一种单管程浮头式换热器
技术领域
本发明涉及一种管壳式换热器，具体是一种单管程浮头式换热器。
背景技术
现有的浮头式换热器的管程数通常为双数，如2管程，4管程，6管程等，其管程介质由位于固定管箱的管侧入口进入，通过换热管流入浮头管箱，经一次或多次变换流向后由同样位于固定管箱的管侧出口流出。该类浮头式换热器的问题在于，由于管侧介质需要变换流向，其管侧介质压降较大，尤其当管侧介质较为粘稠或管侧介质内存在不溶性颗粒时，变换流向的过程中极易发生介质堆积，从而造成堵塞流道的问题，影响装置的正常运行。
针对这一问题，目前已有多项专利发明了单管程浮头式换热器，广泛应用于石油、化工、电力等行业。但现有专利中管侧介质进出口位于换热器的两侧，所需上下游连接管线较长，装置布置困难，且管线压降较大。例如，申请号201210195189.5公开的一种管程膨胀式单管程换热器，是一种单管程浮头式换热器，其浮头管箱封头上设置一管程介质出口。管程介质出口通过管程出口连接法兰12与设置在壳体上的固定连接件13相连，将管程介质引出换热器。该换热器虽然解决了浮头式换热器管侧介质需要变换流向的问题，但管侧进出口位于换热器两端，仍存在所需上下游管线过长，装置布置困难，且管线压降较大的问题。此外，申请号201320508279.5、201420356813.X、201510003798.X、201420591577.X等公开的浮头式换热器也存在同样的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种单管程浮头式换热器，该换热器能够满足换热器上下游介质进出口管线直连要求，换热效率高，可靠性好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种单管程浮头式换热器，包括换热器壳体、管束、中心管和套管，所述的管束包括管束外壳、浮动端管板、固定端管板、多根换热管、多块折流板及多件折流板定位件，所述的浮动端管板和所述的固定端管板分别固定在所述的管束外壳的上端和下端，所述的管束外壳、浮动端管板和固定端管板围成换热腔，所述的多块折流板通过所述的多件折流板定位件安装在所述的换热腔内，所述的多根换热管分别直立安装在所述的换热腔内，每根所述的换热管的上端和下端分别固定在所述的浮动端管板和所述的固定端管板上，所述的换热器壳体的内腔包括上下依次设置上部腔体、中部腔体和下部腔体，所述的管束外壳安装在所述的中部腔体内，所述的换热器壳体与所述的管束外壳之间形成第一环形空间，所述的第一环形空间与所述的下部腔体不相通，所述的换热器壳体的侧壁的下部安装有管侧介质入口，所述的管侧介质入口、第一环形空间和上部腔体依次相通，所述的上部腔体经所述的多根换热管与所述的下部腔体相通，所述的换热器壳体的底壁安装有与所述的下部腔体相通的管侧介质出口，所述的浮动端管板上开设有中心孔，所述的中心管的下端穿过所述的换热器壳体的顶壁和所述的中心孔伸入所述的换热腔的底部，所述的中心管的上端外露于所述的换热器壳体，所述的浮动端管板与所述的中心管之间形成一环形间隙，所述的套管套设在所述的中心管的上部，所述的套管的上部穿过并固定在所述的换热器壳体的上端，所述的套管的下端焊接在所述的浮动端管板上，所述的套管与所述的中心管的上部之间形成第二环形空间，所述的第二环形空间与所述的上部腔体不相通，所述的套管的侧壁上设置有壳侧介质出口，所述的中心管的顶端设置有壳侧介质入口，所述的壳侧介质入口、中心管的内孔、换热腔、环形间隙、第二环形空间和壳侧介质出口依次相通。
本发明单管程浮头式换热器工作时，壳侧介质由位于换热器上部的壳侧介质入口进入换热器，管侧介质由位于换热器壳体下部的管侧介质入口进入换热器。壳侧介质在中心管的内孔中向下流动，从中心管的底端流出，进入壳侧的换热腔，自下而上依次经多块折流板折流后向上流动，并在此过程中与在多根换热管内自上而下流动的管侧介质发生热交换，再经浮动端管板与中心管之间的环形间隙流入第二环形空间内，由壳侧介质出口流出；同时，管侧介质经换热器壳体与管束外壳之间的第一环形空间向上流动，进入换热器壳体的上部腔体，再由多根换热管的上端进入多根换热管，在多根换热管内部自上而下流动，并在此过程中与多根换热管外部自下而上流动的壳侧介质发生热交换，然后由多根换热管的下端流出，在换热器壳体的下部腔体汇聚后，自管侧介质出口流出。
本发明单管程浮头式换热器的壳侧介质入口与壳侧介质出口均位于换热器的上部，管侧介质入口与管侧介质出口均位于换热器的下部，能够满足换热器上下游介质进出口管线直连要求，解决传统单管程浮头式换热器存在的连接管线过长、管线压降较大的问题。
本发明单管程浮头式换热器工作过程中，壳侧介质经套管流入管束的底部，依次经多块折流板折流后向上流动；管侧介质经第一环形空间后进入多根换热管，在多根换热管内向下流动并与壳侧介质发生热交换。在热交换过程中，管侧介质与壳侧介质形成逆向错流流动，可有效提高换热效率。此外，管侧介质与壳侧介质分别单程流动，不存在分程问题，可解决传统多管程浮头式换热器存在的管侧介质和壳侧介质压降较大和易堵塞的问题，提高换热器的可靠性。
作为优选，所述的换热器壳体由上下叠置的第一壳体和第二壳体组成，所述的上部腔体和所述的中部腔体上下设置在所述的第一壳体的内侧，所述的下部腔体设置在所述的第二壳体的内侧，所述的第一壳体的底部设置有第一法兰，所述的第二壳体的顶部设置有第二法兰，所述的第一法兰叠置在所述的第二法兰上，所述的第一法兰和所述的第二法兰经多个螺栓固定连接，所述的第一法兰的内周缘伸入所述的下部腔体内，所述的固定端管板的外周缘叠置在所述的第一法兰的内周缘上，所述的固定端管板的外周缘与所述的第一法兰的内周缘经螺栓固定连接，所述的第一环形空间由所述的换热器壳体的内表面、所述的管束外壳的外表面及所述的第一法兰的内周缘的上表面围成，所述的固定端管板和所述的第一法兰的内周缘将所述的第一环形空间与所述的下部腔体隔开。在换热腔压力试验过程中，松开第二法兰，可以检查换热管与固定端管板之间连接接头的可靠性。此外，第一法兰的内周缘还起到支撑管束的作用，使管束安装更可靠。
作为优选，所述的固定端管板的中部开设有上下导通的排净口，所述的排净口的底部安装有第一配对法兰盖。换热腔压力试验结束后，将第一配对法兰盖打开，可以确保腔内试压液体完全排净。操作工况下，排净口保持封闭，将换热腔与下部腔体隔开。
作为优选，所述的套管的顶端固定有第三法兰，所述的第三法兰的上侧叠置并经螺栓固定连接有第二配对法兰盖，所述的第二配对法兰盖套设并固定在所述的中心管的外侧，所述的中心管的顶端固定有第四法兰。检修时，松开法兰盖，可先将中心管整体抽出，再将高压水枪经由套管插入换热腔内对管束进行冲洗除垢，冲洗产生的污水经排净口排出。
在管壳侧温差作用下，管侧和壳侧存在较大的轴向膨胀差，该膨胀差有可能引起换热管与上下管板的连接接头以及与上管板相连的其它连接接头的断裂，导致介质泄漏、换热器整体失效，甚至引发事故。本发明中，作为优选，所述的套管上设置有膨胀节，所述的膨胀节位于所述的换热器壳体的内侧。膨胀节用以吸收管壳侧温差引起的轴向膨胀差，进一步提高换热器的可靠性。且由于膨胀节位于换热器壳体的内部，承受管侧压力和壳侧压力的共同作用，因此膨胀节实际承受的压力为管侧压力和壳侧压力之差，一般低于壳侧压力值，从而能够有效保护膨胀节。即使膨胀节失效，壳侧介质仅由套管泄漏至换热器壳体内，而不会泄漏至换热器壳体外部空间，避免引发事故。
作为优选，所述的换热器壳体的上端设置有人孔。在换热腔压力试验过程中，可通过人孔检查换热腔内换热管与浮动端管板之间连接接头的可靠性。
作为优选，所述的多块折流板、换热器壳体、管束外壳、浮动端管板、中心管和套管的横截面均为圆环形，所述的多块折流板包括多块第一折流板和多块第二折流板，每块所述的第一折流板的外径小于所述的管束外壳的内径，每块所述的第一折流板的内径等于所述的中心管的外径，每块所述的第二折流板的外径等于所述的管束外壳的内径，每块所述的第二折流板的内径大于所述的中心管的外径，所述的多块第一折流板和多块第二折流板自上而下依次交替设置，所述的多块第一折流板和多块第二折流板分别套设在所述的中心管的外侧，所述的多根换热管分别穿设在所述的多块第一折流板和多块第二折流板上，所述的多块第一折流板和多块第二折流板分别固定在直立安装的所述的多件折流板定位件上，所述的多件折流板定位件的下端分别固定在所述的固定端管板上。上述多块折流板的设计，可确保对壳侧介质的折流效果及换热效果。
进一步地，所述的多根换热管以多圈换热管形式围绕所述的管束外壳的中心线设置，从所述的管束的横截面看，每圈换热管包括呈同心圆排布的多根换热管，沿所述的管束的横截面的径向向外，各圈换热管所包含的换热管的数量依次增多。上述换热管的布局设计，可提高管侧介质与壳侧介质在换热器内分布的均匀性，并能够尽可能多排布换热管，增加换热面积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明单管程浮头式换热器的壳侧介质入口与壳侧介质出口均位于换热器的上部，管侧介质入口与管侧介质出口均位于换热器的下部，能够满足换热器上下游介质进出口管线直连要求，解决传统单管程浮头式换热器存在的连接管线过长、管线压降较大的问题。本发明单管程浮头式换热器工作过程中，壳侧介质经中心管流入管束的底部，依次经多块折流板折流后向上流动；管侧介质经第一环形空间后进入多根换热管，在多根换热管内向下流动并与壳侧介质发生热交换。在热交换过程中，管侧介质与壳侧介质形成逆向错流流动，可有效提高换热效率。此外，管侧介质与壳侧介质分别单程流动，不存在分程问题，可解决传统单管程浮头式换热器存在的管侧介质和壳侧介质压降较大的问题，提高换热器的可靠性。
附图说明
图1为实施例中单管程浮头式换热器的结构示意图；
图2为实施例中管束的结构示意图；
图3为实施例中换热管的排布示意图；
图4为实施例中单管程浮头式换热器工作过程中的壳侧介质和管侧介质的流向示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的单管程浮头式换热器，如图1和图2所示，包括换热器壳体、管束2、中心管3和套管4，管束2包括管束外壳21、浮动端管板22、固定端管板23、多根换热管24、多块折流板及多件折流板定位件26，浮动端管板22和固定端管板23分别固定在管束外壳21的上端和下端，管束外壳21、浮动端管板22和固定端管板23围成换热腔27，多块折流板通过多件折流板定位件26安装在换热腔27内，多根换热管24分别直立安装在换热腔27内，每根换热管24的上端和下端分别固定在浮动端管板22和固定端管板23上，换热器壳体的上端设置有人孔18，换热器壳体的内腔包括上下依次设置上部腔体11、中部腔体和下部腔体12，管束外壳21安装在中部腔体内，换热器壳体与管束外壳21之间形成第一环形空间13，第一环形空间13与下部腔体12不相通，换热器壳体的侧壁的下部安装有管侧介质入口14，管侧介质入口14、第一环形空间13和上部腔体11依次相通，上部腔体11经多根换热管24与下部腔体12相通，换热器壳体的底壁安装有与下部腔体12相通的管侧介质出口15，浮动端管板22上开设有中心孔28，中心管3的下端穿过换热器壳体的顶壁和中心孔28伸入换热腔27的底部，中心管3的上端外露于换热器壳体，浮动端管板22与中心管3之间形成一环形间隙29，套管4套设在中心管3的上部，套管4的上部穿过并固定在换热器壳体的上端，套管4的下端焊接在浮动端管板22上，套管4上设置有膨胀节41，膨胀节41位于换热器壳体的内侧，套管4与中心管3的上部之间形成第二环形空间42，第二环形空间42与上部腔体11不相通，套管4的侧壁上设置有壳侧介质出口43，中心管3的顶端设置有壳侧介质入口31，壳侧介质入口31、中心管3的内孔、换热腔27、环形间隙29、第二环形空间42和壳侧介质出口43依次相通。
实施例1中，换热器壳体由上下叠置的第一壳体6和第二壳体7组成，上部腔体11和中部腔体上下设置在第一壳体6的内侧，下部腔体12设置在第二壳体7的内侧，第一壳体6的底部设置有第一法兰51，第二壳体7的顶部设置有第二法兰52，第一法兰51叠置在第二法兰52上，第一法兰51和第二法兰52经多个螺栓固定连接，第一法兰51的内周缘伸入下部腔体12内，固定端管板23的外周缘叠置在第一法兰51的内周缘上，固定端管板23的外周缘与第一法兰51的内周缘经螺栓固定连接，第一环形空间13由换热器壳体的内表面、管束外壳21的外表面及第一法兰51的内周缘的上表面围成，固定端管板23和第一法兰51的内周缘将第一环形空间13与下部腔体12隔开；固定端管板23的中部开设有上下导通的排净口20，排净口20的底部安装有第一配对法兰盖53；套管4的顶端固定有第三法兰54，第三法兰54的上侧叠置并经螺栓固定连接有第二配对法兰盖55，第二配对法兰盖55套设并固定在中心管3的外侧，中心管3的顶端固定有第四法兰56。
实施例2的单管程浮头式换热器，与实施例1的区别在于，多块折流板、换热器壳体、管束外壳21、浮动端管板22、中心管3和套管4的横截面均为圆环形，多块折流板包括多块第一折流板251和多块第二折流板252，每块第一折流板251的外径小于管束外壳21的内径，每块第一折流板251的内径等于中心管3的外径，每块第二折流板252的外径等于管束外壳21的内径，每块第二折流板252的内径大于中心管3的外径，多块第一折流板251和多块第二折流板252自上而下依次交替设置，多块第一折流板251和多块第二折流板252分别套设在中心管3的外侧，多根换热管24分别穿设在多块第一折流板251和多块第二折流板252上，多块第一折流板251和多块第二折流板252分别固定在直立安装的多件折流板定位件26上，多件折流板定位件26的下端分别固定在固定端管板23上。
实施例2中，如图3所示，多根换热管24以多圈换热管形式围绕管束外壳21的中心线设置，从管束2的横截面看，每圈换热管包括呈同心圆排布的多根换热管24，沿管束2的横截面的径向向外，各圈换热管所包含的换热管24的数量依次增多。
上述单管程浮头式换热器工作过程中的壳侧介质和管侧介质的流向示意图见图4（人孔7和排净口20等未示出），图4中，实心箭头表示壳侧介质流向，空心箭头表示管侧介质流向，具体地：
（1）壳侧介质由中心管的上端进入换热器，在中心管3的内孔中向下流动，从中心管3的底端流出，进入壳侧的换热腔27，自下而上依次经多块折流板折流后向上流动，并在此过程中与在多根换热管24内自上而下流动的管侧介质发生热交换，再经浮动端管板22与中心管3之间的环形间隙29流入第二环形空间42内，由壳侧介质出口43流出；
（2）管侧介质由位于换热器壳体下部的管侧介质入口14进入换热器，管侧介质经换热器壳体与管束外壳21之间的第一环形空间13向上流动，进入换热器壳体的上部腔体11，再由多根换热管24的上端进入多根换热管24，在多根换热管24内部自上而下流动，并在此过程中与多根换热管24外部自下而上流动的壳侧介质发生热交换，然后由多根换热管24的下端流出，在换热器壳体的下部腔体12汇聚后，自管侧介质出口15流出。
在实际应用中，也可以将管侧介质入口14与管侧介质出口15互换，即16作为管侧介质入口，15作为管侧介质出口，同时将壳侧介质入口31与壳侧介质出口43互换，即43作为壳侧介质入口31作为壳侧介质出口，这样壳侧介质和管侧介质的流向分别与图4中箭头所示方向相反。
