CN111238258A - 一种高承压自清洁换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冶金行业换热技术领域的一种高承压自清洁换热器及其制造方法，包括两组换热器封头、壳体、介质一进口管、隔板、两组支撑板、介质二进口管、介质二出口管、介质一出口管和若干换热单元，两组支撑板密封焊接在壳体的内腔两侧，两组换热器封头分别密封固定在壳体的两端，通过采用跨窗口流动设计，将多根同心换热管同心装配，相对于管壳式换热器，在保证其设计简单的基础上，不仅具有更高的承压能力，同时提高了换热器的整体刚度和换热管的稳定性，而且更加突出了换热器的自清洁能力；与螺旋板式换热器相比，该换热器保存了螺旋板换热器的自清洁性的优点，同时提高了换热器的刚度，可在冶金行业具有广阔的应用价值。

Description

一种高承压自清洁换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶金行业换热技术领域，具体为一种高承压自清洁换热器及其制造方法。

背景技术

冶金行业焦化厂产生的主要工业废水为剩余氨水，其成分中含有的焦油和煤粉颗粒等杂质极易堵塞换热器，降低换热效率，导致换热器出口处剩余氨水温度偏高，使蒸氨废水中挥发氨含量升高，造成总排放出口的氨氮含量超标，对环境产生污染。目前钢铁焦化厂中使用较多的氨水换热器有管壳式换热器和螺旋板式换热器。从目前使用来看，单独使用这两种换热器中的任意一种，都不能很好的完成对剩余氨水的换热任务。这主要是由于：(1)管壳式换热器具有结构简单和承压能力强的优点，但其自清洁能力差和换热系数低于螺旋板换热器。(2)螺旋板式换热器具有传热系数高和自清洁能力强的优点，但整体刚度差和承压能力弱。当剩余氨水换热介质压力升高时，使得螺旋板式换热器的卷制螺旋通道发生失稳压瘪现象。因此，需要设计一种新型的换热器，使其同时兼具传热系数高、承压能力强和自清洁能力好的特点，能够处理氨水类介质的换热过程，例如醇类、树脂、尿素、汽柴油、盐水和强碱强酸等介质，基于此，本发明设计了一种高承压自清洁换热器及其制造方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高承压自清洁换热器及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种新型的换热器的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高承压自清洁换热器，包括两组换热器封头、壳体、介质一进口管、隔板、两组支撑板、介质二进口管、介质二出口管、介质一出口管和若干换热单元，两组所述支撑板密封焊接在壳体的内腔两侧，两组所述换热器封头分别密封固定在壳体的两端，两侧所述支撑板、换热器封头和壳体分别构成两组盛放空腔，两组所述支撑板之间呈圆形均匀间隔贯穿密封固定有若干换热单元，若干所述换热单元与壳体内壁之间通过隔板连接，右侧所述盛放空腔的顶部贯穿密封固定有介质二进口管，左侧所述盛放空腔的低部贯穿密封固定有介质二出口管，所述壳体的外壁左侧上部贯穿密封固定有介质一进口管，所述所述壳体的外壁右侧下部贯穿密封固定有介质一出口管；

所述换热单元包括连接管、螺旋带、若干换热管和换热单元封头，若干所述换热管同心装配，相邻所述换热管之间通过跨窗口流动设计，相邻所述换热管之间通过连接管、换热单元封头和螺旋带支撑。

进一步的，相邻所述换热管的管道表面两侧对称设置有开口，相邻所述换热管之间通过连接管贯穿密封连接。

进一步的，所述螺旋带固定在相邻两组所述换热管之间。

进一步的，所述换热单元封头密封固定在同心装配设置的换热管一端。

所述的高承压自清洁换热器的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：根据换热介质属性，确定换热管材料；

步骤二：根据换热场合流体压力、温度，确定换热单元内换热管的直径、长度和支撑板位置；

步骤三：根据换热单元的换热管的直径和长度，确定换热单元内部的螺旋带螺距和换热单元封头尺寸；

步骤四：根据支撑板和换热单元尺寸，确定该换热器的壳体及换热器封头尺寸。

进一步的，所述步骤二具体为：

根据换热场合的流体压力、温度，结合材料手册和市场换热管的尺寸，首先假设换热管的长度和直径，接着采用计算力学方法，对换热管的受力特性进行校核，具体如下：

根据支撑梁的计算力学公式，在保证换热管最小挠度的情况下，确定支撑板的位置，其中约束条件有：

(1)一个隔板和两个支撑板支撑的情况下，换热单元所受合力为零，即ΣF＝0；

(2)换热单元所受的合力矩为零，即ΣM＝0；

(3)在受流动介质冲击载荷和交变载荷作用下，换热单元的挠度为5％以内，即γ＜0.05。

如果满足以上三个约束条件，则进入下一步骤；如果不满足，则根据以上三个计算步骤的校核结果，对换热长度、直径和支撑板位置进行更改，直至满足以上三个约束条件为止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的换热器通过采用跨窗口流动设计，将多根同心换热管同心装配，相对于管壳式换热器，在保证其设计简单的基础上，不仅具有更高的承压能力，同时提高了换热器的整体刚度和换热管的稳定性，而且更加突出了换热器的自清洁能力；与螺旋板式换热器相比，该换热器保存了螺旋板换热器的自清洁性的优点，同时提高了换热器的刚度，可在冶金行业具有广阔的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中换热单元结构示意图；

图3为本发明流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

换热器封头1、壳体2、介质一进口管3、隔板4、支撑板5、介质二进口管6、介质二出口管7、介质一出口管8、换热单元9、连接管90、螺旋带91、换热管92、换热单元封头93。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高承压自清洁换热器，包括两组换热器封头1、壳体2、介质一进口管3、隔板4、两组支撑板5、介质二进口管6、介质二出口管7、介质一出口管8和若干换热单元9，两组支撑板5密封焊接在壳体2的内腔两侧，两组换热器封头1分别密封固定在壳体2的两端，两侧支撑板5、换热器封头1和壳体2分别构成两组盛放空腔，两组支撑板5之间呈圆形均匀间隔贯穿密封固定有若干换热单元9，若干换热单元9与壳体2内壁之间通过隔板4连接，右侧盛放空腔的顶部贯穿密封固定有介质二进口管6，左侧盛放空腔的低部贯穿密封固定有介质二出口管7，壳体2的外壁左侧上部贯穿密封固定有介质一进口管3，壳体2的外壁右侧下部贯穿密封固定有介质一出口管8；

换热单元9包括连接管90、螺旋带91、若干换热管92和换热单元封头93，若干换热管92同心装配，其目的是通过多根同心换热管92装配提高换热器整体的刚度，相邻换热管92之间通过跨窗口流动设计，相邻换热管92之间通过连接管90、换热单元封头93和螺旋带91支撑。

其中，相邻换热管92的管道表面两侧对称设置有开口，相邻换热管92之间通过连接管90贯穿密封连接，跨窗口流动设计指流体可以由最外侧管道进入内层管道；所设计的方案是在每层管道表面的对称两侧开口，每层换热管92与每层换热管92之间通过连接管90连接跨窗口流道。

螺旋带91固定在相邻两组换热管92之间，换热单元封头93密封固定在同心装配设置的换热管92一端。

该装置工作时，流体介质一由介质一进口管3进入壳体2内部，由于受到隔板4的阻挡，流体介质一进入换热单元9；在换热单元9内部，受到连接管90的引导，实现跨窗口流动，进入没有连接管90的换热管92内部，在换热管92内部，受螺旋带91的作用下，形成湍流扰动，实现自清洁功能，将换热管92内部壁面上的污垢清理干净，流体介质一进过螺旋带91通道后，经过介质一进口管3进入换热器的壳体2内部，由图1中的介质一出口管8流出换热器。

流体介质二由介质二进口管6进入支撑板5与换热器封头1的盛放空腔内部，在空腔内部受到支撑板5和换热单元封头93的阻挡，只能由换热单元9之间没有被换热单元封头93封住的流道进入换热单元9，如图2所示，流体介质二在换热单元9内部，受到螺旋带91的引导，从介质二出口管7流出，从而实现对管道内部自清洁的功能。

高承压自清洁换热器的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：根据换热介质属性，确定换热管材料；针对不同的换热场合，需要选用合适的换热管材料，无强酸强碱场合，可选用普通铸铁材料作为换热管和壳体材料，对于强酸强碱强腐蚀场合，应该根据材料手册选用不锈钢或经过特殊处理的换热管材料，该步骤对换热管长度和直径的设计起到关键作用。

步骤二：根据换热场合流体压力、温度，确定换热单元9内换热管92的直径、长度和支撑板5位置；

步骤三：根据换热单元9的换热管92的直径和长度，确定换热单元9内部的螺旋带91螺距和换热单元封头93尺寸；在换热管直径和长度确定的情况下，根据流体介质属性和粘性流体动力学剪切理论，确定螺旋带的螺距和螺旋的方向，接着确定换热单元尺寸。

步骤四：根据支撑板5和换热单元9尺寸，确定该换热器的壳体2及换热器封头1尺寸。

步骤二具体为：

根据换热场合的流体压力、温度，结合材料手册和市场换热管的尺寸，首先假设换热管的长度和直径，接着采用计算力学方法，对换热管的受力特性进行校核，具体如下：

根据支撑梁的计算力学公式，在保证换热管最小挠度的情况下，确定支撑板的位置，其中约束条件有：

(1)一个隔板4和两个支撑板5支撑的情况下，换热单元9所受合力为零，即ΣF＝0；

(2)换热单元9所受的合力矩为零，即ΣM＝0；

(3)在受流动介质冲击载荷和交变载荷作用下，换热单元9的挠度为5％以内，即γ＜0.05。

如果满足以上三个约束条件，则进入下一步骤；如果不满足，则根据以上三个计算步骤的校核结果，对换热长度、直径和支撑板位置进行更改，直至满足以上三个约束条件为止。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种高承压自清洁换热器，包括两组换热器封头(1)、壳体(2)、介质一进口管(3)、隔板(4)、两组支撑板(5)、介质二进口管(6)、介质二出口管(7)、介质一出口管(8)和若干换热单元(9)，其特征在于：两组所述支撑板(5)密封焊接在壳体(2)的内腔两侧，两组所述换热器封头(1)分别密封固定在壳体(2)的两端，两侧所述支撑板(5)、换热器封头(1)和壳体(2)分别构成两组盛放空腔，两组所述支撑板(5)之间呈圆形均匀间隔贯穿密封固定有若干换热单元(9)，若干所述换热单元(9)与壳体(2)内壁之间通过隔板(4)连接，右侧所述盛放空腔的顶部贯穿密封固定有介质二进口管(6)，左侧所述盛放空腔的低部贯穿密封固定有介质二出口管(7)，所述壳体(2)的外壁左侧上部贯穿密封固定有介质一进口管(3)，所述所述壳体(2)的外壁右侧下部贯穿密封固定有介质一出口管(8)；

所述换热单元(9)包括连接管(90)、螺旋带(91)、若干换热管(92)和换热单元封头(93)，若干所述换热管(92)同心装配，相邻所述换热管(92)之间通过跨窗口流动设计，相邻所述换热管(92)之间通过连接管(90)、换热单元封头(93)和螺旋带(91)支撑。

2.根据权利要求1所述的一种高承压自清洁换热器，其特征在于：相邻所述换热管(92)的管道表面两侧对称设置有开口，相邻所述换热管(92)之间通过连接管(90)贯穿密封连接。

3.根据权利要求1所述的一种高承压自清洁换热器，其特征在于：所述螺旋带(91)固定在相邻两组所述换热管(92)之间。

4.根据权利要求1所述的一种高承压自清洁换热器，其特征在于：所述换热单元封头(93)密封固定在同心装配设置的换热管(92)一端。

5.一种如权利要求1-4所述的高承压自清洁换热器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据换热介质属性，确定换热管材料；

步骤二：根据换热场合流体压力、温度，确定换热单元(9)内换热管(92)的直径、长度和支撑板(5)位置；

步骤三：根据换热单元(9)的换热管(92)的直径和长度，确定换热单元(9)内部的螺旋带(91)螺距和换热单元封头(93)尺寸；

步骤四：根据支撑板(5)和换热单元(9)尺寸，确定该换热器的壳体(2)及换热器封头(1)尺寸。

6.根据权利要求5所述的高承压自清洁换热器制造方法，其特征在于：所述步骤二具体为：

根据换热场合的流体压力、温度，结合材料手册和市场换热管的尺寸，首先假设换热管的长度和直径，接着采用计算力学方法，对换热管的受力特性进行校核，具体如下：

根据支撑梁的计算力学公式，在保证换热管最小挠度的情况下，确定支撑板的位置，其中约束条件有：

(1)一个隔板(4)和两个支撑板(5)支撑的情况下，换热单元(9)所受合力为零，即ΣF＝0；

(2)换热单元(9)所受的合力矩为零，即ΣM＝0；

(3)在受流动介质冲击载荷和交变载荷作用下，换热单元(9)的挠度为5％以内，即γ＜0.05。

如果满足以上三个约束条件，则进入下一步骤；如果不满足，则根据以上三个计算步骤的校核结果，对换热长度、直径和支撑板位置进行更改，直至满足以上三个约束条件为止。

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