用于壳管式热交换器的蒸气和液体筒
技术领域
本发明涉及一种壳管式热交换器，且更特别地涉及一种具有在自然循环下操作的蒸气和液体筒的壳管式热交换器。
背景技术
功率和过程工业中的热流体通常借助于热交换器来冷却，其中冷却流体的汽化通过热流体与冷流体之间的间接热传递来发生。汽化允许安装高的总体热传递系数且因此降低热传递表面和操作金属的温度。此类热交换器的主要示例为废热锅炉或过程气体锅炉，其中处于高温的气体通过水的汽化来冷却。
当热交换器借助于冷却流体的汽化用来间接地冷却热流体时，为了安全且稳定的操作，通常有必要提供用于：
-冷却流体横跨热交换器的连续循环；
-产生的蒸气从液体的分离；
-在紧急停机的情况下液体状态中冷却流体的保留体积。
冷却流体横跨热交换器的循环对于避免蒸气覆盖、热传递性能降低以及可能的过热是必要的。冷却流体的循环可通过自然或强制通风来完成。蒸气和液体分离对于下一个操作通常是必要的。蒸气可用于过程或实用目的，而液体通常重新注射到热交换器中。最后，液体状态中冷却流体的保留体积对于确保在紧急停机期间(其中发生冷却剂的不足)交换热表面的良好润湿大体上是必要的。
为了提供用于冷却流体的循环，用于气相和液相的分离，以及用于具有保留体积，蒸气和液体筒通常连同热交换器一起安装。此类筒可处于热交换器本体内部或外部。在筒处于热交换器本体外部的情况下，它是分离的压力室。因此，筒借助于往来于热交换器的管道或借助于横跨热交换器和筒所共用的压力壁的开口来连接到热交换器。
从热交换器本体分离的蒸气和液体筒本质上是压力室，其特征在于液位、用于来自热交换器的蒸气和液体混合物的至少一个入口、用于液体的至少一个出口以及用于蒸气的至少一个出口。筒还几乎总是设有用于新鲜的冷却流体的入口，该新鲜的冷却流体通常在液相中，其替代蒸气状态中离开筒的冷却流体量的至少一部分。
根据常见的构造，筒在内部设有一个或多个分隔壁，该一个或多个分隔壁形成筒中的至少两个区段，第一区段用于蒸气和液体混合物，且第二区段用于液体。分隔壁在顶端处开口。因此，两个区段通过分隔壁的顶部开口来连通。顶部开口用作堰，且还可设有蒸气和液体分离装置，诸如冲击板或旋流器。
第一区段或者蒸气和液体混合物区段与来自热交换器的管或管道连通，且因此第一区段接收蒸气和液体混合物。第二区段或液体区段的特征在于液位，该液位位于堰或分隔壁的顶端下方，且与将液体朝热交换器或任何其它设备传送的出口管或管道连通。排放到筒的第一区段中的蒸气和液体混合物朝堰移动。在堰处(在该处可安装分离装置以用于改进蒸气和液体分离)，蒸气和液体排放到第二区段中。液体朝该液位下落，而蒸气在该液位上方且朝出口蒸气连接件移动，该出口蒸气连接件通常安装在筒室的顶部处。额外的分离装置可安装在出口蒸气连接件处或附近处，以用于精细的蒸气和液体分离。
蒸气和液体混合物从热交换器到筒的循环以及液体从筒到热交换器的循环可在自然或强制通风下发生。在自然循环的情况下，筒安装在相对于热交换器升高的位置处。借助于向上和向下回路的密度差，蒸气和液体混合物从热交换器向上移动到筒，且液体从筒向下移动到热交换器。筒相对于热交换器的高程表示对于自然循环的静压头。
在公开文献中描述许多蒸气和液体筒。例如，文献US 2372992、US 2402154、US2420655、US 2550066、US 2806453、US 5061304、US 4565554公开安装在蒸汽生成单元中的筒的相应实施例，在该蒸汽生成单元中，间接地接收来自热流体的热量且容纳水的汽化的水管直接地连接到筒。汽化水管优选地将混合物排放到筒的蒸汽和水区段中，该蒸汽和水区段通过一个或多个壁来与筒的水区段分离。混合物借助于分离装置来处理。分离的水从蒸汽和水区段排放到筒的水区段中，而分离的蒸汽朝蒸汽出口连接件移动到筒的顶部。筒的水区段(其特征在于水位)连接到大的管道，也称为降液管，其通常安装在热流体室外部。降液管将水从筒朝锅炉或汽化管的底部带。
特别地，文献US 2372992描述一种废热锅炉，其特征在于通过汽化水管(提升管)和降液管来连接的上筒和下筒，汽化水管(提升管)和降液管两者安装在其中热烟气流动的壳体中。将水从上筒带到下筒的降液管相对于提升管具有有限的热传递。
文献US 3114353描述一种蒸气生成单元，该蒸气生成单元由壳管型竖直蒸气生成器构成，带有直管、上管板和下管板、连接到上管板的用作蒸气和液体筒的上压力室，以及连接到下管板的用作次级液体室或液体筒的下压力室。上室或者蒸气和液体筒具有形成两个区段(蒸气和液体区段以及特征在于液位的液体区段)的内壁。上筒的蒸气和液体区段直接地从生成器的交换管收集蒸气和液体混合物。上筒的蒸气和液体区段借助于大的降液管来将液体输送到生成器的下液体筒，该降液管包围到管束中，其设有用于限制流入降液管中的液体沸腾的套筒(sleeve)。
在文献US 2016/0097375中公开的另一构造中，筒为压力室，该压力室连接到带有卡口型交换管的壳管式蒸汽生成器的管板。蒸汽筒借助于壁在内部分成两个区段。与一个管程连通的第一区段收集在热交换器中产生的蒸汽和水的混合物，而与另一管程连通的第二区段用作水储器且将水输送到蒸汽生成器管。蒸汽和水的混合物通过处于蒸汽筒室外部的管道从筒的第一区段传送到安装在筒的第二区段内部的分离装置。
文献US 2373564描述一种壳管型竖直水管废热锅炉，带有在相反侧上连接到共用管板的两个壳，且带有连接到管板的U形管。下壳容纳管，且上壳用作水储器和蒸汽分离空间(筒)。上壳设有挡板，该挡板由存在于上壳中的水所浸没。上壳分成由蒸气-液体界面分离的一个下蒸汽-水部分和一个上蒸汽部分。上壳中的水位是U形管的入口端和出口端两者所共用的。
发明内容
因此，本发明的主要目标在于提供一种具有蒸气和液体筒的壳管式热交换器的备选实施例，其能够：
-收集在热交换器管中产生的蒸气和液体混合物；
-提供用于蒸气和液体分离；
-提供用于液体保留体积；
-将液体输送到热交换器管；
-在自然循环下操作。
根据本发明，该目标通过提供如所附权利要求中阐述的具有蒸气和液体筒的壳管式热交换器以及操作壳管式热交换器的方法来实现。
特别地，这些目标通过一种壳管式热交换器来实现，该壳管式热交换器包括包围管束的多个U形管的壳。每个管设有第一管部分和第二管部分，该第一管部分和该第二管部分通过U形弯头来液压地连接。每个管的开口端连接到管板，且管相对于所述管板竖直布置且向下设置。壳设有用于引进第一流体的至少一个入口喷嘴和用于排出第一流体的至少一个出口喷嘴。压力室在壳的相反侧上且在所述壳上方连接到管板。压力室设有用于引进和排出至少第二流体的多个喷嘴。所述第二流体在管内在自然循环下流动，以间接地与第一流体进行热交换，且在热交换期间汽化。压力室包含引导罩(jacket)，该引导罩在其第一端处密封地连结到管板或第一管部分，且在与第一端相反的其第二端处开口。引导罩将压力室分成第一区段和第二区段，第一区段由引导罩包围且与第一管部分连通，第二区段与第二管部分连通。第一区段和第二区段借助于引导罩的开口端彼此连通。第一区段具有位于所述开口端下方的液位，且设有位于所述液位上方的蒸气室。
这些目标还通过一种操作壳管式热交换器的方法来实现，该壳管式热交换器包括包围管束的多个U形管的壳，其中每个管设有第一管部分和第二管部分，该第一管部分和该第二管部分通过U形弯头液压地连接，其中每个管的开口端连接到管板，且管相对于所述管板竖直布置且向下设置，其中壳设有至少一个入口喷嘴和至少一个出口喷嘴，且其中压力室在壳的相反侧上且在所述壳上方连接到管板，压力室设有液体入口喷嘴和蒸气出口喷嘴，其中压力室包含引导罩，该引导罩在其第一端处密封地连结到管板或第一管部分，且在与第一端相反的其第二端处开口，其中引导罩将压力室分成第一区段和第二区段，第一区段由引导罩包围且与第一管部分连通，第二区段与第二管部分连通，其中第一区段和第二区段借助于引导罩的开口端彼此连通，且其中第一区段设有蒸气室。方法包括：
-通过壳的入口喷嘴引进第一流体，
-通过压力室的液体入口喷嘴引进第二流体，
-使第二流体在自然循环下在管内流动，以在热交换期间间接地与第一流体进行热交换且使第二流体汽化，
-使第二流体的液位位于第一区段中所述开口端下方，蒸气室位于该液位上方，
-通过压力室的蒸气出口喷嘴排出汽化的第二流体，
-通过壳的出口喷嘴排出第一流体。
详细地，根据本发明的用于壳管式热交换器的蒸气和液体筒的优选实施例的特征在于以下技术特征：
-筒为在交换器壳的相反侧上连接到壳管式热交换器的管板的压力室；
-热交换器具有U形管，且优选地它在管侧上是双程的；
-热交换器具有竖直布置，带有向下的管束；
-筒分隔成至少两个区段，其中一个区段与第一管程连通，而另一区段与第二管程连通；
-热流体和冷却流体分别在热交换器的壳侧和管侧上流动；
-冷却流体间接地接收来自热流体的热量；
-冷却流体在热传递期间汽化且在自然循环下流动。
本发明的另外的特征由作为本描述的组成部分的从属权利要求来强调。
附图说明
参照所附示意图，根据以下示例性和非限制性描述，根据本发明的用于壳管式热交换器的蒸气和液体筒的特征和优点将更清楚，在所附示意图中图1示意性地示出设有此类蒸气和液体筒的壳管式热交换器的优选实施例。
具体实施方式
参照图，示出根据本发明的设有蒸气和液体筒的壳管式热交换器。壳管式热交换器10设有壳12，该壳12包围管束的多个U形管14。每个管14由第一部分或腿部16和第二部分或腿部18构成，两者借助于相应的U形弯头20液压地连接。每个管14的开口端都连接到管板22。管束管14和因此热交换器10具有竖直布置，其中管束管14相对于管板22向下设置。
第一流体24(典型为热流体)在热交换器10的壳侧上流动，分别通过至少一个入口喷嘴26和至少一个出口喷嘴28进入壳12中和从壳12离开。第二流体(典型为冷却流体)在热交换器10的管侧上(即，在管束的管14内)流动。热交换器10因此提供用于热流体与冷却流体之间的间接热交换。冷却流体在自然循环下流动且在热交换期间汽化。在优选实施例中，冷却流体为水，且热交换器10为蒸汽生成器。
压力室30(作为蒸气和液体筒工作)在壳12的相反侧上(即，在管板22的与管14连接到管板22处的侧部的相反侧上)且在所述壳12上方连接到热交换器10的管板22。筒30设有多个喷嘴32、34和36，喷嘴32、34和36用于引进和排出循环到所述筒30中的第二流体。热交换器10在管侧上具有双程构造。第一程(即，每个管14的第一腿部16)从筒30接收冷却流体(基本上在液相中)，而第二程(即，每个管14的第二腿部18)将冷却流体(作为蒸气和液体混合物)输送到筒30。第二流体在液相中进入第一管部分16中，且作为蒸气和液体混合物从第二管部分18离开。
筒30包含引导罩38，该引导罩38在其第一端40处密封地连结到管板22或管束管14的第一腿部16，且液压地连接到管束管14的第一腿部16(第一管程)。引导罩38在与第一端40相反的其第二端42处开口。引导罩38将筒30分成两个区段44和46。由引导罩38包围的第一区段44与管束管14的第一腿部16(第一管程)连通，而第二区段46与管束管14的第二腿部18(第二管程)连通。第一区段44和第二区段46借助于引导罩38的开口端42彼此连通。第一区段44和第二区段46共享位于第一区段44和第二区段46两者上方的共用蒸气室50。第一区段44设有位于引导罩38的开口端42下方的液位48，且因此设有位于液位48上方的蒸气室50。液相中的第二流体存在于第一区段44中，形成液位48。存在于第一区段44中的液相中的第二流体形成具有液位48的第二流体的储器60。因此，第一区段44容纳具有液位48的第二流体的储器60。储器60为液体储器，这意味着储器基本上由液体第二流体(即，液相中的第二流体)构成。液相中的第二流体部分地填充第一区段44，形成具有液位48的液体储器，该液位48优选地被控制用于适当的操作。在液位48上方的是形成在第一区段44中的蒸气室50。蒸气室50主要包含气相中的第二流体，但还包含液体第二流体滴。液位48表示蒸气室50与第一区段44的液体储器之间的蒸气-液体界面。第二区段46为蒸气-液体室，该蒸气-液体室不设有特定的液位且因此不设有水平控制。结果，液体储器和相关联的液位仅与第一腿部16直接连通且影响管16中的循环。此类构造的优点是，液位48的读取和控制不受第二腿部18中和第二区段46中的上升蒸气影响。引导罩38构造成将第二流体在开口端42处分离成液相和气相。第一区段44为内区段，且第二区段46为外区段。第二区段46介于引导罩38与筒30之间。通过使液位48在引导罩38的开口端42下方且相反地使开口端42在液位48上方，第二流体在开口端42处有效地分离成液相和气相。存在于第一区段44中的液体第二流体与存在于第二区段46中的蒸气-液体第二流体之间的密度差提供用于驱动力以用于管14内的自然循环。此外，存在于第一区段44中的液体第二流体提供用于正的静压头来进行第二流体通过管14从第一区段44到第二区段46的自然循环。这由第二区段中没有纯液相形成带有液位的储器所促进。
筒30还可设有：
-一个或多个蒸气和液体分离装置52，其安装在引导罩38的开口端42处或附近处；
-一个或多个液体注射装置54，其构造成用于优选地将液体通过一个或多个入口喷嘴32注射到第一区段44中，该一个或多个入口喷嘴32还可表示成液体入口喷嘴32；
-一个或多个液体提取装置56，其构造成用于通过一个或多个出口喷嘴34从第一区段44提取液体，该一个或多个出口喷嘴34还可表示成液体出口喷嘴34；
-一个或多个蒸气和液体分离装置58，其安装在蒸气出口喷嘴36处；
-用于测量和控制液位(48)的一个或多个装置(未示出)。
理想地，管束管14的布局为同心类型的，即，管束管14的第一腿部16(第一管程)布置在管板22的圆形中心区中，而管束管14的第二腿部18(第二管程)布置在包绕第一腿部16的环形区域中。根据此类理想的管束布置，引导罩38同心地布置在筒30中，且第二区段46包绕第一区段44。
借助于液体注射装置54，新鲜的冷却流体优选地从入口喷嘴32注射到第一区段44中。注射发生在引导罩38的开口端42下方(优选地在液位48下方)的位置处，使得新鲜的冷却流体与已经存在于第一区段44中的冷却流体混合。第一区段44中的液体落入管束管14的第一腿部16(第一管程)中且在自然循环下向下移动。沿着U形管14，发生从壳侧上流动的热流体24到冷却流体的间接热交换。冷却流体汽化。蒸气和液体混合物在自然循环下在管束管14的第二腿部18(第二管程)中向上移动，且排放到第二区段46中。通过在液相中进入第一管部分16中且作为蒸气和液体混合物从第二管部分18离开，第二流体在管14内在自然循环下流动。第二区段46中的混合物通过自然循环向上移动，直至到达引导罩38的开口端42。开口端42(其可设有蒸气和液体分离装置52以用于改进分离)用作用于混合物的堰。蒸气和液体排放到第一区段44中，且特别地，液体朝液位48下落，而蒸气在蒸气室50中朝蒸气出口喷嘴36移动。蒸气可借助于安装在蒸气出口喷嘴36处或附近处的额外蒸气和液体分离装置58来从液滴进一步净化。
筒30的第一区段44还设有液体提取装置56，该液体提取装置56用于从相应的喷嘴34移除液体(排污)的一部分。排污对于将污染物浓度保持在适当水平处通常是必要的，由于筒30与管束管14之间的自然循环，污染物浓度趋于增加。在稳态操作条件下，离开的蒸气和排污的量对应于注射到筒30中的新鲜冷却流体的总量。
筒30的第一区段44还设有用于监测和控制液位48的必要仪器。筒30与管束管14之间的自然循环取决于由液位48给出的静压头、向下流动的液体与向上流动的蒸气和液体混合物之间的密度差，以及回路的总体压降。第一区段44中的液体储器也为用于热交换器10的液体储器，在扰乱的操作条件或停机的情况下提供用于必要的液体保留体积。
根据一个方面，本发明涉及一种操作壳管式热交换器10的方法，该壳管式热交换器10包括包围管束的多个U形管14的壳12，其中每个管14设有第一管部分16和第二管部分18，该第一管部分16和该第二管部分18通过U形弯头20液压地连接，其中每个管14的开口端连接到管板22，且管14相对于所述管板22竖直布置且向下设置，其中壳12设有至少一个入口喷嘴26和至少一个出口喷嘴28，且其中压力室30在壳12的相反侧上且在所述壳12上方连接到管板22，压力室30设有液体入口喷嘴32和蒸气出口喷嘴36，其中压力室30包含引导罩38，该引导罩38在其第一端40处密封地连结到管板22或第一管部分16，且在与第一端40相反的其第二端42处开口，其中引导罩38将压力室30分成第一区段44和第二区段46，第一区段44由引导罩38包围且与第一管部分16连通，第二区段46与第二管部分18连通，其中第一区段44和第二区段46借助于引导罩38的开口端42彼此连通，且其中第一区段44设有蒸气室50，方法包括：
-通过壳12的入口喷嘴26引进第一流体24，
-通过压力室30的液体入口喷嘴32引进第二流体，
-使第二流体在自然循环下在管14内流动，以在热交换期间间接地与第一流体24进行热交换且使第二流体汽化，
-使第二流体的液位48位于第一区段44中所述开口端42下方，蒸气室50位于该液位48上方，
-通过压力室30的蒸气出口喷嘴36排出汽化的第二流体，
-通过壳12的出口喷嘴28排出第一流体24。
使第二流体的液位48位于第一区段44中所述开口端42下方可备选地表达(formulate)为将第二流体的液位48保持在第一区段44中所述开口端42下方。使或保持第二流体的液位48位于第一区段44中所述开口端42下方可通过使第二流体通过压力室30的液体出口喷嘴34排出来进行。使或保持第二流体的液位48位于第一区段44中所述开口端42下方可通过使第二流体通过压力室30的液体入口喷嘴32引进来进行。使或保持第二流体的液位48位于第一区段44中所述开口端42下方可通过借助于合适的水平仪器(未示出)控制液位48，通过使第二流体通过液体出口喷嘴34排出和/或通过使第二流体通过液体入口喷嘴32引进来进行。第二流体当使或保持其在开口端下方的液位处时以及当通过液体出口喷嘴34排出时基本上为液体。
方法可包括以下步骤中的任一个或全部，其从教学的角度按呈现的顺序进行，但实际上该方法为连续过程：
-使第二流体通过液体入口喷嘴32引进(或排放)到第一区段44中。第二流体当引进(或排放)到第一区段44中时基本上为液体，即，基本上在液相中。
-获得在第一区段44中具有液位48的第二流体的储器60。储器60容纳在第一区段44中。
-使第二流体在自然循环下在管14内流动。这可通过使第二流体从第一区段44排放到第一管部分16中来进行。第二流体当引入第一管部分16中时基本上为液体，即，基本上在液相中。
-使第二流体沿着管14经受与第一流体的间接热交换。由此，第二流体汽化，形成第二流体的蒸气和液体混合物。
-使第二流体的蒸气和液体混合物从管14(更特别地从第二管部分16)排放到第二区段46中。
-使第二流体的蒸气和液体混合物排放到第一区段44中。由此，第二流体的(更特别地第二流体的蒸气和液体混合物的)液体部分朝液位48下落，且第二流体的蒸气部分移动到蒸气室50中。第二流体的蒸气和液体混合物从第二区段46排放到第一区段44中。第二流体的蒸气和液体混合物在引导罩38的开口端42处排放到第一区段44中。液体部分下落到第二流体的储器60中。
-通过压力室30的蒸气出口喷嘴36排出汽化的第二流体。特别地，第二流体的蒸气部分通过蒸气出口喷嘴36排出。蒸气部分主要包含气相中的第二流体，但还可包含液体第二流体滴。
该方法的壳管式热交换器可为如上文限定的壳管式热交换器，且可包括上文描述的特征、变型和实施例中的任一个。例如，引导罩38可同心地布置在压力室30中，且第二区段46包绕第一区段44。此外，管束管14的布局可为同心类型的，即，第一管部分16布置在管板22的圆形中心区中，而第二管部分18布置在包绕所述第一管部分16的环形区域中。
因此看到，根据本发明的具有蒸气和液体筒的壳管式热交换器以及操作壳管式热交换器的方法实现先前概述的目标。
具有蒸气和液体筒的壳管式热交换器以及如此构思的本发明的方法在任何情况下容许全都落入相同发明构思内的许多修改和变型；另外，所有细节可由技术上等同的元素替代。实际上，所使用的材料以及形状和尺寸可为根据技术要求的任何类型。
本发明的保护范围因此由所附权利要求限定。
