

优选地设置最少数量的折流板24-26，也是因为靠近每块折流板24-26与壳体20内壁之间相交线的区域被停滞的流体占据。这些区域是停滞的，因为这些区域的压降小到无法使流体流出这些区域。

压降问题和停滞流体问题都可以通过增加旁路16得到一定程度的缓解，所述旁路16设在折流板24-26的外缘周围、与壳体20内壁相接的部位。优选地，旁路16占据壳体20外部的空间，以便为邻近该特定旁路16的每个管道30提供横向支撑。每条旁路16内以及每个折流板边缘24a周围等处的粗箭头，显示了第二流体流的流动路径。

优选地，旁路16位于壳体20的外部，使得通过旁路16的整个流动路径位于壳体20外部。该特征使得整个壳体20内充满管道30，且每根管道30都尽可能多地得到折流板24-26的支撑。当然，也可以为折流板24-26设置内部或部分内部的旁路，但是这会导致壳体20内部空间低效地使用，并且目前来看并不是优选方案。旁路16的至少一部分应当设置在壳体20外部。

在一种方案中，旁路16包括从壳体20上向外突出并与之密封的盒体。旁路16和壳体20间的密封结构可以包括焊接封口或螺钉，而不是将具有垫圈的法兰紧压壳体20的外表面。

如果折流板24-26只有一个旁路16，那么该旁路最好的位置是相对于折流板边缘24a基本上直径向地设置。因此，如图1的两幅图所示，折流板24的旁路16与边缘24a直径向地相对。

为改进管壳式换热器10的性能，典型的旁路16通常只需要占壳体20横截面积的3％。这种旁路16可以通过第二流体流总流量的10％。这种估计是有道理的，因为相邻旁路16之间以及在相邻旁路间延伸的管道30之间的流动面积，通常比壳体20的横截面积小得多。因为通过旁路16的流动基本上不受阻碍，所以通过一条旁路16的流量，比壳体20内部相同横截面积通过的流量大得多。

在一个特别的商业用STHE 10中，该STHE具有8英尺直径的壳体20，在壳体20上其覆盖面积为1英尺×2英尺、并且从壳体20向外突出1英尺的旁路16，就足以得到第二流体流的典型流速。

优选的实施例中，每块折流板24可以具有一条以上的旁路。如图1的端视图所示，旁路24的外缘周围还具有附加的旁路16a和16b。附加的旁路16a和16b减少了折流板24外缘的停滞面积。当然，折流板25和26的每一个也可以设置一个以上的旁路16。

折流板16可以具有一个调节板17，操作员可以通过该调节板来控制通过特定折流板16的流量。在某些情况下，通过控制通过某特定折流板16的流体流相对于通过其他折流板16的流体流量，可使换热量最大化。在另一些情况下，当形成第二流体流的流体处于一选择流速，STHE10达到最佳工作效率。第二流体流的流速也会影响通过每个折流板16的流体流速。

图2表示折流板16另外的特征。一旦STHE 10设置了旁路16，则很容易为折流板16增加通道门59。门59可以具有铰链57以及门闩或锁54。这样的门59允许通向邻近的折流板24-26，以进行清洗及其他形式的维护。图1中STHE10的每个折流板16都可以很方便地设置这样一个通道门59。

Claims (15)

1.一种换热器，该换热器具有带轴线的圆筒形壳体；设置在壳体内并基本上沿壳体的长度方向延伸的多根管道；和至少一块板状折流板，所述折流板与壳体内壁沿预选弧线相交，并基本上横向于壳体轴线延伸，管道穿过支撑该管道的所述折流板，折流板只遮住壳体横截面的一部分，其中，改进措施包括至少部分地设在壳体外部的至少一个流体旁路，所述至少一个流体旁路在折流板的两侧上与壳体的内部流体连通，并允许流体横穿过折流板流动。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，包括与壳体内壁相交的多块折流板，其中每块折流板具有至少一个旁路。

3.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，至少一个折流板具有多个旁路。

4.如权利要求3所述的换热器，其特征在于，至少一个折流板旁路具有允许通向壳体内部的通道门。

5.如权利要求4所述的换热器，其特征在于，每块折流板都具有至少一个带通道门的旁路。

6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，旁路包括从壳体上向外突出并且与之密封的一个盒体。

7.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述盒体具有带通道门的外表面。

8.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述盒体包括内部的调节板，用于调节通过该盒体的流体流量。

9.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，该换热器还包括：第一入口和第一出口，所述第一入口与靠近第一管道的第一端的壳体连通，所述第一出口靠近第一管道的第二端；并且其中换热器还包括位于第一入口和第一出口之间的第一折流板，以及其中换热器还包括第一折流板周围的多个旁路。

10.如权利要求9所述的换热器，其特征在于，第一折流板具有一个没有被壳体支撑并与壳体间隔开的边缘，其中至少一个旁路相对于该第一折流板边缘基本上直径向地设置在壳体上。

11.如权利要求10所述的换热器，其特征在于，包括用于第一折流板的至少三个旁路。

12.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述至少一块板状折流板具有一个没有被壳体支撑并与壳体间隔开的边缘，其中一个旁路相对于所述至少一块板状折流板的没有被壳体支撑并与壳体间隔开的边缘基本上直径向地设置在壳体上。

13.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，包括用于所述至少一块板状折流板的至少三个旁路。

14.如权利要求13所述的换热器，其特征在于，至少一个旁路完全位于壳体外部。

15.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，旁路完全位于壳体外部。