一种高温高压微细管壳式换热器制造技术

本发明专利技术涉及一种高温高压微细管壳式换热器。该换热器结构简单紧凑，内部流量、温度分布均匀，换热效率高，密封性能好，耐高温高压。其结构包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体上设置有热流体入口以及热流体出口；换热器管束为多条且均位于换热器壳体内部轴向分布；每一个管箱内均设置有管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。

A High Temperature and High Pressure Micro Tube Shell Heat Exchanger

The invention relates to a high temperature and high pressure micro-shell heat exchanger. The heat exchanger has simple and compact structure, uniform internal flow and temperature distribution, high heat transfer efficiency, good sealing performance and high temperature and high pressure resistance. Its structure includes heat exchanger shell, tube box and heat exchanger tube bundle, each end of the heat exchanger shell is installed with tube box; one tube box has cold fluid inlet, the other tube box has cold fluid outlet, and the heat exchanger shell has hot fluid inlet and hot fluid outlet; the heat exchanger tube bundle is multiple and is located in the inner axial distribution of the heat exchanger shell; each tube box is equipped with cold fluid inlet and cold fluid outlet. There is a tube-plate sealing device; both ends of a plurality of heat exchanger tube bundles are inserted into the tube-plate sealing device and sealed by the tube-plate sealing device, and one end of each heat exchanger tube bundle is connected with the cold fluid inlet and the other end is connected with the cold fluid outlet; each heat exchanger tube bundle is a sinusoidal bending tube or trapezoidal bending tube.

【技术实现步骤摘要】
一种高温高压微细管壳式换热器
本专利技术属于热交换领域，具体涉及一种高温高压微细管壳式换热器。
技术介绍
在第四代高温气冷堆核电站的研发中，超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是一种新型、高效、安全的能量循环系统。在超临界二氧化碳布雷顿循环中，回热器是最为重要的换热部件之一，其热工水力性能对整个循环的效率和系统尺寸有着重要的影响。目前，第二、第三代压水堆核电站中采用的换热器普遍为管壳式换热器。传统的管壳式换热器具有结构简单、造价低、流通截面宽、易于清洗的优点。但由于换热管管径较大、管程较长，管壳式换热器换热效率低、占地面积大，同时耐压性能和抗震性能较差，传统的管壳式换热器已不能满足超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆的发展要求。此外，传统的管壳式换热器结构上还存在着以下缺点：固定管板式换热器换热温差通常不能超过100℃，U型管式换热器换热器管束较少且管束不易清洗维修，浮头式换热器结构复杂、造价高，螺旋缠绕管式换热器内部温度流量分布不均、管束不易更换清洗。因此，需要一种高效、紧凑、新型的高温高压换热设备。将常规尺寸管束改成微管束，管壳式换热器的换热面积与体积比能得到巨大提升，可以实现紧凑式换热。此外，由于尺寸的缩小，换热器耐压能力也将会提高。因此，微细管壳式换热器能够用于超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆的换热。但是，超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆中，回热器的运行工况通常在冷侧20MPa、300℃，热侧10MPa、500℃左右。由于工作温度与压力的增大、冷热流体温差的巨大提升，加上换热器尺寸的缩小，微细管壳式换热器的设计制造难度相比于传统管壳式换热器将大大增加。尤其是，管板与微细管束间的密封连接相比于常规尺寸下难度将会成倍提升。金属微细管的密封连接通常采用钎焊，但是传统的钎焊工艺在加工时容易出现微细管变形、熔蚀、虚焊等现象，无法满足加工要求。而目前发展的金属微细管真空电子束钎焊、脉冲激光焊等新技术存在着工艺不成熟、加工效率低、加工成本高等缺点。中国专利，专利公开号CN106949754A公开了一种小微通道换热器及其换热方法，该换热器的水平圆筒状集管内设置有水平隔板，换热器管束穿过集管与水平隔板相连，且换热器管束与集管相连，连接方式为胀接或是焊接。在此专利中管束与集管、水平隔板的双重密封连接能够提高换热器的密封性能，但是也增加了加工工序，提高了加工难度，且胀接的不适用于高温高压下金属微细管的密封连接。中国专利，专利公开号CN103128519A公开了一种微通道换热器制造方法和装置，该换热器的换热器管束与集管之间采用冷挤压连接，冷挤压连接有着节约原料、能源，提高效率降低成本的优点，但是该工艺不适用于高温高压的工况。中国专利，专利授权号CN206709658U公开了一种微细管发卡式换热器，该换热器的壳程筒体与管束均为U型，能够消除换热中产生的应力，节省材料并减少加工工序。但是换热器管束与管板之间采用螺纹连接，无法满足高温高压的工况。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种高温高压微细管壳式换热器。该换热器结构简单紧凑，内部流量温度分布均匀，换热效率高，密封性能好，耐高温高压。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术提供了一种高温高压微细管壳式换热器，包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；其中，一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体设置有热流体入口以及热流体出口，换热器为逆流换热器；换热器管束为多条且均轴向分布于换热器壳体内部；其改进之处是：还包括设置在每一个管箱内的管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。进一步地，为了便于后期维修，管箱采用分体式结构设计，具体包括封头、底座、紧固螺母以及紧固螺栓；封头和底座扣合，紧固螺栓穿过所述底座以及封头后通过紧固螺母将封头和底座进行固定，底座与换热器壳体固连，封头上设置冷流体入口或冷流体出口。进一步地，为了保证密封性的同时也利于后期拆卸维修，本专利技术中所采用的管板密封装置具体结构是：包括依次设置的下管板、石墨密封垫和上管板；下管板固定安装在所述底座内；下管板、石墨密封垫、上管板上均开设有数量、位置相同的多个管束固定孔；多个管束固定孔的数量、位置与多个换热器管束相适配；换热器管束的端部依次穿过下管板、石墨密封垫以及上管板上的管束固定孔；下管板上还设有多根固定螺柱，石墨密封垫和上管板相对于所述多根固定螺柱的位置开设有多个螺柱固定孔；上管板、石墨密封垫穿过所述多个固定螺柱后通过螺母固定在下管板上。进一步地，为了使换热器的换热效果更加均匀，所有换热器管束外形统一，单根换热器管束可在管束固定孔上旋转任意角度，同一排设置的单根换热器管束旋转角度相同，相邻上下排换热器管束同向平行或反向平行(即就是相邻两排的换热器管束的折弯方向相同或相反)。进一步地，为了进一步的提高整个换热器的密封性，所述底座和下管板之间还设有第一金属密封圈；封头和底座之间还设有第二金属密封圈。进一步地，多个管束固定孔组成多个孔组；每个孔组中管束固定孔的中点连线呈等边三角形或是正方形。进一步地，第一金属密封圈与第二金属密封圈均采用镀镍软铁或镀银软铁制作。进一步地，上述上管板、下管板均采用42CrMo合金钢或其他耐高温高强度合金材料制成。进一步地，上述换热器管束为光滑无缝金属微细圆管，换热器管束外径为1～3mm，管壁厚度为0.1～0.5mm，材质为耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金。进一步地，上述换热器壳体为无缝金属厚壁圆管，换热器壳体、管箱采用焊接方式连接，且换热器壳体、管箱均采用耐高温合金钢或耐高温不锈钢或耐高温镍基合金或耐高温钛合金制成。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用的换热器管束为正弦形或梯形弯折管，增加了流程，提高了换热效率；由于该设计，从而相比现有换热器可以取消折流板组件，降低了加工难度和成本；换热器管束可随流体温度变化自由伸缩，能够有效消除热应力。2、本专利技术采用所有换热器管束流程相等，能够确保管侧、壳侧流量分配均匀，提高换热效率。3、本专利技术采用的换热器壳体为无缝金属厚壁圆管，避免了传统管壳式换热器壳体的卷板焊接分段制造的加工方式，承压能力更好。4、本专利技术采用上管板、石墨密封垫、下管板的连接结构，使得换热器管束与管板之间密封为挤压密封，不仅密封性强，同时各个零件均活动可拆，方便后期换热器维护修理。5、本专利技术采用换热器管束为微细无缝金属圆管，直径较小，结构紧凑，能够承受高温高压，换热效率高，能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环的换热需求。附图说明图1为本专利技术总体结构示意图。图2为本专利技术中管箱结构示意图。图3为本专利技术中管板密封装置结构示意图。图4为本专利技术中管板密封装置中上管板结构示意图。图5为本专利技术中管板密封装置中下管板结构示意图。图6为本专利技术中管板密封装置与管箱连接示意图。图7为本专利技术中换热器管束结构示意图。图8为本专利技术中换热器管束排布示意图。图9为本专利技术中换热流动示意图。附图标记如下：1-换热器壳体；2-管箱、21-封头、22-底座、23-第一密封圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高压微细管壳式换热器，包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；其中，一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体设置有热流体入口以及热流体出口，换热器为逆流换热器；换热器管束为多条且均轴向分布于换热器壳体内部；其特征在于：还包括设置在每一个管箱内的管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。

【技术特征摘要】
1.一种高温高压微细管壳式换热器，包括换热器壳体、管箱、换热器管束，换热器壳体的两端分别安装管箱；其中，一个管箱上设有冷流体入口，另一个管箱上设置冷流体出口，换热器壳体设置有热流体入口以及热流体出口，换热器为逆流换热器；换热器管束为多条且均轴向分布于换热器壳体内部；其特征在于：还包括设置在每一个管箱内的管板密封装置；多条换热器管束的两端均插装在管板密封装置上，并通过管板密封装置密封，并且每条换热器管束一端均与所述冷流体入口连通，另一端均与冷流体出口连通；每条换热器管束均为正弦形弯折管或者梯形弯折管。2.根据权利要求1所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述管箱包括封头、底座、紧固螺母以及紧固螺栓；封头和底座扣合，紧固螺栓穿过所述底座以及封头后通过紧固螺母将封头和底座进行固定，底座与换热器壳体固连，封头上设置冷流体入口或冷流体出口。3.根据权利要求2所述的一种高温高压微细管壳式换热器，其特征在于：所述管板密封装置包括依次设置的下管板、石墨密封垫和上管板；下管板固定安装在所述管箱的底座内；下管板、石墨密封垫、上管板上均开设有数量、位置相同的多个管束固定孔；多个管束固定孔的数量、位置与多个换热器管束相适配；换热器管束的端部依次穿过下管板、石墨密封垫以及上管板上的管束固定孔；下管板上还设有多根固定螺柱，石墨密封垫和上管板相对于所述多根固定螺柱的位置开设有多个螺柱固定孔；上管板、石墨密封垫穿过所述多个固定螺柱后通过螺母固定在下管...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青青，许博，黄鑫，阴勇光，王海军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61