一种壳程自冷却保护浮头式换热器及换热方法与流程

本发明涉及一种换热设备及基于该换热设备的换热方法。

背景技术：

随着国家环保要求的提高，能源的回收利用越来越受到重视，但高温或超高温带压力介质的能量回收较为困难，主要受制于材料在高温环境中承压能力有限，特别是普通金属材料在温度超过500℃以上时，其设计许用应力仅为常温时的1/3，甚至更低。当高温介质压力较高时，换热设备用材料会非常厚，有时会超出现有材料生产能力，且高温会引起较大的膨胀应力，造成换热设备结构设计无法实现。

技术实现要素：

本发明的目的是在较低成本下使得换热设备能够承受压力较高的高温介质。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种壳程自冷却保护浮头式换热器，包括壳程简体，壳程筒体的一端为壳程出口，另一端设有管箱，壳程入口设于壳程筒体上，管箱上设有管程入口和管程出口，其特征在于，在壳程简体内设置有多层套管结构换热管，热介质从壳程入口进入多层套管结构换热管后，在多层套管结构换热管内被由管程入口进入的冷介质降温后出多层套管结构换热管，再折返进入壳程筒体并自壳程出口出，同时冷介质经由管程入口进入管箱后再进入多层套管结构换热管，或者热介质从管程出口进入多层套管结构换热管后，在多层套管结构换热管内被由壳程出口进入的冷介质降温后出多层套管结构换热管，降温后的热介质进入管箱后，再自管程入口出，同时，冷介质经由壳程出口进入壳程筒体后，再进入多层套管结构换热管。

优选地，所述的多层套管结构换热管具有2-4层套管结构。

优选地，每层所述套管结构包括换热管、套在换热管外部的套管、套在换热管内部的内套管；套管的一端固定在壳程内封头一上并且通过壳程内封头一与所述壳程入口连通，套管的另一端为开口的自由端；换热管的一端固定且与所述管箱连通，换热管的另一端为封闭的自由端；内套管的一端固定在管程内封头二上并且通过管程内封头二与所述管程出口连通，内套管的另一端为开口的自由端。

优选地，所述壳程筒体和所述管箱之间通过管板连接，所述换热管的一端固定在管板上并且通过管板与所述管箱连通。

优选地，所述壳程内封头一及所述管程内封头二通过设于套管上的支撑板支撑。

优选地，所述壳程内封头一和所述管程内封头二均为高温内封头。

优选地，在所述管箱上设置有用于设备检修的管程筒体法兰和人孔。

本发明的另一个技术方案是提供了一种如上所述的壳程自冷却保护浮头式换热器的换热方法，其特征在于，包括工况一及工况二：

工况一、壳程走热介质，管程走冷介质：

高温介质从壳程入口进入壳程内封头一，再进入套管和换热管形成的环形通道，高温热介质在此环形通道内进行换热，高温介质流至套管出口端时被冷却至工艺要求温度，被冷却的高温介质从套管的自由端一方面折返入壳程筒体内，另一方面由壳程出口流出，在被冷却的高温介质的折返过程中对受压的壳程简体进行低温保护；

冷介质从管程入口进入管箱，并对受压的管箱起到低温保护作用，冷介质进一步流经换热管和内套管形成的环形通道被套管的高温介质加热至工艺要求温度，在换热管封闭的自由端折返进入内套管开口的自由端，经内套管流至管程内封头二汇聚后从管程出口流出；

工况二、壳程走冷介质，管程走热介质：

高温介质从管程出口进入管程内封头二，经由内套管再进入换热管和内套管形成的环形通道，被套管的冷介质冷却至工艺要求温度后，进入管箱，对受压的管箱起到低温保护作用，随后由管程入口流出；

冷介质从壳程出口进入壳程筒体，对受压的壳程筒体起到低温保护作用，再经由套管的开口的自由端进入套管和换热管形成的环形通道内，冷介质流至套管的另一端时被高温热介质加热至工艺要求温度，进入壳程内封头一内，再自壳程入口流出。

本发明具有如下优点：

1、所有换热管和套管均采用一端固定，另一端自由端，因此不会产生管、壳程膨胀应力问题；

2、高温壳程介质通过专门设置的通道，避免高温介质与受压壳体接触，保护受压件不承受高温，可以降低受压件的材料等级，降低设备的制造成本。

3、高温管程介质通过专门设置的通道，避免高温介质与受压管箱接触，保护受压件不承受高温，可以降低受压件的材料等级，降低设备的制造成本。

4、通过其多层套管结构，实现管、壳程承受高温件不承受高压，承受高压件不承受高温，实现了管、壳程介质同时处于高温、高压工况的设备结构设计的可能性。

附图说明

图1为本发明提供的一种壳程自冷却保护浮头式换热器处于工况一的结构示意图；

图2为本发明的工况一的多层套管内换热介质流向图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1，本发明提供的一种壳程自冷却保护浮头式换热器包括壳程筒体2和管箱10。壳程筒体2和管箱10之间通过管板9连接。壳程简体2上设置有壳程入口3及壳程出口1，壳程出口1设置在壳程筒体2的左侧。管箱10上设置有管程入口15和管程出口12。

在壳程筒体2内设置有多层套管结构换热管。多层套管结构换热管具有2-4层套管结构。每层套管结构包括换热管6、套在换热管6外部的套管5、套在换热管6内部的内套管7。套管5的一端固定在壳程内封头一4上并且与壳程内封头一4连通。套管5的另一端为开口的自由端。换热管6的一端固定在管板9上并且通过管板9与管箱10连通。换热管6的另一端为封闭的自由端。内套管7的一端固定在管程内封头二11上并且与管程内封头二11连通。内套管7的另一端为开口的自由端。

壳程内封头一4的一端通过支撑板8支撑，并且固定套管5，另一端连通壳程入口3。管程内封头二11的一端通过支撑板8支撑，并且固定内套管7，另一端连通管程出口12。壳程内封头一4和管程内封头二11均为高温内封头。

在管箱10上设置有用于设备检修的管程筒体法兰14和人孔13。

本发明还提供了一种采用上述壳程自冷却保护浮头式换热器的换热方法，分为工况一及工况二。

结合图2，工况一、壳程走热介质，管程走冷介质：

高温介质从壳程入口3进入壳程内封头一4，再进入套管5和换热管6形成的环形通道，高温热介质在此环形通道内进行换热，高温介质流至套管5出口端时被冷却至工艺要求温度，被冷却的高温介质从套管5的自由端一方面折返入壳程筒体2内，另一方面由壳程出口1流出，在被冷却的高温介质的折返过程中对受压的壳程筒体2进行低温保护；

冷介质从管程入口15进入管箱10，并对受压的管箱10起到低温保护作用，冷介质进一步流经换热管6和内套管7形成的环形通道被套管5的高温介质加热至工艺要求温度，在换热管6封闭的自由端折返进入内套管7开口的自由端，经内套管7流至管程内封头二11汇聚后从管程出口12流出；

工况二、壳程走冷介质，管程走热介质：

高温介质从管程出口12进入管程内封头二11，经由内套管7再进入换热管6和内套管7形成的环形通道，被套管5的冷介质冷却至工艺要求温度后，进入管箱10，对受压的管箱10起到低温保护作用，随后由管程入口15流出；

冷介质从壳程出口1进入壳程筒体2，对受压的壳程筒体2起到低温保护作用，再经由套管5的开口的自由端进入套管5和换热管6形成的环形通道内，冷介质流至套管5的另一端时被高温热介质加热至工艺要求温度，进入壳程内封头一4内，再自壳程入口3流出。