專利名稱：多圈套管式換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置。
背景技術：
通過換熱面使相鄰兩流體之間進行間接換熱，是換熱器的主要結構形式，按換熱面的形狀分，換熱器主要有管殼式和板式兩大類。管殼式是工業(yè)用主流換熱器，石化工業(yè)中的換熱器80％是管殼式，故號稱“換熱器之母”。這是由于它處理量大，使用時間最長，技術成熟，壓力等級高，溫度范圍廣，人們已建立了設計、制造和運行一整套程序，很方便查找到設計和制造標準，可用多種材料制造，對其工作溫度和工作壓力設有太多的限制。但實踐也暴露了它存在以下缺點(1)不能實現(xiàn)逆流換熱，使末端溫差大(8℃以上)，熱效率低；(2)殼程流道截面積約為管程的2.5倍，為增大殼程流速，要采用折流板，并由此帶來一系列問題；(3)緊湊性最低，單位換熱面積最重，滯液量最大，自重和操作重量最重，安裝占地面積最大，單位熱負荷耗材最多；(4)需要管板，另部件多，強化傳熱的手段有限，傳熱系數(shù)很??；(5)熱應力大，當兩流體溫差較大時，要采用熱補償，結構復雜；(6)相同材質的管材的價格比板材貴；(7)殼程流體斜向沖刷管束，誘發(fā)振動，使管子在折流板穿孔處發(fā)生磨損或疲勞損壞；(8)殼程只能采用化學辦法清垢，會污染環(huán)境。
螺旋板式換熱器是一種緊湊型換熱器，具有許多優(yōu)點端部溫差可小到2-3℃；傳熱效率高；以板代管，材料購置費用低；材料消耗少；緊湊性好；溫差應力?。唤Y垢傾向小。其缺點是處理量太小；流體的流動阻力較大；缺乏進一步強化傳熱的技術手段，不適于用于氣-液、氣-氣熱交換的場合；工作壓力不高。由申請人發(fā)明的“一種新型熱交換裝置-多圈式換熱器”專利(ZL95215477.3)，和“一種可拆卸耐壓多程雙軸向流螺旋板式換熱器”專利(CN03131883.5已公開，實審中)，有效地克服傳統(tǒng)螺旋板式換熱器存在的上述缺點。迄今已涉及過程有水-水、水-液、液-液、水-氣、氣-液換熱，和蒸發(fā)器和冷凝器換熱。取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
為汲取板式換熱器的優(yōu)點，又能克服它的缺點，強化傳熱，提高緊湊性，大幅降低材料消耗量，申請人又申報了“一種螺旋波紋板式換熱器”(CN200510038575.3已公開)。為適應海上采油平臺和遠洋艦船上耐腐蝕需用鈦、鉭、鈮等昂貴金屬材料的特性，申請人又申報了“一種換熱芯可外抽的耐腐蝕雙軸向流螺旋板式換熱器”，(CN200510041521.2已公開)。目的在于克服昂貴金屬與碳鋼互焊性差的缺點，減少昂貴耐腐蝕材料的消耗量，降低生產(chǎn)成本。
以上以螺旋板為基本結構的換熱器(商品名稱為IV型螺旋板式換熱器)，都有以下缺點1.螺旋道首尾連通，整個螺旋體內(nèi)部只要有一個微小漏點，很難修理，只能整臺報廢；2.受商品卷板寬度(目前在1500mm以下)的限制，單元換熱器的長度只2米左右，增加了端部封條的焊接工作量，大型換熱器要將多個單元換熱器串聯(lián)安裝，不僅增加法蘭、墊圈、螺栓、螺母的用量，增加了泄漏點，造成安裝和撿漏的工作量，影響運行壽命也增加設備購置費用；3.盡管將卷板拼接，再卷制成螺旋體在工藝上是可能的，但由于在大跨度卷床上卷制螺旋體，所需傳遞的力矩很大，需要大直徑的中心管，這樣做會使換熱器的緊湊性變差，4兩流體主要呈軸向流和半圈周向流，流體流經(jīng)的路程不長。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述缺點，本發(fā)明提供了一種多圈套管式換熱器，它是由換熱流體的進出口、殼體、封頭、換熱套管、中間隔板、封條或配流板、定距器件、翅片、程間隔板和支撐、結構件等所組成。其特征在于，相鄰流體的流道為多圈同心相套的環(huán)隙，它們是由相套的金屬管或螺紋焊管組合而成，依靠封條或配流板，使兩流體逆向流動、換熱。
這種換熱器有多種結構形式，按熱工性能分有普通(基本)型和強化型兩種，按流體流動分有單程和多程兩種，按換熱流體的數(shù)量分有兩股流和多股流兩種，按流道封堵方式分有不可拆卸的封條焊接密封和可拆卸的將傳熱套管與配流板采用粘合、釬焊、填料壓緊密封兩種，按強化傳熱的方法分有采用各種翅片、內(nèi)插物和波紋板，波紋形狀有斜波、人字波和環(huán)波，波的成型在套管卷制前后均可。按換熱芯能否外抽分有可抽和不可抽兩種。它們分別適用于不同的具體條件和某些特殊工藝要求，應根據(jù)運行工況、流體的理化性質，綜合考慮擇優(yōu)選擇。例如，當流體中固體雜質較多、含有纖維狀物質、粘度很大、結垢嚴重，就不應選用強化型結構，當裝置平面布置，對換熱器的長度有特別限制時，可選用多程結構，當工藝要求實現(xiàn)多股流換熱時，可選用多股流結構，當換熱套管使用鈦鉭鈮等昂貴金屬制造時，為節(jié)約材料，可考慮選擇波紋板結構，當換熱介質有氣相時，應優(yōu)先考慮在氣側設置翅片，當工藝上要求盡量降低兩流體的端部溫差，可考慮選擇由蛇狀定距條構成的螺紋流。
本發(fā)明的有益效果是，可克服各種IV型螺旋板式換熱器的前述缺點，擴大了適用范圍，可用于目前只能采用管殼式換熱器的高參數(shù)(高溫、高壓、巨型，或超低溫)的工況中，有可能以顯著的可比優(yōu)勢，在任何工況中取代號稱換熱器之母的管殼式換熱器。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1是普通型單程多圈套管式換熱器正剖面示意圖，圖2是圖1的A-A剖示圖，圖3是普通型三程多圈套管式換熱器正剖面示意圖，圖4是圖3A部放大圖，圖5是圖3B-B剖示圖，圖6是圖3A-A剖示圖，圖7是普通型多股流多圈套管式換熱器正剖面示意圖，圖8是圖7的M-M剖示圖，圖9是圖7的N-N剖示圖，圖10是圖7的A向視圖，圖11是圖7的B向視圖，圖12是將傳熱基板軋制成波紋板的展開圖，圖13是全波波紋板的剖示圖，圖14是半波波紋板的剖示圖，圖15是波紋傳熱基板在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖16是圖15的A-A剖示圖，圖17是采用定距條為定距器件、傳熱基板為平板在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖18是圖17的側示圖，圖19是一流道設置翅片、另一流道設置定距條在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖20是圖19的側示圖，圖21是一流道不設定距器件、另一流道設置定距器件的示意圖，圖22是圖21的A-A視圖，圖23是圖21的B-B視圖。圖24是一種傳熱芯可外抽的多圈套管式換熱器的示意圖，圖25是圖24的A向視圖，圖26是圖24的B向視圖。圖中1冷流體進出口，2封頭用螺栓、螺母和墊圈，3配流板墊圈，4殼體用螺栓、螺母和墊圈，5配流板，6可拆卸密封，7殼體法蘭(1)，8外殼筒體，9換熱套管，10封條，11中間隔板，12殼體法蘭(2)，13墊圈，14封頭法蘭，15封頭用螺栓、螺母和墊圈，16熱流體進出口，17埋頭螺栓，18支撐塊，19封頭，20程間隔板，21中心管，22封固料，23 1#股流進出口，24 2#股流進出口，25 3#股流進出口，26 4#股流進出口，27環(huán)形槽，28弓形透槽，29定距柱，30定距條，31翅片，32波紋槽，33冷流體配流室(用附加括號內(nèi)的I、II、III代表程數(shù))，34熱流體配流室(用附加括號內(nèi)的I、II、III代表程數(shù))，35填料壓蓋，36壓緊螺栓，37填料函，38填料，39支架，40可抽換熱芯，n多圈套管的圈數(shù)，n-1為n圈的內(nèi)圈，n+1為n圈的外圈，α螺旋焊管螺旋焊縫的螺紋升角，B基板寬，L待卷基板長，δ待卷基板厚，h翅片高。
具體實施例方式
實施例1普通型單程多圈套管式換熱器。
圖1是其正剖面示意圖，圖2是圖1的A-A剖視圖。為簡化說明，圖1的左邊為采用可拆卸結構，右邊為不可拆卸結構。在實際實施時，兩邊應用同樣的結構。圖中熱流體(用實線箭頭表示)，從左下的熱流體進口16進到左下半部的配流室34，經(jīng)配流板5的分配，進入到偶數(shù)套環(huán)流道中，由左向右流動，右下半部的偶數(shù)套環(huán)是封閉的，對應右上半部的偶數(shù)套環(huán)是開口的，于是熱流體在每一個套環(huán)中回轉半圈，由右上半部偶數(shù)套環(huán)流往右上半部配流室34，最后由熱流體出口16外排。冷流體(用虛線箭頭表示)，從右下的冷流體進口1進到右下半部的配流室33，經(jīng)封條10和中間隔板11的分配，進入到奇數(shù)套環(huán)流道中，由右向左流動，左下半部的奇數(shù)套環(huán)是封閉的，對應左上半部的奇數(shù)套環(huán)是開口的，于是冷流體在每一個套環(huán)中回轉半圈，由左上半部奇數(shù)套環(huán)流往左上半部配流室33，最后由冷流體出口1外排。配流室有兩種結構形式，左邊為非平板形封頭，右邊為平板形封頭，可擇優(yōu)選擇。
當選用可拆卸結構時，需配以配流板5。按照配流需要，上面開有弓形透槽28(參見圖4、圖5、圖6)，依靠可拆卸密封墊片6，使多圈套管端部密封?？刹鹦督Y構的各套管間不得設置使套管相互壓緊的器件。它們可以是套管間互不壓緊的光管或波紋管。
不可拆卸是首選結構。它有兩種封堵方法，一種是采用封條10，來封堵，另一種是采用具環(huán)形縫隙的配流板，將多圈套管插入環(huán)形縫隙27中，再用封固料22進行封固密封(參見圖4)。
實施例2普通型可拆卸的三程多圈套管式換熱器圖3是其正剖面示意圖，它的兩端都采用可拆卸結構。圖中熱流體(用實線箭頭表示)，從左下的熱流體進口16進到左下半部的熱流體I程配流室，經(jīng)配流板5的分配，進入到偶數(shù)套環(huán)流道中，由左向右流動，右下半部的偶數(shù)套環(huán)是封閉的，對應右上半部的偶數(shù)套環(huán)是開口的，于是熱流體在每一個套環(huán)中回轉半圈，由右上半部偶數(shù)套環(huán)流往右上半部熱流體I-II程配流室，折而向上，這里奇數(shù)道是封閉的，而偶數(shù)道是開口的，于是熱流體經(jīng)偶數(shù)道由右向左流動，對應左上半部配流室的偶數(shù)道是封閉的，而左下部熱流體II--III程配流室的偶數(shù)道是開口的，熱流體在這里折而流入III程中，再由左向右流動，對應的右下半部的偶數(shù)圈是封閉的，而右上半部的偶數(shù)圈是開口的，最后由熱流體出口16外排。冷流體(用虛線箭頭表示)，從右下的冷流體進口1進到右下半部的冷流體III程配流室，經(jīng)配流板5和程間隔板20的分配，進入到奇數(shù)套環(huán)流道中，由右向左流動，左下半部的奇數(shù)圈是封閉的，對應左上半部的奇數(shù)圈是開口的，于是冷流體在每一個奇數(shù)圈中回轉半圈，由左上半部奇數(shù)圈流往左上半部冷流體II-III配流室中，由III程折而流向II程，在奇數(shù)圈中由左向右流動，回轉半圈，到右下半部冷流體I-II配流室折而向上，經(jīng)冷流體I程配流室，仍走奇數(shù)圈，由右向左流動，回轉半圈，到左上部冷流體I程配流室，最后由冷流體出口1外排。如上所述，冷熱兩流體在整個流動過程中，都是逆向流動。各程之間，用程間隔板20予以分隔。
圖4是圖3A部放大圖，在配流板5的內(nèi)側面，開有環(huán)形槽27和弓形透槽28，多圈套管9鑲在環(huán)形槽中，槽寬大于多圈套管的壁厚，它們間的間隙用封固料22來保證密封。結構膠、塑料、釬焊料都可以用作封固料，應根據(jù)流體性質、工況、價格和工藝性擇優(yōu)選用。弓形透槽28供流體配流用。按奇數(shù)或偶數(shù)圈按配流的需要布置。
圖5是圖3的B-B剖示圖，圖6是圖3A-A剖示圖。由圖可見，弓形透槽28是交叉沒置的，上半部如處于奇數(shù)圈，則下半部一定處于偶數(shù)圈。反之亦然。
當多圈套管較長時，和圖1一樣，為避免撓度過大，需設置若干支撐塊18。
實施例3普通型不可拆卸多股流多圈套管式換熱器圖7是其正剖面示意圖(以4股流為代表)。這里共有1#流體(用實線箭頭表示其流向，走1、5、9、13……圈)，2#流體(用虛線箭頭表示其流向，走2、6、10、14……圈)，3#流體(用單點劃線箭頭表示其流向，走3、7、11、15……圈)，4#流體(用雙點劃線箭頭表示其流向，走4、8、12、16……圈)四股流體同時進行熱交換。圖8是圖7的M-M剖示圖，即左側配流室剖示圖，圖9是圖7的N-N剖示圖，即右側配流室剖示圖。兩側各有4個配流室，它們用呈十字交叉的中間隔板11相互隔開，對應4股流，兩側封頭19共設置四對流體進出口23、24、25、26，分別供1#2#3#4#流體作進出口用?，F(xiàn)以1#流體為代表，說明其流動狀況。1#流體由左下部進出口23(參見圖10)進到其1#流體進口配流室(圖8的左下方)中，此室中的1#5#9#11#……圈是開口的，對應地，1#流體出口配流室(圖9的右上方)中的1#5#9#11#……圈也是開口的，其它各圈都是封閉的，于是1#流體由左向右流動，回轉半圈，經(jīng)出口配流室，最后由1#流體進出口23(參見圖11)外排。與此類似，其余三股流體的流動狀況，巳在圖中用相應的箭頭表示，無須贅述。
可以采用多種成熟的強化傳熱的技術措施，是這種換熱器的一個重要優(yōu)點。例如，設置翅片、內(nèi)插物和將傳熱面軋制成波紋狀，是最為成熟的，也是能取得顯著效果的強化措施。可以采用不同結構的定距條、翅片，使相鄰的傳熱基板與它們緊密貼緊，可以顯著地增加基板的強度和穩(wěn)定性，是這種換熱器的又一個重要優(yōu)點。
實施例4將傳熱基板軋制成波紋板的多圈套管式換熱器圖12是其展開圖，圖13是全波波紋板的剖示圖，圖14是半波波紋板的剖示圖，圖15是波紋傳熱基板在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖16是圖15的A-A剖示圖。
在專用的螺紋卷管機上，以中心管21為軸，將傳熱基板按螺紋升角α螺旋緊密纏繞其上，形成一道螺紋狀對接縫隙，將其施焊并經(jīng)探傷，當確認焊縫質量優(yōu)良后，再纏繞笫二圈，依次類推逐圈纏繞直至達到設計要求。當基板寬度B一定時，由于多圈套管的直徑由小到大，故各圈的螺紋升角α是變化的。此外，最好使相鄰的套管交替采用左旋和右旋螺紋。這樣的結構，適于用于液-液換熱的場合。
以上各圖所示，均為人字形波紋板，當然亦可采用其它的形狀，可參考板式換熱器的有關專著，這里不再贅述。全波波紋板的性能優(yōu)于半波波紋板，只是模具價格較貴，我們推薦優(yōu)選前者。
實施例5傳熱基板為平板、采用定距條為定距器件的多圈套管式換熱器圖17是、在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖18是圖17的側示圖。在專用的螺紋卷管機上，以中心管21為軸，將定距條(它可以是圓鋼或扁鋼)30焊在中心管21上，再將傳熱基板按螺紋升角α螺旋緊密纏繞其上，形成一道螺紋狀對接縫隙，將其施焊并經(jīng)探傷，當確認焊縫質量優(yōu)良后，就完成了第一圈螺紋焊管。再在第一圈管的外側焊上定距條30后，繼續(xù)纏繞笫二圈，依次類推逐圈纏繞直至達到設計要求。當基板寬度B一定時，由于多圈套管的直徑由小到大，故各圈的螺紋升角α是變化的。此外，最好使相鄰的套管交替采用左旋和右旋螺紋。定距條30有以下功能1.保持流道的寬度；2.增加基板的強度和提高基板的穩(wěn)定性，將各圈套管承受的外力，最后都傳遞到外殼上，因此可顯著提高設計壓力；3.起到二次換熱面的作用。圖18顯示，兩流道都采用這種定距條，它適用于操作壓力較高的液-液換熱的場合。
實施例6傳熱基板為平板、一流道設置翅片、另一流道設置定距條的多圈套管式換熱器，它適用于氣體的加熱或冷卻。
圖19是其在螺紋卷管機上的卷制時的示意圖，圖20是圖19的側示圖。在專用的螺紋卷管機上，以中心管21為軸，在其上纏繞并固定蛇狀單頭或多頭定距條(它可以是圓鋼或扁鋼)30，再將傳熱基板按螺紋升角α螺旋緊密纏繞其上，形成一道螺紋狀對接縫隙，將其施焊并經(jīng)探傷，當確認焊縫質量優(yōu)良后，就完成了第二圈螺紋焊管。再在第二圈管的外側焊上纏繞翅片31，當翅片的抗壓強度較低，為保護和挾持，可設置定距柱29，其高度取翅片高度h的負偏差，當然，當翅片有足夠的抗壓強度，也可不設置定距柱29，只需設法將翅片固定即可。依次類推逐圈纏繞直至達到設計要求。當基板寬度B一定時，由于多圈套管的直徑由小到大，故各圈的螺紋升角α是變化的。這樣的結構，適于用于氣-液換熱的場合。氣體走具翅片的流道，液體走具蛇狀定距條的流道。蛇狀定距條的另一功能是，可延長液體的流程路徑長度，以利于進一步降低端部溫差。
實施例7一流道不設置定距器件、另一流道設置定距器件的多圈套管式換熱器。
它適用于工藝流含有纖維和固體物料(例如，發(fā)酵法生產(chǎn)酒精中的工藝流中就含有數(shù)量不等的纖維和固體物料，易纏繞在定距柱上，發(fā)生堵塞)的場合。
圖21是其正剖面示意圖，圖22是圖21的A-A剖視圖，圖23是圖21的B-B剖視圖。圖中含有纖維和固體物料的酒精(用實線箭頭表示)，從左下的熱流體進口16進到左部的配流室34，與之對應的偶數(shù)套環(huán)流道是開口的，而奇數(shù)套環(huán)流道則是閉合的，于是含有纖維和固體物料的酒精就進入到偶數(shù)套環(huán)流道中，由左向右流動，對應的右部的偶數(shù)套環(huán)也是開口，于是含有纖維和固體物料的酒精流往右部配流室34中，最后由含有纖維和固體物料的酒精由右上部的出口16外排。冷流體(用虛線箭頭表示)，從右下的冷流體進口1進到右部的配流室33中，與這配流室對應的奇數(shù)套環(huán)是開口的，而偶數(shù)套環(huán)則是閉合的，于是冷流體就由奇數(shù)套環(huán)由右向左流動，與左部的配流室33對應的奇數(shù)套環(huán)也是開口的，而偶數(shù)套環(huán)則也是閉合的，于是冷流體就在左部的配流室33中集中，最后由由左上部的冷流體出口1外排。在冷流體流道中設置定距柱29或定距條。而在含有纖維和固體物料的工藝流道中沒有定距柱，所以就避免纖維和固體物料纏繞在定距柱上，發(fā)生堵塞的可能。
實施例8傳熱芯可外抽的多圈套管式換熱器這種結構適用于換熱芯所用材料和殼體材料互焊性很差，而換熱芯材料又十分昂貴的場合。
圖24是其示意圖，圖25是圖24的A向視圖，圖25是圖24的B向視圖。換熱芯40是可以外抽的，一般是由鈦、鉭、鈮等昂貴金屬制成，內(nèi)部走腐蝕性流體(芯內(nèi)流)，外殼8、封頭19等承壓元件用碳鋼制成，走非腐蝕性流體(芯外流)，當芯外流具有腐蝕性時，外殼，封頭等承壓元件仍可用碳鋼制成，只需采用成熟的耐腐蝕涂層即可，無需使用昂貴金屬材料。為使換熱芯40可外抽，在換熱芯的進出口管處，采用填料壓蓋35、壓緊螺栓36、填料函37、填料38等，實現(xiàn)可拆卸密封。
權利要求
1.一種多圈套管式換熱器，是由換熱流體的進出口、殼體、封頭、中間隔板、多圈套管、封條或配流板、定距器件、翅片、內(nèi)插物、程間隔板和支撐、結構件等所組成，其特征在于，相鄰的兩流體的流道為多圈同心相套的環(huán)隙，它們是由相套的金屬管或螺紋焊管組合而成，依靠封條或配流板，使兩換熱流體呈逆向流動、換熱。
2.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，傳熱基板可以是平光板，亦可以軋制成形狀不同的波紋板。
3.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按熱工性能分有普通(基本)型和強化型兩種。
4.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按流體流動分有單程和多程兩種。
5.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按換熱流體的數(shù)量分有兩股流和多股流兩種。
6.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按流道封堵方式分有不可拆卸的封條焊接密封和可拆卸的將傳熱套管與配流板采用粘合、釬焊、填料壓緊密封兩種。
7.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按強化傳熱的方法分有采用各種翅片、內(nèi)插物和波紋板，波紋形狀有斜波、人字波和環(huán)波，波的成型在套管卷制前后均可。
8.一種如權利要求1所述的多圈套管式換熱器，其特征在于，按換熱芯能否從外殼中外抽分，有可外抽與不可外抽兩種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置。它是由換熱流體的進出口、殼體、封頭、中間隔板、多圈套管、封條或配流板、定距器件、翅片、程間隔板和支撐、結構件等所組成，其特征在于，相鄰的兩流體的流道為多圈同心相套的環(huán)隙，它們是由相套的金屬管或螺紋焊管組合而成，依靠封條或配流板，使兩換熱流體呈逆向流動、換熱。這種換熱器有普通型和強化型；單程和多程；兩股流和多股流；不可拆卸和可拆卸密封；采用翅片、內(nèi)插物和波紋板強化有多種結構形式。它們分別適用于不同的具體條件和某些特殊工藝要求，應根據(jù)運行工況、流體的理化性質，綜合考慮擇優(yōu)選擇。本發(fā)明的有益效果是，可克服各種IV型螺旋板式換熱器現(xiàn)存的缺點，擴大了適用范圍，可用于目前只能采用管殼式換熱器的高參數(shù)(高溫、高壓、巨型，或超低溫)的工況中，有可能以顯著的可比優(yōu)勢，在任何工況中取代號稱換熱器之母的管殼式換熱器。
文檔編號F28D7/00GK1847768SQ20061003938
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權日2006年4月10日
發(fā)明者吳植仁 申請人:吳植仁