一种用于热交换设备的管束组件的制作方法

本实用新型涉及一种用于热交换设备的管束组件，属于热交换设备技术领域。

背景技术：

现有的热交换设备中，其换热管常见的形式有列管式、U形管式或套管式的。无论哪一种形式的换热管，热交换设备的壳体内都需要设计管板作为换热管的支撑。由于有了管板的设计，这就导致热交换设备的大型化便受到了限制。因此，本实用新型设计了一种用于热交换设备的管束组件，采用该管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于热交换设备的管束组件，采用本实用新型管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于热交换设备的管束组件，包括套管式集箱，该套管式集箱连接有向下延伸的若干束换热管单元；所述套管式集箱包括外集箱和套装于外集箱内的内集箱，所述内集箱上设有进液口,该进液口穿出外集箱；所述外集箱上设有出汽液口；所述换热管单元包括外套管和插入于外套管内的内套管，所述外套管下端为盲端，内套管下端插入至外套管下端、并与外套管相连通；内套管上端穿入外集箱后与内集箱相连通，外套管上端与外集箱相连通。

热交换设备采用本实用新型的管束组件的设计时，将多个管束组件装配于热交换设备的壳体内，管束组件的进液口与出汽液口穿出壳体，套管式集箱装配于壳体上段，换热管单元向下延伸至壳体下段。比如，该热交换设备运行时，热交换设备的壳体内流动的热交换介质可以是从下至上流通的高温气体、也可以是从上至下流通的高温固体颗粒；而管束组件流通的热交换介质为饱和锅炉水。当热交换设备的壳体内流通的热交换介质为高温气体时，该高温气体从壳体底部的进气口进入壳体后，与管束组件内的饱和锅炉水热交换后从壳体顶部的出气口排出；当热交换设备的壳体内流通的热交换介质为高温固体颗粒时，该高温固体颗粒从壳体顶部的进料口进入壳体后，与管束组件内的饱和锅炉水热交换后从壳体底部的出料口排出。对于管束组件而言，饱和锅炉水从进液口进入内集箱后，分流入每根与该内集箱相连通的内套管内，在内套管内向下流动，然后从内套管下端流入外套管下端后向上折回，然后沿外套管与内套管之间的环隙向上流动进入外集箱（在此过程中，饱和锅炉水与外套管外的高温气体或高温固体颗粒进行换热、并被汽化），换热后形成的水汽混合物流经外集箱与内集箱之间的环隙从出汽液口流出。本实用新型的管束组件不采用管板的设计，而是采用了自身的套管式集箱作为换热管单元的支撑，采用本实用新型管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计，热交换设备易于大型化，套管式集箱相对于管板而言，材料的档次要求低，这就能够降低热交换设备的制造费用，经济性好；并且得益于本实用新型管束组件的设计，采用本实用新型管束组件的热交换设备还能够减少气相或固相空间布管死区，从而增加了单位体积换热面积，提高了换热效率。

为了增大本实用新型管束组件的换热面积，提高换热效率；本实用新型进一步提出了以下两种可选择的技术方案。

第一种方案：本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件,所述换热管单元还包括若干根换热支管，所述换热支管位于外套管外侧、沿外套管轴线分布，换热支管的上下端分别与外套管的上下端相连通。即换热支管上端与外套管上端相连通，换热支管下端与外套管下端相连通。换热支管与外套管形成了并联式结构，通过换热支管的设计，饱和锅炉水从内套管下端流入外套管下端后向上折回时将产生分流，其中一部分饱和锅炉水沿外套管与内套管之间的环隙向上流动；而另一部分饱和锅炉水在换热支管内向上流动，两部分的饱和锅炉水在外套管的上端交汇后进入外集箱。换热支管的设计分流了饱和锅炉水，外套管的直径能够得以减小，本设计能够增大管束组件单位体积内的换热面积，提高换热效率。

第二种方案：本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件,所述换热管单元还包括再分配管机构，所述再分配管机构包括位于外套管外侧、沿外套管轴线依次分布的多组换热支管，每组换热支管有若干根，各组换热支管的上下端分别依次与外套管相连通，其中，位于最下边的那一组换热支管下端与外套管下端相连通，位于最上边的那一组换热支管上端与外套管上端相连通。换热支管与外套管形成了串并联式结构，第二种方案秉承了第一种方案的优点，并且第二种方案形成的再分配管机构，饱和锅炉水从下至上形成了分流-汇流-分流-汇流-分流-汇流……的流动形式，能够进一步的提高管束组件的换热效率。

作为第二种方案的进一步设计，每组换热支管呈内外两圈分布，位于内圈的换热支管与外套管的间距小于位于外圈的换热支管与外套管的间距。优化了换热支管的布局方式，能够进一步的提高管束组件的换热效率。

作为第一种方案或第二种方案的进一步设计，所述换热管单元还包括多个扩面元件，所述扩面元件设于外套管或/和换热支管外壁。能够进一步增大管束组件的换热面积，提高换热效率。作为优选，外套管和换热支管外壁都设有扩面元件。

进一步的，所述扩面元件在换热管单元的分布密度从上至下依次降低。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体。由于高温气体从下至上在壳体内上升的过程中与管束组件发生热交换，温度从下至上逐渐的降低；为了使换热管单元所承受的热强度变得尽可能的均匀，以延长管束组件的使用寿命，故提出了该布局设计。扩面元件在换热管单元（在外套管或/和换热支管外壁）的分布密度从上至下依次降低，实现了换热管单元的换热面积从上至下依次降低，这就使得换热管单元所承受的热强度能够变得尽可能的均匀，使得热交换设备在运行过程中更加平稳，管束组件的使用寿命更长。

进一步的，所述换热管单元上段为高密度扩面区、中段为低密度扩面区、下段为光管区，高密度扩面区设置的扩面元件分布密度大于低密度扩面区设置的扩面元件分布密度，光管区不设置扩面元件。本设计为扩面元件的具体布局的可选择设计，本设计使得换热管单元形成了3个换热区域；同理，基于本设计的构思，也可以设计为2个、4个或更多个换热区域。

本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件,各根外套管的盲端通过连接板相连形成整体结构。使得各束换热管单元（各根外套管的盲端或者说下端）下端通过连接板相连形成整体结构，能够降低换热管单元的震动，提高管束组件的使用寿命。

本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件, 各根外套管的盲端底部设有用于保护外套管盲端的底折流器。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体。如果没有底折流器的设计，外套管的盲端将直接承受来自进气口的高温气体，使得外套管盲端的温度长期保持高温状态；而得益于底折流器的设计，高温气体进入后被折底流器改变流向，工艺气从外套管的盲端侧向沿外套管外侧向上流动；这就降低了外套管的盲端所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。

本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件, 所述外集箱顶部装配有用于保护外集箱顶部的顶折流器。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从上至下流通的高温固体颗粒。在运行过程中，如果没有顶折流器的设计，外集箱顶部将直接承受来自进料口的高温固体颗粒，使得外集箱容易被磨损、并且长期处于高温状态；而采用顶折流器的设计时，使得从进料口进入的高温固体颗粒被顶折流器改变流向，固体颗粒从外集箱侧向沿外套管向下流动；这就减少甚至避免了外集箱顶部的磨损，降低了外集箱所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的管束组件不采用管板的设计，而是采用了自身的套管式集箱作为换热管单元的支撑，采用本实用新型管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计，热交换设备易于大型化，套管式集箱相对于管板而言，材料的档次要求低，这就能够降低热交换设备的制造费用，经济性好。本实用新型的管束组件能够作为热交换设备的换热组件，特别是作为水管式废热锅炉的换热组件以及管内相变传热设备的换热组件。

2、第一种方案中换热支管的设计，实现饱和锅炉水分流-汇流的流动形式；第二种方案中换再分配管机构的设计，实现饱和锅炉水分流-汇流-分流-汇流-分流-汇流……的流动形式；能够增大管束组件单位体积内的换热面积，提高换热效率。

3、扩面元件的设计，能够增大管束组件的换热面积，提高换热效率。

4、扩面元件在换热管单元的分布密度由上至下依次降低的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体。能够使得换热管单元所承受的热强度能够变得尽可能的均匀，使得热交换设备在运行过程中更加平稳，管束组件的使用寿命更长。

5、连接板的设计，能够降低换热管单元的震动，提高管束组件的使用寿命。

6、底折流器的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体，能够降低外套管的盲端所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。

7、顶折流器的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从上至下流通的高温固体颗粒，能够减少甚至避免了外集箱的磨损，降低了外集箱所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。

附图说明

图1是实施例一中管束组件的结构示意图;

图2是实施例一中两个相邻的换热管单元的俯视图;

图3是实施例二中管束组件的结构示意图;

图4是实施例二中两个相邻的换热管单元的俯视图;

图5是实施例三中管束组件的结构示意图;

图6是图5中的A处放大图;

图7是实施例三中两个相邻的换热管单元的俯视图;

图8是实施例四中顶折流器设于外集箱上的示意图；

图9是实施例四中顶折流器与外集箱的配合示意图；

图10是采用本实用新型的管束组件的热交换设备示意图，其中，该热交换设备的壳体内流动的热交换介质是从下至上流通的高温气体；

图11是采用本实用新型的管束组件的热交换设备示意图，其中，该热交换设备的壳体内流动的热交换介质是从上至下流通的高温固体颗粒。

图中标记：11-进液口、12-内集箱、13-内套管、21-出汽液口、22-外集箱、23-外套管、24-换热支管、3-管封头、4-连接板、51-底折流器、52-顶折流器、53-保护层、6-扩面元件、7-壳体、711-进气口、712-出气口、721-进料口、721-出料口。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例的一种用于热交换设备的管束组件，包括套管式集箱，该套管式集箱连接有向下延伸的若干束换热管单元；所述套管式集箱包括外集箱22和套装于外集箱22内的内集箱12，所述内集箱12上设有进液口11,该进液口11穿出外集箱22；所述外集箱22上设有出汽液口21；所述换热管单元包括外套管23和插入于外套管23内的内套管13，所述外套管23下端为盲端，内套管13下端插入至外套管23下端、并与外套管23相连通；内套管13上端穿入外集箱22后与内集箱12相连通，外套管23上端与外集箱22相连通。

热交换设备采用本实用新型的管束组件的设计时，如图10和图11所示，将多个管束组件装配于热交换设备的壳体7内，管束组件的进液口11与出汽液口21穿出壳体，套管式集箱装配于壳体7上段，换热管单元向下延伸至壳体7下段。比如，该热交换设备运行时，热交换设备的壳体内流动的热交换介质可以是从下至上流通的高温气体、也可以是从上至下流通的高温固体颗粒；而管束组件流通的热交换介质为饱和锅炉水。如图10所示（比如废热锅炉），当热交换设备的壳体内流通的热交换介质为高温气体时，该高温气体从壳体底部的进气口711进入壳体7后，与管束组件内的饱和锅炉水热交换后从壳体顶部的出气口712排出。如图11所示（比如高温固体颗粒冷却器），当热交换设备的壳体内流通的热交换介质为高温固体颗粒时，该高温固体颗粒从壳体顶部的进料口721进入壳体7后，与管束组件内的饱和锅炉水热交换后从壳体底部的出料口722排出。对于管束组件而言，饱和锅炉水从进液口11进入内集箱12后，分流入每根与该内集箱12相连通的内套管13内，在内套管13内向下流动，然后从内套管13下端流入外套管23下端后向上折回，然后沿外套管23与内套管13之间的环隙向上流动进入外集箱22（在此过程中，饱和锅炉水与外套管外的高温气体或高温固体颗粒进行换热、并被汽化），换热后形成的水汽混合物流经外集箱22与内集箱12之间的环隙从出汽液口21流出。本实用新型的管束组件不采用管板的设计，而是采用了自身的套管式集箱作为换热管单元的支撑，采用本实用新型管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计，热交换设备易于大型化，套管式集箱相对于管板而言，材料的档次要求低，这就能够降低热交换设备的制造费用，经济性好；并且得益于本实用新型管束组件的设计，采用本实用新型管束组件的热交换设备还能够减少气相或固相空间布管死区，从而增加了单位体积换热面积，提高了换热效率。

可供选择的，所述外套管23下端设有管封头3形成所述盲端,如图1所示。可供选择的，热交换设备采用本实用新型的管束组件的设计时，位于壳体内的多个管束组件呈等间距的并排状分布，并与壳体相适配。明显的，各个换热单元之间具有作为高温气体或高温固体颗粒流通的间隙；明显的，外集箱22不与壳体7内的空腔连通，内集箱12与外集箱22也没有直接连通，内集箱12与外集箱22是通过换热单元相连通。

为了增大本实用新型管束组件的换热面积，提高换热效率；实施例一提出了第一种方案。

第一种方案：基于本实施例的进一步的优化，如图1和图2所示，所述换热管单元还包括若干根换热支管24，所述换热支管24位于外套管23外侧、沿外套管23轴线分布，换热支管24的上下端分别与外套管23的上下端相连通。即换热支管24上端与外套管23上端相连通，换热支管24下端与外套管23下端相连通。换热支管24与外套管23形成了并联式结构，通过换热支管24的设计，饱和锅炉水从内套管13下端流入外套管23下端后向上折回时将产生分流，其中一部分饱和锅炉水沿外套管23与内套管13之间的环隙向上流动；而另一部分饱和锅炉水在换热支管24内向上流动，两部分的饱和锅炉水在外套管23的上端交汇后进入外集箱22。换热支管24的设计分流了饱和锅炉水，外套管23的直径能够得以减小，本设计能够增大管束组件单位体积内的换热面积，提高换热效率。当然，换热支管24上端也可以不与外套管23上端相连通，而是换热支管24上端直接与外集箱22相连通，但是这就增加了制造难度，并非最佳方案。

进一步，如图1和图2所示，所述换热管单元还包括多个扩面元件6，所述扩面元件6设于外套管23或/和换热支管24外壁。能够进一步增大管束组件的换热面积，提高换热效率。作为优选，外套管23和换热支管24外壁都设有扩面元件6。当然也可以是，仅外套管23或换热支管24外壁设置扩面元件6。可供选择的，所述扩面元件6为肋片或钉头；优选的，肋片呈齿形状或矩形状，钉头呈圆形状、椭圆形状或菱形状。在其中一实施例中，外套管23外壁设置的扩面元件6为钉头，换热支管24外壁设置的扩面元件6为肋片。

进一步的，在其中一实施例中，如图1所示，所述扩面元件6在换热管单元的分布密度从上至下依次降低。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体，如图1和图10所示。由于高温气体从下至上在壳体内上升的过程中与管束组件发生热交换，温度从下至上逐渐的降低；为了使换热管单元所承受的热强度变得尽可能的均匀，以延长管束组件的使用寿命，故提出了该布局设计。扩面元件6在换热管单元（在外套管23或/和换热支管24外壁）的分布密度从上至下依次降低，实现了换热管单元的换热面积从上至下依次降低，这就使得换热管单元所承受的热强度能够变得尽可能的均匀，使得热交换设备在运行过程中更加平稳，管束组件的使用寿命更长。而在另一实施例中，如图11所示，热交换设备的壳体内热交换介质为从上至下流通的高温固体颗粒；该实施例中，扩面元件6在换热管单元的分布密度相同。

进一步的，如图1所示，所述换热管单元上段为高密度扩面区、中段为低密度扩面区、下段为光管区，高密度扩面区设置的扩面元件6分布密度大于低密度扩面区设置的扩面元件6分布密度，光管区不设置扩面元件。本设计为扩面元件的具体布局的可选择设计，本设计使得换热管单元形成了3个换热区域；同理，基于本设计的构思，也可以设计为2个、4个或更多个换热区域。优选的，所述高密度扩面区的高度大于低密度扩面区的高度，低密度扩面区的高度大于光管区的高度。

基于本实施例的进一步的优化，如图1所示，各根外套管23的盲端通过连接板4相连形成整体结构。使得各束换热管单元（各根外套管23的盲端或者说下端）下端通过连接板4相连形成整体结构，能够降低换热管单元的震动，提高管束组件的使用寿命。当热交换设备采用本实用新型的管束组件的设计时，将多个管束组件并排装配于热交换设备的壳体内，作为优选，所有的外套管23的盲端都通过连接板4相连形成整体结构。

基于本实施例的进一步的优化，如图1所示，各根外套管23的盲端底部设有用于保护外套管盲端的底折流器51。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体，如图10所示。如果没有底折流器51的设计，外套管23的盲端将直接承受来自进气口的高温气体，使得外套管23盲端的温度长期保持高温状态；而得益于底折流器51的设计，高温气体进入后被折底流器51改变流向，工艺气从外套管23的盲端侧向沿外套管23外侧向上流动；这就降低了外套管23的盲端所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。优选的，底折流器51的底面呈锥形状或V形状。

基于管封头3、连接板4以及底折流器51设计的组合设计，连接板4装配于管封头3（外套管23的盲端）底部，用以连接各个管封头3；折流器5装配于连接板4底部，且折流器5与管封头3一一相对应，如图1所示。

基于上述技术特征组合的设计，所述外套管23外的换热支管24呈正四边形状分布。在其中一实施例中，如图1和图2所示，每根外套管23外并联的换热支管524有4根。本实施例的换热组件特别适用于DN＜2500mm的热交换设备。

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于：所述外套管23外的换热支管24呈正六边形状分布。在其中一实施例中，如图3和图4所示，每根外套管23外并联的换热支管24有6根。本实施例的换热组件特别适用于2500mm≤DN＜4000mm的热交换设备。

实施例三

实施例三与实施例一或二基本相同，不同之处在于：为了增大本实用新型管束组件的换热面积，提高换热效率；实施例三提出了与实施例一或二的第一种方案不同的第二种方案。

第二种方案：如图5至图7所示，本实施例的一种用于热交换设备的管束组件,所述换热管单元还包括再分配管机构，所述再分配管机构包括位于外套管23外侧、沿外套管23轴线依次分布的多组换热支管24，每组换热支管24有若干根，各组换热支管24的上下端分别依次与外套管23相连通，其中，位于最下边的那一组换热支管24下端与外套管23下端相连通，位于最上边的那一组换热支管24上端与外套管23上端相连通。换热支管与外套管形成了串并联式结构，第二种方案秉承了第一种方案的优点，并且第二种方案形成的再分配管机构，饱和锅炉水从下至上形成了分流-汇流-分流-汇流-分流-汇流……的流动形式，能够进一步的提高管束组件的换热效率，第二种方案特别适用于换热管单元较长的热交换设备；比如换热管单元长度≥6000mm的热交换设备。在其中一实施例中，沿外套管23轴线依次分布的换热支管24有3组；当然，根据实际需求，沿外套管23轴线依次分布的换热支管24还可以有2组、4组或更多组；当然，也可以只有1组换热支管24，此时相当于实施例一的技术方案。优选的，在换热支管24与外套管23连接处、外套管23的直径增大,有利于实现分流与汇流的流动形式。明显的，本实施例也包括了扩面元件6的相关设计，具体参见实施例一，此处不再赘述。

进一步的，如图7所示，每组换热支管24呈内外两圈分布，位于内圈的换热支管24与外套管23的间距小于位于外圈的换热支管24与外套管23的间距。优化了换热支管的布局方式，能够进一步的提高管束组件的换热效率。

进一步的，每组换热支管24中，位于内圈的换热支管24呈圆形状分布，位于外圈的换热支管24呈正六边形状分布。在其中一实施例中，如图7所示，每根外套管23外并联的换热支管24有30根，其中，位于内圈的换热支管24有12根形成圆形状的分布，位于外圈的换热支管24有18根形成正六边形状的分布当然，也可以是：两圈的换热支管24都呈圆形状分布或正六边形状分布。本实施例的换热组件特别适用于DN≥4000mm的热交换设备。

实施例四

实施例四与实施例一、二或三基本相同，不同之处在于：实施例一、二或三中，采用了底折流器51的设计，而实施例四中采用了顶折流器52。

本实施例的一种用于热交换设备的管束组件, 如图8和图9所示，所述外集箱22顶部装配有用于保护外集箱顶部的顶折流器52。本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从上至下流通的高温固体颗粒，如图11所示。在运行过程中，如果没有顶折流器52的设计，外集箱22顶部将直接承受来自进料口的高温固体颗粒，使得外集箱22容易被磨损、并且长期处于高温状态；而采用顶折流器52的设计时，使得从进料口进入的高温固体颗粒被顶折流器52改变流向，固体颗粒从外集箱22侧向沿外套管向下流动；这就减少甚至避免了外集箱22顶部的磨损，降低了外集箱22所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。其中一实施例中，该顶折流器52位于套管式集箱的进液口511与出汽液口521之间。可供选择的，如图9所示，该顶折流器52顶部设有保护层53，作为优选，该保护层53都为耐磨耐热材料制成。

对于底折流器51与顶折流器52的设计，根据热交换设备的实际使用需求而选择；可以仅选择底折流器51的设计，也可以仅选择顶折流器52的设计，当然，还可以同时选择底折流器51与顶折流器52的设计。即实施例四是能够与实施例一、二或三能够相互组合的。

综上所述，采用本实用新型的一种用于热交换设备的管束组件，本实用新型的管束组件不采用管板的设计，而是采用了自身的套管式集箱作为换热管单元的支撑，采用本实用新型管束组件的热交换设备，无需采用管板的设计，热交换设备易于大型化（如采用本实用新型的设计，能够制作公称直径10米以上的热交换设备），套管式集箱相对于管板而言，材料的档次要求低，这就能够降低热交换设备的制造费用，经济性好。第一种方案中换热支管的设计，实现饱和锅炉水分流-汇流的流动形式；第二种方案中换再分配管机构的设计，实现饱和锅炉水分流-汇流-分流-汇流-分流-汇流……的流动形式；能够增大管束组件单位体积内的换热面积，提高换热效率。扩面元件的设计，能够增大管束组件的换热面积，提高换热效率。扩面元件在换热管单元的分布密度由上至下依次降低的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体。能够使得换热管单元所承受的热强度能够变得尽可能的均匀，使得热交换设备在运行过程中更加平稳，管束组件的使用寿命更长。连接板的设计，能够降低换热管单元的震动，提高管束组件的使用寿命。底折流器的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从下至上流通的高温气体，能够降低外套管的盲端所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。顶折流器的设计，本设计特别适用于，热交换设备的壳体内热交换介质为从上至下流通的高温固体颗粒，能够减少甚至避免了外集箱的磨损，降低了外集箱所承受的热强度，从而提高了管束组件的使用寿命。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。