专利名称：卧式u形管换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于石油、化工、冶金及热能工程所使用的有相变传热方式的管 壳式换热器，具体来说是一种卧式U形管换热器。
背景技术：
在换热器的设计中，经常会发生管程物料出现相变的工况，如冷凝器等。传统的换 热器为4管程或6管程U形管换热器，管箱内设置分程隔板。换热器入口物料为100%的气 相，由于冷媒的传热效果，不断发生相变，到出口处物料完全变成液态。因此，在换热过程中 气液两相分离后各走不同的管束，液相在重力的作用下走低端换热管，气相走高端换热管， 这种结果造成换热管内物料的流量不均勻，部分管束只走液相物料，部分管束只走气相物 料，换热效果较差，影响了换热效率。通常，换热效率用换热系数表示，换热系数越大，换热 效率越高，反之亦然。中国专利ZL200620063509. 1就空调系统中同样出现的相变问题提出了解决方 案，其方案如下一种分液式壳管换热器，它由圆柱形的管壳、冷却水进口、冷却水出口、壳 体挡板、换热管、管板、折流挡板所组成，其特征在于管壳内20-500根换热管，在圆周内等 分为各自独立的2-20组管束，每组换热管管束由U形管串联，其一端为制冷剂进口，另一端 为制冷剂出口，两端出露于U形管保护盖外，U形管保护盖经管壳法兰与壳管用螺栓密封固 定。与传统壳式换热器相比，这种分液式壳管换热器具有制冷剂分液均勻，提高了每一根换 热管的换热效率的作用，对于空调系统来说不失为一种解决由相变引起换热效果变差的问 题的好方法，但上述方案在石油化工等领域不容易实现，这是因为空调系统中制冷剂的量 较少，容易实现多个U形管单独换热，而在石油化工等领域的换热中换热量大，上述结构会 使换热器在制造上很复杂，体积变大，成本增加。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有卧式U形管换热器换热过程中发生 相变，造成气液两相分离后各走不同的管束，换热管内物料的流量不均勻，部分管束只走液 相物料，部分管束只走气相物料，换热效果差的问题，提供一种新型卧式U形管换热器。该 卧式U形管换热器具有均勻分配气液两相物流，换热效果好的特点。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下一种卧式U形管换热 器，包括物料入口、物料出口、冷却介质入口，冷却介质出口、管板、管箱和换热器壳体，物料 入口和物料出口分别位于管箱的顶端和底端，冷却介质入口和冷却介质出口分别位于换热 器壳体的底端和顶端，管板将管箱和换热器壳体分开，管箱内由分程隔板分割成至少3个 管箱区，第一管箱区为U形换热管入口管口区，U形换热管入口管口至少有2 最后一个 管箱区为U形换热管出口管口区，U形换热管出口管口的排数与U形换热管入口管口的排 数相同，在至少第二管箱区内U形换热管出口管口和U形换热管入口管口依次上下排列，且 以分程隔板为中心与上一管箱区的U形换热管入口管口对称布置，U形换热管分别安装在
3换热器壳体里，其特征在于在至少第二管箱区内安装有箱形隔板，箱形隔板为矩形的箱体， 五面密封，敞开面罩住除第一排和最后一排以外的所有U形换热管管口。上述技术方案中所述一种卧式U形管换热器，其U形换热管入口管口有2 4排， 管箱被分割成3 5个管箱区，箱形隔板罩住的U形换热管管口为第2 6排，再优选为第 2 4排。本实用新型的一个具体实施方式
中，所述换热器管程为6程共12排管子，3个分程 隔板，焊接在管板上的箱形隔板将第4和第5排换热管连到一起，将第8和第9排换热管连 到一起；气相物料自物料入口进入换热器，进入第1、2排换热管，从第3排换热管流出的气 液两相物流从第6排流出，从第4排换热管流出的气液两相物流从第5排流出，从第7排换 热管流出的气液两相物流从第10排流出，从第8排换热管流出的气液两相物流从第9排流 出，从而将气液两相物流均勻分配到第5、第6、第9和第10排换热管内，提高了换热效率。本实用新型的另一个具体实施方式
中，所述换热器管程为4程共8排管子，2个分 程隔板，焊接在管板上的箱形隔板将第4和第5排换热管连到一起，气相物料自物料入口进 入换热器，进入第1、2排换热管，从第3排换热管流出的气液两相物流从第6排流出，从第 4排换热管流出的气液两相物流从第5排流出，从而将气液两相物流均勻分配到第5和第6 排换热管内，提高了换热效率。本实用新型的一个具体实施方式
中，所述箱形隔板长度L = A+50士 10mm，其中A为 所罩住部分实际布管长度，宽度W = B，其中B为3、5两排换热管间的距离，或7、9两排换热 管间的间距，高度H > η π d2/4L，其中η为每排换热管的数量，一般为15 35根，d为换热 管内径；在另一优选例中，隔板长度L = A+50mm,本实用新型的一个具体实施方式
中，U形管换热器入口物料为气相物流，出口物料 为液相物流；在另一优选例中，入口气相物流为乙烯或丙烯。本实用新型的一个具体实施方式
中，U形管换热器壳程内冷却介质的优选方案为 丙烯或液氨；在另一具体实施方式
中，U形管换热器壳程内冷却介质的优选方案为冷却水。本实用新型在实际运行过程中，由于设计出了箱形隔板，保证了换热器的每根换 热管内的质量流量分布基本均勻，每根换热管内基本都是两相流，而两项流的换热效率比 单项流的换热效率高；另外由于使用了箱形隔板，避免了换热器内底端换热管全部走液相 物流，上端换热管走很少的气相物流的问题，均勻分配了每程管束的流量，经本发明人发 现，在6管程和4管程U形换热器中，换热系数分别可达440W/m2K和590W/m2K，提高了换热 效率，取得了较好的效果。
图1为比较例1中传统的换热器。图2为实施例1中改进后的换热器。图3为实施例2中改进后的换热器。图4为箱形隔板的布置图。图1或图2或图3或图4中，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12分别表示第1、2、3、 4、5、6、7、8、9、10、11和12排换热管，21为管箱，211、212、213和214分别表示第一、二、三 和四管箱区，22为分程隔板，23为物料入口，24为管板，25为冷却介质出口，26为U形换热
4管，27为壳体，28为物料出口，29为箱形隔板，30为冷却介质入口，I为气相物流，II为液相 物流，III为气液两相物流。6管程U形管换热器中，气相物料自物料入口 23进入换热器，进入第1、2排换热 管，从第3排换热管流出的气液两相物流III从第6排流出，从第4排换热管流出的气液两相 物流III从第5排流出，从第7排换热管流出的气液两相物流从第10排流出，从第8排换热管 流出的气液两相物流从第9排流出，从第11和12排换热管流出的液相物流从物料出口 28 流出。冷却介质从冷却介质入口 30进入U形管换热器壳体27，从冷却介质出口 25流出。4管程U形管换热器中，气相物料自物料入口 23进入换热器，进入第1、2排换热 管，从第3排换热管流出的气液两相物流III从第6排流出，从第4排换热管流出的气液两相 物流III从第5排流出，从第7和8排换热管流出的液相物流从物料出口 28流出。冷却介质 从冷却介质入口 30进入U形管换热器壳体27，从冷却介质出口 25流出。下面通过实施例对本实用新型做进一步阐述。
具体实施方式
实施例1在某大型乙烯项目中，对一传统卧式乙烯冷凝器进行了改进。管程为6管程，走工 艺物料乙烯，乙烯在冷凝的过程中，由于冷却介质液体丙烯的传热效果，不断发生相变，到 物料出口 28处完全变成液态。使用本实用新型的换热器，100%气相乙烯从物料入口 23进 入第一管箱区211，进入第1、2排换热管，从第3排换热管流出的气液两相物流从第6排流 出，从第4排换热管流出的气液两相物流从第5排流出，从第7排换热管流出的气液两相物 流从第10排流出，从第8排换热管流出的气液两相物流从第9排流出，由于在第二管箱区 212和第三管箱区213内设置了箱形隔板29，将第4和第5排换热管连到一起，将第8和 第9排换热管连到一起，使得第5、第6、第9和第10排换热管内都走气液两相物流III，从而 保证了每排换热管内均为气液两相流，使得流体分布均勻，提高传热效率，传热系数可达到 440W/m2K。第四管箱区214内的第11和12排换热管流出的乙烯为100%液相乙烯，从物料 出口 28流出，返回乙烯储罐。本实施例中每排换热管均为22根，材质为09MnD。冷却介质为液体丙烯，液体丙烯从冷却介质入口 30进入换热器壳体27，入口温度 为-39°C ；气态丙烯从冷却介质出口 25流出，出口温度-39°C。该换热器直径lm，由于换热系数的提高，换热管长度缩短为6. 5米长，节约投资大 约 30%。两个箱形隔板的尺寸为LXWXH = 600X 115X 30，单位mm，材料为09MnNiDR，厚 度 4mm。比较例1与实施例1同一个大型乙烯项目中，使用一台传统的卧式乙烯冷凝器，管程为6 管程，走工艺物料乙烯。除过第二管箱区212和第三管箱区213内没有设置箱形隔板29以 外，其余设置均与实施例1相同，且工艺条件也完全相同。乙烯在冷凝的过程中，由于冷却 介质液体丙烯的传热效果，不断发生相变，到出口处完全变成液态。在换热过程中存在第5 和第9排管子中只走气相物流I，第6和第10排换热管内只走液相物流II，影响了换热效率，传热系数在300W/m2K左右。该换热器直径lm，要满足工艺传热要求，需换热管9米长。实施例2某丙烯储罐系统，丙烯储罐项目检修改造时，采用本实用新型的技术，蒸发气压缩 后使用一台卧式冷凝器。管程为4管程，走工艺物料丙烯，丙烯在冷凝的过程中，由于冷却 介质冷却水的传热效果，丙烯不断发生相变。100%气相丙烯从物料入口 23进入第一管箱 区211，进入第1、2排换热管，从第3排换热管流出的气液两相物流从第6排流出，从第4排 换热管流出的气液两相物流从第5排流出，由于在第二管箱区212内设置了箱形隔板29， 将第4和第5排换热管连到一起，使得第5和第6排换热管内都走气液两相物流III，从而 保证了每排换热管内均为气液两相流，使得流体分布均勻，提高传热效率，传热系数可达到 590W/m2K。由于是4管程，所以没有上述实施例1和比较例1中的第三管箱区。第四管箱区 214内的第7和8排换热管流出的丙烯为100%液相丙烯，从物料出口 28流出，返回丙烯储 罐。本实施例中每排换热管均为18根，材质为09MnD。冷却介质为液体冷却水，冷却水从冷却介质入口 30进入换热器壳体27，入口温度 为33°C ；冷却水从冷却介质出口 25流出，出口温度38°C。该换热器直径0. 8m，由于换热系数的提高，换热管长度缩短为2. 2米长，节约投资 大约20%。一个箱形隔板的尺寸为LXWXH = 650X 160X 30，单位mm，材料为09MnNiDR，厚 度 4mm。比较例2与实施例2同样的丙烯储罐系统，蒸发气压缩后使用一台传统的卧式冷凝器，管 程为4管程，除过第二管箱区212内没有设置箱形隔板29以外，其余设置均与实施例2相 同，且工艺条件也完全相同。丙烯在冷凝的过程中，由于冷却介质冷却水的传热效果，丙烯 不断发生相变，到物料出口处完全变成液态。在换热过程中存在第5排管子中只走气相物 流，第6排换热管内只走液相物流的情况，影响了换热效率，传热系数在480W/m2K左右。该换热器直径0. 8m，要满足工艺传热要求，需换热管3米长。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用以限定本实用新型的实质技 术内容范围，本实用新型的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他 人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等 效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
权利要求一种卧式U形管换热器，包括物料入口、物料出口、冷却介质入口，冷却介质出口、管板、管箱和换热器壳体，物料入口和物料出口分别位于管箱的顶端和底端，冷却介质入口和冷却介质出口分别位于换热器壳体的底端和顶端，管板将管箱和换热器壳体分开，管箱内由分程隔板分割成至少3个管箱区，第一管箱区为U形换热管入口管口区，U形换热管入口管口至少有2排，最后一个管箱区为U形换热管出口管口区，U形换热管出口管口的排数与U形换热管入口管口的排数相同，在至少第二管箱区内U形换热管出口管口和U形换热管入口管口依次上下排列，且以分程隔板为中心与上一管箱区的U形换热管入口管口对称布置，U形换热管分别安装在换热器壳体里，其特征在于在至少第二管箱区内安装有箱形隔板，箱形隔板为矩形的箱体，五面密封，敞开面罩住除第一排和最后一排以外的所有U形换热管管口。
2.根据权利要求1所述一种卧式U形管换热器，其特征在于U形换热管入口管口有2 4排，管箱被分割成3 5个管箱区，箱形隔板罩住的U形换热管管口为第2 6排。
3.根据权利要求1所述一种卧式U形管换热器，其特征在于箱形隔板罩住的U形换热 管管口为第2 4排。
专利摘要本实用新型涉及一种卧式U形管换热器，主要解决现有技术中存在的气相物料经换热产生相变，造成换热管内物料流量不均匀，换热效果较差的问题。本实用新型通过采用一种卧式U形管换热器，包括物料入口及出口、冷却介质入口及出口、管板、管箱和换热器壳体，管板将管箱和换热器壳体分开，管箱内由分程隔板分割成至少3个管箱区，在至少第二管箱区内U形换热管出口管口和入口管口依次上下排列，且以分程隔板为中心与上一管箱区的U形换热管入口管口对称布置，其特征在于在至少第二管箱区内安装有箱形隔板，较好地解决了该问题，可用于气相物料热交换的工业应用中。
文档编号F28F9/22GK201757613SQ201020206309
公开日2011年3月9日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者崔金栋, 蒋自平, 赵斌义 申请人:中国石油化工集团公司;中国石化集团宁波工程有限公司;中国石化集团宁波技术研究院