CN109883222A - 换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热器，包括：中心管，所述中心管从换热器的上端延伸至换热器的下端；中心腔室，所述中心腔室用于容纳所述中心管的上部分，所述中心腔室一侧设有出口管；与所述中心腔室连接的筒体，所述筒体用于容纳所述中心管的下部分；以及换热管束，所述换热管束设于所述筒体内，并围绕所述中心管布置；其中，管程流体从换热器的上端沿中心管流至换热器的下端，并从换热器的下端沿换热管束流至中心腔室，再从出口管流出；所述筒体的上部设有入口窗，所述筒体的下部设有出口窗，壳程流体从所述入口窗流入并从所述出口窗流出。

Description

换热器

技术领域

本发明的实施例涉及热交换领域，特别涉及一种换热器。

背景技术

在核电行业和化工行业，换热器是使用率很高的工艺设备。通常，换热器内设有换热管，管程流体在换热管内部流通；同时，换热器浸没在浸没容器的壳程流体中，壳程流体进入换热器壳体内并在换热管外部流通，由此实现具有较大温差的管程流体和壳程流体之间的换热。

由于换热器需要浸没于壳程流体中，那么出于布置的需要以及保持设备紧凑的目的，壳程流体要求在换热器的同一端引入和引出。一般而言，对于这种情况，管程分为两程即可解决，使得管程流体做一次往返。

然而，对于管程分为两程的换热器，往往换热量并不是平均承担，由此导致换热器内温度分布不均匀，热应力问题随之而生。对于一些使用工况特殊，对热应力较为敏感的情况，这种换热器就不再适用。

因此，有必要研究一种管程流体在同一端引入引出，并且不会导致温度场分布不均而产生较大热应力的换热器。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有中心管结构的换热器，以解决上述技术问题中的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提出了一种换热器，包括：中心管，所述中心管从换热器的上端延伸至换热器的下端；中心腔室，所述中心腔室用于容纳所述中心管的上部分，所述中心腔室一侧设有出口管；与所述中心腔室连接的筒体，所述筒体用于容纳所述中心管的下部分；以及换热管束，所述换热管束设于所述筒体内，并围绕所述中心管布置；其中，管程流体从换热器的上端沿中心管流至换热器的下端，并从换热器的下端沿换热管束流至中心腔室，再从出口管流出；所述筒体的上部设有入口窗，所述筒体的下部设有出口窗，壳程流体从所述入口窗流入并从所述出口窗流出。

根据一些实施方式，所述中心腔室包括沿换热器径向延伸的第一腔室和沿换热器轴向延伸的第二腔室，所述出口管设于所述第二腔室一侧。

根据一些实施方式，所述换热器还包括壳体，所述壳体围绕所述中心腔室设置。

根据一些实施方式，所述壳体上设有支座，所述支座用于将换热器安装至浸没容器。

根据一些实施方式，所述换热器还包括隔热结构，所述隔热结构设于所述壳体与所述第二腔室之间，并靠近所述支座设置。

根据一些实施方式，所述筒体的上端设有上管板，所述筒体的下端设有下管板，所述换热管束的两端分别安装至所述上管板和所述下管板。

根据一些实施方式，所述换热器的下端设有下封头，所述中心管伸入所述下封头内。

根据一些实施方式，所述下封头连接至所述下管板，并且连接处留有间隙。

根据一些实施方式，所述下封头内设有流量分配结构。

根据一些实施方式，所述中心管与所述流量分配结构之间留有间隙。

根据一些实施方式，所述换热管束设有弯曲段，用于补偿换热管束与筒体之间的热膨胀差。

根据一些实施方式，所述换热管束的弯曲段沿环状排列。

根据一些实施方式，所述换热器还包括沿换热器的轴向排列的多个支撑结构，用于支撑所述换热管束。

根据一些实施方式，所述上管板和所述下管板之间设有多个拉杆，所述多个拉杆与所述多个支撑结构连接。

根据一些实施方式，所述多个拉杆具有弯曲段。

根据一些实施方式，所述中心管内设有排液管，用于排出换热器内残余的管程流体。

在根据本发明的实施例的换热器中，通过设置中心管、换热管束和中心腔室，使得管程流体从换热器的上端沿中心管流至换热器的下端，再从换热器的下端沿换热管束流至中心腔室，并从出口管流出，由此实现了管程流体在换热器的同一端流入流出，可方便换热器浸没设置于壳程流体中，并且能够使得换热器的整体结构紧凑灵巧，便于管道布置；通过在筒体上部和下部分别设置入口窗和出口窗，使得壳程流体在换热管束外流通，由此可实现换热管束内外的管程流体和壳程流体之间的热交换；同时，通过将中心管设于换热器内部中间位置，并使换热管束围绕中心管设置，可以保证换热器内热量较为均匀地承担，有效改善温度分布不均匀引发的热应力问题，提高换热器的可靠性与安全性，特别适用于对热应力较为敏感的情况。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的换热器的结构示意图；以及

图2示出了图1的换热器安装至浸没容器并实现热交换过程的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。实施例中提到的方向用语，例如“上端”、“下端”、“上部”、“下部”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的换热器100的结构示意图。如图1所示，换热器100包括：中心管8，中心管8从换热器100的上端延伸至换热器100的下端；中心腔室5，中心腔室5用于容纳中心管8的上部分，中心腔室5一侧设有出口管17；与中心腔室5连接的筒体11，筒体11用于容纳中心管8的下部分；以及换热管束9，换热管束9设于筒体11内，并围绕中心管8布置；其中，管程流体从换热器100的上端沿中心管8流至换热器100的下端，并从换热器100的下端沿换热管束9流至中心腔室5，再从出口管17流出；筒体11的上部设有入口窗7，筒体11的下部设有出口窗12，壳程流体从入口窗7流入并从出口窗12流出。

在根据本发明的实施例的换热器100中，通过设置中心管8、换热管束9和中心腔室5，使得管程流体从换热器100的上端沿中心管8流至换热器100的下端，再从换热器100的下端沿换热管束9流至中心腔室5，并从出口管17流出，由此实现了管程流体在换热器100的同一端流入流出，可方便换热器100浸没设置于壳程流体中，并且能够使得换热器100的整体结构紧凑灵巧，便于管道布置；通过在筒体11上部和下部分别设置入口窗7和出口窗12，使得壳程流体在换热管束9外流通，由此可实现换热管束9内外的管程流体和壳程流体之间的热交换；同时，通过将中心管8设于换热器100内部中间位置，并使换热管束9围绕中心管8设置，可以保证换热器100内热量较为均匀地承担，有效改善温度分布不均匀引发的热应力问题，提高换热器的可靠性与安全性，特别适用于对热应力较为敏感的情况。

换热器用于将热流体的部分热量传递给冷流体，是热传导及对流传热的一种工业应用。根据冷、热流体热量交换的原理和方式，可以将换热器分为三大类：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。间壁式换热器的特点是冷、热两流体被一层固体壁面(管或板)隔开、不相混合，通过间壁进行热交换。其中，管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。

换热器在反应堆工程领域具有重要应用。例如，中间换热器是连接池式钠冷快堆主热传输***一回路和二回路的换热设备，用于实现液体钠之间的热交换；此外，钠冷快堆的蒸汽发生器用于将二回路钠的热量传递给三回路水，使之经过预热、蒸发和过热，为汽轮机提供所需要的合格蒸汽，也是换热器的应用。

由于管程流体和壳程流体存在温差，换热管束和壳体的温度也不一致，那么在换热管束和壳体之间存在热膨胀差，并会由此导致热应力的产生。部件在受热或冷却时，若各部分温度不一致，变形将受制约。温度高的部分要膨胀伸长，温度低的部分则限制它的膨胀，结果在高温部位产生压应力，低温部位产生拉应力。热应力会使换热器受到损害，影响性能，缩短寿命。特别地，对于大型钠冷快堆中间换热器，换热管束可达几千根，由于热膨胀差导致的热应力问题非常突出。

现有技术中，管程分为两程的换热器一般是将上封盖利用隔板分隔成进料区和出料区，在进料区设置进料接管，在出料区设置出料接管，进料接管与出料接管位于筒体同一端；换热管束也相应分为进料管束和出料管束两部分，使得管程流体从进料接管进入，通过进料管束到达下封盖内，并折回上升进入出料管束，由出料接管出去。对于这种结构的换热器，由于管程流体在换热管束内不断升温(或降温)，那么进料管束和出料管束之间存在温差，热量在换热器左右两部分不能平均承担，容易产生热应力，这对于最外侧的换热管尤其明显。

在本发明的实施例中，换热管束9围绕中心管8设置，换热管束9可相对于中心管8对称布置，热量在对称布置的换热管束9处能够较为均匀地承担，可以改善温度分布不均匀引发的热应力问题。本发明的换热管束9可以采用同心圆的方式排列，围绕中心管8一圈圈布置。

图2示出了图1的换热器100安装至浸没容器20并实现热交换过程的示意图。如图2所示，换热器100浸没于浸没容器20的壳程流体中，壳程流体沿箭头B1所示方向流入换热器100内，并沿箭头B2所示方向从换热器100流出。管程流体沿箭头A1所示方向进入中心管8，并沿箭头A2所示方向从出口管17流出。壳程流体与管程流体在换热管束9的管壁处进行热交换。在本发明的实施例中，管程流体的流动可以采用泵驱动，壳程流体的流动可以根据不同工艺设置为泵驱动、搅动或者自然循环驱动。本发明的换热器100可以用于浸没式环境中，并采用立式布置，整个换热器大部分浸没在壳程流体中。对于壳程流体即浸没流体具有危险性的环境，可以实现封闭状态下的热量交换。壳程介质要求为液态；管程流体可以为液体或者气态。换热器100的材质需要与管程介质和壳程介质具有良好相容性，相互之间互不影响。例如，当管程介质和壳程介质具有腐蚀性时，换热器100的材质需要能够具有耐腐蚀能力。

继续参照图1，中心腔室5可包括沿换热器100径向延伸的第一腔室51和沿换热器100轴向延伸的第二腔室52，出口管17设于第二腔室52一侧。第一腔室51的形状大致为扁平状，第二腔室52的形状大致为狭长状，可以为直径大于中心管管径的管状腔室。换热管束9内的管程流体经热交换后进入第一腔室51汇流，再沿第二腔室52上升，从出口管17排出。第一腔室51的径向尺寸可以与筒体11的径向尺寸一致，以保证全部换热管束9的管程流体均能进入第一腔室51。第一腔室51是从换热管束9中流出的管程流体混合的区域，第一腔室51的高度应该满足使得从换热管束9出来的管程流体充分混合。出口管17可以横向设置于第二腔室52一侧，出口管17的延伸方向与第二腔室52的延伸方向垂直。中心管8和出口管17分别与外部管道连接，用于管程流体的引入引出，中心管8与外部管道可以相对移动。

换热器100还可以包括壳体1，壳体1围绕中心腔室5设置，并可连接至筒体11。壳体1可以起到保护中心腔室5的作用。参照图1-2，壳体1上可以设有支座2，支座2用于将换热器100安装至浸没容器20。支座2可以包括从壳体1两侧向外横向延伸的安装板，用于安装并固定至浸没容器20的上盖板上，安装板以下的换热器部分从浸没容器20上盖板的开口伸入壳程流体内，安装板以上的部分用于与外管道连接，进行管程流体的引入和引出。支座2可以与上盖板进行焊接，以实现密封。

换热器100还可包括隔热结构3，隔热结构3可以设于壳体1与第二腔室52之间，并靠近支座2设置。由于中心腔室5位于筒体11上方，壳程流体在筒体11内流动，管程流体在流经中心腔室5时，已不能再与壳程流体换热，因此设置隔热结构3可用于减少换热器100在浸没容器20顶部的散热。例如，对于管程流体是液态水并需要通过换热变为蒸汽的情况，液态水从中心管8流入换热器100下端，并进入换热管束9进行换热变为蒸汽，那么，当蒸汽进入中心腔室5时，由于不再获取壳程流体的热量，很有可能因为散热而再次冷凝为液态水，相当于影响了换热效果。因此，设置隔热结构3可进一步维持换热器100的换热效果。第二腔室52的狭长结构使得第二腔室52与壳体1之间留有一定空间以设置隔热结构3，隔热结构3可以套设于第二腔室52上，并与壳体1内壁接触。

筒体11的上端设有上管板6，筒体11的下端设有下管板13，换热管束9的两端分别安装至上管板6和下管板13。换热管束9与上管板6和下管板13可以通过焊接、胀接的方式连接。上管板6和下管板13上对应设置有与换热管束9配合的管板孔。在本发明的实施例中，管板孔可以以同心圆的方式布置。上管板6和下管板13设计为用于固定换热管束9的同时，不影响管程流体进出换热管束9，并且还能阻挡壳程流体进入筒体11以外的换热器100上下两端的部分。

换热器100的下端设有下封头15，中心管8伸入下封头15内。由此，管程流体可以沿中心管8一直流到下封头15，再从下封头15流入换热管束9，下封头15相当于管程流体往返流动的转折点。下封头15可以连接至下管板13而不与筒体11连接，并且在下封头15与下管板13的连接处可以留有间隙，由此可以允许换热管束9在冷态和热态时自由的伸缩膨胀而不受阻碍，避免受到力的作用，破坏换热器部件。

下封头15内可以设有流量分配结构14，用于调节进入换热管束9的液体流量，使得管程流体的流动均匀、平稳。流量分配结构14可以焊接在下封头15上。探入下封头15的中心管8与流量分配结构14之间可以留有间隙，允许中心管8在冷态和热态时自由的伸缩膨胀而不受阻碍。

换热管束9可以设有弯曲段，用于补偿换热管束9与筒体11之间的热膨胀差，改善换热器100的热应力问题。弯曲段可以用于防止换热管束9受热膨胀、受冷收缩时没有伸缩的余地。弯曲段可以为空间螺旋弯管。所有换热管束9的弯曲段的轴向弯曲弧度相同，并且弯曲段沿环状排列，不允许换热管束9引至该列范围之外。当然，对于热应力较小或者要求不高的情况也可以不设弯曲段而采用直管状的换热管束9。

换热器100还可包括沿换热器100的轴向排列的多个支撑结构10，用于支撑换热管束9。单个支撑结构可以沿换热管100的径向延伸，在同一高度同时支撑多个换热管。多个支撑结构10沿换热器100的轴向排列，将换热管束9分为多层。换热管束9的轴向尺寸较大，多个支撑结构10在换热管束9的不同高度处进行支撑，可以减小换热管束9的振动。支撑结构10可以由平板带和波纹带组成，支撑结构10可以是支撑板的形式。支撑板例如可以是弓形板，也可以是整圆形支撑板。支撑板上设有用于供换热管束9穿过的支撑孔，支撑孔可以包括圆形孔、矩形孔和梅花孔等。多个支撑结构10在支撑换热管束9的同时要避免影响壳程流体的流通。多个支撑结构10用于与换热管束9的直管段连接。

上管板6和所述下管板13之间可以设有多个拉杆16，多个拉杆16与多个支撑结构10连接。多个支撑结构10上设有用于与多个拉杆16配合的安装孔，多个支撑结构10可以焊接在多个拉杆16上。

多个拉杆16可以具有弯曲段，用于补偿多个拉杆16与筒体11之间的热膨胀差，改善换热器100的热应力问题。多个拉杆16的弯曲段的轴向弯曲弧度相同，并且弯曲段沿环状排列，不允许多个拉杆16引至该列范围之外，并且需要保证在这种情况下换热管束9和多个拉杆16之间的必要间隙。

中心管8内可以设有排液管4，用于排出换热器100内残余的管程流体。参照图1，中心管8一端伸入下封头15内，另一端从中心管8上部伸出，当换热器100需要检修时，可以通过换热器100将残余在中心管8、换热管束9和下封头15内的管程流体排出。

本发明的换热器100的材质、功率、设计压力、设计温度等可以根据工艺要求确定；可以根据管程流体的流速，确定中心管8的直径及换热管束9的规格，按照同心圆布管规则进行管束布置；可以根据热应力的大小进行空间螺旋弯管结构的设计。

根据以上描述，本发明的换热器100至少具有以下几方面的有益效果：

(1)可以在浸没环境下实现热量交换，对于壳程流体即浸没流体具有危险性的环境可以实现封闭状态下的热量交换；

(2)管程流体能够通过换热器上部的进口接管和出口接管引入引出，既使得换热器设备本身紧凑，又有利于工艺管道布置；

(3)换热器采用中心管结构，使得管程流体分布均匀，从而降低了换热器的热应力，有利于提高换热器的可靠性与安全性；

(4)换热管束和拉杆的弯曲段设计可以补偿换热管束、拉杆和筒体之间的热膨胀差，进一步减小热应力；

(5)下封头与下管板的间隙连接以及中心管与流量分配结构的间隙连接可以适应管体在冷态和热态时自由的伸缩膨胀，避免受到力的作用。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (16)

1.一种换热器，包括：

中心管，所述中心管从换热器的上端延伸至换热器的下端；

中心腔室，所述中心腔室用于容纳所述中心管的上部分，所述中心腔室一侧设有出口管；

与所述中心腔室连接的筒体，所述筒体用于容纳所述中心管的下部分；以及

换热管束，所述换热管束设于所述筒体内，并围绕所述中心管布置；

其中，管程流体从换热器的上端沿中心管流至换热器的下端，并从换热器的下端沿换热管束流至中心腔室，再从出口管流出；

所述筒体的上部设有入口窗，所述筒体的下部设有出口窗，壳程流体从所述入口窗流入并从所述出口窗流出。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述中心腔室包括沿换热器径向延伸的第一腔室和沿换热器轴向延伸的第二腔室，所述出口管设于所述第二腔室一侧。

3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括壳体，所述壳体围绕所述中心腔室设置。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述壳体上设有支座，所述支座用于将换热器安装至浸没容器。

5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括隔热结构，所述隔热结构设于所述壳体与所述第二腔室之间，并靠近所述支座设置。

6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述筒体的上端设有上管板，所述筒体的下端设有下管板，所述换热管束的两端分别安装至所述上管板和所述下管板。

7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述换热器的下端设有下封头，所述中心管伸入所述下封头内。

8.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述下封头连接至所述下管板，并且连接处留有间隙。

9.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述下封头内设有流量分配结构。

10.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，所述中心管与所述流量分配结构之间留有间隙。

11.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热管束设有弯曲段，用于补偿换热管束与筒体之间的热膨胀差。

12.根据权利要求11所述的换热器，其特征在于，所述换热管束的弯曲段沿环状排列。

13.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括沿换热器的轴向排列的多个支撑结构，用于支撑所述换热管束。

14.根据权利要求13所述的换热器，其特征在于，所述上管板和所述下管板之间设有多个拉杆，所述多个拉杆与所述多个支撑结构连接。

15.根据权利要求14所述的换热器，其特征在于，所述多个拉杆具有弯曲段。

16.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述中心管内设有排液管，用于排出换热器内残余的管程流体。