CN110849179A - 一种带温度补偿的高温高压换热器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的高温高压换热器及其加工方法，属于化工、环保技术领域，包括若干个水平设置的换热管道，每个换热管道包括同轴套设的内直管和外直管；若干个换热管道通过水平弯管相连构成水平管层，垂直方向相邻的两个水平管层通过垂直弯管相连，构成先水平后垂直的换热管道的盘绕结构；该高温高压换热器通过水平弯管和垂直弯管实现温度补偿。本发明公开的加工方法，包括分段焊接法和切片焊接法，包括将内、外弯管分段安装、焊接和将外管切片安装、焊接的步骤。本发明解决了高温高压换热器受热膨胀、变形的问题，填补了传统套管式换热器在超高温高压温度补偿结构设计和加工领域的空白，促进了高温高压设备和工艺***的推广和应用。

Description

一种带温度补偿的高温高压换热器及其加工方法
技术领域
本发明属于化工、环保技术领域，具体涉及一种带温度补偿的高温高压换热器及其加工方法。
背景技术
在能源、化工、环保等领域中，很多生产过程是在高温、高压下进行的，换热器是化工领域中重要的设备之一，例如超临界水氧化处理废水的***中回热器的工作温度常常高达600℃，压力高达30MPa，随着工艺装置的大型化和高效率化，除了要求工作效率高、成本适宜，还对换热器的安全性能提出了更高的要求。
对于两侧都是高温、高压的冷/热换热流体，对容器或管道的耐压要求极高，因此宜选用套管式换热器进行高温、高压冷/热流体之间的换热。传统套管式换热器的外管由支管连接，每根外管的两端则与内管外壁面焊接。在高温条件下，管道受热膨胀，且主要发生在轴向。但由于内、外管过流介质的温度不同，甚至差异巨大，造成内管和外管的伸长量不同，但这两者同时被管板刚性约束，无法通过自身达到平衡，容易形成管道拉裂、变形等破坏，需要进行热调节和热补偿进而保证换热器的正常工作。
为了保证换热器的安全性运行，一般采用波纹节等补偿器来吸收热膨胀，减小热应力，从而消除管道的热变形。然而，传统的波纹节等补偿方法存在以下三个问题：(1)最高只能用于16MPa的压力，对于更高压力条件下的换热器则不适用；(2)高压管道管径小、管壁厚，波纹管加工成型难度大；(3)化工领域管道耐腐蚀要求高，选材等级高且不常用，波纹管加工成型难度大。
发明内容
为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种带温度补偿的高温高压换热器及其加工方法，在不同的内、外管温度差导致的不同变形量下，通过对传统套管式换热器连接方式的改进，并设置相应的补偿结构，实现热应力的减小和热变形的消除，从而保证换热器的安全性同时降低设备的加工制造难度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，包括若干个水平设置的换热管道，每个换热管道包括同轴套设的内直管和外直管；若干个换热管道通过水平弯管相连构成水平管层，垂直方向相邻的两个水平管层通过垂直弯管相连，构成先水平后垂直的换热管道的盘绕结构；
该高温高压换热器通过水平弯管和垂直弯管实现温度补偿。
优选地，水平方向相邻的两个内直管的两端和内水平弯管连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个内直管的两端与内垂直弯管连接，垂直进入另一水平套管层；水平方向相邻的两个外直管的一端与外水平弯管连接形成水平套管层，与垂直方向相邻的外直管通过外垂直弯管连接，垂直进入另一水平套管层，水平方向相邻的两个外直管的另一端通过外管连接管连接，实现单侧温度补偿。
优选地，水平方向相邻的两个内直管的两端和内水平弯管连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个内直管的两端与内垂直弯管连接，垂直进入另一水平套管层；水平方向相邻的两个外直管的两端与外水平弯管连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个外直管的两端与外垂直弯管连接，垂直进入另一水平套管层，实现双侧温度补偿。
优选地，在内水平弯管或内垂直弯管的外壁上连接有环肋。
优选地，竖直方向上，位于顶层的内直管上连接有内管进口接管，在与顶层的内直管同轴套设的外直管上连接有外管出口接管，位于底层的内直管上连接有内管出口接管，在与底层的内直管同轴套设的外直管上连接有外管进口接管。
优选地，还包括支撑结构，所述支撑结构包括支撑架、三角钢、U型螺栓和底座；支撑架固定在底座上，三角钢与支撑架连接，U型螺栓通过与三角钢的连接将换热主体的外直管固定在支撑架上。
本发明还公开了上述带温度补偿的高温高压换热器的加工方法，用于进行温度补偿的换热管道采用分段焊接法进行加工，包括以下步骤：
步骤1：将三个60°弯管套至两个带直管段的90°弯管外，然后将带直管段的90°弯管对焊，形成内水平弯管或内垂直弯管；
步骤2：将三个60°弯管对焊，形成外水平弯管或外垂直弯管；
步骤3：将步骤得到的内水平弯管或内垂直弯管与内直管对焊，将步骤得到的外水平弯管或外垂直弯管与外直管对焊，得到能够进行温度补偿的换热管道。
优选地，在步骤1操作前，还包括将环肋焊接于带直管段的90°弯管的外壁上构成带有环肋的带直管段的90°弯管。
本发明还公开了上述的带温度补偿的高温高压换热器的另一种加工方法，用于进行温度补偿的换热管道采用切片焊接法进行加工，包括以下步骤：
1)将内180°弯管与内直管对焊，形成内水平弯管或内垂直弯管；
2)将外180°弯管沿水平方向切割为两片，箍在内水平弯管或内垂直弯管外侧对焊，然后再与外直管对焊，得到能够进行温度补偿的换热管道。
在进行步骤1)操作前，还包括在内水平弯管或内垂直弯管的外壁上焊接环肋的操作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的带温度补偿的高温高压换热器，将传统换热器两端的连接结构改为内直管与内水平弯管或内垂直弯管连接，外直管与外水平弯管或外垂直弯管连接的弯曲套管的同轴弯管结构，用作温度补偿结构，该温度补偿结构能够吸收热膨胀、减小热应力，从而消除换热管道的热变形。本发明创新性的发明了适用于>16MPa高温流体的具有温度补偿的高温高压换热器，填充了在超高温高压换热器领域内温度补偿结构的空白，弥补了传统温度补偿器无法用于超高压条件的不足。
进一步地，本发明可以针对不同换热器热膨胀的实际情况，选择带有不同温度补偿结构的换热器，分为单侧温度补偿的高温高压换热器和两侧温度补偿两种结构，当在套管式换热器的内外管热膨胀量的差值不大时，单侧的180°弯管能够补偿其膨胀量之差时，即可选用单侧带温度补偿的高温高压换热器；而当套管式换热器的内外管热膨胀量的差值较大，单侧的180°弯管不足以补偿其膨胀量之差时，则需选用两侧带温度补偿的高温高压换热器结构，即两侧180°弯管结构的换热器。
进一步地，本发明创新性的将环肋应用于换热器结构中，将其焊接于内弯管和外弯管的套管结构之间，肋片顶端距外管内壁的高度空间可满足热膨胀吸收的要求，避免了换热管道受热膨胀在弯管处贴靠而造成含固换热流体等淤积、堵塞的可能。
本发明创新性的提出了的加工方法，解决了温度补偿结构弯曲套管加工、制造难的问题，从根本上实现了高温高压换热器可行性，推动了此两种带温度补偿的高温高压换热器的工程化应用，在满足温度补偿功能的前提下，最大程度的减小加工难度并提高经济性。
附图说明
图1为实施例1的单侧温度补偿的高温高压换热器的结构主视图；
图2为实施例1的单侧温度补偿的高温高压换热器的结构左视图；
图3为实施例1的单侧温度补偿的高温高压换热器的结构俯视图；
图4为环肋结构示意图；
图5为实施例2的双侧温度补偿的高温高压换热器的结构主视图；
图6为实施例2的双侧温度补偿的高温高压换热器的结构左视图；
图7为实施例2的双侧温度补偿的高温高压换热器的结构俯视图；
图8为分段式焊接加工方法示意图；
图9为切片式焊接加工方法示意图。
其中，1为内直管；2为外直管；3为内水平弯管；4为内垂直弯管；5为外水平弯管；6为外垂直弯管；7为外管连接管；8为环肋；9为内管进口接管；10为内管出口接管；11为外管进口接管；12为外管出口接管；13为支撑架；14为三角钢；15为U型螺栓；16为底座；17为带直管段的90°弯管；18为60°弯管；19为内180°弯管；20为外180°弯管。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开的一种带温度补偿的高温高压换热器，包括若干个水平设置的换热管道，每个换热管道包括同轴套设的内直管1和外直管2；若干个换热管道通过水平弯管相连构成水平管层，垂直方向相邻的两个水平管层通过垂直弯管相连，构成先水平后垂直的换热管道的盘绕结构；该高温高压换热器通过水平弯管和垂直弯管实现温度补偿。
下面结合两个具体的实施例来介绍本发明的带温度补偿的高温高压换热器结构。
实施例1：一种单侧温度补偿的高温高压换热器
参见图1-图4，一种单侧温度补偿的高温高压换热器，包括内直管1、外直管2、内水平弯管3、内垂直弯管4、外水平弯管5、外垂直弯管6、外管连接管7、环肋8、内管进口接管9、内管出口接管10、外管进口接管11、外管出口接管12等换热管道结构，以及支撑架13、三角钢14、U型螺栓15和底座16等支撑结构。
内直管1和外直管2是同轴套管，首先，水平方向相邻的两个内直管1的两端和内水平弯管3连接，形成水平套管层，然后，垂直方向相邻的两个内直管1的两端与内垂直弯管4连接，垂直进入另一水平套管层；热流体通过内管进口接管9流入换热器与内直管1连接，通过内管出口接管10流出换热器与内直管1连接；水平方向相邻的两个外直管2的一端先与外水平弯管5连接，形成水平套管层，然后与垂直方向相邻的外直管2通过外垂直弯管6连接，垂直进入另一水平套管层，另一端则通过外管连接管7将相邻的两个外直管2连接；冷流体通过外管进口接管11流入换热器与外直管2连接，通过外管出口接管12流出换热器与外直管2连接；环肋8在有弯曲套管的一侧与内水平弯管3或内垂直弯管4的外壁连接；底座16与支撑架13连接对换热主体起支撑作用，三角钢14与支撑架13连接，U型螺栓15通过与三角钢14的连接将换热主体的外直管固定在支撑架13上。
本实施例中，通过单侧的弯曲套管进行换热器的温度补偿，吸收由于高温受热而产生的热膨胀和变形，此结构可用于温度较低，热膨胀变形量较小的条件下，相比于传统两侧外管连接管的结构能有效实现高温高压换热器的温度补偿，相比于两侧弯曲套管的结构能大大地减小制造、加工的难度和工作量，同时提高换热器的经济性。优选地，可以通过在弯曲套管内设置环肋而避免含固、易堵等流体由于换热管道受热膨胀在弯管处贴靠而造成淤积、堵塞的问题，环肋的肋片顶端距外管内壁的高度空间需满足热膨胀吸收的要求。
实施例2：一种双侧温度补偿的高温高压换热器
参见图5-图7，一种双侧温度补偿的高温高压换热器，包括内直管1、外直管2、内水平弯管3、内垂直弯管4、外水平弯管5、外垂直弯管6、环肋8、内管进口接管9、内管出口接管10、外管进口接管11、外管出口接管12等换热管道主体结构，以及支撑架13、三角钢14、U型螺栓15和底座16等支撑结构；
内直管1和外直管2是同轴套管，首先，水平方向相邻的两个内直管1的两端和内水平弯管3连接，形成水平套管层，然后，垂直方向相邻的两个内直管1的两端与内垂直弯管4连接，垂直进入另一水平套管层；热流体通过内管进口接管9流入换热器与内直管1连接，通过内管出口接管10流出换热器与内直管1连接；同样地，首先水平方向相邻的两个外直管2的两端与外水平弯管5连接，形成水平套管层，然后，垂直方向相邻的两个外直管2的两端与外垂直弯管6连接，垂直进入另一水平套管层；冷流体通过外管进口接管11流入换热器与外直管2连接，通过外管出口接管12流出换热器与外直管2连接；环肋8在两侧弯曲套管处与内水平弯管3或内垂直弯管4的外壁连接；底座16与支撑架13连接对换热主体起支撑作用，三角钢14与支撑架13连接，U型螺栓15通过与三角钢14的连接将换热主体的外直管固定在支撑架13上。
本实施例中，通过两侧的弯曲套管进行换热器的温度补偿，吸收由于高温受热而产生的热膨胀和变形，此结构可用于温度较高，热膨胀变形量较大的条件下，相比于单侧弯曲套管的结构能提供更大的热补偿的能力。同时，通过在弯曲套管内设置环肋而避免了含固、易堵等流体由于换热管道受热膨胀在弯管处贴靠而造成淤积、堵塞的可能，肋片顶端距外管内壁的高度空间需满足热膨胀吸收的要求。
针对上述两种带温度补偿的高温高压换热器，本发明创新性的提出了对应的加工方法，具体如下：
参见图1-图4，本发明一种带温度补偿的高温高压换热器的加工方法包括外管连接管7垂直环焊在外直管2上，外直管2的端面环焊在内直管1的外壁面上。
参见图1-图7，本发明一种带温度补偿的高温高压换热器的加工方法包括内直管1与内水平弯管3或内垂直弯管4对焊。
参见图8，本发明一种带温度补偿的高温高压换热器的第一种加工方法，即分段焊接法，内水平弯管3或内垂直弯管4由两个带直管段的90°弯管17组成，外水平弯管5或外垂直弯管6由三个60°弯管18组成。
先将环肋8环焊在内水平弯管3或内垂直弯管4的外壁，再将两个60°弯管18套至两个带直管段的90°弯管17上，将两个带直管段的90°弯管17对焊，然后将第三个60°弯管18从内管的一端套入，要求带直管段的90°弯管17的直管段长度较小，满足60°弯管18能够套入的要求，将三个60°弯管18分别对焊后，先将内水平弯管3或内垂直弯管4与内直管1对焊，最后将外水平弯管5或外垂直弯管6与外直管2对焊即可。
参见图9，本发明一种带温度补偿的高温高压换热器的第二种加工方式为切片焊接法，先将内180°弯管19与内直管1对焊，环肋8环焊在内水平弯管3或内垂直弯管4的外壁，再将外180°弯管20沿水平方向切割为两段后，箍在内水平弯管3或内垂直弯管4外侧对焊，最后与外直管2对焊即可。
本实施例中，解决了工程上制造弯曲套管难度大的问题，出于对设备防堵的要求和对不同管材硬度不同的考虑，排除了传统的加工方法，即将内、外直套管热煨弯曲成弯曲套管的技术手段，这种方法存在以下两个问题：形成的套管中，内、外管的曲率不同而可能导致内管外侧和外观内侧贴靠，无法形成同轴套管，易造成含固流体等的淤积、堵塞；热煨弯管过程中管道各处的受力不均，由于不同的管材硬度不同可能导致管道的某处因大力挤压而损坏。本发明采取了上述的两种对管道无损，同时可以保证管道同轴、流道通畅的加工方法，很好地适用于一种带温度补偿的高温高压换热器。
综上所述，本发明提出的一种带温度补偿的高温高压换热器能够实现对高温高压流体换热的功能性和安全性提升，同时针对装置结构提出相应的加工方法，使上述装置的工程化推广成为可能，甚至解决了超高温高压条件下换热器管道的热膨胀问题，这是之前传统温度补偿结构和相关换热器所无法实现的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，包括若干个水平设置的换热管道，每个换热管道包括同轴套设的内直管(1)和外直管(2)；若干个换热管道通过水平弯管相连构成水平管层，垂直方向相邻的两个水平管层通过垂直弯管相连，构成先水平后垂直的换热管道的盘绕结构；
该高温高压换热器通过水平弯管和垂直弯管实现温度补偿。
2.根据权利要求1所述的带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，水平方向相邻的两个内直管(1)的两端和内水平弯管(3)连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个内直管(1)的两端与内垂直弯管(4)连接，垂直进入另一水平套管层；水平方向相邻的两个外直管(2)的一端与外水平弯管(5)连接形成水平套管层，与垂直方向相邻的外直管(2)通过外垂直弯管(6)连接，垂直进入另一水平套管层，水平方向相邻的两个外直管(2)的另一端通过外管连接管(7)连接，实现单侧温度补偿。
3.根据权利要求1所述的带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，水平方向相邻的两个内直管(1)的两端和内水平弯管(3)连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个内直管(1)的两端与内垂直弯管(4)连接，垂直进入另一水平套管层；水平方向相邻的两个外直管(2)的两端与外水平弯管(5)连接形成水平套管层，垂直方向相邻的两个外直管(2)的两端与外垂直弯管(6)连接，垂直进入另一水平套管层，实现双侧温度补偿。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，在内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)的外壁上连接有环肋(8)。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，竖直方向上，位于顶层的内直管(1)上连接有内管进口接管(9)，在与顶层的内直管(1)同轴套设的外直管(2)上连接有外管出口接管(12)，位于底层的内直管(1)上连接有内管出口接管(10)，在与底层的内直管(1)同轴套设的外直管(2)上连接有外管进口接管(11)。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种带温度补偿的高温高压换热器，其特征在于，还包括支撑结构，所述支撑结构包括支撑架(13)、三角钢(14)、U型螺栓(15)和底座(16)；支撑架(13)固定在底座(16)上，三角钢(14)与支撑架(13)连接，外直管(2)通过U型螺栓(15)固定在支撑架(13)上。
7.权利要求1所述的带温度补偿的高温高压换热器的加工方法，其特征在于，用于进行温度补偿的换热管道采用分段焊接法进行加工，包括以下步骤：
(1)将三个60°弯管(18)套至两个带直管段的90°(17)弯管外，然后将带直管段的90°弯管(17)对焊，形成内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)；
(2)将三个60°弯管(18)对焊，形成外水平弯管(5)或外垂直弯管(6)；
(3)将步骤(1)得到的内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)与内直管(1)对焊，将步骤(2)得到的外水平弯管(5)或外垂直弯管(6)与外直管(2)对焊，得到能够进行温度补偿的换热管道。
8.根据权利要求7所述的带温度补偿的高温高压换热器的加工方法，其特征在于，在步骤(1)操作前，还包括将环肋(8)焊接于带直管段的90°弯管(17)的外壁上构成带有环肋的带直管段的90°弯管。
9.权利要求1所述的带温度补偿的高温高压换热器的加工方法，其特征在于，用于进行温度补偿的换热管道采用切片焊接法进行加工，包括以下步骤：
1)将内180°弯管(19)与内直管(1)对焊，形成内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)；
2)将外180°弯管(20)沿水平方向切割为两片，箍在内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)外侧对焊，然后再与外直管(2)对焊，得到能够进行温度补偿的换热管道。
10.根据权利要求7所述的带温度补偿的高温高压换热器的加工方法，其特征在于，在进行步骤1)操作前，还包括在内水平弯管(3)或内垂直弯管(4)的外壁上焊接环肋(8)的操作。
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