一种u形管式换热器
阅读说明：本技术 一种u形管式换热器 (U-shaped tubular heat exchanger ) 是由 杨俊岭 崔金栋 蒋自平 刘玉英 于素艳 周迅 黄彬峰 肖元沛 李冰 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种U形管式换热器,包括管板和管口朝上竖向穿设在管板上的多根U形换热管,所述管板具有以横轴和纵轴划分形成的第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限,其特征在于：所述各U形换热管的管口分别分布在不同的象限。本发明U形管式换热器的换热区域包括沿横轴对称、开口朝向横轴的呈U形的第一换热区域和第二换热区域,该设置可使得最内侧U形换热管的弯曲半径大,使高温高压高粘度流体在中心区域弯管段不易结焦堵塞,且相对称的U形换热区域使得沿管板横轴两侧的U形换热管间距最小、避免壳程流体短路、排管数量多以提高壳程流体有效传热面积。(The invention discloses a U-shaped tubular heat exchanger, which comprises a tube plate and a plurality of U-shaped heat exchange tubes, wherein the tube openings of the U-shaped heat exchange tubes are upwards and vertically arranged on the tube plate in a penetrating manner, the tube plate is provided with a first quadrant, a second quadrant, a third quadrant and a fourth quadrant which are formed by dividing a transverse axis and a longitudinal axis, and the U-shaped tubular heat exchanger is characterized in that: and the pipe orifices of the U-shaped heat exchange pipes are respectively distributed in different quadrants. The heat exchange area of the U-shaped tube heat exchanger comprises a first heat exchange area and a second heat exchange area which are symmetrical along the transverse shaft and have openings facing the transverse shaft, the U-shaped heat exchange area is U-shaped, the bending radius of the U-shaped heat exchange tube at the innermost side is large, high-temperature, high-pressure and high-viscosity fluid is not easy to coke and block in a bent tube section of a central area, and the symmetrical U-shaped heat exchange areas enable the U-shaped heat exchange tubes at two sides of the transverse shaft of the tube plate to have the minimum interval, so that short circuit of shell-side fluid is avoided, and the number of tube rows is large, so that the effective heat transfer area of the shell-side fluid is increased.)
技术领域
本发明属于换热器
技术领域
，具体涉及一种U形管式换热器。背景技术
热交换器(简称换热器)在石油、化工、轻工、食品和原子能等许多工业部门发挥着重要的作用。换热器按结构可分为：固定管板换热器、U形管式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、板式换热器、绕管式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、夹套换热器等。
在高温高压高粘度流体环境下，因换热量较大，蛇管式换热器、套管式换热器、夹套换热器等不满足换热量需求。因流体粘度高，板式换热器、绕管式换热器不满足使用要求。因操作压力高，高温且管壳程温差大，固定管板式换热器、浮头式换热器和填料函式换热器不满足使用要求。因此，对于这种高温高压高粘度流体的换热器只能选用U形管式换热器。
对于这种高温高压高粘度流体而言，U形管式换热器若采用通用的排管方式，U形管束中心区域U形弯管段弯曲半径R较小，最小弯曲半径R等于两倍的换热管外径d，换热器运行数周后，弯管段易结焦堵塞，影响传热，管束需频繁冲洗，易造成换热管破裂，影响设备长周期运行。
现有专利中，如：中国发明专利公开号为CN102759298A“一种换热器管束的布置方式”，换热器管束采用列叉排布置，即相邻两列换热管束纵向相互错位。中国发明专利公开号为CN103017587A“一种凝结换热管束的布置方式”，所述凝结换热管束由多排管束形成，相邻两排的管束中，其中一排管束的中心线与另一排管束的侧边重合，即一排管束的中心线正好与另一排管束相切。换热器管束的布置方式都不适用于这种高温高压高粘度流体。
为此，针对现有的U形管式换热器的布管方式需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种避免流体短路、排管数量多以提高流体有效传热面积的U形管式换热器。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：一种U形管式换热器，包括管板和管口朝上竖向穿设在管板上的多根U形换热管，所述管板具有以横轴和纵轴划分形成的第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限，其特征在于：所述各U形换热管的管口分别分布在不同的象限，且形成分布在第一象限、第二象限内的第一换热区域、分布在第三象限和第四象限内的第二换热区域，所述第一换热区域和第二换热区域呈相对称的U形，且U形的开口朝向横轴方向。
作为优选，所述第一换热区域和第二换热区域分别包括与横轴平行的底部区域、以及位于底部区域两端且沿纵轴对称的侧部区域，所述各侧部区域位于底部区域靠近横轴的一侧，所述底部区域和侧部区域围合形成所述U形，所述开口沿朝向横轴的方向逐渐张大。因为侧部区域的U形换热管为非轴对称的叉排，因此形成了沿朝向横轴方向逐渐张大的开口。
作为优选，所述底部区域为多排沿横轴方向间隔分布的多个管口，所述侧部区域为多排沿开口方向间隔分布的多个管口。该布管的方式使得U形换热管的弯曲半径大，且排管多，提高有效传热面积，使高温高压高粘度流体在中心区域弯管段不易结焦堵塞。
作为优选，多排且每排弯曲半径相同的U形换热管沿横轴间隔设置，且各U形换热管的管口沿横轴对称形成所述第一换热区域与第二换热区域的底部区域；多排且每排弯曲半径相同的U形换热管沿开口方向间隔设置，且U形换热管的管口分布在相对角的象限内形成所述第一换热区域与第二换热区域的侧部区域。该布管方式使用的U形换热管的规格统一，便于备料，且U形换热管的弯曲半径大，且排管多。
为利于提高排管的数量，作为优选，所述侧部区域中各U形换热管的管口中心连线的中点不与横轴重合，且一个管口靠近横轴，另一个管口远离横轴。
为避免最内排的U形换热管的弯管段不结焦堵塞且减少换热器的空间，作为优选，所述侧部区域中最内排的U形换热管的弯曲直径≥12d，其中d为U形换热管的外径。
为避免最内排的U形换热管的弯管段不结焦堵塞且减少换热器的空间，作为优选，所述第一换热区域和第二换热区域的两侧部区域中沿横轴对称的最内排管口之间的间距≤3d，其中d为U形换热管的外径。
作为优选，所述管口的排列方式是正三角形、转角三角形、正方形、转角正方形中的一种。
作为优选，所述各管口为圆形或者非圆形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明U形管式换热器的换热区域包括沿横轴对称、开口朝向横轴的呈U形的第一换热区域和第二换热区域，该设置可使得最内侧U形换热管的弯曲半径大，使高温高压高粘度流体在中心区域弯管段不易结焦堵塞，且相对称的U形换热区域使得沿管板横轴两侧的U形换热管间距最小、避免壳程流体短路、排管数量多以提高壳程流体有效传热面积。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1至图2所示为本发明U形管式换热器的一个优选实施例，包括管板1和管口21朝上竖向穿设在管板1上的多根U形换热管2。
管板1具有以横轴11和纵轴12划分形成的第一象限1a、第二象限1b、第三象限1c以及第四象限1d。
多根U形换热管2的管口21分布在第一象限1a、第二象限1b、第三象限1c以及第四象限1d内，形成分布在第一象限1a、第二象限1b内的第一换热区域3以及分布在第三象限1c和第四象限1d内的第二换热区域4。第一换热区域3和第二换热区域4沿横轴11相对称。管口21的排列方式是正三角形，各管口21为圆形。
第一换热区域3和第二换热区域4分别包括与横轴11平行的底部区域51、以及位于底部区域51两端且沿纵轴12对称的侧部区域52，各侧部区域52位于底部区域51靠近横轴11的一侧，底部区域51和侧部区域52围合形成U形，U形的开口50朝向横轴11且沿朝向横轴11的方向逐渐张大。具体的，多排且每排弯曲半径(即尺寸相同)相同的U形换热管沿横轴间隔设置，且各U形换热管的管口沿横轴对称形成第一换热区域与第二换热区域的底部区域，多排且每排弯曲半径相同的U形换热管沿开口方向间隔设置，且U形换热管的管口分布在相对角的象限内形成第一换热区域与第二换热区域的侧部区域52。
本实施例中标号为H01～H19、I01～I18、J01～J17、K01～K16、L01～L15、M01～M12的U形换热管2沿U形的开口50相反的方向依次排布，各U形换热管2的一端管口21依次沿横轴11方向从第三象限1c排布到第四象限1d，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿横轴11方向从第二象限1b排布到第一象限1a。标号为A01～A05、B06～A10、C01～C05、D06～D10、E01～E05、F06～F10、G01～05的U形换热管2的一端管口21沿开口50的方向从内排到外排依次排列在第四象限1d内，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿与U形的开口50相反的方向分布在第二象限1b内。A06～A10、B01～A05、C06～C10、D01～D05、E06～E10、F01～F05、G06～G10的U形换热管2沿开口50的方向从内排到外排排列在第三象限1c内，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿与U形的开口50相反的方向分布在第一象限1a内。其中，A01～A05的管口21与A06～A10的管口21依次沿纵轴12对称，A01～A05的管口21与A10～A06的管口21依次沿横轴11对称；其他B～G的管口21对称关系与A相同。A～G的各U形换热管2的管口21中心连线的中点不与横轴11重合，且一个管口21靠近横轴11，另一个管口21远离横轴11。且沿横轴11对称的A05与A06的管口21之间的间距为80mm，A01～A10的弯曲直径为421.2mm，U形换热管2的外径d为32mm。
本实施例的U形管式换热器的布管方法，包括以下步骤：
1)将标号A01～A05的各U形换热管2的一端管口21依次沿U形的开口50方向排布在第四象限1d内，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿与U形的开口50相反的方向分布在第二象限1b内；
2)将标号A06～A10的各U形换热管2的一端管口21依次沿U形的开口50方向排布在第三象限1c内，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿与U形的开口50相反的方向分布在第一象限1a内；其中，A01～A05的管口21与A06～A10的管口21依次沿纵轴12对称，A01～A05的管口21与A10～A06的管口21依次沿横轴11对称；
3)将标号B01～B05的各U形换热管2依次排布在A06～A10的后排，各U形换热管2的一端管口21依次沿U形的开口50方向分布在第三象限1c内，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿与U形的开口50相反的方向分布在第一象限1a内；
4)将标号B06～B10的各U形换热管2依次排布在A01～A05的后排，排布方式同A01～A05；其中，B01～B05的管口21与B06～B10的管口21依次沿纵轴12对称，B01～B05的管口21与B10～B06的管口21依次沿横轴11对称；
5)重复步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)依次排布标号为C01～C05、C06～C10、D01～D05、D06～D10、E01～E05、E06～E10、F01～F05、F06～F10、G01～05、G06～G10的U形换热管2；
6)将标号H01～H19的各U形换热管2的一端管口21依次沿横轴11方向从第三象限1c排布到第四象限1d，对应的，各U形换热管2的另一端管口21依次沿横轴11方向从第二象限1b排布到第一象限1a；所述H01～H19位于A～G的外侧；
7)重复步骤6)沿U形的开口50相反的方向依次排布I01～I18、J01～J17、K01～K16、L01～L15、M01～M12。
本实施例的U形管式换热器的布管方式中，侧部区域中U形换热管为非轴对称的叉排，底部区域中U形换热管为常规的规则排列，形成沿横轴对称的U形换热区域，该布管中最内侧U形换热管的弯曲半径大、排管数量多，传热效率高、设备运行周期长、结构紧凑、减少设备直径、降低设备投资。
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