本實用新型涉及石油煉制與化工行業(yè)所用的一種立式U型管換熱器。

背景技術(shù)：

石油煉制與化工行業(yè)所用的一種立式U型管換熱器，設(shè)有殼程殼體、管程殼體、管板、多根U型管。管程殼體的內(nèi)腔中設(shè)有隔板；管板與管程殼體為整體部件，管板設(shè)于殼程殼體與管程殼體之間。U型管設(shè)于殼程殼體的內(nèi)腔中；U型管入口與管板的U型管入口部分(半圓形)相連，U型管出口與管板的U型管出口部分(半圓形)相連。這種立式U型管換熱器存在如下幾個問題：(1)在管板的U型管入口部分與U型管出口部分的溫差較大時(例如大于200℃)，管板會沿垂直于U型管入口部分與U型管出口部分的分界線(管板直徑)的方向向兩側(cè)膨脹。管板以及管板與管程殼體連接處的熱應(yīng)力較大，易于發(fā)生強度破壞。(2)在殼程殼體的內(nèi)腔中，殼程介質(zhì)與U型管中的管程介質(zhì)不是進行純逆流換熱，換熱效果不夠理想。換熱后的殼程介質(zhì)有時與換熱前的殼程介質(zhì)接觸進行再次換熱，會造成熱損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種立式U型管換熱器，以解決現(xiàn)有立式U型管換熱器所存在的管板U型管入口部分與U型管出口部分溫差較大時管板以及管板與管程殼體連接處的熱應(yīng)力較大而易于發(fā)生強度破壞的問題，以及在殼程殼體的內(nèi)腔中殼程介質(zhì)與U型管中的管程介質(zhì)不是進行純逆流換熱而使換熱效果不夠理想等問題。

為解決上述問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種立式U型管換熱器，設(shè)有殼程殼體、管程殼體、管板和U型管，管板與管程殼體為整體部件，管板設(shè)于殼程殼體與管程殼體之間，U型管設(shè)于殼程殼體的內(nèi)腔中，U型管入口和出口與管板相連，U型管入口與管程殼體的內(nèi)腔相通，其特征在于：殼程殼體的內(nèi)腔中自內(nèi)向外垂直設(shè)置有中心管、內(nèi)套筒和外套筒，內(nèi)套筒的頂部與管板相連，外套筒的底部與中心管的下部之間設(shè)有內(nèi)封頭，中心管與內(nèi)套筒之間形成內(nèi)側(cè)換熱通道，內(nèi)套筒與外套筒之間形成外側(cè)換熱通道，外套筒與殼程殼體之間形成流動通道，中心管的頂部與內(nèi)側(cè)換熱通道的頂部相通，內(nèi)側(cè)換熱通道的底部與外側(cè)換熱通道的底部相通，外側(cè)換熱通道的頂部與流動通道的頂部相通，流動通道的底部與殼程殼體內(nèi)腔的下部相通，U型管入口管段的主體位于外側(cè)換熱通道中，U型管返回管段的主體位于內(nèi)側(cè)換熱通道中，中心管的底部與殼程介質(zhì)入口管相連，殼程殼體上設(shè)有殼程介質(zhì)出口管，管程殼體上設(shè)有管程介質(zhì)入口管，管程殼體的內(nèi)腔中，在管板的中部設(shè)有管程介質(zhì)聚集室，U型管出口與管程介質(zhì)聚集室相通，管程介質(zhì)聚集室上設(shè)有管程介質(zhì)出口管，通往管程殼體的外部。

采用本實用新型，具有如下的有益效果：(1)操作過程中，換熱前的殼程介質(zhì)進入中心管，再在內(nèi)側(cè)換熱通道和外側(cè)換熱通道中與U型管中的管程介質(zhì)換熱。在管程介質(zhì)聚集室所在的管板中部為U型管出口部分、溫度較高，圍繞U型管出口部分的管板其余部分為U型管入口部分、溫度較低。盡管兩部分的溫差較大，但由于管板溫度沿徑向呈輻射狀降低，管板在360度方向上沿徑向均勻膨脹，從而能夠有效地降低管板以及管板與管程殼體連接處的熱應(yīng)力，避免發(fā)生強度破壞，保證立式U型管換熱器安全、可靠地運行。(2)U型管入口管段中的管程介質(zhì)與外側(cè)換熱通道中的殼程介質(zhì)、U型管返回管段中的管程介質(zhì)與內(nèi)側(cè)換熱通道中的殼程介質(zhì)，均是進行純逆流換熱，換熱效果比較理想。(3)換熱后的殼程介質(zhì)進入流動通道、殼程殼體內(nèi)腔的下部，最后從殼程介質(zhì)出口管流出，不與換熱前的殼程介質(zhì)進行再次換熱，能夠避免熱損失。

本實用新型可用于各種氣液介質(zhì)的換熱。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。附圖和具體實施方式并不限制本實用新型要求保護的范圍。

附圖說明

圖1是本實用新型立式U型管換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中的A—A剖視圖(放大)。

圖3是圖1中的B—B剖視圖(放大)。

圖1至圖3中，相同附圖標記表示相同的技術(shù)特征。圖2和圖3中的小圓表示U型管，圖2中未示出管程法蘭和殼程法蘭，圖3中未示出殼程介質(zhì)入口管和殼程介質(zhì)出口管等部件。圖1中，以實心箭頭表示殼程介質(zhì)的流動方向，空心箭頭表示管程介質(zhì)的流動方向。

具體實施方式

參見圖1、圖2和圖3，本實用新型的立式U型管換熱器設(shè)有殼程殼體1、管程殼體2、管板5和U型管，殼程殼體1、管程殼體2和U型管立式設(shè)置。管板5與管程殼體2為整體部件(鍛造或焊接)，管板5設(shè)于殼程殼體1與管程殼體2之間。U型管設(shè)于殼程殼體1的內(nèi)腔中，U型管入口和出口與管板5相連，U型管入口與管程殼體2的內(nèi)腔相通。殼程殼體1的內(nèi)腔中自內(nèi)向外垂直設(shè)置有中心管6、內(nèi)套筒7和外套筒8，中心管6、內(nèi)套筒7和外套筒8與殼程殼體1同軸設(shè)置。內(nèi)套筒7的頂部與管板5相連，外套筒8的底部與中心管6的下部之間設(shè)有內(nèi)封頭4。外套筒8的下部通過幾個均布的支撐件14與殼程殼體1固定連接。

中心管6與內(nèi)套筒7之間形成內(nèi)側(cè)換熱通道9，內(nèi)套筒7與外套筒8之間形成外側(cè)換熱通道10，外套筒8與殼程殼體1之間形成流動通道11。中心管6的頂部與內(nèi)側(cè)換熱通道9的頂部相通，內(nèi)側(cè)換熱通道9的底部與外側(cè)換熱通道10的底部相通，外側(cè)換熱通道10的頂部與流動通道11的頂部相通，流動通道11的底部與殼程殼體1內(nèi)腔的下部相通。U型管入口管段31的主體(即大部分)位于外側(cè)換熱通道10中，U型管返回管段32的主體(即大部分)位于內(nèi)側(cè)換熱通道9中。中心管6的底部與殼程介質(zhì)入口管15相連，殼程殼體1的下部設(shè)有殼程介質(zhì)出口管16。

管程殼體2上設(shè)有管程介質(zhì)入口管17。管程殼體2的內(nèi)腔中，在管板5的中部設(shè)有管程介質(zhì)聚集室12，U型管出口與管程介質(zhì)聚集室12相通。管程介質(zhì)聚集室12的頂部設(shè)有管程介質(zhì)出口管13，通往管程殼體2的外部。

殼程殼體1的下部設(shè)有殼程人孔21，管程殼體2的頂部設(shè)有管程人孔20，以便于人員進入殼程殼體1和管程殼體2的內(nèi)腔進行檢查、維修。殼程殼體1的頂部和管程殼體2的底部通過殼程法蘭18和管程法蘭19連接。管板5與管程殼體2為整體部件，能夠承受管程介質(zhì)的作用，且便于U型管以及其它殼程內(nèi)構(gòu)件的安裝。將管板5向外延伸出一個圓環(huán)形部分，可作為管程法蘭19。

殼程殼體1、管程殼體2、U型管、中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、殼程介質(zhì)入口管15、殼程介質(zhì)出口管16、管程介質(zhì)入口管17、管程介質(zhì)出口管13的橫截面形狀均為圓形，內(nèi)側(cè)換熱通道9、外側(cè)換熱通道10、流動通道11的橫截面形狀均為圓環(huán)形，管板5的形狀為圓形。內(nèi)封頭4的形狀可以是倒置的圓錐面形(如圖1所示)，也可以是倒置的半球面形(圖略)。圖1和圖2所示管程介質(zhì)聚集室12的殼體由下部的圓筒形筒體和上部的圓錐面形筒體組成，它們通常與管程殼體2同軸設(shè)置。殼程殼體1與管程殼體2通常是同軸設(shè)置。

根據(jù)管程介質(zhì)與殼程介質(zhì)換熱量的大小，立式U型管換熱器可以設(shè)置幾十根至幾百根的U型管。參見圖1、圖2和圖3，本實用新型的一種方案是，同一種規(guī)格的U型管繞殼程殼體1的軸心線均勻設(shè)置、組成一組U型管。一組U型管中，U型管入口位于管板的U型管入口部分(圓環(huán)形)、與殼程殼體1的軸心線同軸的一個布管圓上，U型管出口位于管板的U型管出口部分(圓形)、與殼程殼體1的軸心線同軸的另一個布管圓上。不同組U型管中的U型管入口和U型管出口，分別位于圓心相同但半徑不同的多個布管圓上。

為強化換熱效果，內(nèi)側(cè)換熱通道9和外側(cè)換熱通道10中最好均設(shè)有折流板22，折流板22可以使用各種常用的折流板。圖1和圖3所示的折流板22為帶有外圓環(huán)缺口的圓環(huán)形折流板和帶有內(nèi)圓環(huán)缺口的圓環(huán)形折流板，在內(nèi)側(cè)換熱通道9和外側(cè)換熱通道10中上下交替設(shè)置。U型管入口管段31和U型管返回管段32從折流板22上的開孔穿過。

本實用新型的立式U型管換熱器可以采用裙座立式支撐(圖略)。根據(jù)不同的換熱情況，各部件選用不同的金屬材料制造。

下面結(jié)合附圖說明本實用新型立式U型管換熱器的操作過程。管程介質(zhì)24從管程介質(zhì)入口管17進入管程殼體2的內(nèi)腔，再從U型管入口進入U型管，在U型管中流動。殼程介質(zhì)23從殼程介質(zhì)入口管15進入中心管6的底部，在中心管6中向上流動，再從中心管6的頂部流出，從內(nèi)側(cè)換熱通道9的頂部進入內(nèi)側(cè)換熱通道9。進入內(nèi)側(cè)換熱通道9中的殼程介質(zhì)在內(nèi)側(cè)換熱通道9中向下流動，與在U型管返回管段32中向上流動的管程介質(zhì)進行純逆流換熱(如圖1所示)。在內(nèi)側(cè)換熱通道9中換熱后的殼程介質(zhì)從內(nèi)側(cè)換熱通道9的底部流出，從外側(cè)換熱通道10的底部進入外側(cè)換熱通道10。進入外側(cè)換熱通道10中的殼程介質(zhì)在外側(cè)換熱通道10中向上流動，與在U型管入口管段31中向下流動的管程介質(zhì)進行純逆流換熱(如圖1所示)。在外側(cè)換熱通道10中換熱后的殼程介質(zhì)從外側(cè)換熱通道10的頂部流出，從流動通道11的頂部進入流動通道11。進入流動通道11中的殼程介質(zhì)在流動通道11中向下流動，從流動通道11的底部進入殼程殼體1內(nèi)腔的下部，最后從殼程介質(zhì)出口管16流出。在U型管中與殼程介質(zhì)換熱后的管程介質(zhì)從U型管出口流出，進入管程介質(zhì)聚集室12，最后從管程介質(zhì)出口管13流出。圖1中，附圖標記240表示換熱后的管程介質(zhì)，附圖標記230表示換熱后的殼程介質(zhì)。

殼程介質(zhì)可以是氣相或液相，管程介質(zhì)也可以是氣相或液相。例如，進入U型管換熱器的管程介質(zhì)24為水蒸汽，殼程介質(zhì)23為烴類氣體；利用烴類氣體的余熱產(chǎn)生過熱水蒸汽。一組典型的條件是：管程介質(zhì)入口管17中管程介質(zhì)24(水蒸汽)的溫度為300～350℃，壓力為10～15MPa；管程介質(zhì)出口管13中換熱后的管程介質(zhì)240(過熱水蒸汽)的溫度為500～600℃，壓力為10～15MPa；殼程介質(zhì)入口管15中殼程介質(zhì)23(烴類氣體)的溫度為600～900℃，壓力為1～5MPa；殼程介質(zhì)出口管16中換熱后殼程介質(zhì)230(換熱后烴類氣體)的溫度為300～450℃，壓力為1～5MPa。本實用新型提到的壓力均為表壓。

對于上述的操作條件，殼程殼體1和管程殼體2可以使用普通的低合金鋼(例如Q345R)板材制造，內(nèi)壁不設(shè)置絕熱襯里。殼程殼體1的壁厚一般不超過50毫米，管程殼體2的壁厚一般不超過200毫米。U型管和管板5的材料和壁厚與現(xiàn)有在高溫高壓條件下操作的立式U型管換熱器中所用的U型管和管板的材料和壁厚基本相同。中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、內(nèi)封頭4、殼程介質(zhì)入口管15、管程介質(zhì)聚集室12的殼體、管程介質(zhì)出口管13、折流板22等部件，通常使用不銹鋼(例如奧氏體不銹鋼)板材或管材制造，這些部件的壁厚一般為6～20毫米。中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、內(nèi)封頭4、殼程介質(zhì)入口管15、管程介質(zhì)聚集室12的殼體和管程介質(zhì)出口管13的表面上涂敷有隔熱涂料，可以單面涂敷或雙面涂敷。隔熱涂料應(yīng)能耐換熱前后管程介質(zhì)或殼程介質(zhì)的溫度，例如磷酸鹽鋁粉涂料。