一种立式U型管换热器的制作方法

本实用新型涉及石油炼制与化工行业所用的一种立式U型管换热器。

背景技术：

石油炼制与化工行业所用的一种立式U型管换热器，设有壳程壳体、管程壳体、管板、多根U型管。管程壳体的内腔中设有隔板；管板与管程壳体为整体部件，管板设于壳程壳体与管程壳体之间。U型管设于壳程壳体的内腔中；U型管入口与管板的U型管入口部分(半圆形)相连，U型管出口与管板的U型管出口部分(半圆形)相连。这种立式U型管换热器存在如下几个问题：(1)在管板的U型管入口部分与U型管出口部分的温差较大时(例如大于200℃)，管板会沿垂直于U型管入口部分与U型管出口部分的分界线(管板直径)的方向向两侧膨胀。管板以及管板与管程壳体连接处的热应力较大，易于发生强度破坏。(2)在壳程壳体的内腔中，壳程介质与U型管中的管程介质不是进行纯逆流换热，换热效果不够理想。换热后的壳程介质有时与换热前的壳程介质接触进行再次换热，会造成热损失。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种立式U型管换热器，以解决现有立式U型管换热器所存在的管板U型管入口部分与U型管出口部分温差较大时管板以及管板与管程壳体连接处的热应力较大而易于发生强度破坏的问题，以及在壳程壳体的内腔中壳程介质与U型管中的管程介质不是进行纯逆流换热而使换热效果不够理想等问题。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：一种立式U型管换热器，设有壳程壳体、管程壳体、管板和U型管，管板与管程壳体为整体部件，管板设于壳程壳体与管程壳体之间，U型管设于壳程壳体的内腔中，U型管入口和出口与管板相连，U型管入口与管程壳体的内腔相通，其特征在于：壳程壳体的内腔中自内向外垂直设置有中心管、内套筒和外套筒，内套筒的顶部与管板相连，外套筒的底部与中心管的下部之间设有内封头，中心管与内套筒之间形成内侧换热通道，内套筒与外套筒之间形成外侧换热通道，外套筒与壳程壳体之间形成流动通道，中心管的顶部与内侧换热通道的顶部相通，内侧换热通道的底部与外侧换热通道的底部相通，外侧换热通道的顶部与流动通道的顶部相通，流动通道的底部与壳程壳体内腔的下部相通，U型管入口管段的主体位于外侧换热通道中，U型管返回管段的主体位于内侧换热通道中，中心管的底部与壳程介质入口管相连，壳程壳体上设有壳程介质出口管，管程壳体上设有管程介质入口管，管程壳体的内腔中，在管板的中部设有管程介质聚集室，U型管出口与管程介质聚集室相通，管程介质聚集室上设有管程介质出口管，通往管程壳体的外部。

采用本实用新型，具有如下的有益效果：(1)操作过程中，换热前的壳程介质进入中心管，再在内侧换热通道和外侧换热通道中与U型管中的管程介质换热。在管程介质聚集室所在的管板中部为U型管出口部分、温度较高，围绕U型管出口部分的管板其余部分为U型管入口部分、温度较低。尽管两部分的温差较大，但由于管板温度沿径向呈辐射状降低，管板在360度方向上沿径向均匀膨胀，从而能够有效地降低管板以及管板与管程壳体连接处的热应力，避免发生强度破坏，保证立式U型管换热器安全、可靠地运行。(2)U型管入口管段中的管程介质与外侧换热通道中的壳程介质、U型管返回管段中的管程介质与内侧换热通道中的壳程介质，均是进行纯逆流换热，换热效果比较理想。(3)换热后的壳程介质进入流动通道、壳程壳体内腔的下部，最后从壳程介质出口管流出，不与换热前的壳程介质进行再次换热，能够避免热损失。

本实用新型可用于各种气液介质的换热。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本实用新型要求保护的范围。

附图说明

图1是本实用新型立式U型管换热器的结构示意图。

图2是图1中的A—A剖视图(放大)。

图3是图1中的B—B剖视图(放大)。

图1至图3中，相同附图标记表示相同的技术特征。图2和图3中的小圆表示U型管，图2中未示出管程法兰和壳程法兰，图3中未示出壳程介质入口管和壳程介质出口管等部件。图1中，以实心箭头表示壳程介质的流动方向，空心箭头表示管程介质的流动方向。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实用新型的立式U型管换热器设有壳程壳体1、管程壳体2、管板5和U型管，壳程壳体1、管程壳体2和U型管立式设置。管板5与管程壳体2为整体部件(锻造或焊接)，管板5设于壳程壳体1与管程壳体2之间。U型管设于壳程壳体1的内腔中，U型管入口和出口与管板5相连，U型管入口与管程壳体2的内腔相通。壳程壳体1的内腔中自内向外垂直设置有中心管6、内套筒7和外套筒8，中心管6、内套筒7和外套筒8与壳程壳体1同轴设置。内套筒7的顶部与管板5相连，外套筒8的底部与中心管6的下部之间设有内封头4。外套筒8的下部通过几个均布的支撑件14与壳程壳体1固定连接。

中心管6与内套筒7之间形成内侧换热通道9，内套筒7与外套筒8之间形成外侧换热通道10，外套筒8与壳程壳体1之间形成流动通道11。中心管6的顶部与内侧换热通道9的顶部相通，内侧换热通道9的底部与外侧换热通道10的底部相通，外侧换热通道10的顶部与流动通道11的顶部相通，流动通道11的底部与壳程壳体1内腔的下部相通。U型管入口管段31的主体(即大部分)位于外侧换热通道10中，U型管返回管段32的主体(即大部分)位于内侧换热通道9中。中心管6的底部与壳程介质入口管15相连，壳程壳体1的下部设有壳程介质出口管16。

管程壳体2上设有管程介质入口管17。管程壳体2的内腔中，在管板5的中部设有管程介质聚集室12，U型管出口与管程介质聚集室12相通。管程介质聚集室12的顶部设有管程介质出口管13，通往管程壳体2的外部。

壳程壳体1的下部设有壳程人孔21，管程壳体2的顶部设有管程人孔20，以便于人员进入壳程壳体1和管程壳体2的内腔进行检查、维修。壳程壳体1的顶部和管程壳体2的底部通过壳程法兰18和管程法兰19连接。管板5与管程壳体2为整体部件，能够承受管程介质的作用，且便于U型管以及其它壳程内构件的安装。将管板5向外延伸出一个圆环形部分，可作为管程法兰19。

壳程壳体1、管程壳体2、U型管、中心管6、内套筒7、外套筒8、壳程介质入口管15、壳程介质出口管16、管程介质入口管17、管程介质出口管13的横截面形状均为圆形，内侧换热通道9、外侧换热通道10、流动通道11的横截面形状均为圆环形，管板5的形状为圆形。内封头4的形状可以是倒置的圆锥面形(如图1所示)，也可以是倒置的半球面形(图略)。图1和图2所示管程介质聚集室12的壳体由下部的圆筒形筒体和上部的圆锥面形筒体组成，它们通常与管程壳体2同轴设置。壳程壳体1与管程壳体2通常是同轴设置。

根据管程介质与壳程介质换热量的大小，立式U型管换热器可以设置几十根至几百根的U型管。参见图1、图2和图3，本实用新型的一种方案是，同一种规格的U型管绕壳程壳体1的轴心线均匀设置、组成一组U型管。一组U型管中，U型管入口位于管板的U型管入口部分(圆环形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的一个布管圆上，U型管出口位于管板的U型管出口部分(圆形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的另一个布管圆上。不同组U型管中的U型管入口和U型管出口，分别位于圆心相同但半径不同的多个布管圆上。

为强化换热效果，内侧换热通道9和外侧换热通道10中最好均设有折流板22，折流板22可以使用各种常用的折流板。图1和图3所示的折流板22为带有外圆环缺口的圆环形折流板和带有内圆环缺口的圆环形折流板，在内侧换热通道9和外侧换热通道10中上下交替设置。U型管入口管段31和U型管返回管段32从折流板22上的开孔穿过。

本实用新型的立式U型管换热器可以采用裙座立式支撑(图略)。根据不同的换热情况，各部件选用不同的金属材料制造。

下面结合附图说明本实用新型立式U型管换热器的操作过程。管程介质24从管程介质入口管17进入管程壳体2的内腔，再从U型管入口进入U型管，在U型管中流动。壳程介质23从壳程介质入口管15进入中心管6的底部，在中心管6中向上流动，再从中心管6的顶部流出，从内侧换热通道9的顶部进入内侧换热通道9。进入内侧换热通道9中的壳程介质在内侧换热通道9中向下流动，与在U型管返回管段32中向上流动的管程介质进行纯逆流换热(如图1所示)。在内侧换热通道9中换热后的壳程介质从内侧换热通道9的底部流出，从外侧换热通道10的底部进入外侧换热通道10。进入外侧换热通道10中的壳程介质在外侧换热通道10中向上流动，与在U型管入口管段31中向下流动的管程介质进行纯逆流换热(如图1所示)。在外侧换热通道10中换热后的壳程介质从外侧换热通道10的顶部流出，从流动通道11的顶部进入流动通道11。进入流动通道11中的壳程介质在流动通道11中向下流动，从流动通道11的底部进入壳程壳体1内腔的下部，最后从壳程介质出口管16流出。在U型管中与壳程介质换热后的管程介质从U型管出口流出，进入管程介质聚集室12，最后从管程介质出口管13流出。图1中，附图标记240表示换热后的管程介质，附图标记230表示换热后的壳程介质。

壳程介质可以是气相或液相，管程介质也可以是气相或液相。例如，进入U型管换热器的管程介质24为水蒸汽，壳程介质23为烃类气体；利用烃类气体的余热产生过热水蒸汽。一组典型的条件是：管程介质入口管17中管程介质24(水蒸汽)的温度为300～350℃，压力为10～15MPa；管程介质出口管13中换热后的管程介质240(过热水蒸汽)的温度为500～600℃，压力为10～15MPa；壳程介质入口管15中壳程介质23(烃类气体)的温度为600～900℃，压力为1～5MPa；壳程介质出口管16中换热后壳程介质230(换热后烃类气体)的温度为300～450℃，压力为1～5MPa。本实用新型提到的压力均为表压。

对于上述的操作条件，壳程壳体1和管程壳体2可以使用普通的低合金钢(例如Q345R)板材制造，内壁不设置绝热衬里。壳程壳体1的壁厚一般不超过50毫米，管程壳体2的壁厚一般不超过200毫米。U型管和管板5的材料和壁厚与现有在高温高压条件下操作的立式U型管换热器中所用的U型管和管板的材料和壁厚基本相同。中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、壳程介质入口管15、管程介质聚集室12的壳体、管程介质出口管13、折流板22等部件，通常使用不锈钢(例如奥氏体不锈钢)板材或管材制造，这些部件的壁厚一般为6～20毫米。中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、壳程介质入口管15、管程介质聚集室12的壳体和管程介质出口管13的表面上涂敷有隔热涂料，可以单面涂敷或双面涂敷。隔热涂料应能耐换热前后管程介质或壳程介质的温度，例如磷酸盐铝粉涂料。