CN103575156A - 一种换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管式换热器。结垢问题是换热器工作过程中最常见的问题之一。在煤化工、石油化工装置中，由于物料粘稠、流速低以及物料的非均质特性，结垢问题尤其严重。管壳式换热器在壳程设置螺旋折流板，可以消除流动死区，减少结垢，但是在螺旋折流板与换热管交界的区域仍然存在低流速区域，仍然存在结垢问题。在壳程设置了可以沿换热管往复运动的防结垢刮板的管壳式换热器，在一定程度上解决了换热器的结垢问题，但是换热器内仍保留了固定折流板，结构复杂，仍然留有会结垢的死角。本发明公开了一种管式换热器，其特殊之处是在换热器换热区域的物料流动通道内设置能够在驱动装置驱动下运动的活动螺旋折流板。本发明较彻底地解决了换热器的结垢问题。

Description

一种换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器。

背景技术

结垢问题是换热器工作过程中最常见的问题之一，它可以导致换热效率降低，换热器管路阻塞、及换热器局部过热损坏等不良后果。在煤化工、石油化工装置中，由于物料粘稠、流速低以及物料的非均质特性，结垢问题尤其严重，以至于成为制约高效、稳定、长期、安全生产的瓶颈问题。

换热器产生结垢的原因除物料本身的理化特性本身所决定因素以外，还与换热器的结构有着密切的关系。比如在传统管壳式换热器中，壳程内常采用弓形、圆盘形折流板，折流板与壳体连接处具存在流动“死区”，易结污垢。

专利文件CN1719187A和CN1529113A公开了一种螺旋折流板，分别是连续螺旋和由多个曲面扇形组成的间断螺旋，可以消除流动死区，减少结垢。但是，在螺旋折流板与换热管交界的区域仍然存在低流速区域，仍然存在结垢问题，特别是当通过的物料是含有固体颗粒的浆体物料，比如水煤浆时，由于固体颗粒易于发生沉积，并且固体颗粒还会抑制湍流的形成，因此更加容易发生严重结垢。

专利文件CN101799255A公开了一种在壳程设置了可以沿换热管往复运动的防结垢刮板的管壳式换热器。该技术方案从另外的思路在一定程度上解决了换热器的结垢问题，但是换热器内仍保留了固定折流板，结构复杂，仍然留有会结垢的死角。另外，换热管和刮板之间的磨损可能会造成换热管损坏，使得维修率升高并增加维修成本。

发明内容：

本发明公开了一种管式换热器，其特殊之处是在换热器换热区域的物料流动通道内设置能够在驱动装置驱动下运动的活动螺旋折流板。

所述的管式换热器包括管壳式换热器、套管式换热器、沉浸式蛇形管换热器和喷淋式蛇形管换热器。

所述的物料根据设备的不同应用有时也称为介质。

所述的物料包括由液体、固体和气体及其任意组合而成的各种流体物料或其他具有适当流动性的物料。

所述的流体物料包括由单一均匀相构成的液体、气体和具有适当流动性的固体颗粒物料，包括由固液两相构成的浆体、两种以上不相容的液相构成的乳浊液、由气液两相构成的气液两相流如沸腾液体或汽雾、由气固两相构成的气固两相流如烟尘气、由气固液三相构成的气固液三相流如湿化烟尘气，流体物料，还包括正在彭勃发展的超临界流体。

所述的螺旋式折流板具有连续和不连续两种形式，优选方案是连续螺旋形式。

为了保持螺旋的形态，螺旋折流板可以由一根中央连接杆加强。螺旋直径较大的折流板除中央连接杆以外还可以设置数根的外周连接杆。对于因为空间限制不能设置中央连接杆的情形，也可以只设数个外周连接杆。

根据换热器的形状和种类不同，活动折流板的运动方式包括沿螺旋中轴线方向往复移动和绕螺旋中轴线旋转。

当活动折流板采用沿螺旋中轴线方向移动的方式时，其移动行程应大于等于螺旋的一个圈高。

对于管壳式换热器，所述的物料流动通道包括壳程和管程，当换热器壳程流通的物料易于结垢时，可以在壳程设置活动折流板。当换热器管程流通的物料同样易于结垢时，可以在管程同样设置活动折流板。管程活动折流板通常有多组。

为了区别以上两种折流板，作用于换热器壳程的折流板命名为壳程活动折流板，作用于换热器管程的折流板命名为管程活动折流板。

管程活动折流板的运动方式可以采用沿螺旋中轴线方向往复移动的移动式运动方式，也可以采用绕螺旋中轴线旋转的旋转式运动方式。考虑到同时驱动多个管程活动折流板同时运动的复杂程度和长期运行的可靠性，采用移动式运动方式为优选。多个管程活动折流板由一个连接盘连接各中央杆连接成为一个整体。

若管程活动折流板采用旋转式运动方式，可以考虑用太阳轮或链条齿轮传动方式同步驱动多个管程活动折流板。如果管程通过的是具有易造成磨损的浆体物料，宜将传动部位与物料通过部位相对隔离，并在传动部位设置不易造成传动装置磨损的平衡流体。

由于多根换热管对折流板的限制，壳程活动折流板的运动方式只能采用移动方式。

折流板的驱动装置可以设置在换热器容器外，也可以设置在换热器容器内。为了保证活动折流板的运行的长期可靠并易于检修，折流板的驱动装置优选设置在换热器容器外，驱动装置由穿过容器的贯通连接杆与壳程折活动流板的中央连接杆或连接各管程活动折流板中央连接杆的连接盘的连接。

换热器容器指换热器的外壳，对于管壳式换热器通常包括管壳和封头。

为了保证贯通连接杆与换热器容器之间密闭性，在贯通连接杆与换热器容器之间设置液压动密封。

为了阻止管壳内的固体颗粒在连接部件运动时侵入密封的间隙，在动密封换热器容器内侧设置阻止固体颗粒的过滤圈。

为了进一步长期可靠地阻止换热器容器内的固体颗粒在连接部件运动时侵入密封的间隙，在动密封的换热器容器内侧，过滤圈的外侧设置过渡间隙带，并有意让液压动密封内的高压液体有控制地向换热器容器内侧缓慢泄漏。

为了避免活动折流板和管束管壁或管壳管壁产生直接磨损，在折流板和上述管壁之间留有间隙，工作时，这些间隙中的短路流可以抑制结垢的积聚。

为了避免管束、活动折流板和管壳在重力作用下变形，影响他们之间的配合间隙，换热器采用直立方式，驱动装置位于换热器的上端。

管束有时也称为换热管或热交换管，三个名词在管壳式换热器内含义相同。

由于折流板在换热器内的运动速度不宜太快。实际上，每个循环运动周期从几分钟到几个小时都可以满足消除沉淀和结垢的需要。折流板过快的运动可能造成对换热器和其他配套设备不利的压力波动或压力变化。多种能够提供慢速往复运动的机械驱动装置均可采用，这里优选采用由液压装置驱动移动式壳程折流板和管程折流板的往复运动。

为了使得进入换热器管程的物料分配均匀并防止其沉淀结垢，分配器采用环形管式，并使得输入管以切线方式进入环形管。

为了避免不均匀热膨胀引起的管束变形损坏，热膨胀补偿装置优选采用浮头式热膨胀补偿技术方案。

如换热器长度较长，为避免过长的管束变形造成管束与壳程折流板或管程折流板之间的配合不良，产生摩擦损坏，可以在换热器中间部分设置一个或数个的管束和壳程折流板支撑架，这样壳程折流板被该支撑架分割成不连续的几段，各段之间由中央连接杆和外周连接杆连成一体。

对于管套式换热器，活动螺旋折流板技术方案同样适用，只是位于换热管外的折流板不能设置中央连接杆，而只能采用外周连接杆加强，外周连接杆以两根以上为优选。实际上，套管式换热器也可以看作管程只有一根热交换管的管壳式换热器。管套式换热器换热管两侧的活动螺旋折流板运动方式均可采用移动方式或旋转方式。

对于沉浸式蛇形管换热器和喷淋式蛇形管换热器，可以设置为仅其直管部分作为换热区域，并在直管部分内部设置活动螺旋折流板。

本发明的优点：

活动折流板可以加强换热器管道腔隙内的湍流，并可使得湍流最强烈区域在换热器内周期性地改变，在提高换热效率的同时，可以防止在低速流动区产生结垢。活动折流板更大的作用可以体现在预留的折流板与管道壁之间缝隙处会发生少量的短路物料流，从而造成缝隙处的物料的相对高速流动，对已趋于形成的结垢产生周期性的清除作用，这种清除作用不会造成管壁和折流板的直接机械磨损，以此可以大大延长设备的维修维护周期。另外，如果因为偶然的原因在局部形成了较厚的结垢，在折流板的活动过程中还会对污垢及时机械刮除，防止其累积固结。

另外，该发明对通过螺旋折流板的移动可以避免容易发生分离的非均质物料在通过换热器时产生沉积和因此导致的意外阻塞。

附图说明

附图1为管壳式换热器的局部剖开立体结构示意图

附图2为管壳式换热器局部剖开物料通路立体结构示意图

附图3为管壳式换热器壳程折流板系统立体结构示意图

附图4为管壳式换热器管程折流板系统立体结构示意图

附图5为管壳式换热器环状分流腔局部剖开立体结构示意图

附图6为管壳式换热器封头、挡板和折流板连接杆通道立体剖开示意图

附图7为管壳式换热器折流板连接杆通道密封结构立体剖开示意图

附图8为管壳式换热器换热管导流口立体示意图

附图9为套管式换热器的局部剖开立体结构示意图

附图10为套管式换热器管腔通路剖开立体结构示意图

附图11为套管式换热器外管折流板系统立体结构示意图

附图12为套管式换热器内管折流板系统立体结构示意图

附图13为套管式换热器中央剖面示意图

附图14为套管式换热器外管折流板传动装置剖面示意图

附图15为由三个套管式换热器单元组成的换热器组合

附图16为带有螺旋折流板的喷淋式蛇形管换热器剖开立体结构示意图

附图17为带有螺旋折流板的沉浸式蛇形管换热器剖开立体结构示意图

具体实施方式

实施例1

带有壳程移动螺旋折流板和管程移动螺旋折流板的管壳式换热器。

参见附图1。该装置包括管壳11、挡板12、封头13、换热管14、环形分流器15、壳程移动螺旋折流板组件16、管程移动螺旋折流板组件17、液压动密封组件18等主要组成部分。

其中的管壳11，挡板12，封头13、多根换热管14与现有的普通管壳式换热器的相应部分的组合关系和功能相同，环形分流腔15相当于浮头式管壳换热器的浮头，壳程移动螺旋折流板组件16具有现有的管壳式换热器的螺旋折流板的折流功能，但可以在管壳内移动，管程移动螺旋折流板组件17将所有热交换管内的移动螺旋折流板组合成一个在统一控制下运动的整体。

参见附图1-2。管壳11上设置了壳程进料口111，壳程进料口111以一根短的圆管呈切线方向与管壳内腔连通，且其指向与壳程移动螺旋折流板的螺旋线方向相同。为了减小进料口处物料对局部换热管的冲击磨损，可以设置为管壳进料口处管腔增粗，从而使得物料从四周呈螺旋形进入管腔。壳程出料口112位于管壳下端。管壳下部偏向两侧的各设置一个管程进料口113。

挡板12位于管壳上端，与上方的封头13和下方的管壳11密闭连接，挡板12上设置了多个开孔121，开孔121与换热管14的内腔密闭连通。挡板12的中央部位设置了一个向上延伸的中央管122，中央管122伸出封头上部，并与封头密闭连接。

参见附图8。为了让从挡板开孔121流出的管程物料在挡板12与封头13所围成的汇流腔133内形成旋转流，以防止物料在汇流腔133内产生颗粒沉积或结垢，在开口121的上侧设置定向喷口123，所有定向喷口123一致指向其所在的以挡板中心线124为圆心的同心圆的切线方向。

参见附图2、6和7。封头13位于挡板上方，大致呈半空腔环形，与挡板12围成半环形汇流腔133。封头13外侧设置出料口131，管程出料口131以一根短的圆管呈切线方向与汇流腔133连通。在半环中央部位沿半环轴线方向设置中央管穿孔132，供挡板中央管122穿出并与挡板中央管122密闭连接。在半环上部设置两个连接杆穿通管134，供两个贯通连接杆1802穿过。

参见附图2和3。多根换热管14穿过壳程移动螺旋折流板上的通孔1611，上端通过挡板13和封头内的管程汇流腔133密闭连通，下端和环形分流器15分流腔154密闭连通。

参见附图2和5。环形分流器15位于管壳内腔近下端处，四周与管壳滑动连接。环形分流器15的分流腔154分别与换热管14的管腔密闭连通，并通过两条进料管151与管壳下部偏向两侧的两个管程进料口113密闭连通。进料管为柔性管道，在环形分流器15的外下方与在环形分流器15呈切线方向密闭连通。环形分流器15内腔设置管程折流板稳定架153。环形分流器中央设置壳程折流板稳定架152，壳程折流板稳定架152上设置供物料通过的间隙。沿环形分流器外侧设置多个外侧凸起155，外侧凸起之间的间隔与管壳之间形成可供物料通过的间隙。

参见附图1和3。壳程移动螺旋折流板组件16包括壳程移动螺旋折流板161、中央连接杆162、外周连接杆163。中央连接杆162和外周连接杆163分别在中央和外周部位与壳程移动螺旋折流板161固定连接。中央连接杆162上端与贯通连接杆1801连接，贯通连接杆1801穿过挡板中央管122与管壳外的壳程折流板液压驱动装置连接。中央连接杆162下端与环形分流器15中央的壳程折流板稳定架152滑动连接。壳程移动螺旋折流板162与换热管14及管壳11之间留有一定间隙。该间隙的大小以允许少量物料通过，冲击、抑制污垢凝聚，又不至于影响折流板的折流效果为限。

参见附图1、4和6。管程移动螺旋折流板组件17包括多组管程移动螺旋折流板171及中央加强杆172、连接盘173、贯通连接杆1802。管程移动螺旋折流板171与中央加强杆172固定连接。所有的中央加强杆172上端与连接盘173连接，下端与设置在环形分流器15内腔的管程折流板稳定架153滑动连接。连接盘173通过两个贯通连接杆1802通过连接杆穿通管134与管壳外的管程折流板液压驱动装置连接。

管程移动螺旋折流板组件17中的中央加强杆172与壳程移动螺旋折流板组件16中的中央连接杆162的功能相同，这里采用不同的名称仅仅是为了方便区别称谓。

参见附图1、3、6和7。液压动密封组件18包括过滤圈181、密封帽183、液压泵(未画出)、密封圈185。

滤圈181固定于换热器容器内侧，具体为挡板中央管122或连接杆穿通管134的内侧口处。

密封帽183与挡板中央管122或连接杆穿通管134密闭连通。设置与挡板中央管122或连接杆穿通管134分离的密封帽183是为了便于封头13与挡板12的装配及自身磨损后更换。

液压泵通过连接管1831与密封帽183的密封管1832密闭连通。

密封帽在游离端设置密封圈环槽1832，内容密封圈185，在与挡板中央管122或连接杆穿通管134连接的连接端设置为与贯通连接杆1801或1802紧密配合，在接管1831处设置环形槽1836。

挡板中央管122或连接杆穿通管134的内径较贯通连接杆1801、1802的直径略大，作为动密封的过渡间隙带。

工作时，壳程物料自壳程进料口进入管壳内，沿壳程折流板与管壳形成的螺旋形通道向下到达环形分流器处，沿环形分流器外侧凸起间隔与管壳之间形成的间隙和环形分流器中央的壳程折流板稳定架处的间隙继续向下，从自壳程排料口流出，完成壳程过程。

管程物料从管壳下部两侧的两个管程进料口进入沿环形分流器，分别进入换热管，沿管程折流板与换热管形成的螺旋形通道向上穿过挡板，经定向喷口进入封头内的汇流腔，然后从管程排料口流出，完成管程过程。

上述包括了壳程移动折流板和管程移动折流板的换热器可以适应壳程和管程物料均易于结垢的应用流程。这类应用包括煤直接液化流程中的高温高压催化裂解前后的油煤浆之间的热交换过程，或者褐煤水热脱水流程中高温高压脱水过程前后的水煤浆之间的热交换过程，贵金属湿法高温高压浸出物料的热交换过程。

如果壳程或管程其中一项通过的是不易结垢的物料，则可以将这一侧的移动折流板组件改为固定折流板，如用高压锅热蒸汽加热浆体物料，浆体走管程，蒸汽走壳程，壳程可以改为固定折流板。如果这种不易结垢的物料的热交换过程发生在相变温度范围，则该侧移动折流板组件可以省略，如前例加热介质由过热蒸汽改为饱和蒸汽或超临界水，则壳侧可以不设置折流板。

以上变通在技术上均由该领域的普通技术人员所掌握，无需另行详细叙述。

实施例2

带有外管活动螺旋折流板和内管活动螺旋折流板的管套式换热器。

参见附图9。该装置每个功能单位包括外管21、内管22、U形肘管23、外管活动螺旋折流板组件、内管活动螺旋折流板组件、驱动组件、液压密封组件等主要组成部分。

参见附图10。外管内分为3个腔：传动腔211、热交换腔212和平衡腔213。传动腔设置了蜗轴贯通孔2111和液压输入孔2112。平衡腔213设置了液压输入孔2132。

参见附图10和11。传动腔211、热交换腔212和平衡腔213之间由两组隔离盘273隔离板274分隔开来。

参见附图10。内管贯穿外管的3个腔，两端与U形肘管密闭连通，肘管与内管连接处附近设置内管折流板传动贯通孔231。

参见附图11。外管活动螺旋折流板组件包括外管活动螺旋折流板241、4根折流板连接杆242、两个外管折流板连接器243。

参见附图12。内管活动螺旋折流板组件包括括内管活动螺旋折流板251、1根折流板中央杆252。

参见附图9、11和14。驱动组件包括位于外管传动腔内的驱动涡轮261、驱动蜗杆262和位于平衡腔内的平衡节263，驱动涡轮261和平衡节263内设置了各自的半推力轴承2611和2631，位于内管的折流板中央杆252贯穿内管两端连通的U形肘管的传动贯通孔231。

参见附图9、10、13和14。液压密封组件包括液压泵(未画出)、连通液压泵与各液压密封腔的连通管(未画出)，隔离液体输入口2112，隔离传动腔211与热交换腔212以及热交换腔212与平衡腔213的两组隔离盘273隔离板274，隔离盘273与隔离板274之间设置有密封毡片，隔离盘273与外管传动腔211内的传动涡轮固定连接，隔离盘273通过外管折流板连接器243与折流板连接杆242连接。

参见附图11。换热器工作时驱动外管活动螺旋折流板组件运动的动力的传递过程是外接动力——驱动蜗杆262——驱动涡轮261——隔离盘273——外管折流板连接器243——折流板连接杆242——外管活动螺旋折流板241。

U形肘管的传动贯通孔231与折流板中央杆252之间设置液压动密封，其结构与实施例1的中央管及密封帽内的液压动密封结构相似，不同之处是因其运动方式为旋转运动，不存在折流板中央杆252运动中会将颗粒带入密封间隙的问题，故无需设定过渡间隙带。

隔离传动腔、平衡腔和U形肘管的传动贯通孔处的密封腔内由高压泵经隔离液体输入口向其中泵入隔离密封液，具体液体可以使用与浆体物料内的液体成分相同的液体，也可以使用其它具有润滑作用，同时进入物料中不会对物料造成不良影响的液体。

内套管和外套管物料通过的方向相反，使其热交换为逆流热交换。同时，内套管和外套管活动螺旋折流板的旋转方向最好设置为可以推动物料前进的方向。虽然活动螺旋折流板低速旋转时对物料的推动作用不大，但仍需考虑其潜在的影响。

上面描述的是带有外管活动螺旋折流板和内管活动螺旋折流板的管套式换热器的一个工作单位。参见附图15，多个工作单位可以串联起来使用，可以增大换热面积并提高换热能力。

实施例3

参见附图16，带有螺旋折流板的喷淋式蛇形管换热器。

包括液体喷淋装置31、换热管32和移动螺旋折流板组件。

工作时喷淋装置31在换热器向换热管32的直管部位喷淋冷却液或加温液311。被加热或冷却的流体物料从换热管32下口321流入，上口322流出。移动螺旋折流板组件中的螺旋折流板331经由穿过换热管管壁的中央连接杆332的连接在外接往复运动驱动装置的驱动下作往复运动。

与普通喷淋式蛇形管换热器相比较，带有螺旋折流板的喷淋式蛇形管换热器可以防止换热管腔内结垢和提高换热效率。

实施例4

参见附图17，带有螺旋折流板的沉浸式蛇形管换热器。

包括冷却液体容器41、换热管42和旋转螺旋折流板组件。

工作时冷却液从液体容器41下部的进液管411流入，从液体容器41上部的排液管412流出。被冷却的流体物料从换热管42上口流入421，下口422流出。旋转螺旋折流板组件中的螺旋折流板431经由穿过换热管管壁的中央连接杆432的连接在外接旋转驱动装置的驱动下作旋转运动。

如果该换热器用于加热换热管内的流体物料，则液体容器和换热管的进、出口位置各自对调即可。

与普通沉浸式蛇形管换热器相比较，带有螺旋折流板的喷淋管式换热器可以防止换热管腔内结垢和提高换热效率。另外，旋转螺旋折流板还有附加的推动换热管内流体物料流动的作用。

根据实际需要，实施例3和实施例4所用的螺旋折流板的驱动方式可以互换。

Claims (15)

1.一种管式换热器，包括管壳式换热器、套管式换热器、蛇形管换热器和喷淋管式换热器，其特征是在换热器换热区域的物料流动通道内设置能够在折流板驱动装置驱动下运动的活动螺旋折流板。

2.如权利要求1所述的管式换热器，其特征是所述的螺旋式折流板的螺旋为连续螺旋。

3.如权利要求2所述的管式换热器，具体为管壳式换热器，所述的物料流动通道包括壳程和管程，其特征是在壳程和管程均设置活动折流板，分别称之为壳程活动折流板和管程活动折流板，管程活动折流板有多组，壳程活动折流板和管程活动折流板均由一根中央连接杆加强。

4.如权利要求3所述的管式换热器，其特征是多个管程活动折流板通过中央连接杆由一个连接盘连接为一体，所述壳程活动折流板和管程活动折流板的运动方式均为沿螺旋中轴线方向往复移动。

5.如权利要求3所述的管式换热器，其特征是所述壳程活动折流板的运动方式为沿螺旋中轴线方向往复移动，所述管程活动折流板的运动方式为绕螺旋中轴线旋转，用太阳轮或链条齿轮传动方式驱动多个管程活动折流板同步旋转。

6.如权利要求4所述的管式换热器，其特征是，所述折流板驱动装置设置在管壳外，折流板驱动装置由穿过管壳的贯通连接杆与壳程活动折流板的中央连接杆或连接各管程活动折流板中央连接杆的连接盘连接起来。

7.如权利要求6所述的管式换热器，其特征是在贯通连接杆与管壳之间设置液压动密封。

8.如权利要求7所述的管式换热器，其特征是在动密封管壳内侧设置阻止固体颗粒的密封填料。 

9.如权利要求8所述的管式换热器，其特征是在动密封的管壳内侧，密封填料的外侧设置过渡间隙带，并让液压动密封内的高压液体有控制地向管壳内侧泄漏。

10.如权利要求1所述的管式换热器，其特征是在折流板和换热管的管壁之间留有间隙。

11.如权利要求6所述的管式换热器，其特征是换热器采用直立方式，驱动装置位于换热器的上端。

12.如权利要求11所述的管式换热器，其特征是移动式壳程折流板和管程折流板由液压装置驱动。

13.如权利要求3所述的管式换热器，其特征是热膨胀补偿装置采用浮头式热膨胀补偿技术方案，管程物料均匀分流采用环形管式分配器实现，分配器输入管以切线方向进入环形管。

14.如权利要求3所述的管式换热器，其特征是在换热器中间部分设置一个或数个的管束和壳程折流板支撑架，壳程折流板被该支撑架分割成不连续的几段，各段之间由中央连接杆和辅助连接杆连成一体。

15.如权利要求2所述的管式换热器，其特征是所述管式换热器具体为套管式换热器，所述的活动折流板的运动方式为沿螺旋中轴线方向往复移动或绕螺旋中轴线旋转。 

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