CN110595232A - 一种特殊的u形管式热交换器管箱结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，通过设置管箱热流体进口独立腔、使用喷泉式布管、冷流体导向装置、特殊的绝热结构，将热流体直接导入管板中心换热管，防止热流体与管箱壳体接触，同时从管板边缘换热管出来的冷流体由导向装置流过管板中心换热管，最终进入管箱，既冷却了管箱壳体，也冷却了管板中心换热管，达到降低U形管式热交换器管程设计温度，平衡管板温度分布的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种U形管式热交换器管箱结构。
背景技术
U形管式热交换器是一种广泛应用在化工、核能、冶金等行业中的热交换设备。该种设备广泛使用的原因在于其管束可自由伸缩、结构相对简单，不会因介质温差产生温差应力，高温、高压工况下可靠性好。
普通的两管程或多管程换热器，其不同管程之间往往自上而下或自下而上排列，这就造成管板、管箱、换热管的温度成阶梯状变化，导致管板、管箱、换热管的某一区域出现局部高温或局部低温。若管板温度分布不均，会导致管板受力不均衡，管板计算时的简化模型会与实际情况有较大的差别，由于管板、管箱、换热管本身需要承受由压力引起应力，这就可能导致在管板、管箱、换热管局部出现意想不到的破坏。
而随着介质操作温度的升高，材料所能承受的最大应力会不断降低，这时设备就需要增加壁厚来承受其内部的压力，这不仅加大了设备加工制造的难度，增加了设备的成本，也降低了设备的可靠性，因此如何让处理高温介质的U形管换热器工作在较低的温度下，同时平衡管箱、管板温度分布的问题显得尤为重要。
本发明可以很好的解决U形管式热交换器管程操作温度过高的问题，同时降低管板不同区域之间的温差，进一步拓展了U形管式热交换器的适用范围，增强了该种设备在极端环境下使用的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，能够降低U形管式热交换器管程设计温度，平衡管板温度分布,有效降低管箱的操作温度。该结构可用于所有管程介质温度比壳程介质温度高的场合。
本发明的技术方案是：一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，包括三部分，
第一部分为一个独立腔，该腔由多段壳体组成，直接连接管箱热流体进口管与管板中心处换热管，该独立腔设置有位移补偿装置，保证独立腔在极端温差下不至于产生过大的温差应力而损坏；高温热流体从管箱热流体进口管直接进入独立腔，保证热流体不与管箱壳体接触；
第二部分为一种喷泉式U形换热管布管形式，将U形换热管分为管板中心处换热管和管板边缘处换热管，U形换热管由内致外弯制，每根U形换热管分别连接一个管板中心处换热管孔和管板边缘处换热管孔，U形管束末端的弯管区域呈现喷泉状；在该种布管形式中，所有热流体流入管板中心处换热管，经过换热后的冷流体从管板边缘处换热管流出；
第三部分为冷流体导向装置，该装置安装在管板中心处换热管与管板边缘处换热管之间，正好罩住管板边缘处换热管，该装置构建出了四分之三圈的环形流道，剩下的四分之一圈缺口竖直向上，冷流体从该缺口流出，保证冷流体充分冷却管箱壳体，环形流道在垂直于缺口的两边设置有内挡板。
优选地，在管板中心处换热管端部填充有中心换热管端部绝热层，用压板压紧中心换热管端部绝热层，保证绝热效果。
优选地，在管板中心处换热管内部设置换热管内套管,换热管内套管两端外径大于中间外径，从而使管板中心处换热管内表面与换热管内套管外表面之间留出了一定间隙，该间隙内部填充绝热材料形成中心换热管内部绝热层，防止管板中心处换热管出现局部高温。
优选地，在管箱热流体进口管内部设置有热流体进口绝热层，防止进口管出现局部高温。
本发明提供的一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，通过设置管箱热流体进口独立腔、使用喷泉式布管、冷流体导向装置、特殊的绝热结构，将热流体直接导入管板中心换热管，防止热流体与管箱壳体接触，同时从管板边缘换热管出来的冷流体由导向装置流过管板中心换热管，最终进入管箱，既冷却了管箱壳体，也冷却了管板中心换热管，达到降低U形管式热交换器管程设计温度，平衡管板温度分布的目的。
附图说明
图1是管箱、管板、管束结构示意图。
图2是管箱热流体进口绝热结构示意图。
图3是冷流体导向装置侧视图。
图4是管板中心区域的换热管绝热结构示意图(图3中a区域放大图)。
图5是换热管内外区域布管示意图。
图6是冷流体导向装置正视图。
图7是喷泉式布管部分换热管穿管示意图。
附图标号：1-独立腔检修口，2-管箱壳体，3-位移补偿装置，4-管箱热流体进口管，5-独立腔，6-管板，7-管束，8-管束弯管段，9-管箱冷流体出口管，10-热流体进口绝热层，11-冷流体导向装置，12-管板中心处换热管，13-管板边缘处换热管，14-压板，15-换热管内套管，16-中心换热管端部绝热层，17-中心换热管内部绝热层，18-导向装置内挡板。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的内容。
如图1所示，一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，包括三部分：
第一部分为一个独立腔5，该腔由多段壳体组成，直接连接管箱热流体进口管4与管板中心处换热管12，该独立腔5设置有位移补偿装置3，保证独立腔5在极端温差下不至于产生过大的温差应力而损坏。高温热流体从管箱热流体进口管4直接进入独立腔5，管箱热流体进口管4与独立腔5直接连接，保证热流体不与管箱壳体2接触。
第二部分为一种喷泉式U形换热管布管形式。传统U形管式热交换器通常从管板6中心线分界，将换热管分成不同的程，U形管跨管板中心线弯制。而本发明将U形换热管分为内外两程，如图3所示，分别是管板中心处换热管12和管板边缘处换热管13，U形换热管由内致外弯制，每根U形管分别连接一个管板中心换热管孔和管板边缘换热管孔。如果从管束7末端的弯管段8观察，可以清楚的看出弯管段8呈现喷泉状，如图7所示。在该种布管形式中，所有热流体流入管板中心处换热管12，经过换热后的冷流体从管板边缘处换热管13流出。
第三部分为冷流体导向装置11，如图3、图5所示，该装置安装在管板中心处换热管12与管板边缘处换热管13之间，正好罩住管板边缘处换热管13。该装置构建了四分之三圈的环形流道，如图6所示，剩下的四分之一圈缺口竖直向上，冷流体从该缺口流出，保证冷流体充分冷却管箱壳体2。环形流道在垂直于缺口的两边设置有内挡板18，让下半圈的冷流体从管板中心处换热管12的间隙流过，起到进一步冷却换热管的目的。
在管箱热流体进口管4内部设置有热流体进口绝热层10，防止进口管出现局部高温，如图2所示。
独立腔5设置有位移补偿装置3，补偿由温差引起的位移，并设置独立腔检修口1，保证在不拆卸独立腔5的前提下进行检修。
如图4所示,热流体由管板中心处换热管12流入，与壳程介质进行换热，管板中心处换热管12内部设置换热管内套管15，内套管两端外径大于中间外径，从而使管板中心处换热管12内表面与换热管内套管15外表面之间留出了一定间隙，该间隙内部填充绝热材料，形成中心换热管内部绝热层17，防止管板中心处换热管12出现局部高温。在管板中心处换热管12端部填充有中心换热管端部绝热层16，用压板14压紧中心换热管端部绝热层16，保证绝热效果。
高温热流体从管箱热流体进口管4直接进入独立腔5，所有热流体流入管板中心处换热管12，与壳程介质进行换热，与壳程换热后的热流体降温，变为冷流体，由U形管折返回管箱，由管板边缘处换热管13流出管箱，进入冷流体导向装置11，冷流体从导向装置上部缺口流出后重新进入管箱，从而冷却管箱壳体2，最终从管箱冷流体出口管9流出。
由于内挡板18的存在，使得导向装置下半圈的冷流体从管板中心处换热管12的间隙流过，起到进一步冷却换热管的目的。
本发明能够将进入管箱的热流体与管箱隔开，直接将热流体由入口处引入换热管，与壳程介质进行换热，降温之后的冷流体返回管程，进一步冷却管箱，从而大大降低了管箱的操作温度,同时使管板及管箱的温度分布更加均匀。
仅与热流体接触的一小部分区域，例如独立腔、管板中心处换热管需要考虑高温的影响，况且上述区域位于管箱内部，设计时仅考虑流体经过换热管时的压降导致的压差，大大降低了设计压力和设计难度。
以上所述，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，其特征是包括三部分：
第一部分为一个独立腔(5)，该腔由多段壳体组成，直接连接管箱热流体进口管(4)与管板中心处换热管(12)，该独立腔(5)设置有位移补偿装置(3)，保证独立腔(5)在极端温差下不至于产生过大的温差应力而损坏；高温热流体从管箱热流体进口管(4)直接进入独立腔(5)，保证热流体不与管箱壳体(2)接触；
第二部分为一种喷泉式U形换热管布管形式，将U形换热管分为管板中心处换热管(12)和管板边缘处换热管(13)，U形换热管由内致外弯制，每根U形换热管分别连接一个管板中心处换热管孔和管板边缘处换热管孔，U形管束(7)末端的弯管区域呈现喷泉状；在该种布管形式中，所有热流体流入管板中心处换热管(12)，经过换热后的冷流体从管板边缘处换热管(13)流出；
第三部分为冷流体导向装置(11)，该装置安装在管板中心处换热管(12)与管板边缘处换热管(13)之间，正好罩住管板边缘处换热管(13)，该装置构建了四分之三圈的环形流道，剩下的四分之一圈缺口竖直向上，环形流道在垂直于缺口的两边设置有内挡板(18)。
2.如权利要求1所述的一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，其特征是在管板中心处换热管(12)端部填充有中心换热管端部绝热层(16)，用压板(14)压紧中心换热管端部绝热层(16)，保证绝热效果。
3.如权利要求1所述的一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，其特征是在管板中心处换热管(12)内部设置换热管内套管(15),换热管内套管(15)两端外径大于中间外径，从而使管板中心处换热管(12)内表面与换热管内套管(15)外表面之间留出了一定间隙，该间隙内部填充绝热材料形成中心换热管内部绝热层(17)，防止管板中心处换热管(12)出现局部高温。
4.如权利要求1所述的一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，其特征是在管箱热流体进口管(4)内部设置有热流体进口绝热层(10)，防止进口管出现局部高温。
5.如权利要求1所述的一种特殊的U形管式热交换器管箱结构，其特征是独立腔(5)腔体的一端设置有检修口(1)，保证检修的需要。
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