一种内外翅片插管式高温换热器 【技术领域】
本发明涉及一种管壳式换热器，特别涉及一种在化工、冶金、玻璃制造和垃圾焚化等工业中使用的内外翅片插管式高温换热器。
背景技术
高温换热器一般是指介质温度在600℃以上的换热设备，近年来，高温换热器向着高温高压的方向发展，如乙烯裂解过程、氰化氢合成、固体氧化物燃料电池等工业中使用的换热器操作温度常常高于1000℃，这对换热器的性能提出了很大的挑战。
传统的管壳式换热器存在诸多问题：①高温换热器内部温度梯度较大，而传统固定管板式换热器的两端管板固定在壳体上，换热管固定在两端管板上，导致换热管和管板承受的热应力非常显著，一般在壳侧采用波纹膨胀节来补偿热膨胀，但波纹膨胀节的伸缩能力有限，使用温度也受到一定的限制，而金属在高温条件下的机械强度很低，换热器无法在高温条件下长期可靠地运行；②传统浮头式换热器一端管板与壳体固定，另一端管板可以自由移动，管束和壳体之间不产生热应力，但是浮头式换热器笨重，材料消耗量大，造价高，而且由于浮头盖与法兰连接有相当大的面积，结果使壳体直径增大，部分流体从管束与壳体之间的环形通道旁通而不参加热交换，降低换热效率，同时壳程的使用压力受到一定限制；③传统U型管式换热器仅需一块管板，管束可自由伸缩，不产生热应力，但弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需用不同曲率的模子弯管，且使管板的有效利用率降低，结构不紧凑，U型管管束的中心部分空间对换热器的工作有着不利的影响。
国内外有不少学者提出将插管式换热管结构应用于高温换热器，插管式高温换热器的换热管拥有一个自由端，换热管的热膨胀完全自由，不受任何限制，满足热膨胀自由的原则，避免了热应力问题，非常适合用于高温环境，国外已经研制出用于流化床、外部燃烧联合循环等环境中的插管式高温换热器，但是现有的插管式高温换热器也存在一些问题：①现有的插管式高温换热器的插管式换热管一般采用光管，没有添加翅片等扩展表面，从而导致换热器整体换热效率不高；②高温换热器要求采用耐高温材料制造，成本很高，实际上高温气体经过换热冷却到较低的温度后完全可以采用普通材料制造，据统计换热器的成本在675℃以上会有大幅度的提高，而大多数设计的高温换热器换热管只采用一种耐高温材料制造，造成材料的浪费，成本问题限制了高温换热器的应用推广。
【发明内容】
为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种内外翅片插管式高温换热器，该换热器采用内外翅片插管结构，内外管均拥有自由端，可以在高温下自由膨胀，外管装有内、外翅片，可以增加换热管的换热面积，从而提高换热效率；换热器分为高温壳程和低温壳程，换热管在两个壳程分别采用耐高温材料和普通材料两种材料制造，可以节约耐高温材料，降低制造成本；两种流体在两个壳程的流向组合可以保证两种流体的流动始终为逆向错流，可以提高换热效率；换热器的壳体内壁、纵向隔板表面和内、外管管板表面安装陶瓷纤维隔热层，使工作部件的承压功能和耐热功能分开，可以降低工作部件的热应力，提高其寿命。
本发明的技术方案是这样实现的：一种内外翅片插管式高温换热器，包括一个壳体，位于壳体前端的管箱和后端的封头，壳体形成的壳程上设置纵向隔板和折流板，壳体端头分别设置内管管板和外管管板，内管管板和外管管板之间设置管侧进口管和管侧出口管，外管管板后面的壳体上设置壳侧进口管和壳侧出口管，内管管板与内管的一端相连接，外管管板与外管的一端相连接，内管和外管的另一端均为自由端，内管为两端均开口的导流管，外管为一端开口另一端封闭的换热管，内管嵌套于外管内部，内管和外管在自由端部留有空隙，外管外壁上设置外翅片，外管内壁上设置内翅片。
所述的纵向隔板一侧壳程为高温壳程，纵向隔板另一侧壳程为低温壳程，布置在高温壳程中的内管、外管、内翅片和外翅片由耐高温材料制造，布置在低温壳程中的内管、外管、内翅片和外翅片由普通材料制造，纵向隔板表面、内管管板表面、外管管板表面以及壳体所有内壁均设置陶瓷隔热层。
所述的高、低温壳程中的内管、外管、内翅片和外翅片可以采用同种材料制造。
所述的管侧流体由管侧进口管流进，经过上部壳程外管与内管之间的环形空间和内翅片，在内外管末端空隙改变流动方向流进内管，流进前端管箱后流入下部壳程内管，在内外管末端空隙再次改变流动方向流进外管与内管之间的环形空间和内翅片，最后由管侧出口管流出，壳侧流体由壳侧进口管流进，经由下部壳程和上部壳程，最后由壳侧出口管流出，两侧流体在两个壳程的流向组合可以保证两侧流体的流向始终为逆向错流。
所述的内翅片是纵向波纹状翅片或者纵向平直翅片。
所述的内翅片上开孔或者开缝。
所述的外翅片是整体波纹状翅片、整体平直翅片或者圆形翅片。
所述的外翅片上开孔或者开缝或者设置纵向涡发生器或者设置百叶窗。
所述的壳体是圆柱体或者长方体结构。
所述的纵向隔板仅存在一块时形成两壳程换热器，纵向隔板存在多块时形成多壳程换热器，纵向隔板不存在时形成单壳程换热器。
本发明具有以下优点：
1、本发明能够克服高温换热器的热应力问题，可应用于高温环境并能够提高高温工况下的稳定性，延长使用寿命；
2、本发明可以提高高温换热器的换热效率和紧凑性；
3、本发明可以节约耐高温材料，降低高温换热器的制造成本。
本发明对插管式高温换热器进行了改进，在插管式换热管的外管外壁上设置外翅片，外管内壁上设置内翅片，形成内外翅片插管结构，这种结构可增加换热面积，强化换热，提高换热器的换热性能，提高换热器的紧凑度，对于换热管内外两侧流体换热系数相差不大的气气换热尤其适合。本发明内翅片与内管不固定连接，两者可以相对移动，这样可保证内管与外管的热膨胀、伸缩互不相关，可降低内翅片、内外管和内外管管板的热应力，提高换热器的可靠性，延长使用寿命。
本发明通过纵向隔板将换热器划分为高温壳程和低温壳程，布置在高温壳程中的内管、外管、内翅片和外翅片由耐高温材料制造，布置在低温壳程中的内管、外管、内翅片和外翅片由普通材料制造，由于高温材料的成本非常高，采用这样的结构可在不影响高温换热性能的前提下，降低高温换热器的成本。当换热器使用温度不高或整个换热器内冷热流体温差不大，并且所用的高低温材料成本相差不大的情况下，考虑到购买材料和加工制造的方便问题，高低温壳程所属部件也可以采用同种材料制造。
工作部件在高温工况下的机械强度很低，而高温工况下换热器壳体、纵向隔板和内外管管板承受的热应力很大，本发明在壳体所有内壁、纵向隔板表面和内外管管板表面上设置陶瓷隔热层，使工作部件的承压功能和耐热功能分开，这种结构可降低壳体、纵向隔板和内外管管板温度，使其在较低的温度下工作，可降低壳体、纵向隔板和内外管管板的热应力，提高其寿命。
插管式换热管内流体有两种流动形式，即从内外管所形成的环形空间流进、从内管流出和从内管流进、从内外管所形成的环形空间流出，本发明将这两种流动形式结合起来，管侧流体由管侧进口管流进，经过上部壳程外管与内管之间的环形空间和内翅片，在内外管末端空隙改变流动方向流进内管，流进前端管箱后流入下部壳程的内管，在内外管末端空隙再次改变流动方向流进外管与内管之间的环形空间和内翅片，最后由管侧出口管流出，壳侧流体由壳侧进口管流进，经由下部壳程和上部壳程，最后由壳侧出口管流出。这种结构可保证两种流体的流动方向始终为逆向错流，可提高换热器换热效率。
长方体结构壳体布管紧凑，可以充分利用壳程空间，可提高换热器的紧凑度，但是长方体结构壳程不能耐高压，只能用于一般压力环境；圆柱体结构壳体可耐高压，可用于高压环境，但是紧凑度不如长方体结构。本发明壳体提供长方体或圆柱体两种结构，可根据具体使用条件选型。
当纵向隔板仅存在一块时形成两壳程换热器，纵向隔板存在多块时形成多壳程换热器，纵向隔板不存在时形成单壳程换热器。一般当换热要求不高，换热管可使用单一材料制造时可选择单壳程或两壳程换热器，当换热要求较高，换热管需使用多种材料制造时可选择两壳程或多壳程换热器。
【附图说明】
图1(a)为本发明高温换热器的结构示意图。
图1(b)为本发明圆柱体结构高温换热器的截面图。
图1(c)为本发明长方体结构高温换热器的截面图。
图2(a)为本发明整体套片结构的内外翅片插管单元结构示意图。
图2(b)为本发明整体套片结构的内外翅片插管单元截面图。
图3(a)为本发明圆形外翅片结构的内外翅片插管单元结构示意图。
图3(b)为本发明圆形外翅片结构的内外翅片插管单元截面图。
图4(a)为本发明采用纵向波纹状内翅片的结构示意图。
图4(b)为本发明采用纵向平直内翅片的结构示意图。
图5(a)为本发明采用整体波纹状外翅片的结构示意图。
图5(b)为本发明采用整体平直外翅片的结构示意图。
图5(c)为本发明采用圆形外翅片的结构示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
【具体实施方式】
附图为本发明的具体实施例。
参照图1(a)所示，本发明的内外翅片插管式高温换热器，包括一个壳体5，位于壳体5前端的管箱6和后端的封头9，壳体5形成的壳程上设置纵向隔板10和折流板15，壳体5端头上设置内管管板7和外管管板8，内管管板7和外管管板8之间设置管侧进口管1和管侧出口管2，外管管板8后面的壳体5上设置壳侧进口管3和壳侧出口管4。内管管板7上平行布置内管11，外管管板8上平行布置外管12，内管11和外管12均有一个自由端。内管11为两端均开口的导流管，外管12为前端开口后端封闭的换热管，内管11套于外管12内部，内管11和外管12在端部留有空隙16，外管12外壁上设置外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接。纵向隔板10下部壳程为高温壳程，布置在高温壳程中的内管11、外管12和外翅片14由耐高温材料制造，纵向隔板10上部壳程为低温壳程，布置在低温壳程中的内管11、外管12和外翅片14由普通材料制造，纵向隔板10表面、内管管板7表面、外管管板8表面以及壳体5所有内壁均设置陶瓷隔热层19。当换热器使用温度不高或整个换热器内冷热流体温差不大，并且所用的高低温材料成本相差不大的情况下，考虑到购买材料和加工制造的方便问题，高低温壳程的内管11、外管12和外翅片14也可以采用同种材料制造。管侧流体由管侧进口管1流进，经过低温壳程外管12与内管11之间的环形空间，在内外管末端空隙16改变流动方向流进内管11，流进前端管箱6后流入高温壳程的内管11，在内外管末端空隙16再次改变流动方向后流进外管12与内管11之间的环形空间，最后由管侧出口管2流出。壳侧流体由壳侧进口管3流进，经由低温壳程和高温壳程，最后由壳侧出口管4流出，两种流体在两个壳程的流向组合可以保证两种流体的流动方向始终为逆向错流，可提高换热效率。封头9、管箱6、内管管板7和外管管板8均用法兰17固定连接于壳体5上，法兰17、内管管板7和外管管板8可使换热器芯体便于安装和拆卸。当高温气体处于低压、低温气体处于高压时，壳侧进口管3可作为高温气体进口，管侧进口管1作为低温气体进口，则壳侧出口管4、管侧出口管2相应地作为高温气体出口和低温气体出口。当高温气体处于高压、低温气体处于低压时，壳侧出口管4可作为低温气体进口，管侧出口管2作为高温气体进口，则壳侧进口管3、管侧进口管1相应地作为低温气体出口和高温气体出口。纵向隔板10仅存在一块时形成两壳程换热器，纵向隔板10存在多块时形成多壳程换热器，纵向隔板10不存在时形成单壳程换热器。一般当换热要求不高，换热管可使用单一材料制造时可选择单壳程或两壳程换热器，当换热要求较高，换热管需使用多种材料制造时可选择两壳程或多壳程换热器。
参照图1(b)所示，高温换热器采用圆柱体形状的壳体5，壳体5通过法兰17和螺栓18与外管管板8固定连接，壳体5中间布置纵向隔板10，外管管板8上布置外管12，内管11嵌套于外管12内部，外管12内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接。
参照图1(c)所示，高温换热器采用长方体形状的壳体5，壳体5通过法兰17和螺栓18与外管管板8固定连接，壳体5中间布置纵向隔板10，外管管板8上布置外管12，内管11嵌套于外管12内部，外管12内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接。
参照图2(a)及图2(b)所示，内外翅片插管单元采用整体外翅片14，外管12一端固定在外管管板8上，内管11一端固定在内管管板7上，内管11和外管12的另一端均为自由端。内管管板7表面和外管管板8表面设置陶瓷隔热层19，陶瓷隔热层19可降低内管管板7和外管管板8的温度，使其在较低的温度下工作，减小热应力。内管11为两端均开口的导流管，外管12为一端开口另一端封闭的换热管，内管11嵌套于外管12内部，内管11和外管12在端部留有空隙16，外管12外壁上设置外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接，外管12内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，两者可以相对移动，内管11可沿轴向自由伸缩。插管式结构的内管11和外管12拥有一个自由端，热膨胀完全自由，不受任何限制，满足热膨胀自由的原则，避免了热应力问题，非常适合用于高温环境。在外管12设置内翅片13和外翅片14，可增加换热面积，强化换热，提高换热器的换热性能，提高换热器的紧凑度。内翅片13与内管11不固定连接以及内管11和外管12之间设置空隙16，可保证内管11与外管12的热膨胀、伸缩互不相关，可降低内翅片13、内管11、内管管板7、外翅片14、外管12和外管管板8的热应力，可提高换热器的可靠性，延长使用寿命。插管式换热管内流体有两种流动形式，即从内管11和外管12所形成的环形空间流进、从内管11流出和从内管11流进、从内管11和外管12所形成的环形空间流出，本发明将这两种流动形式有机结合起来，保证了管壳两侧流体的流向始终为逆向错流，可提高换热效率。
参照图3(a)及图3(b)所示，内外翅片插管单元采用圆形结构外翅片14，外管12一端固定在外管管板8上，内管11一端固定在内管管板7上，内管11和外管12的另一端均为自由端。内管管板7表面和外管管板8表面设置陶瓷隔热层19。内管11为两端均开口的导流管，外管12为一端开口另一端封闭的换热管，内管11嵌套于外管12内部，内管11和外管12在端部留有空隙16，外管12内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，每一根外管12的外壁上均设置圆形结构外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接。
参照图4(a)所示，内管11嵌套于外管12内部，在外管12的内壁上设置纵向波纹状内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，可在纵向波纹状内翅片13表面打孔或开缝以进一步强化换热。
参照图4(b)所示，内管11嵌套于外管12内部，在外管12的内壁上设置纵向平直内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，可在纵向平直内翅片13表面打孔或开缝以进一步强化换热。
参照图5(a)所示，内管11嵌套于外管12内部，在外管12的内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，在外管12外壁上设置整体波纹外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接，可在整体波纹外翅片14上打孔、开缝、设置纵向涡发生器或设置百叶窗以进一步强化换热。
参照图5(b)所示，内管11嵌套于外管12内部，在外管12的内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，在外管12外壁上设置整体平直外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接，可在整体波纹外翅片14上打孔、开缝、设置纵向涡发生器或设置百叶窗以进一步强化换热。
参照图5(c)所示，内管11嵌套于外管12内部，在外管12的内壁上设置内翅片13，内翅片13与外管12内壁固定连接，内翅片13与内管11不固定连接，在外管12外壁上设置圆形外翅片14，外翅片14与外管12外壁固定连接。