一种内压板束及其构成的热交换器 |
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| 申请号 | CN201910640868.0 | 申请日 | 2019-07-16 | 公开(公告)号 | CN110500905B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 上海蓝滨石化设备有限责任公司; | 发明人 | 张延丰; 胡国栋; 赵国栋; 常春梅; 于啸; 黄毓秀; 李晓峰; 魏筱婷; | ||||
| 摘要 | 一种内 压板 束及其构成的 热交换器 ，主体结构由内压板束和换热器 外壳 构成，内压板束是由板叠及其上、下两端与板束上、下封头之间的上、下内外方箱组成。本 发明 将方箱设计成内外复合型的双方箱结构，为了降低第一 焊缝 处的热应 力 ，将内方箱用薄板制造，同时为了强化内方箱的强度，在其外部嵌套壁厚较大的外方箱，上内外方箱的外方箱在第一焊缝附近打断。本发明通过内外方箱的设置，在降低热 应力 的同时减小了机械应力。即不但提高了容器抗高温差的能力，同时还提高了板束的承压能力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内压板束，包括形成板束的板叠，其特征在于，该板叠（1）的上、下两端与板束上、下封头之间设置有上、下内外方箱；该上内外方箱的内方箱由第一内侧板（10）和内压紧板（6）间隔连接而成，膨胀节（5）的一端固接在上内外方箱的内方箱上，另一端固接在上内外方箱的外方箱的内壁上；所述第一内侧板（10）的下端和板叠（1）上端的板束上部镶块（9）固接形成第一焊缝（11）；所述下内外方箱的内方箱由第二内侧板（7）和内压紧板（6）的另一端间隔连接形成，膨胀节（5）的一端固接在下内外方箱的内方箱上，另一端固接在下内外方箱的外方箱的内壁上；所述第二内侧板（7）的下端和板叠（1）下端的板束下部镶块（27）固接形成第二焊缝（2）。 |
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| 说明书全文 | 一种内压板束及其构成的热交换器[0001] 一种内压板束及其构成的热交换器 技术领域[0002] 本发明属于热交换器设计与制造技术领域，涉及一种由内压板束及其构成的热交换器。 背景技术[0003] 板壳式热交换器主要应用于石油石化的重整、歧化、异构化等工艺，这些工艺的特点是高温高压，因此要求工艺线上的装备，不但要具备优良的热交换性能、而且还需具备较高的抗压能力、同时自身的热应力要小、另外还需具备抗高温波动的能力。 [0004] 板壳式热交换器是一种基于板程与壳程存在压差设计的热交换器，根据压差的情况板壳式热交换器可分为内压式及外压式两种，板程压力大于壳程压力的为内压式，否则，壳程压力大于板程压力的为外压式。 [0005] 板壳式热交换器作为目前换热效率最高的热交换器，在许多领域已经得到了广泛的应用，但是现有技术中由于生产工艺流程所限，某些场合只能选择为内压式热交换器，因此要求与板束相连的侧板必须足够厚，这样连接部位才有足够的强度。但是较厚的侧板其热应力会很大，系统一旦出现较大的温差波动，往往也会造成板管端部焊缝（第一焊缝）的开裂，从而会引起介质的泄露，从而导致热交换器失效。板束的热端，此种现象尤为明显。 发明内容[0006] 本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，消除安全隐患，提供一种可靠性能优良、耐压、耐高温差的内压板束及其构成的板壳式热交换器。 [0007] 为此，本发明所采用的技术方案是： [0008] 一种内压板束，包括形成板束的板叠，该板叠的上、下两端与板束上、下封头之间设置有上、下内外方箱；该上内外方箱的内方箱由第一内侧板和内压紧板间隔连接而成，膨胀节的一端固接在上内外方箱的内方箱上，另一端固接在上内外方箱的外方箱的内壁上；所述第一内侧板的下端和板叠上端的板束上部镶块固接形成第一焊缝；所述下内外方箱的内方箱由第二内侧板和内压紧板的另一端间隔连接形成，膨胀节的一端固接在下内外方箱的内方箱上，另一端固接在下内外方箱的外方箱的内壁上；所述第二内侧板的下端和板叠下端的板束下部镶块固接形成第二焊缝。 [0009] 所述上内外方箱的外方箱，其上部由第一压紧板与第一侧板间隔连接而成，该上内外方箱的外方箱的下部由第二压紧板与第二侧板间隔连接而成；所述上内外方箱的外方箱的上、下部之间存在2 4mm的间隙，形成不连接的上内外方箱的外方箱结构。~ [0010] 所述下内外方箱的外方箱为整体式结构，由第二压紧板的另一端和第三侧板间隔连接构成。 [0011] 所述上内外方箱的内、外方箱间，下内外方箱的内、外方箱间均存在1 2mm的间隙。~ [0012] 一种由内压板束构成的热交换器，包括换热器外壳，所述内压板束的中上部固接管板；而外壳内壁上部固接壳内支撑圈，将管板安装在壳内支撑圈上，使得内压板束吊挂在外壳内；所述上内外方箱的外方箱上端固接在板束上封头上，该板束上封头另一端与外壳上的乙介质外壳出口贯通连接；同时外壳的上部开有甲介质外壳入口；所述下内外方箱的外方箱一端固接在板叠的下端，另一端和板束下封头固接，板束下封头另一端和外壳体上的乙介质外壳入口贯通连接；同时外壳体的下部开有甲介质板束出口。 [0013] 对压力容器的壁厚而言，机械应力与热应力永远是一对矛盾体。壁厚较薄时热应力较小，但是机械应力却较大，因而强度较差，设备难以承受高压；为了满足承压的要求，必须减小其机械应力，这样设备的壁厚建造的必须足够厚，如此热应力却随壁厚的增大而增大，从而使设备难以承受高温差。可见既要满足承受高压的要求，同时又要满足承受高温差的要求，壁厚不能太薄也不能太厚。对机械应力与热应力而言，壁厚只能做适当的优化，这样总应力仍然保持在较大值附近。 [0014] 板壳式热交换器属于压力容器。考虑到承压的要求，传统板束方箱的厚度一般要做得很厚，在高温环境下由于热胀冷缩受到约束，同时存在较大的温差，因此在板叠与方箱连接的部位，即第一焊缝处存在很大的热应力，理论分析及长期的实践表明，第一焊缝处的热应力是造成板束失效的主要原因。 [0015] 有益效果 [0016] 本发明将方箱设计成内外复合型的双方箱结构，为了降低第一焊缝处的热应力，将内方箱用薄板制造，同时为了强化内方箱的强度，在其外部嵌套壁厚较大的外方箱，上内外方箱的外方箱在第一焊缝附近打断。本发明通过内外方箱的设置，在降低热应力的同时减小了机械应力。即不但提高了容器抗高温差的能力，同时还提高了板束的承压能力。 [0017] 在温差不可减小的情况下，为了降低其热应力，本发明将传统板束的厚方箱用壁厚较薄的内方箱代替，考虑到内方箱的承压要求，在其外部布置外方箱，外方箱由压紧板和侧板构成，增大外方箱的壁厚即可间接强化内方箱的强度，由于外方箱的内外表面无温差，加之其端部为无约束的自由状态，因而外方箱上的热应力近乎为零。即本发明在降低热应力的同时，还显著地提高板束的承压能力。 [0018] 本发明通过内外方箱的设置，将天生的一对矛盾体——机械应力和热应力，得到了有效的化解，在减小热应力的同时减小了机械应力。即不但提高了容器抗高温差的能力，同时还提高了板束的承压能力。经有限元软件模拟计算，本发明内压板束与现有技术相比较，第一焊缝处的热应力约下降57％，机械应力约下降63％。附图说明 [0019] 图 1本发明内压板束及其构成的热交换器总装图； [0020] 图 2本发明内压板束结构组装图； [0021] 图 3构成本发明内压板束的板叠结构示意图； [0022] 图 4本发明内压板束热端1/4结构示意图； [0023] 图 5本发明板束热端1/4结构放大示意图，即膨胀节与内、外方箱连接结构示意图； [0024] 图 6a为传统板束热端1/4结构; [0025] 图6b为本发明板束热端1/4结构； [0026] 图 7本发明板束冷端1/4结构示意图； [0027] 附图代码名称表 [0028] 具体实施方式[0029] 下面结合附图对本发明及其效果进一步说明。 [0030] 一种内压板束，如图2 图7所示，内压板束26由板叠1、板束上封头14、板束下封头~23、膨胀节5、第一压紧板21、第二压紧板22、第一内侧板10、第二内侧板7、第一侧板31、第二侧板32、第三侧板33、管板17等零件构成。 [0032] 板叠1的形成过程： [0033] 首先将两张波纹板片对扣，则其上的凸波纹互相接触形成触点，这些触点形成了板片的刚性支撑；其次将两张波纹板片的周边焊接则形成板管，板管内的空腔即为板程。板程是介质流通的通道，本发明板程流经的是高压乙介质，然后将两个板管叠摞在一起，则两个板管外部的凸波纹相互接触形成板管间的支撑。最后在板管之间周边处焊接镶条，在板管之间棱角处焊接镶块，镶条与镶块间的空隙构成板束上甲介质的出入口，板管与板管之间的空腔即为壳程。壳程是另一种介质流通的通道，本发明壳程流经的是低压甲介质，重复以上步骤，叠摞一定数量的板管形成板叠1。 [0034] 板叠1形成后，在其前后分别加压紧板，然后在其侧面分别加上侧板，侧板的一端与板束上的镶块焊接，侧板的另一端与压紧板的端部平齐，在平齐的端部焊接板束封头即可形成传统板束。 [0035] 介于板叠与板束封头之间，由压紧板、侧板围成的空间为板程介质的汇集区，汇集区域的压紧板及侧板构成方箱。 [0036] 根据介质温度的高低，本发明内压板束的上部为高温段，即为热端，板束的下部为低温段，即为冷端。 [0037] 本发明的内压板束，在板叠1的上、下两端与板束上、下封头之间设置有上、下内外方箱；该上内外方箱的内方箱由两张第一内侧板10和两张内压紧板6间隔连接而成，膨胀节5的一端焊接在上内外方箱的内方箱上（即膨胀节间断绕内方箱一圈设置），另一端焊接在上内外方箱的外方箱的内壁上；所述第一内侧板10的下端和板叠1上端的板束上部镶块9焊接形成第一焊缝11；所述下内外方箱的内方箱由两张第二内侧板7和两张内压紧板6的另一端间隔连接形成，膨胀节5的一端焊接在下内外方箱的内方箱上，另一端焊接在下内外方箱的外方箱的内壁上；所述第二内侧板7的下端和板叠1下端的板束下部镶块27焊接形成第二焊缝2。 [0038] 所述上内外方箱的外方箱，其上部由两张第一压紧板21与两张第一侧板31间隔连接而成，该上内外方箱的外方箱的下部由两张第二压紧板22与两张第二侧板32间隔连接而成；两张第一压紧板21与两张第一侧板31的上端和板束上封头14焊接，两张第二压紧板22由管板17固定，而两张第二侧板32下端焊接在管板17表面上。所述上内外方箱的外方箱的上、下部之间存在2 4mm的间隙，形成不连接的上内外方箱的外方箱结构。即外方箱本身不~密封，它的存在仅仅是为限制内方箱在内压作用下的向外膨胀，提高内方箱的强度，消除板叠与方箱之间热胀冷缩的不同步，从而减小由于这个缘故而引起的约束及热应力。而真正起换热作用的是内方箱，内方箱本身是完全密闭的。将外方箱设置成上下断开的结构，另一个目的是让其内外表面充斥等温的甲介质，使其自身的热应力降低为零。 [0039] 所述下内外方箱的外方箱为整体式结构，由两张第二压紧板22的另一端和两张第三侧板33间隔连接构成。两张第二压紧板22上端由管板17固定，下端焊接在板束下封头23上，两张第三侧板33上端连接在板叠上，两张第三侧板33下端以及第二内侧板7的下端和板叠1下端的板束下部镶块27焊接形成第二焊缝2。 [0040] 膨胀节5的作用同样也是消除板叠与方箱之间不同步的热胀冷缩。 [0041] 如图4、图5所示，内方箱的上端与膨胀节5焊接。膨胀节5的上端面焊接在外方箱上部的内部。 [0042] 所述上内外方箱的内、外方箱间，下内外方箱的内、外方箱间均存在1 2mm的间隙。~ 间隙为制造过程所设，内、外方箱无间隙配合时，假定内侧板宽为w，则本发明内侧板宽为（w‑2.0）mm，如此压紧板方向的间隙为1.0mm。假定内压紧板宽为h，则本发明内压紧板宽为（h‑3.6）mm，如此内侧板方向的间隙为1.8mm。此间隙充斥甲介质，目的是为了降低内外方箱上的热应力，尤其是降低第一焊缝11处的热应力。 [0044] 参照图1，一种内压板束构成的热交换器，主体结构由内压板束26和外壳25两个部件构成。外壳25上设有甲介质外壳入口15、甲介质外壳出口19、乙介质外壳入口24、乙介质外壳出口12、裙座20等零件。所述内压板束的中上部连接管板17；而外壳25内壁上部固接壳内支撑圈16，将管板17安装在壳内支撑圈16，使得内压板束吊挂在外壳25内；管板17是甲介质进出壳内的隔离板，将壳程分为上下两部分，同时也是内压板束26结构的支撑板。所述上内外方箱的外方箱的上部的上端焊接在板束上封头14上，而第二侧板32的下端焊接在管板17上，板束上封头14另一端与外壳25上的乙介质外壳出口12贯通连接；同时外壳25的上部开有甲介质外壳入口15；所述下内外方箱的外方箱的第三侧板33一端焊接在板叠1的下端，另一端和外压紧板22的下端均与板束下封头23焊接，板束下封头23另一端和外壳体上的乙介质外壳入口24贯通连接；同时外壳体的下部开有甲介质板束出口18。 [0045] 本发明的工作过程：甲介质首先由甲介质外壳入口15进入热交换器，充满上部内壳后经甲介质板束入口8分配给板束的各个壳程，甲介质在板束壳程的一个传热面形成的通道内流动，最后经甲介质板束出口18进入热交换器的下部内壳，然后从甲介质外壳出口19流出热交换器。乙介质由乙介质外壳入口24进入热交换器，充满板束下封头23后分配给板束的各个板程，乙介质在板束板程的另一个传热面形成的通道内流动，最后经板束上封头14汇集，从乙介质外壳出口12流出热交换器。由于两个传热面存在温度差，甲、乙介质在波纹板片的两侧进行换热，从而实现其换热的功能。 |
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