换热器密封结构及换热器的制作方法

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种换热器密封结构及基于该换热器密封结构的一种换热器。

背景技术：

换热器是化工、食品生产上一种常用设备。在进行换热时，温度较高的流体介质从封头处进入至装配有换热管的壳体中，壳体的侧部设置冷却水进入管及冷却水排出管，以通过壳体内流动的冷却水对换热管中温度较高的流体介质进行降温，并最终将温度降低后的流体介质再从封头处排出换热器。当然，该换热器既可以实现对流体介质的温度的降低，也可以实现对流体介质温度的升高，彼此的过程相类似。

现有技术中的换热器通常设置法兰，并通过法兰与螺栓的连接，以实现冷热介质的隔离，并实现可靠装配。因此，换热器的密封结构的可靠性就显得尤为重要。公开号为cn107966049a的中国发明专利公开了一种列管式换热器。该列管式换热器中的管板与筒体之间设置一个垫片，并通过两个法兰实现连接。然而，该现有技术并没有考虑到金属制成的筒体及管板之间因材料强度及膨胀系数存在差异所导致的形变问题，并极易导致密封失效；同时，该现有技术中仅设置一个平板状的垫片，从而导致在实际使用过程中导致密封不佳的缺陷。同时，该现有技术所揭示的列管式换热器也不适合高温、高压、具腐蚀性质的流体介质等恶劣场合中使用，因此无法应用于石化成套设备中。此外，诸如cn22372044u等现有技术也存在类似缺陷。

有鉴于此，有必要对现有技术中的换热器密封结构以及基于该换热器密封结构的换热器予以改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开一种换热器密封结构及基于该换热器密封结构的一种换热器，用以解决现有技术中的换热器密封结构所存在的诸多缺陷，尤其用于解决传统的换热器密封结构中因不同组件因自身材料物理性能差异所导致的形变问题，防止密封结构出现失效，并能够适用于高温、高压并具有腐蚀性质的流体介质进行换热处理，同时本发明还揭示一种基于该换热器密封结构的换热器。

为实现上述第一个目的，本发明揭示了一种热器密封结构，包括：

外接法兰，设备法兰，与设备法兰一体式连接的管壳，八角垫片及位于八角垫片内侧的波形垫片，管壳形成多个迂回布置的换热管；

所述外接法兰开设第一凹槽，所述设备法兰开设第二凹槽，所述设备法兰面向外接法兰的圆环面设置具第三凹槽的堆焊层，并通过所述第一凹槽与第三凹槽共同夹持八角垫片，同时通过堆焊层与外接法兰的圆环面共同夹持波形垫片的圆环侧面，所述换热管贯穿堆焊层并与堆焊层的表面齐平。

作为本发明的进一步改进，所述波形垫片形成两个半圆形通孔，两个半圆形通孔之间横置档条；所述外接法兰的内部通过设置隔板以形成隔离并呈轴对称的第一腔体与第二腔体，所述第一腔体与第二腔体的横截面与所述半圆形通孔的形状相等，所述档条至少覆盖所述隔板的侧面，所述档条与隔板的侧面紧密贴合设置。

作为本发明的进一步改进，多个换热管贯穿堆焊层后分别与第一腔体及第二腔体连通。

作为本发明的进一步改进，所述第一凹槽与第三凹槽共同夹持八角垫片并形成底部间隙，所述堆焊层与外接法兰的圆环面共同夹持所述波形垫片。

作为本发明的进一步改进，所述第一凹槽与第三凹槽的横截面均呈梯形，且八角垫片的侧面与第一凹槽的底面及第三凹槽的底面呈分离形态。

作为本发明的进一步改进，位于八角垫片内侧的波形垫片在径向方向上与八角垫片形成环状间隙。

作为本发明的进一步改进，所述波形垫片由内向外分别形成表面具第四凹槽的金属骨架、填充第四凹槽的填充层及石墨层；所述填充层为碳纤维，所述填充层与石墨层粘接。

作为本发明的进一步改进，相邻两个第四凹槽形成峰尖，所述峰尖部分嵌入所述石墨层。

作为本发明的进一步改进，所述设备法兰及管壳由碳钢制成，所述堆焊层与外接法兰由不锈钢制成。

为实现上述另一个目的，本发明还揭示了一种换热器，包括：

外接法兰，设备法兰，与设备法兰一体式连接的管壳；

所述外接法兰与设备法兰之间设置如上述任一项发明所述的换热器密封结构；

所述管壳内部设置错位布置并供换热管贯穿的折流板，所述外接法兰连接第一流体介质输入管及第一流体介质输出管，并通过第一流体介质输入管及第一流体介质输出管与换热管形成隔离的第一流体介质循环通道；

所述管壳的侧壁设置第二流体介质输入管及第二流体介质输出管，并通过第二流体介质输入管及第二流体介质输出管与管壳形成隔离的第二流体介质循环通道；

第一流体介质循环通道与第二流体介质循环通道相互隔离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在本发明中，通过八角垫片及位于八角垫片内侧的波形垫片以及堆焊层与外接法兰的圆环面共同夹持波形垫片的圆环侧面，并将换热管贯穿堆焊层并与堆焊层的表面齐平的技术方案，解决了传统的换热器密封结构中因不同组件因自身材料物理性能差异所导致的形变问题，有效地防止了采用传统的橡胶密封垫片所存在的密封结构出现失效的问题，并能够适用于高温、高压并具有腐蚀性质的流体介质进行换热处理。

附图说明

图1为装配本发明换热器密封结构的换热器的爆炸图；

图2为沿图1中a-a线的轴向剖视图；

图3为图2中标号b处的局部放大图；

图4为图1所示出的换热器在另一视角下的爆炸图；

图5为本发明所揭示的换热器在俯视角度中的装配图；

图6为本发明换热器密封结构中的波齿垫片的立体图；

图7为本发明换热器密封结构中八角垫片的断面示意图；

图8为图2所示出的换热器的左视图；

图9为本发明换热器密封结构中的波齿垫片的主视图；

图10为沿图9中c-c线的剖视图；

图11为垂直于换热器的管壳纵向延伸方向上的横断面示意图；

图12为变形例中沿图9中c-c线的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“正方向”、“负方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

请参图1至图11所示出的本发明换热器密封结构的一种具体实施方式。

在本实施例中，换热器密封结构，包括：外接法兰1，设备法兰4，与设备法兰4一体式连接的管壳5，八角垫片3及位于八角垫片3内侧的波形垫片2，管壳5形成多个迂回布置的换热管7。外接法兰1形成轴向对称设置的多个通孔11，设备法兰4设置与通孔11匹配的多个通孔41。外接法兰1与设备法兰4轴向装配时插入螺栓42。通孔11与通孔41的内壁面设置内螺纹，并与螺栓42螺接固定。螺栓42两端端部分别延伸出外接法兰1与设备法兰4的侧部，并装配螺母43，以通过两个螺母43限制外接法兰1与设备法兰4的纵向位移，以可靠夹持八角垫片3及波形垫片2。

具体的，设备法兰4及管壳5由碳钢制成，堆焊层9与外接法兰1由不锈钢制成。参图1、图3及图4所示，外接法兰1开设第一凹槽12，设备法兰4开设第二凹槽40，设备法兰4面向外接法兰1的圆环面101设置具第三凹槽91的堆焊层9，并通过第一凹槽12与第三凹槽91共同夹持八角垫片3，同时通过堆焊层9与外接法兰1的圆环面101共同夹持波形垫片2的圆环侧面。第一凹槽12与第二凹槽40对向设置，第三凹槽91与第二凹槽40同向设置，且第三凹槽91与第一凹槽12对向设置。

换热管7贯穿堆焊层9并与堆焊层9的表面齐平，并具体为与该堆焊层9面向外接法兰1所形成的圆环面92齐平。第一凹槽12、第二凹槽40及第三凹槽91的横截面均呈梯形，且第一凹槽12与第三凹槽91的侧面与管壳5沿水平方向的轴线之间的夹角与八角垫片3的四个斜面31的与水平面的夹角相等，并均为23.5度。由此使得该八角垫片3的四个斜面31与第一凹槽12及第三凹槽91形成环形的面接触，从而使得该八角垫片3能够被八角垫片3与堆焊层9实现水平轴向夹持，并增加了密封效果。

第一凹槽12与第三凹槽91共同夹持八角垫片3并形成底部间隙25。第一凹槽12与第三凹槽91的横截面均呈梯形，且八角垫片3的侧面与第一凹槽12的底面及第三凹槽91的底面呈分离形态。堆焊层9与外接法兰1的圆环面101共同夹持所述波形垫片2。

参图3所示，在本实施例中，八角垫片3呈环状，并设置于波形垫片2的径向外侧，同时八角垫片3与波形垫片2位于同一断面内，从而使得整个由八角垫片3与波形垫片2所形成的密封结构的纵向(备注：所谓纵向是指沿管壳5的纵长延伸方向所在的方向，并与后文所提及表示空间位置关系的术语“径向”在空间上呈垂直关系)尺寸大大缩小，从而进一步缩小了外接法兰1与设备法兰4通过螺栓42及螺母43的纵向连接长度，从而也从另一方面提高了该换热器密封结构的可靠性与密封性。在本申请各个实施例中，术语“纵向”与术语“轴向”及“水平方向”具等同含义。

在本实施例中，通过旋转螺母43对堆焊层9与外接法兰1之间所形成的底部间隙25进行调节，并通过控制底部间隙25的宽度(即水平方向上的尺度)，实现对该换热器密封结构所具有的密封性能的灵活调节，以适应不同类型的第一流体介质的换热需求，从而进一步提高了该换热器密封结构的适应性与应用场景。

换热管7中循环流动第一流体介质，该第一流体介质可以是水，也可以是润滑油或者石化设备中的烯烃类裂解物(例如柴油、汽油、航空煤油、重油等)。本实施例中的设备法兰4及管壳5由碳钢制成，因此使得设备法兰4及管壳5能够承受较大的载荷或受力，具有良好力学性能。但如果第一流体介质是具有腐蚀性质的流体时，则能够通过波形垫片2起到与设备法兰4及管壳5相互隔离的作用，并将具有腐蚀性质的流体直接通入由不锈钢制成的外接法兰1中。

同时，在本实施例中，由于换热管7贯穿堆焊层9并与堆焊层9的表面齐平，从而使得经过热交换的第一流体介质在流经位于管壳5内部迂回布置的换热管7后，分别通过第一腔体10a与第二腔体10b与外部管路连接(结合实施例三予以理解)。第一腔体10a与第二腔体10b中所贮存的第一流体介质的温度由于存在热交换，因此存在一定的温度差。堆焊层9采用金属牌号sus316l的不锈钢制成，并采用堆焊工艺与设备法兰4面向外接法兰1的圆环面44形成一整体结构，并以轴向凸出设备法兰4的圆环面44的形式进行设置。

具体的，在本实施例中，该外接法兰1可采用金属牌号sus316l的不锈钢，设备法兰4及管壳5可采用高碳钢或中碳钢。sus316l不锈钢具有高的电阻率，约为碳钢的5倍；同时sus316l不锈钢相对于碳钢具有较大的线膨胀系数，比碳钢大40％，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。sus316l不锈钢还有低热导率，约为碳钢的三分之一。因此通过此种结构使得该换热器密封结构安装在换热器中并实现对第一流体介质进行热交换时，能够兼顾两种材料的物理性能，并防止外接法兰1面向波形垫片2发生纵向的线性膨胀，以始终保持该密封结构具有良好的密封效果。

同时，由于外接法兰1与设备法兰4的材质不同，因此本实施例巧妙地采用堆焊工艺在设备法兰4面向外接法兰1的端面上设置堆焊层9，避免了换热管7中流动并具腐蚀性质的第一流体介质对设备法兰4的端面所造成的腐蚀现象；同时，通过设置该堆焊层9，起到了缓冲由于外接法兰1与设备法兰4的材质不同所所导致的线性膨胀不同步而产生轴向应力的效果，以进一步确保了该换热器密封结构的密封效果与可靠性。

参图6所示，在本实施例中，该波形垫片2形成两个半圆形通孔，即半圆形通孔21与半圆形通孔22，两个半圆形通孔之间横置档条23，档条23与波形垫片2呈一体式结构。外接法兰1的内部通过设置隔板19以形成隔离并呈轴对称的第一腔体10a与第二腔体10b。第一腔体10a与第二腔体10b的横截面与所述半圆形通孔21及半圆形通孔22的形状相等，档条23至少覆盖隔板19的侧面，档条23与隔板19的侧面紧密贴合设置。多个换热管7贯穿堆焊层9后分别与第一腔体10a及第二腔体10b连通。具体的，该档条23的宽度大于或者等于该隔板19的侧面在如图2所示出的角度中垂直方向上的厚度。

通过上述结构，使得图11中m区域的多个换热管7流入的第一流体介质仅通过第一腔体10a及圆形通孔21流入换热管7中，并将温度降低或者温度上升的第一流体介质通过n区域的多个换热管7仅从半圆形通孔22流入第二腔体10b中，以避免第一流体介质接触到采用碳钢制成的设备法兰4与管壳5，以延长设备法兰4与管壳5的使用寿命。同时，第一流体介质被波形垫片2所限制，以避免第一流体介质发生横向泄露，并接触到设备法兰4与管壳5。

参图3所示，在本实施例中，位于八角垫片3内侧的波形垫片2在径向方向上与八角垫片3形成环状间隙24。从而使得波形垫片2在径向方向上具有一定的形变余量，使得整个换热器密封结构更为可靠。

参图9与图10所示，在本实施例中，波形垫片2由内向外分别形成表面具第四凹槽213的金属骨架203、填充第四凹槽213的填充层202及石墨层201。填充层202为碳纤维，填充层202与石墨层201粘接。金属骨架203采用金属牌号sus316l的不锈钢制成。具体的，在本实施例中，石墨层201的厚度为0.5～1mm。通过将石墨层201整体包覆在第四凹槽213的金属骨架203的外侧，既保证了波形垫片2具有足够高的结构强度，又能够利用石墨具有良好化学稳定性的特点，有效地阻止了贮存在第一腔体10a与第二腔体10b中的具有腐蚀性的第一流体介质对八角垫片3所造成的腐蚀。同时，由于石墨具有较软的物理属性，从而使得当该换热器密封结构发生轻微渗漏时，可通过转动两个螺母43，以适当缩短堆焊层9与外接法兰1之间的轴向距离，以提高轴向夹持力，从而有效地防止第一流体介质从波形垫片2的侧面与堆焊层9的圆环面92之间所形成的密封面，以及波形垫片2与外接法兰1之间所形成的密封面发生渗透。

本实施例所揭示的换热器密封结构，解决了传统的换热器密封结构中因不同组件因自身材料物理性能差异所导致的形变问题，有效地防止了采用传统的橡胶密封垫片所存在的密封结构出现失效的问题，并能够适用于高温、高压并具有腐蚀性质的流体介质进行换热处理。

实施例二：

参图12所示，本实施例示出了本发明一种换热器密封结构的一种变形实施例。

本实施例与实施例一所揭示的换热器密封结构相比，其主要区别在于，在本实施例中，相邻两个第四凹槽213形成峰尖2131，该峰尖2131部分嵌入石墨层201a。

尤其需要说明的是，本实施例所示出的该第四凹槽213与峰尖2131既可以是以同心圆形式环形布置在金属骨架203的圆环面上，也可以是同心射线状布置在金属骨架203的圆环面上，还可以是以螺旋方式布置在金属骨架203的圆环面上或者其他等同性质的布置方式。通过上述技术方案，进一步增加了填充层202与石墨层201的接触面积，从而增加了彼此之间的结合强度，有效的防止了填充层202与石墨层201发生剥离的现象。

本实施例所示出的换热器密封结构与实施例一中相同部分的技术方案，请参实施例一所述，在此不再赘述。

实施例三：

配合参照图1、图2、图4与图5所示，本实施例揭示了一种换热器，其包括：外接法兰1，设备法兰4，与设备法兰4一体式连接的管壳5。外接法兰1与设备法兰4之间设置如上述实施例一和/或实施例二所述的换热器密封结构。管壳5内部设置错位布置并供换热管7贯穿的折流板6。外接法兰1连接第一流体介质输入管14及第一流体介质输出管17，并通过第一流体介质输入管14及第一流体介质输出管17与换热管7形成隔离的第一流体介质循环通道。管壳5的侧壁设置第二流体介质输入管51及第二流体介质输出管53，并通过第二流体介质输入管51及第二流体介质输出管53与管壳5形成隔离的第二流体介质循环通道。第一流体介质循环通道与第二流体介质循环通道相互隔离。

参图1及图2所示，在本实施例中，管壳5内部具遮蔽腔体50。第二流体介质输入管51及第二流体介质输出管53均与遮蔽腔体50连通。第二流体介质输入管51的末端设置法兰52，第二流体介质输出管53的末端设置法兰54，以通过该法兰52与法兰54与外部管路(未示出)连接。同时，管壳5远离设备法兰4的末端还设置与遮蔽腔体50连通的排残管，并在排残管的末端设置阀门55。当该换热器检修时可通过打开阀门55，以将遮蔽腔体50中所贮存的第二流体介质排出管壳5。

接下来对一种典型基于该换热器对流体介质执行换热的过程予以简要阐述。

外接法兰1内部形成供第一流体介质流入的通道13及供第一流体介质流出的通道16。通道13通过第一流体介质输入管14延伸出外接法兰1的外部，通道16通过第一流体介质输出管17延伸出外接法兰1的外部。第一流体介质输入管14的末端设置法兰15，第一流体介质输出管17的末端设置法兰18。通道13与第一腔体10a连通，通道16与第二腔体10b连通。温度较高的第一流体介质沿图2中箭头d的方向通过通道13流入第一腔体10a中，穿过半圆形通孔21进入管壳5中，通过管壳5内迂回布置的换热管7进行热交换，使得第一流体介质的温度降低，并从半圆形通孔22流入第二腔体10b中，并最终通过通道16沿着箭头e的方向流出该换热器。冷却水(即第二流体介质)沿着箭头g的方向通过第二流体介质输入管51流入管壳5的遮蔽腔体50内，对以逆向对流的方式对换热管7中流动的第一流体介质进行降温，并最终沿着箭头f的方向从第二流体介质输出管53流出管壳5。从而完成一个完整的热交换过程，以实现冷却水(即上述第二流体介质)对换热管7中流动的第一流体介质执行降温处理。

需要说明的是，本实施例所揭示的换热器既可以实现对第一流体介质执行降温处理，也可以实现对第一流体介质执行升温处理。

同时，本实施例所示出的换热器是列管式换热器，当然还可为板式换热器或者其他类型的各种换热器，只要采用类似于实施例一和/或实施例二所揭示的换热器密封结构的类似结构均可实现对应的有益效果。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。