CN209926932U - 高温高压换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高温高压换热器，包括壳体及分别设于壳体前、后两端的前、后端封头盖，壳体内有设传热管，传热管的前、后两端分别连接固定管板、浮动管板；固定管板固定于前端封头盖内，前端封头盖前端设有传热介质进口；浮动管板连接浮头盖，浮头盖设于后端封头盖内，浮头盖后端设有传热介质出口管，传热介质出口管与后端封头盖上的传热介质出口联通；壳体两端分别设有工质进、出口；壳体及后端封头盖内侧设有隔热罩，壳体及后端封头盖内壁与隔热罩之间形成冷却腔，壳体上设有冷却工质进口。本实用新型的换热器可用于加热工质至750℃以上，同时可承受30MPa等级的工质压力，在外压作用下失稳变形时不易发生破裂，安全性高。

Description

高温高压换热器

技术领域

本实用新型涉及一种高温高压换热器，属于换热器技术领域。

背景技术

国内外的热力发电行业正在研究更高温度参数的发电机组。燃煤汽轮发电机组的初参数已超过600℃等级，750℃等级的机组已取得技术突破。新型的超临界二氧化碳循环发电机组也在广泛研究之中，美国的Sunshot计划采用温度参数为700℃以上的超临界二氧化碳循环作为聚光太阳能热发电机组的热电转换装置。提高温度参数可使发电机组的效率提高，特别是超临界二氧化碳循环，当温度超过750℃时，这种效率提升的潜力巨大，且可使超临界二氧化碳循环的效率显著超过同参数的汽轮发电机组。无论何种热力发电方式，其中都需要可以承受高温高压的换热器，以将高温热源的热量传递给工质，使工质达到所需要的参数，此时换热器的受热面材料可能承受800℃以上的高温，并且还要考虑高达30MPa以上的工质压力作用。

常规的换热器设计中，高压工质在传热管内流动，低压传热介质(热源)在传热管外流动，当传热管采用金属制作时，金属温度超过700℃，就需要采用高等级的材料(如：镍基合金)，进一步提高金属温度至800℃，金属材料将不能胜任，需要采用陶瓷或陶瓷复合材料，但是这些材料还在研发中，离应用尚早。由此看来，按照常规换热器的设计，提高选用材料的等级来应对温度参数提升的技术路线有很大的局限性，并且经济性也不好。

上述情况的核心问题在于传热管，需要改变传热管的常规设计，并且调整换热器的结构，从而实现在现有的、成熟的、经济性较好的材料的基础上，制作此类高温高压的换热器。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：如何较经济地实现适用于750℃/30MPa及以上参数等级热力发电机组的高温高压换热器。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种高温高压换热器，包括壳体及分别设于壳体前、后两端的前端封头盖、后端封头盖，壳体内有设传热管，传热管的前、后两端分别连接固定管板、浮动管板；固定管板固定于前端封头盖内，前端封头盖前端设有传热介质进口；浮动管板连接浮头盖，浮头盖设于后端封头盖内，浮头盖后端设有传热介质出口管，传热介质出口管与后端封头盖上的传热介质出口联通；

壳体一端设有工质进口，另一端设有工质出口；壳体及后端封头盖内侧设有隔热罩，壳体及后端封头盖内壁与所述隔热罩之间形成冷却腔，壳体上设有便于冷却工质进入所述冷却腔的冷却工质进口。

优选地，所述后端封头盖内侧的隔热罩设于浮头盖与后端封头盖之间，隔热罩后端为自由端，该自由端与传热介质出口管之间设有间隙；隔热罩与浮动管板之间设有间隙。

优选地，所述隔热罩包括底板，底板上贴有隔热层，底板和隔热层上分布有通气孔；底板设于靠近壳体及后端封头盖内壁的一侧。

优选地，所述固定管板上设有固定管板冷却流道，浮动管板上设有浮动管板冷却流道。

优选地，所述传热管包括金属管和设于金属管内的陶瓷支撑件，陶瓷支撑件与金属管内壁贴合，陶瓷支撑件内设有多个传热介质流通通道。

优选地，所述固定管板上设有多个固定管板传热介质流通孔，固定管板传热介质流通孔与传热管的陶瓷支撑件内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接；

所述浮动管板上设有多个浮动管板传热介质流通孔，浮动管板传热介质流通孔与传热管的陶瓷支撑件内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接。

优选地，所述壳体、固定管板、浮动管板采用合金钢或不锈钢制作，所述传热管的金属管采用不锈钢或高温合金制作；所述传热管的金属管外壁设有用于强化传热的扩展表面。

优选地，所述壳体外径为2m以内；所述传热管的金属管的外径为20～80mm，所述传热管的金属管的壁厚为5mm以内。

优选地，所述陶瓷支撑件包括许多个陶瓷支撑件相互串接，陶瓷支撑件设有定位结构，以确保陶瓷支撑件之间的传热介质流通通道互相连通。

优选地，所述传热管的陶瓷支撑件采用碳化硅或其他高温结构陶瓷材料制作。

优选地，所述壳体及前端封头盖、后端封头盖外表面均设有保温层与环境隔绝，以减少热损失。

上述的高温高压换热器使用时：相对低压的传热介质从传热介质进口进入前端封头盖，再进入传热管内，将热量传递给传热管外的工质，然后传热介质进入浮头盖，再经传热介质出口管，最后从传热介质出口排出；

相对高压的工质从工质进口进入壳体，再经传热管吸收热量，最后从工质出口排出；

压力高于工质进口处进入的工质的冷却工质从冷却工质进口进入壳体与隔热罩之间的冷却腔，并沿着冷却腔流动吸收隔热罩释放的热量；再经后端封头盖与隔热罩之间的冷却腔，并吸收隔热罩释放的热量；再经传热介质出口管外壁，冷却传热介质出口管；再经隔热罩与浮头盖外壁间的空腔，最后经浮动管板四周进入传热管管束区域，一部分冷却工质也从隔热罩上设置的通气孔进入传热管管束区域；

运行过程中，传热管管束的热膨胀与壳体的热膨胀差异由传热介质出口管上设置的膨胀节补偿；固定管板的固定管板冷却流道和浮动管板的浮动管板冷却流道中通入冷却介质进行冷却。

优选地，所述冷却工质从机组高压回路中较低温度段抽取。

与现有技术相比，本实用新型提供的高温高压换热器具有如下有益效果：

1、本实用新型的换热器可用于加热工质至750℃以上，同时可承受30MPa等级的工质压力。

2、本实用新型的换热器可以采用现有的耐热金属和陶瓷材料制作，不需要新型镍基合金材料或陶瓷材料，材料成本可控。

3、本实用新型的换热器热应力小，壳体与传热管的热膨胀差异的作用力通过膨胀节补偿，陶瓷支撑件的热应力通过陶瓷支撑件分成许多小段串接来消除。

4、本实用新型的换热器的传热管束纵向承受的工质压力远小于常规浮头式设计。

5、本实用新型的换热器中传热管在外压作用下失稳变形时不易发生破裂，有利于提高安全性。

附图说明

图1为本实施例提供的高温高压换热器的示意图；

图2为传热管主视图；

图3为传热管俯视图；

图4为隔热罩结构示意图；

图5为本实施例提供的高温高压换热器应用于超临界二氧化碳循环聚光太阳能热发电装置示意图；

附图标记说明：

1-壳体，2-传热管，3-固定管板，4-浮动管板，5-前端封头盖，6-浮头盖，7-后端封头盖，8-传热介质进口，9-传热介质出口管，10-传热介质出口，11-膨胀节，12-工质进口，13-工质出口，14-隔热罩，15-冷却工质进口，16-固定管板冷却流道，17-浮动管板冷却流道，21-金属管，22-陶瓷支撑件，141-底板，142-隔热层，143-通气孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

图1为本实施例提供的高温高压换热器的示意图，所述的高温高压换热器包括壳体1，壳体1内有传热管2的管束，传热管2一端连接固定管板3，另一端连接浮动管板4，固定管板3连接前端封头盖5，浮动管板4连接浮头盖6。壳体1一端连接固定管板3，另一端连接后端封头盖7。前端封头盖5设有传热介质进口8，浮头盖6与后端封头盖7通过传热介质出口管9连接，传热介质出口管9与后端封头盖7上的传热介质出口10联通，传热介质出口管9上设有膨胀节11。壳体1一端设有工质进口12，另一端设有工质出口13。壳体1及后端封头盖7内壁设有隔热罩14，壳体1及后端封头盖7内壁与隔热罩14之间形成冷却腔，壳体1上设有便于冷却工质进入所述冷却腔的冷却工质进口15。

结合图2和图3，传热管2包括外层的金属管21和金属管21内的陶瓷支撑件22，陶瓷支撑件22内设有多个传热介质流通通道，陶瓷支撑件22与金属管21内壁贴合。采用许多个陶瓷支撑件22相互串接，陶瓷支撑件22设有定位结构，以确保陶瓷支撑件22之间的传热介质流通通道互相连通。

结合图4，隔热罩14包括底板141，底板上贴有隔热层142，底板141和隔热层142上分布有通气孔143。

固定管板3上开有多个固定管板传热介质流通孔，固定管板传热介质流通孔与传热管2的陶瓷支撑件22内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接。固定管板3上还设有固定管板冷却流道16。

浮动管板4上也开有多个浮动管板传热介质流通孔，浮动管板传热介质流通孔与传热管2的陶瓷支撑件22内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接。浮动管板4上还设有浮动管板冷却流道17。

如图5所示，上述高温高压换热器可用于聚光太阳能热发电装置的超临界二氧化碳循环的高温加热器，其具体实施步骤如下：

温度约为820℃的传热介质(如：熔盐)，从高温高压换热器的传热介质进口8进入前端封头盖5，再通过传热管2将热量传递给传热管2外的工质，温度降为约620℃，再进入浮头盖6，再经传热介质出口管9，最后从传热介质出口10排出。

高压的工质(二氧化碳)，温度约580℃，压力约30MPa，从高温高压换热器的工质进口12进入壳体1，与传热管2外壁换热，吸收热量，达到约800℃，最后从工质出口13排出，温度约620℃，压力约7.5MPa。

高压的冷却工质(从低温回热器高压侧出口抽取一股二氧化碳)从高温高压换热器的冷却工质进口15进入壳体1与隔热罩底板141之间的冷却腔，并沿着冷却腔流动吸收隔热罩14释放的热量，再经后端封头盖7与隔热罩底板141之间的冷却腔并吸收隔热罩14释放的热量，再经传热介质出口管9外壁，冷却传热介质出口管9和膨胀节11，再经隔热罩14与浮头盖6外壁间的空腔，最后经浮动管板4四周进入传热管2管束区域，一部分冷却工质也从隔热罩14上的通气孔143进入传热管2管束区域。

运行过程中，壳体1处于450℃以下的温度，并承受工质的高压(内压)，传热管2处于高温和高压(外压)作用，在陶瓷支撑件22的作用下金属管21可承受管外压力。传热管2管束的热膨胀与壳体1的热膨胀差异由膨胀节9补偿。固定管板冷却流道16和浮动管板冷却流道17中通入冷却介质(从主压缩机出口抽取一小股二氧化碳)，冷却固定管板3和浮动管板4至450℃以下的温度。

根据上述实施例，高压工质可被加热至800℃的高温，满足高参数的超临界二氧化碳循环机组的要求，从而提高热力循环效率至55％以上。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高温高压换热器，其特征在于：包括壳体(1)及分别设于壳体(1)前、后两端的前端封头盖(5)、后端封头盖(7)，壳体(1)内有设传热管(2)，传热管(2)的前、后两端分别连接固定管板(3)、浮动管板(4)；固定管板(3)固定于前端封头盖(5)内，前端封头盖(5)前端设有传热介质进口(8)；浮动管板(4)连接浮头盖(6)，浮头盖(6)设于后端封头盖(7)内，浮头盖(6)后端设有传热介质出口管(9)，传热介质出口管(9)与后端封头盖(7)上的传热介质出口(10)联通；传热介质出口管(9)上设有膨胀节(11)；

壳体(1)一端设有工质进口(12)，另一端设有工质出口(13)；壳体(1)及后端封头盖(7)内侧设有隔热罩(14)，壳体(1)及后端封头盖(7)内壁与所述隔热罩(14)之间形成冷却腔，壳体(1)上设有便于冷却工质进入所述冷却腔的冷却工质进口(15)。

2.如权利要求1所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述后端封头盖(7)内侧的隔热罩(14)设于浮头盖(6)与后端封头盖(7)之间，隔热罩(14)后端为自由端，该自由端与传热介质出口管(9)之间设有间隙；隔热罩(14)与浮动管板(4)之间设有间隙。

3.如权利要求1或2所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述隔热罩(14)包括底板(141)，底板(141)上贴有隔热层(142)，底板(141)和隔热层(142)上分布有通气孔(143)；底板(141)设于靠近壳体(1)及后端封头盖(7)内壁的一侧。

4.如权利要求1所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述固定管板(3)上设有固定管板冷却流道(16)，浮动管板(4)上设有浮动管板冷却流道(17)。

5.如权利要求1所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述传热管(2)包括金属管(21)和设于金属管(21)内的陶瓷支撑件(22)，陶瓷支撑件(22)与金属管(21)内壁贴合，陶瓷支撑件(22)内设有多个传热介质流通通道。

6.如权利要求5所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述固定管板(3)上设有多个固定管板传热介质流通孔，固定管板传热介质流通孔与传热管(2)的陶瓷支撑件(22)内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接。

7.如权利要求5所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述浮动管板(4)上设有多个浮动管板传热介质流通孔，浮动管板传热介质流通孔与传热管(2)的陶瓷支撑件(22)内的传热介质流通通道一一对应，贯通连接。

8.如权利要求5所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述壳体(1)、固定管板(3)、浮动管板(4)采用合金钢或不锈钢制作，所述传热管(2)的金属管(21)采用不锈钢或高温合金制作；所述传热管(2)的金属管(21)外壁设有用于强化传热的扩展表面。

9.如权利要求5所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述壳体(1)外径为2m以内；所述传热管(2)的金属管(21)的外径为20～80mm，所述传热管(2)的金属管(21)的壁厚为5mm以内。

10.如权利要求5所述的一种高温高压换热器，其特征在于：所述壳体(1)及前端封头盖(5)、后端封头盖(7)外表面均设有保温层。

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