CN101216263A - 一种管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管壳式换热器，包括按常规数量和方法装配的外壳、封头、管板、换热管、折流板、拉杆和管箱，其特征在于所述管板的中心开有阶梯形圆孔，阶梯形圆孔的大直径处带有内螺纹，小直径处与所述换热管的直径相匹配；与所述阶梯形圆孔的大直径处配合有带外螺纹的压盖，压盖的轴向中心也开有与所述换热管直径相匹配的圆孔；在所述阶梯形圆孔的台阶上与所述压盖的下端面之间安装有弹性密封圈。

Description

一种管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种化工领域中的换热器技术，特别是一种以玻璃钢做外壳和以石墨或耐腐蚀材料做换热管的管壳式换热器，国际专利分类号拟为Int.Cl.F28D 7/00(2006.01)。

背景技术

管壳式换热器主要包括外壳、换热管和管板等零部件。在管壳式换热器的外壳、换热管与管板的组配连接及密封方式上有以下几种情形：对于金属管壳式换热器而言，其换热管与管板都是同一种金属材料，因而采用焊接、胀接、胀焊接合、钎焊等方法组配连接；对于石墨管壳式换热器而言，其换热管与管板都使用石墨材料，因而采用粘接、活接头连接等方法组配连接。显然，这种焊接或粘接的换热管与管板的连接方式，对于换热管的保养、维修和更换会带来不少麻烦。

中国专利ZL94216276.5公开了一种无粘接列管式石墨换热器。其提出了一种石墨壳管壳式换热器中换热管与管板的连接方式，特点是每根石墨管(换热管)与花板(管板)连接的端头连接处设置有弹性密封环，实现石墨换热管与花板为可拆卸弹性密封固结连接，工作温度有较大幅度提高，可达200℃，同时换热管的维修更换方便。但这一方法由于依靠弹性密封环的径向弹性达到管板与换热管之间的密封，换热器的管内与管外仅有弹性密封环阻隔，没有其他约束，因而不能承受换热器内更高的温度，密封效果差。

众所周知，金属管壳式换热器具有机械强度好，易于加工和使用等优点，但为了防止某些介质对换热器的腐蚀，工业生产中常用的金属管壳式换热器不得不采用贵重金属(一般为钛金属)制造，从而导致换热器价格昂贵。为了降低换热器的造价，人们就努力寻求贵重金属的代用材料，例如石墨。石墨管壳式换热器虽然价格低廉，但其机械强度差，不利于加工和使用。如果采用其它材料，则会产生难于解决的非石墨材料管板与石墨换热管异种材料之间的组配连接及密封问题。例如，中国专利ZL01246475.9公开的一种列管式石墨管换热器。其特点是管板用碳钢或不锈钢制成，管板和壳体焊接在一起，石墨管两端***管板的部分由中空圆柱形橡胶套密封，可以使列管式石墨管换热器的最高工作压力由0.5MPa提高到1.2MPa以上。然而这一试图解决管板换热管异种材料之间连接密封的方法，同样由于换热器的管内与管外也仅有中空圆柱形弹性密封环，没有结构上的改变，因而不能承受换热器内更高的压力，密封效果不理想。因此，管壳式换热器的结构、材料和功能与其价格之间长期以来处于一种两难境地，似乎不可兼得。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，设计一种管壳式换热器，该换热器具有高强度的外壳、简单的结构，经济的价格和良好的密封，适用于高温高压换热器使用，同时方便换热管的维修更换和提高使用寿命长。

本发明解决所述换热器技术问题的技术方案是：设计一种管壳式换热器，包括按常规数量和方法装配的外壳、封头、管板、换热管、折流板、拉杆和管箱，其特征在于所述管板的中心开有阶梯形圆孔，阶梯形圆孔的大直径处带有内螺纹，小直径处与所述换热管的直径相匹配；与所述阶梯形圆孔的大直径处配合有带外螺纹的压盖，压盖的轴向中心也开有与所述换热管直径相匹配的圆孔；在所述阶梯形圆孔的台阶上与所述压盖的下端面之间安装有弹性密封圈。

与现有技术相比，本发明管壳式换热器有以下优点：

1成本低。本发明管壳式换热器如果主要受压元件采用高强度玻璃钢制作，换热管采用石墨材质(或者贵重金属)制作，可使设备成本大大降低。粗略计算表明，本发明的管壳式换热器成本只是钛壳管壳式换热器的十分之一，与石墨管壳式换热器成本相差不多；

2.寿命长。本发明管壳式换热器与钛壳管壳式换热器的寿命相差无几；与石墨管壳式换热器相比，使用寿命可延长一倍；

3.性能高。本发明管壳式换热器的管内与管外之间不仅有弹性密封圈，而且设计了与弹性密封圈配合的压盖，大大提高了管板与换热管的密封性和约束性，因而可使换热器更适合于高温和高压条件下使用。

4.结构佳。本发明管壳式换热器结构简单，安装方便，检修、清理换热器简便，更换换热管容易，管理成本也低。所以，本发明管壳式换热器特别适用于工业化生产实际应用。

附图说明

图1为本发明管壳式换热器一种实施例的整体结构示意图。

图2为本发明管壳式换热器图1所示实施例中的I节点放大示意图。

图3为本发明管壳式换热器图1所示I节点处另一种实施例的结构示意图。

图4为本发明管壳式换热器图1所示I节点处又一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的一种管壳式换热器(以下简称换热器，参见图1-4)是目前工业生产中广泛应用的壳管壳式换热器，主要由管板1、外壳2及其上的一种物料的进口a和出口c(参见图1)、对称的两个封头13及分别在两个封头13上的另一种物料的进口d和出口b(参见图1)、换热管3、拉杆4、折流板5和对称的两个管箱6等零部件按常规数量和方法装配组成，其特征在于在所述管板1的中心开有阶梯形圆孔14，阶梯形圆孔14的大直径处带有内螺纹141，小直径处与所述换热管3的直径相匹配；与阶梯形圆孔14的大直径处配合有带外螺纹73的压盖7，压盖7的轴向中心开有与所述换热管3直径相匹配的圆孔71；在所述阶梯形圆孔14的台阶142上与所述压盖7的下端面72之间安装有弹性密封圈8。

本发明设计的换热器关键技术是提高管板1与换热管3之间连接安装的密封性能，保证换热器的机械强度、传热效果和耐腐蚀性，使之能适应高温高压条件下工作的需要，同时还要延长其使用寿命，并方便使用和维修。本发明换热器设计了带有阶梯形圆孔14(参见图2-4)的管板1。该阶梯形圆孔14的大直径处带有内螺纹141，小直径处可与所述换热管3直径匹配安装；同时，本发明换热器还设计了一个与所述阶梯形圆孔14匹配的压盖7。该压盖7实施例为“T”字形，但不排除其他形状。在“T”字形的一竖处开有与阶梯形圆孔14的大直径处内螺纹141配合的外螺纹73，并且在压盖7的轴向中心开有与所述换热管3直径匹配的圆孔71。换言之，所述圆孔71的直径与所述阶梯形圆孔14的小直径一致，组装换热器时可以使所述的换热管3适当地从所述的这两个孔中穿过。当所述的换热管3适当地从所述的这两个孔中穿过后，在所述阶梯形圆孔14的台阶142上与所述压盖7的下端面72之间安装有弹性密封圈8。不难理解，这里所述的“上”与“下”仅是为了说明问题，依据图2-4所示的相对位置(换热器的上端)而言；对于换热器的另一端(下端)而言，所述的“上”与“下”位置恰恰与之相反。当然，当换热器横置时，完全不存在所述的“上”与“下”位置关系。组装换热器时，适度旋转所述压盖7，可以使所述的弹性密封圈8横向(换热管3的径向)变形，充满所述阶梯形圆孔14的台阶142处与压盖7的下端面72和换热管3构成的连接装配空间，沿换热器3径向严格密封好管板1与换热器3的连接处。这种连接方式既满足了良好密封的要求，也方便了使用过程中的维修换管需要。

本发明所述的密封件(弹性密封圈8)可以根据换热器的受力情况选用不同形式：如横截面为O形或圆形的弹性密封圈81(简称O型圈，参见图2)，或者横截面为凹V形状的弹性密封圈82(简称凹V型圈，参见图4)等。当采用凹V型圈82时，需要在所述压盖7的下端面72和凹V型圈82之间添加与凹V型圈82配合的横截面为凸V形状的垫片10(简称凸V型垫片，参见图4)。当旋转压盖7下压凸V型垫片10时，可使凸V型垫片10嵌入凹V型圈82的V形凹槽中，使凹V型圈82产生横向(换热管3的径向)变形，实现换热管3与管板1之间的径向压紧密封。所述的凸V型垫片10为常规的金属材料或非金属材料，表面光滑。当采用典型的O型圈81时，为了保护O型圈81，可以在其与所述压盖7的下端面72之间添加平垫9，以延长其使用寿命。所述的平垫9为常规的金属材料或非金属材料，表面光滑。

本发明设计的这种管板1与换热管3之间的连接密封方式适用范围广，不仅适用于金属材料管壳式换热器，而且也适用于石墨材料管壳式换热器；不仅适用于管板、外壳与换热管是同一种材料的换热器，而且也适用于管板、外壳与换热管不是同一种材料的换热器。实际使用时，管板1的材料只需与管壳式换热器外壳的材料适当匹配或一致即可。

本发明换热器的换热管与管板之间的密封采用了径向密封，轴向可以伸缩的方式，一方面便于维修换管，另一方面可以减少换热器的内应力。实验表明，本发明换热器的承压能力可达到2.0MPa；可以在真空条件下使用，且在有相变和无相变的工况下均可使用。

本发明设计换热器的另一个目的在于降低换热器的造价或成本，同时降低管程与壳程的热应力，便于使用。对此本发明所采用了价格低廉且强度较高的玻璃钢作为受压元件(包括管板1、外壳2等)。换言之，采用高强度玻璃钢外壳替代传统的金属外壳或石墨外壳，既可以降低成本，又可以保证机械强度，同时还可以降低管程与壳程的热应力，减少热损失。除换热器的外壳2之外，所述的管板1、折流板4、拉杆5和管箱6等也可用玻璃钢材料制作。所述的玻璃钢可根据换热器介质的腐蚀情况选用不同树脂制造。玻璃钢材料及其制造技术本身为现有技术。本发明换热器受压元件的这种材料替代是基于本发明所述管板与换热管安装密封性能问题的解决。这个异种材料连接密封问题(即不同材料的线膨胀系数不同，所引起的温度差应力大)不解决，玻璃钢材料的替代技术就不能实际实现。

本发明换热器在所述管板1与换热管3之间连接密封结构基础上，所述的换热管3可以采用贵金属换热管，也可采用石墨换热管。本发明换热器的传热性能取决于传热元件即换热管3。当选用石墨换热管时，本发明换热器的传热性能与石墨换热器一样；当选用钛金属换热管时，本发明换热器的传热性能和钛换热器一样。但考虑到成本因素，本发明换热器实施例采用价格低廉且传热性能优良石墨管换热管作为换热元件，以玻璃钢作为换热器外壳等的材料，成本低廉，且比常规的换热器热损失小，因此综合性能或性价比居优。

本发明典型的换热器实施例具体组装步骤如下：

第一步，按照常规数量以玻璃钢材料制造管板1、外壳2、拉杆4、折流板5和管箱6及封头13，配制支座、接管等零部件(同于现有技术，图中未画出)，然后把管箱6及封头13之外的零部件按照常规方法组装为换热器主体；

第二步，制作或购买石墨换热管3；制造或购买压盖7、O型圈81和平垫9，或者制造或购买凹V型圈82和凸V型垫片10；第二步的内容可以与第一步同时进行，这里仅是为了叙述方便；

第三步，先将所述石墨换热管3穿入管板1中；再将O型圈81或者凹V型圈82套入石墨换热管3的端部；推到所述管板1的阶梯形圆孔14的位置；将平垫9放在O型圈8之上，或者把凸V型垫片10放在或凹V型圈82之上，最后将压盖7拧入管板1的阶梯形圆孔14中，拧紧密封好；

第四步，先做装配好的换热器主体的压力检验，检验合格后，再将管箱6、封头13按照常规方法连接到换热器主体的外壳2上，然后作换热器整体的压力检验，检验合格即可使用或出售。

本发明换热器使用时可以水平放置、竖直放置或者倾斜放置，放置方式不影响其工作性能和效果；工作时(参见图1)，甲种流体从所述外壳上的进口a进入换热器，从所述外壳上的出口c流出；乙种流体从所述一个封头上的的进口d进入换热器，从所述另一个封头上的出口b流出，从而实现热交换；维修或更换换热管时，先将压盖7拧出，抽出被换的换热管，取出弹性密封圈8，然后***新的换热管3，压入弹性密封圈8，拧紧压盖7即可。

本发明换热器未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种管壳式换热器，包括按常规数量和方法装配的外壳、封头、管板、换热管、折流板、拉杆和管箱，其特征在于所述管板的中心开有阶梯形圆孔，阶梯形圆孔的大直径处带有内螺纹，小直径处与所述换热管的直径相匹配；与所述阶梯形圆孔的大直径处配合有带外螺纹的压盖，压盖的轴向中心也开有与所述换热管直径相匹配的圆孔；在所述阶梯形圆孔的台阶上与所述压盖的下端面之间安装有弹性密封圈。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于所述的弹性密封圈的横截面为O形。

3.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于所述的弹性密封圈的横截面为凹V形，且配有与该凹V型弹性密封圈配合的横截面为凸V形的垫片。

4.根据权利要求2所述的管壳式换热器，其特征在于在所述的O形弹性密封圈与所述压盖的下端面之间配装有平垫。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的管壳式换热器，其特征在于所述的外壳、封头、管板、折流板、拉杆和管箱均由高强度玻璃钢材料制造。

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