壳管式热交换器的制作方法

本发明涉及一种壳管式热交换器，且更特别地涉及一种设计成与热工艺气体操作的壳管式热交换器。此类热交换器设计成用于通过汽化冷却介质或通过相对于热介质带有温度交叉的非汽化冷却介质来冷却热介质。

背景技术：

在工艺和功率工业中，在高温和高压下从化学反应器、炉或热交换器排出的工艺介质和工作介质通常必须借助于特别设计的热交换器来冷却。这些热交换器的特征在于特殊的热交换构造和技术设计。

在比如蒸汽甲烷重整、氨合成、煤/生物质气化、硫焚烧和氨氧化的过程中操作的从化学反应器排出的热介质是高温和高压下介质的主要示例，其必须在特殊的热交换器中冷却。热介质温度和压力可分别约在从400°c至1000°c和从0.3mpa至30mpa的范围。而且，由于一些侵蚀性化学物质(比如氢、氮、氨、一氧化碳和氧化硫)，热介质可损害常见的结构金属材料。

由于热介质的高温和大流率，从几兆瓦到几十兆瓦的宽范围的散热通常是必要的。为了执行此类强冷却，使用用于热介质与冷却介质之间的间接热交换的特殊热交换器。

取决于工业过程和冷却介质，此类热交换器得到若干常见名称。例如，用于冷却热介质的较常见的热交换器的非穷举列表包括：

-在冷却介质是汽化水的情况下，过程锅炉或废热锅炉；

-在冷却介质是过冷锅炉水的情况下，锅炉水预热器；

-在冷却介质是蒸汽的情况下，蒸汽过热器；

-在热介质从氨转换器反应器排出且由汽化水冷却的情况下，合成回路锅炉；

-在汽化冷却流体的情况下，蒸气发生器或汽化器；

-在通用冷却介质的情况下，过程冷却器。

用于冷却热介质的热交换器通常是壳管型的，带有在壳侧或管侧上流动的热介质，竖直或水平设置。交换管可为不同类型的，比如直管、u形管或盘管。热介质和冷却介质可根据不同的构造(比如并流、逆流和错流)且根据单行程或多行程来间接地接触。

在本领域现状中已知用于冷却在高温和高压下介质的许多壳管型热交换器。特别地参照工艺气体，在下文中列出这些壳管型热交换器的一些示例。

文献us4287944描述一种竖直工艺气体锅炉，其中在壳侧上流动的热工艺气体与在管侧上流动且在自然通风下循环的汽化水间接地交换热量。交换器在壳侧上是单行程且在管侧上是双行程。交换器壳体或壳在内部由隔热材料做衬垫，以用于保护壳壁免受过热。管束由连接到公共管板的u形管组成，该公共管板将交换器壳与水压室分离。水压室分成两个室，一个从管束收集水和蒸汽混合物，且另一个将新鲜水释放到管束。u形管的下降腿设有与新鲜水室连通的内管。内管在u形弯头之前不远以开放端结束。此类内管用新鲜水供给管束。

因为在下降腿中的水的汽化发生在u形管与内管之间的环中且不在内管中，该构造声称有效地防止对自然循环的干扰。因此，在环中产生的蒸汽声称排出到水蒸汽室中，而不是拖到u形管中。在另一方面，该构造的特征在于两个潜在的缺点。首先，来自内管的新鲜水可在环中流走，而不是在u形管中行进。其次，u形管具有中间焊接部。

文献us4010797描述一种热交换器，其中壳包围管束，优选地带有u形管，以及罩，该罩连同壳形成环形间隙且包绕管束的大部分。热工艺气体在壳侧上流动，且冷却介质(优选为蒸汽或水)在管侧上流动。热气体入口喷嘴远离管板设置，且与管束连通。热气体首先以单行程流经管束，且然后在冷却之后从管束离开且在间隙中流回。因此，管板和壳不与入口热气体接触。然而，交换器不能够处理两介质之间的温度交叉，或不适合于自然循环下的汽化水。

文献ep2482020描述一种特别设计成用于冷却工艺气体的热交换器，其中热介质在管侧上且冷却介质在壳侧上。交换器具有u形管，其中内管设置在u形管腿中，对于腿的部分长度，该腿引入热介质。该交换器设计声称将管板保持在适中的操作温度下。

文献us4561496描述一种工艺气体热交换器，其中在管侧上流动的热气体通过在壳侧上循环的汽化水来冷却。壳由内部壁分成两个室。一个室包含汽化水，且另一室包含过冷的水。结果，在壳侧上，两股不同的冷却流穿过管束。内部壁分开壳，以便包绕u形管的一组腿。所包绕的成组的腿将热量从热气体间接地交换到过冷的水，而管的其余部分将热量从热气体间接地交换到汽化水。

文献us4907643描述一种带有u形管的工艺气体蒸汽过热器，其中热工艺气体在壳侧上流动，且冷蒸汽在管侧上流动。壳侧设有引导套(罩)，其延伸大部分的管束且在壳与罩中间形成间隙，以便保持壳由从罩离开的冷却气体吹扫。交换器在壳侧上具有单热交换行程，且在管侧上具有双热交换行程。如果冷介质与热介质之间不存在温度交叉，交换器可正常工作。

文献us5915465描述一种工艺气体蒸汽过热器，其中热工艺气体和冷蒸汽分别在壳侧和管侧上流动。管束由u形管组成，且热交换在壳侧和管侧上用双行程获得。借助于沿着曲折路径输送热气体的内部引导套，两介质以纯逆流或纯并流构造间接地接触。冷却的气体在离开交换器之前吹扫壳；然而，管板的一部分暴露于入口热气体。

文献wo2017/001147描述一种工艺气体热交换器，其中热工艺气体在壳侧上流动，且冷却介质在管侧上流动。壳在内部配备有引导套，该引导套包绕管束的大部分长度，其在壳与套中间形成间隙。在此类间隙中，冷却的气体在冷却之后输送。管束由卡口型管组成。

文献ep1610081描述一种特别设计成用于通过蒸汽过热来冷却工艺气体的热交换器，其中热介质在管侧上流动，且冷却介质在壳侧上流动。交换器具有由u形管组成的两个同心管束，其由不同的材料制成。在壳侧上，引导套限定两个部分分离的区域，其中一个区域在高温下工作且与两个管束中的一个相关，且另一区域在低温下工作且与另一管束相关。交换器在壳侧上为双行程，且在管侧上为四行程。在两介质具有温度交叉且入口热介质与管板接触的情况下，交换器可不适合。

文献us3749160描述一种用于气体的热处理的热交换器，其中待处理的气体可在管侧或壳侧上流动。交换器具有u形管和在内部设置到壳的覆盖物，该覆盖物包绕管束的大部分长度且与壳形成环形间隙。覆盖物具有开放的两端。进入覆盖物中的壳侧气体约在管束的中间长度处，且分成沿相反方向穿过管束的两个部分。两个部分从壳的两端离开，且在间隙中流向出口壳侧喷嘴。因此，当壳侧气体是较热气体且必须冷却时，壳由冷却的气体吹扫。交换器在壳侧上具有单热交换行程，且在管侧上具有双热交换行程。如果两介质具有温度交叉，交换器可不正常工作。

公开文献中描述其它相关的热交换器，特别是适合于冷却来自核反应器的热液态金属或热流体。例如，文献us3187807描述一种竖直热交换器，其主要包括：压力容器；双行程管束；用于每个管程的两个分离的管板，其设置在容器的上部中；以及两个挡板，其沿着管延伸且同心地布置，形成内室和外室，使得第一管程和第二管程分别定位到内室和外室中。热介质在外室侧上流动，且冷却介质在管侧上流动。因为热介质入口位于容器的上部中，从热介质和到冷介质的热传递经由逆流或错流发生。在此类构造的情况下，第二管程的管板和容器的上部与入口热介质接触，这在高入口温度的情况下可导致有问题的设计。

文献us3545536描述一种带有u形管的壳管式热交换器，其中热介质和冷却介质分别在壳侧和管侧上流动。借助于设置在壳中的挡板，交换器在管侧和壳侧上为双行程，该壳形成两个区段，一个用于第一管程，且另一个用于第二管程。从壳侧到管侧的热传递经由并流发生。文献us3545536聚焦于一种用于保护第一管程的入口部分免受由于壳侧入口介质对管的垂直冲击所造成的过热或高热通量的装置。装置主要由设置在每个管上的套环或套筒以及套筒所连接到处的板组成。因此，第一管程的入口管和管板的部分不与入口壳侧热介质直接接触。

文献us3437077描述一种壳管型的一次通过的蒸气发生器，其带有同心布置的u形管，其中热介质和冷却介质分别在管侧和壳侧上流动。壳设有内部引导套和挡板，其在壳侧上形成两个通路，以便使冷却介质顺次汽化和过热。

文献ep0130404公开一种u形管热交换器，其中发生多级热传递。壳侧设有内部壁，该内部壁将壳侧分成密封分离的至少两个室。每个室设有其自身的入口和出口连接，以用于引入和排出不同物理状态下的气态或液态介质。

如由上文文献所示出的，可采用大量可能的壳管式热交换器构造来用于冷却热介质，特别是热工艺气体。热交换器构造的选择(其中包括热介质侧和管束类型的选择)取决于若干参数和约束。宽泛地，设计者通常对增加热传递性能、延长设计寿命和降低交换器的资本成本感兴趣。

在热介质设置在壳侧上的情况下，设计壳管式热交换器方面的一个主要问题是避免壳壁的过热和腐蚀。上文的专利文献示出可采用两种主要的解决方案：第一种解决方案在于由耐热材料为内部壳壁加衬垫(例如us4561496)，而第二种解决方案在于由先前冷却的热介质吹扫壳(例如us5915465、us4907643、wo2017/001147和us3749160)。

至于交换管的选择，因为由于管的伸长所造成的热机械约束容易吸收，u形管或卡口管通常是优选的。然而，u形管和卡口管由两个潜在缺点所影响：

-它们涉及管侧上的多行程热交换构造，且因此在热介质与冷介质之间温度交叉的情况下，可危害热传递性能和操作稳定性；

-在管侧上流动的冷却介质是汽化介质的情况下，因为汽化可发生在所有管程中，它们是灵敏的(sensitive)。

特别地，除了上文文献中描述的壳管式热交换器构造以外，从设计的观点，两个特定的构造实现为有问题的：

a)热介质在壳侧上流动，汽化冷却介质在管侧上流动(特别是在自然循环下)，管束在壳侧上为单行程且在管侧上为双行程，交换管为u形类型的。在此类构造的情况下，汽化可发生在u形管的两个腿中。这是危险的，因为两个腿中的汽化干扰自然或强制循环且因此可停止或延迟冷却介质流(随后有管的过热或腐蚀)。这在启动、关闭和操作负载的改变期间更重要；

b)热介质在壳侧上流动，非汽化冷却介质在管侧上流动，管束在壳侧上为单行程且在管侧上为双行程，交换管为u形类型的，热介质和冷却介质出口温度发生交叉，在纯逆流中，热介质和冷介质不接触。在此类构造的情况下，温度交叉难以防止。结果，热交换器的热传递性能和操作稳定性可显著下降。

在另一方面，构造a)和b)对于热交换应用潜在是令人感兴趣的，其中必须冷却高温和高压下的介质，同时：

-u形管有效地吸收在任何稳态或瞬态负载期间的热伸长；

-通过调整管束的几何形状，可容易地调整和减小在壳侧上流动的热介质的压降；

-在壳侧上带有单行程的管束涉及简单的几何形状和低压降；

-当冷却介质在管侧上流动时，因为管侧热传递系数通常远高于壳侧的热传递系数，管的操作金属温度通常可保持较接近于冷却介质温度；

-由于较大的对流分量和较简单的流径，介质的汽化通常在管侧上而不是在壳侧上更有效和稳定；

-如果热性能和操作稳定性不受交叉所危害，在单个热交换器中设置温度交叉是有竞争力的；

-热介质压力通常低于冷却介质压力；

-如上文一些文献中描述的，在壳侧上流动的热介质可由内部引导套限制和输送，使得壳和管板在冷却之后由热介质吹扫。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目标在于提供一种用于工艺介质(诸如工艺气体，典型为热工艺介质)的壳管式热交换器，其能够以简单、廉价且特别是功能性的方式解决现有技术的上文提到的缺点。

详细地，本发明的一个目标在于提供一种用于工艺介质的壳管式热交换器，其中防止或至少最大限度地减小在管束的管的至少一部分中的汽化(在冷却介质处于饱和状况的情况下)或温度交叉(在非汽化冷却介质的情况下)。

本发明的另一目标在于提供一种用于工艺介质的壳管式热交换器，从热液压的观点，该热交换器能够始终在稳定且有效(positive)的状况下工作。

根据本发明，这些目标和其它目标通过提供如所附权利要求书中阐述的壳管式热交换器以及操作壳管式热交换器的方法来实现。

特别地，这些目标通过具有圆柱形几何形状且包括在相反侧上连接到公共管板的第一压力室和第二压力室的壳管式热交换器来实现。第一压力室设有用于引入第一流体的至少一个入口喷嘴和用于排出第一流体的至少一个出口喷嘴。第二压力室设有用于引入或排出第二流体的至少一个第一喷嘴和用于分别排出或引入第二流体的至少一个第二喷嘴。管板连接到管束，该管束容纳在第一压力室中，且包括多个u形交换管，第二流体流过该多个u形交换管以间接地执行与第一流体的热交换。每个u形交换管设有第一部分和第二部分。每个u形交换管的第一部分和第二部分通过u形弯头来液压地连接。第一压力室包含至少一个内引导套，该内引导套具有圆柱形或伪圆柱形的几何形状且沿着所述第一压力室的主纵向轴线延伸。对于所述第一部分的相应长度的至少部分，所述内引导套包绕每个u形交换管的所述第一部分。所述内引导套在其第一端处通过第一连接器件来密封地连接到管板，且所述内引导套在其第二端处开放，由此在内引导套内产生至少部分停滞区，防止第一流体流横跨每个u形交换管的所述第一部分，因此防止或减小在每个u形交换管的所述第一部分中从第一流体到第二流体的热传递。

这些目标还通过一种操作具有圆柱形几何形状且包括在相反侧上连接到公共管板的第一压力室和第二压力室的壳管式热交换器的方法来实现，其中第一压力室设有至少一个入口喷嘴和至少一个出口喷嘴，其中第二压力室设有至少一个第一喷嘴和至少一个第二喷嘴，其中管板连接到管束，该管束容纳在第一压力室中，且包括多个u形交换管，其中每个u形交换管设有第一部分和第二部分，其中每个u形交换管的第一部分和第二部分通过u形弯头来液压地连接，壳管式热交换器的特征在于，第一压力室包含至少一个内引导套，该内引导套具有圆柱形或伪圆柱形几何形状且沿着所述第一压力室的主纵向轴线延伸，对于所述第一部分的相应长度的至少部分，所述内引导套包绕每个u形交换管的所述第一部分，所述内引导套在其第一端处通过第一连接器件密封地连接到管板，所述内引导套在其第二端处开放。方法包括：

-通过第一压力室的入口喷嘴来引入第一流体，

-通过第二压力室的第一喷嘴或第二喷嘴来引入第二流体，

-使第二流体流过所述多个u形交换管，以间接地执行与第一流体的热交换，

-通过第一压力室的出口喷嘴来排出第一流体，

-分别通过第二压力室的第二喷嘴或第一喷嘴来排出第二流体，

由此，内引导套在内引导套内产生至少部分停滞区，防止第一流体流横跨每个u形交换管的所述第一部分，因此防止或减小在每个u形交换管的所述第一部分中从第一流体到第二流体的热传递。

本发明的另外的特征通过作为本描述的组成部分的从属权利要求来突出。

详细地，根据本发明的用于工艺介质的壳管式热交换器的优选实施例的特征在于以下技术特征：

-它提供用于热介质与冷却介质之间的间接热交换；

-它是壳管型的；

-管束在壳侧上为单行程且在管侧上为双行程；

-管具有u形构造，其中腿可为直的或任何其它形状(比如螺旋)的；

-热介质在壳侧上流动，而冷却介质在管侧上流动；

-冷却介质是在自然或强制循环下流动的汽化介质，或是具有高于热介质出口温度的出口温度(温度交叉)的非汽化介质；

-在纯逆流构造中，热介质和冷却介质不接触；

-在壳侧上优选地存在沿着壳输送热介质的两个引导套；

-与热介质入口喷嘴连通的第一壳侧引导套包绕管束的大部分长度和第二壳侧引导套的大部分长度；

-第一壳侧引导套与壳形成间隙，所述间隙与管束和热介质出口喷嘴连通；

-密封地连接到管板且具有开放端的第二壳侧引导套完全或部分地包绕一组u形管腿，且对于所包绕腿的部分，防止或减小两介质之间的热交换；

-理想地，管布局是同心类型的，其中一组腿设置在管板的圆形中心区域中，且另一组腿设置在包绕中心区域的圆形外区域中；

-管束优选地在竖直位置中，带有向下的u形管。

当采用上文构造a)和b)时，根据本发明的用于工艺介质的壳管式热交换器构思成安全且有效地工作。实际上，在构造a)中，当汽化介质用作冷却介质(特别是在自然循环下流动)时，入口u形管腿(第一管程)不参与或较少参与热交换，且因此在入口腿中汽化可忽略。结果，自然或强制循环始终有效且稳定地设置在热交换器中。而且，优选地，在发生了热交换的至少一部分之后，即在热介质至少部分地冷却了之后，管板和壳与入口热介质接触。

在构造b)中，当非汽化介质用作冷却介质时，当热介质和冷却介质在纯逆流构造中不接触时，以及当冷却介质出口温度高于热介质的出口温度时，即当交换器内发生温度交叉时，其中可出现温度交叉的u形管腿的部分不参与或很少地参与热交换，且因此防止管束上的温度交叉。结果，热传递始终保持稳定且带有有效的性能。而且，在发生了热交换的至少一部分之后，即在热介质至少部分地冷却了之后，管板和壳与入口热介质接触。

附图说明

参照所附示意图，根据本发明的用于工艺气体的壳管式热交换器的特征和优点将从以下示例性且非限制性的描述中更清楚，在所附示意图中：

图1和图2示意性地示出根据本发明的壳管式热交换器在两个相应的操作状况下的的第一实施例；

图3和图4示意性地示出根据本发明的壳管式热交换器在两个相应的操作状况下的的第二实施例；

图5是在图1至图4中任一图的壳管式热交换器的中间部分中获得的截面图；

图6示意性地且部分地示出根据本发明的壳管式热交换器的第三实施例；

图7示意性地且部分地示出根据本发明的壳管式热交换器的第四实施例；

图8a-8c示意性地示出根据本发明的壳管式热交换器的引导套中的一个的三个相应实施例；

图9示意性地示出图1和图2的壳管式热交换器，其内部构件设有不同布局；以及

图10示意性地示出图3和图4的壳管式热交换器，其内部构件设有不同布局。

具体实施方式

参照图，示出根据本发明的壳管式热交换器10的一些实施例。热交换器10具有圆柱形的几何形状，且包括在相反侧上连接到公共管板16的第一压力室12和第二压力室14。管板16连接到管束，该管束包括容纳在第一压力室12中的多个u形交换管18。每个u形管18设有第一部分或腿18a以及第二部分或腿18b。每个u形管18的第一腿18a和第二腿18b通过u形弯头20来液压地连接。每个u形管18的第一腿18a和第二腿18b可为直的或其它形状(比如螺旋)的。每个u形管18的两端连接到管板16。

第一流体(即，热介质)在第一压力室12(也称为“壳”)中流动，且第二流体(即，冷却介质)在第二压力室14(其也称为“通道”)中流动。第二压力室14与u形管18连通。换句话说，热介质在壳侧上流动，且冷却介质在管侧上流动。壳管式热交换器10构造成引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的一部分。壳管式热交换器10构造成引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的第二腿18b的至少一部分。因此，壳管式热交换器10构造成引导第一流体使得在第一流体接触管板16之前热量的一部分在第一流体与第二流体之间交换。第一流体在某点处接纳到第一压力室12中，使得第一流体通过与第二流体交换热量的至少一部分来流向管板16。

第一压力室12设有一个或多个热介质入口喷嘴28以及一个或多个热介质出口喷嘴30。入口喷嘴28和出口喷嘴30远离管板16定位，优选地在u形弯头20附近或之后。第一流体是热介质或较暖介质意味着在供给到热交换器时第一流体比第二流体更暖，即，第一流体在供给到热交换器时比第二流体在供给到热交换器时更暖。换句话说，第一流体在通过入口喷嘴28进入热交换器时比第二流体在通过第一喷嘴46或第二喷嘴48进入热交换器时更暖。第二流体是冷却介质，且也可表示成冷介质。第二流体是冷介质或较冷介质意味着在供给到热交换器时第二流体比第一流体更冷。第二流体在供给到热交换器时比第一流体在供给到热交换器时更冷。换句话说，第二流体在通过第一喷嘴46或第二喷嘴48进入热交换器时比第一流体在通过入口喷嘴28进入热交换器时更冷。

第一压力室12的入口喷嘴28布置在离管板16一定距离处，使得引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的一部分。第一压力室12的入口喷嘴28布置在离管板16一定距离处，使得引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的第二腿18b的至少一部分。由此，第一流体从第一压力室12的入口喷嘴流向管板16，与第二流体交换热量的至少一部分。

第一压力室12包含至少一个外引导套22和至少一个内引导套24。每个外引导套22和内引导套24具有圆柱形或伪圆柱形的几何形状，且沿着第一压力室12的主纵向轴线延伸。外引导套22延伸直至到u形弯头20或u形弯头20之后。第一压力室12还包含多个挡板或网格(grid)26，其连同交换管18形成管束。

外引导套22和第一压力室12在中间形成间隙32。间隙32与热介质出口喷嘴30连通。外引导套22包绕管束的长度部分(优选为大部分长度，即主要长度部分)且包绕内引导套24的长度部分(优选为大部分长度，即主要长度部分)。由外引导套22包绕的管束的长度部分优选地包括u形弯头20。外引导套22优选地包绕包括u形弯头20的管束的长度部分。外引导套22在背离且远离管板16的其第一端处借助于连接导管34与热介质入口喷嘴28连通且在u形弯头20的与管束连接到管板16侧的相反侧处或在u形弯头20附近从入口喷嘴28接收热介质。在该上下文中，在u形弯头20的与管束连接到管板16侧的相反侧处将热介质引入到外引导套22意味着热介质进入管束中不发生在u形弯头20与管板16中间。外引导套22在面向管板16且在管板16附近的其第二端处具有与间隙32连通的开口36。外引导套22可构造成引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的一部分。将入口喷嘴28与外引导套22连接的连接导管34可构造成引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的一部分。

外引导套22的连接导管34与入口喷嘴28之间的连结部分优选地密封。相反，如果不提供密封，外引导套22可在连接导管34附近设有调节装置(未示出)，以用于有意地将特定量的热介质从入口喷嘴28旁通到间隙32。此类旁通对控制出口喷嘴30处的热介质温度是有用的。

内引导套24沿方位角(圆形)方向完全包绕成组的第一u形管腿18a，且对于它们相应长度的至少部分，沿纵向方向包绕所述成组的第一u形管腿18a。更特别地：

-在冷却介质是在自然循环下流动的汽化流体的情况下，内引导套24沿纵向方向完全或几乎完全包绕成组的第一腿18a，即冷却介质所进入的管18的腿18a(第一管程)；

-在冷却介质是在强制循环下流动的汽化流体的情况下，内引导套24沿纵向方向完全或部分地包绕成组的第一腿18a，即冷却介质所进入的管18的腿18a(第一管程)；

-在冷却介质为非汽化流体的情况下，内引导套24沿纵向方向部分地包绕成组的第一腿18a，即，冷却介质所离开的管18的腿18a(第二管程)。

内引导套24在面向管板16且在管板16附近的其第一端78处通过第一连接器件38密封地连接到所述管板16。内引导套24在背离且远离管板16的其第二端52处是开放的，在该情况下，在内引导套24内将存在至少部分停滞区，这减小第一流体与第一腿18a中的第二流体之间的热交换。因此，内引导套24在其第二端52处开放，由此在内引导套24内产生至少部分停滞区，防止第一流体流横跨每个u形交换管18的所述第一部分18a，因此防止或减小在每个u形交换管18的所述第一部分18a中从第一流体到第二流体的热传递。内引导套24防止第一流体流(例如热介质)横跨所包围的u形管腿18a的包绕部分，且因此防止或减小在u形管腿18a的所述部分中从第一流体(例如热介质)到第二流体(例如冷却介质)的热传递。换句话说，内引导套24具有如下目的：对于u形管腿18a的包绕部分，防止或减小汽化(在冷却介质处于饱和状况的情况下)或温度交叉(在非汽化冷却介质的情况下)。第二端52可设有板，该板具有用于通过第一u形管腿18a的通孔或窗口。板可为穿孔板。备选地，除了用于通过第一u形管腿18a的通孔或窗口以及可能另外的设备或装置之外，板可为刚性板，其中通孔或窗口中的至少一个大于第一u形管腿18a以及可能另外的设备或装置的截面。

内引导套24包括封套表面80。封套表面80从内引导套(24)的第一端(78)延伸到第二端(52)。封套表面80是非穿孔的。因此，封套表面80不具有任何穿孔或通孔。封套表面是不可渗透的。第一流体不能穿透封套表面80。封套表面80形成中空圆柱或伪圆柱。封套表面不设有任何(入口或出口)开口来用于使流体在内引导套内部循环。内引导套也不设有入口和出口开口来用于使流体在内引导套内部循环。内引导套仅在开放的第二端处设有开口。没有开口设在内引导套上别处，由此没有流体循环在内引导套内部获得，且因此在内引导套内部的流体主要是停滞的。内引导套24不与第一压力室12的其余部分密封地分离。第一流体可填充在内引导套24中，但第一流体不能连续地流过(即，进和出)内引导套24。替代地，在内引导套内部的第一流体主要是停滞的。

第二压力室14包含第二压力室引导套40，该第二压力室引导套40将第二压力室14分成第一区段42和第二区段44。第一区段42和第二区段44彼此不直接连通。第一区段42和第二区段44通过u形交换管18彼此连通。第二压力室14还设有用于引入或排出冷却介质的至少一个第一喷嘴46和用于排出或引入冷却介质的至少一个第二喷嘴48。第二压力室引导套40通过第二连接器件50连接到管板16或一组u形管腿18a和18b。结果，第二压力室14的每个区段42和44与一组u形管腿18a或18b连通。u形交换管18的第一部分18a与第一区段42连通，且u形交换管18的第二部分18b与第二区段44连通。

第二压力室14的第一区段42和第二区段44也可借助于设置在第二压力室14中的调节阀来连通。此类调节阀可用作用于使第二流体的一部分旁通的旁通装置，且因此对控制第二流体的出口温度是有用的。

优选地，管18布局是如图5中示出的同心类型，其中第一腿18a布置在管板16的圆形中心部分(“中心”64，见图5)中，且其中第二腿18b布置在包绕所述管板16的中心部分的圆形部分(“冠部”66，见图5)中。按照此类优选的管布局，可优选地采用以下热交换器10构造：

-内引导套24同心地设置在第一压力室12内部，且包绕第一腿18a，该第一腿18a连接到管板16的“中心”，无论冷却介质。结果，第一腿18a表示第一管程(在汽化冷却介质的情况下)和第二管程(在非汽化冷却介质的情况下)；

-外引导套22同心地设置在第一压力室12内部，且包绕管束的大部分长度和内引导套24的大部分长度；

-第二压力室14的两个区段42和44同心地布置在所述第二压力室14中，其中第一内区段42与第一腿18a流体连通，且第二外区段44与第二腿18b流体连通；

-在汽化冷却介质的情况下(见图1和图3)，冷却介质从第二压力室14的第一喷嘴46进入内区段42中，然后所述冷却介质进入第一腿18a(第一管程)中，沿着管18流动，从第二腿18b(第二管程)离开，进入外区段44中，且然后从第二压力室14的第二喷嘴48离开；

-在非汽化冷却介质的情况下(见图2和图4)，冷却介质从第二压力室14的第二喷嘴48进入外区段44中，然后所述冷却介质进入第二腿18b(第一管程)中，沿着管18流动，从第一腿18a(第二管程)离开，进入内区段42中，且然后从第二压力室14的第一喷嘴46离开。

在冷却介质是在自然循环下流动的汽化介质的情况下，热交换器10优选地设置在竖直位置中(参照其壳的主纵向轴线)，其中管束朝下定向。否则，热交换器10可为竖直的或水平的，无论管束的定向。

在壳侧(即，热介质侧)上，图1和图2中示出的热交换器10按以下方式工作。根据由挡板或网格26限定的流径，除了所述u形管18的由内引导套24包绕的部分之外，热介质从入口喷嘴28进入外引导套22中，然后通过穿过u形管18来沿着外引导套22流向管板16。沿着管束，除了所述u形管18的由内引导套24包绕的部分之外，热介质将热量间接地释放到在u形管18中流动的冷却介质。两介质因此接触，根据：

-在自然循环中汽化冷却介质的情况下，纯并流或几乎纯并流构造(图1)，优选地，内引导套24沿纵向方向完全或几乎完全地包绕u形交换管18的第一部分18a；

-在强制循环中汽化冷却介质的情况下，纯并流或几乎纯并流构造，或并流和逆流构造(图1)，优选地，内引导套24沿纵向方向完全或部分地包绕u形交换管18的第一部分18a；

-在出口温度高于热介质出口温度的非汽化冷却介质的情况下，并流和逆流构造(图2)，优选地，内引导套24沿纵向方向部分地包绕u形交换管18的第一部分18a。

在管板16附近，热介质通过开口36从外引导套22离开，进行u形转弯，进入间隙32中，且然后流向出口喷嘴30，所述热介质从该出口喷嘴30从热交换器10离开。从开口36离开的热介质被冷却了。因此，与热介质接触的第一压力室12和管板16的部分由冷却的热介质吹扫。在一定量的入口热介质在穿过管束之前旁通(例如借助于设置在导管34上的调节阀)的情况下，该量的入口热介质在从出口喷嘴30离开之前与在间隙32中流动的冷却的热介质混合。

在管侧(即，冷却介质侧)上，热交换器10按以下方式工作。在第一操作状况下(图1)，冷却介质是在自然循环下流动的汽化介质。热交换器10(取决于热介质和冷却介质，有时称为工艺汽化器、蒸气发生器、工艺气体锅炉或废热锅炉)优选地在竖直位置中，其中管束指向下。如图5中示出的，在u形管18的优选同心布局的情况下，在饱和状况下或在接近饱和状况下的汽化冷却介质处于液相且从第一喷嘴46进入第二压力室14的内区段42中。管板16中心部分64的u形管第一腿18a与内区段42连通，而管板16“冠部”或周边部分66的u形管第二腿18b与第二压力室14的外区段44连通。

内区段42中的汽化冷却介质进入u形管第一腿18a(第一管程)中且在自然循环下向下流动。内引导套24完全或几乎完全地包绕u形管第一腿18a，以防止或减小从热介质到冷却介质的热传递，且因此防止u形管第一腿18a中的汽化。在内引导套24的第二端52处，汽化冷却介质离开u形管第一腿18a的包绕部分，且开始与热介质交换热量。不久，汽化冷却介质在u形弯头20中进行u形转弯，然后自然地在第二腿18b(第二管程)中向上移动，其中热介质的冷却通过汽化发生。

众所周知，在相同温度下或在接近的温度下的液体流体和其液体和蒸气混合物具有不同的密度。此类差别是用于自然循环的驱动力。从第二腿18b离开的两相混合物排出到第二压力室14的外区段44中，且然后从第二喷嘴48离开热交换器10。第二压力室14的第一喷嘴46和第二喷嘴48可连接到分离且升高的设备(未示出)，该设备通常称为液体和蒸气筒，其提供用于对于自然循环和液体和蒸气分离所需的静压头。

因为u形管第一腿18a是绝热的或几乎绝热的，在第一管程中无显著的汽化发生，且因此自然循环不被干扰。从热液压的观点，热交换器10始终在稳定且有效的状况下工作。

在第二操作状况下(图1)，冷却介质是在强制循环下流动的汽化介质。再一次，热交换器10优选地在竖直位置中，其中管束指向下。如图5中示出的，在u形管18的优选同心布局的情况下，在饱和状况下或在接近饱和状况下的汽化冷却介质以液相从第一喷嘴46进入内区段42中。管板16中心部分64的u形管第一腿18a与内区段42连通，而管板16“冠部”或周边部分66的u形管第二腿18b与第二压力室14的外区段44连通。

内区段42中的汽化冷却介质进入u形管第一腿18a(第一管程)且在强制循环下向下流动。内引导套24完全或部分地包绕u形管第一腿18a，以防止或减小从热介质到冷却介质的热传递，且因此防止u形管第一腿18a的包绕部分中的汽化。在内引导套24的第二端52处，汽化冷却介质离开u形管第一腿18a的包绕部分，且开始与热介质交换热量。当汽化冷却介质到达u形弯头20处时，它具有u形转弯且在u形管第二腿18b(第二管程)中向上移动。从u形管第二腿18b离开的液体和蒸气混合物排出到第二压力室14的外区段44中，且然后从第二喷嘴48离开热交换器10。而且，在该第二操作状况下，第二压力室14的第一喷嘴46和第二喷嘴48可连接到分离的设备，该分离的设备通常称为液体和蒸气筒，其提供用于液体和蒸气分离。

因为由内引导套24包绕的u形管第一腿18a的部分是绝热的或部分绝热的，消除或减小在第一管程的此类部分中的汽化。这对强制循环具有有效影响，因为第一管程中的液体有助于自然通风。在泵送装置故障的情况下或在瞬态期间，此类作用更重要或甚至是必要的。

在第三操作状况下(图2)，冷却介质是非汽化介质，其在热交换器出口(第一喷嘴46)处具有比出口热介质温度更高的温度(即，发生温度交叉)。冷却介质可为过冷的水、蒸汽，或处于气相或液相的任何其它流体。在该操作状况下，热交换器10通常可分别称为水预热器、蒸汽过热器或冷却器。如图5中示出的，在u形管18的优选同心布局的情况下，冷却介质从第二喷嘴48进入外区段44中，且然后进入u形管第二腿18b(第一管程)中。冷却介质沿着u形管第二腿18b流动，在u形弯头20中具有u形转弯，且然后在u形管第一腿18a(第二管程)中流动。冷却介质沿着u形管第二腿18b且沿着不由内引导套24包绕的u形管第一腿18a与热介质间接地交换热量。随后，在管板16与内引导套24的第二端52之间的管18部分中，u形管第一腿18a不有助于或较少地有助于两介质之间的热交换。在内引导套24的第二端52处的冷却介质的温度等于或低于管束的该点处的热介质温度。因此，防止温度交叉。结果，即使冷却介质的温度高于热交换器出口处热介质的温度且热交换器不具有纯逆流构造，防止沿着管束的温度交叉，且因此从热的观点，热交换器始终在稳定且有效的性能下工作。

在图3和图4中，示意性地示出根据本发明的用于工艺气体的壳管式热交换器10的第二实施例。热交换器10的第二实施例与上文描述的第一实施例几乎相同，除了：

-外引导套22具有全都开放的两端；

-入口热介质在管板16与u形弯头20中间的点处(例如，在管板16与u形弯头20之间的中间区域内的点处)接纳到外引导套22中；

-热介质分成两部分横跨管束。

第一压力室12的入口喷嘴28和出口喷嘴30位于所述第一压力室12上，优选地在管板16与u形弯头20中间，例如在管板16与u形弯头20之间的中间区域中。外引导套22的第一端(即，外引导套22的背离且远离管板16的端部)因此设有与间隙32连通的开口54。

在壳侧(即，热介质侧)上，图3中示出的热交换器10按以下方式工作。入口热介质从入口喷嘴28且借助于连接导管34在位于管板16与u形弯头20中间的点处进入外引导套22中。因为外引导套22设有两个开口36和54，入口热介质分成两部分，分别流向外引导套22的第一(上)开口36和第二(下)开口54。除了由内引导套24包绕的管18的部分之外，两个流体部分沿相反方向穿过管束，且与在管侧上流动的冷却介质交换热量。从第一(上)开口36和第二(下)开口54离开的两个流体部分冷却，然后它们进行u形转弯且进入间隙32中，且两个部分朝出口喷嘴30移动。两介质因此接触，根据：

-在汽化冷却介质在自然或强制循环下流动的情况下，并流和逆流构造；

-在出口温度高于热介质出口温度的非汽化冷却介质的情况下，并流和逆流构造。

外引导套22在带有入口喷嘴28的连接导管34附近可密封或不密封。如果未密封，外引导套22可在连接导管34附近设有调节装置(未示出)，以用于有意地将特定量的热介质从入口喷嘴28旁通到间隙32。此类旁通装置对控制出口喷嘴30处的热介质温度是有用的。

在管侧(即，冷却介质侧)上，图3和图4中示出的热交换器10分别以与图1和图2中示出的热交换器10的第一实施例相同的方式工作。

在一方面，壳管式热交换器10在管束上具有单行程构造。在一方面，壳管式热交换器10在管侧上具有双行程构造。管束在壳侧上可为单行程。第一流体可通过单行程流经管束。管束在管侧上可为双行程。第二流体可通过双行程流过管束。

在一方面，根据纯逆流构造，所述第一流体和所述第二流体不接触。

在一方面，冷却介质是在饱和状况下或在接近饱和状况下引入热交换器10中且在自然或强制循环下流动的汽化介质。

在一方面，冷却介质是非汽化介质，且热交换器10出口处的温度高于热交换器10出口处的热介质的温度。

图6中，示意性地且部分地示出根据本发明的用于工艺介质(诸如工艺气体)的壳管式热交换器10的第三实施例。在该实施例中，连接到所述管18的第一腿18a和第二腿18b的u形管18的u形弯头20由容纳在第一压力室12中的末端(terminal)引导套56包绕。因此，末端引导套56防止或减小横跨u形弯头20的热介质流。由此，防止u形弯头上的热交换。特别地，防止热介质连续流横跨u形弯头。末端引导套56优选地呈部分球形或部分伪球形的壳(诸如半球形的壳)的形式。末端引导套56可设有一个或多个额外的隔热层，也为“三明治”型的。在u形弯头20中必须避免冷却介质汽化的情况下以及在存在由于热介质流造成的所述u形弯头20振动的风险的情况下，可采用末端引导套56。u形交换管18的u形弯头20由容纳在第一压力室12中的末端引导套56包绕，所述末端引导套56构造成防止第一流体流横跨所述u形弯头20。u形交换管18的u形弯头20由容纳在第一压力室12中的末端引导套56包绕，由此防止第一流体流横跨所述u形弯头20。末端引导套56遮蔽u形弯头20。末端引导套56遮蔽u形弯头20以防第一流体流。末端引导套56引导第一流体流远离u形弯头20。末端引导套56可具有背离u形交换管(即，面向第一流体流)的闭合侧。末端引导套56可具有面向u形交换管18的开放侧。因此，末端引导套56没有密封地闭合。末端套56不设有用于使任何流体在其中循环的任何(入口或出口)开口。

图7中，示意性地且部分地示出根据本发明的用于工艺气体的壳管式热交换器10的第四实施例。在该实施例中，旁通阀68设置在旁通导管70中，该旁通导管70在入口喷嘴28与外引导套22之间的连接导管34上获得。旁通阀68构造成用于将从入口喷嘴28进入的流体的至少一部分72直接输送到间隙32。换句话说，流体的所述部分72不进入外引导套22，而它在旁通阀68处与从所述外引导套22离开且流过间隙32的流体的另一部分74混合。该布置原则上对于图1和图2中示出的布置以及图3和图4中示出的布置是可能的。连接导管34设有形成开口的旁通导管70。旁通阀68设置在旁通导管70中。旁通阀68典型为调节阀。简而言之，旁通阀68可设置在旁通导管70中，该旁通导管70在入口喷嘴28与外引导套22之间的连接导管34上获得。

在图8a-8c中，示意性地示出内引导套24的三个相应的实施例。更特别地，在图8a中，内引导套24在其表面的至少部分(优选为其内部表面，即，面向由所述内引导套24包绕的u形管第一腿18a的表面)上设有隔热层58。因此，内引导套24的内部表面是面向由所述内引导套24包绕的每个u形交换管18的第一部分18a的表面。图8b中，内引导套24设有双壁，即，设有其自身的第一壁和第二壁60。第一壁和第二壁60布置在离彼此一定距离处。内引导套布置有面向外的其自身的第一壁和面向由所述内引导套24包绕的u形管第一腿18a的第二内部壁60，在两壁中间形成间隙，其中防止热介质流(特别是连续热介质流)。因此，内引导套24可设有面向外的第一壁和面向由内引导套24包绕的每个u形交换管18的第一部分18a的第二内部壁60。图8c中，内引导套24在“三明治”构造中设有隔热层58和第二壁60，即，其中隔热层58介于内引导套24的第一壁与其第二壁60之间。因此，内引导套24可在其表面的至少部分上设有隔热层58，且设有第一壁和第二壁60，其中所述隔热层58介于所述第一壁与所述第二壁60之间，即在“三明治”构造中。此外，内引导套24可在其内部表面的至少部分上设有隔热层58，且设有面向外的第一壁和面向由所述内引导套24包绕的每个u形交换管18的所述第一部分18a的第二内部壁60，其中所述隔热层58介于所述第一外壁与所述第二内部壁60之间，即在“三明治”构造中。内引导套24的这三个备选的基本实施例可减小或消除由于通过内引导套24的壁的传导或辐射所造成的从热介质到冷却介质的可能热传递。

在图9和图10中，示出图1至图4的壳管式热交换器的两个相应的备选变型。差别在于如下事实：外引导套22和间隙32由沿着第一压力室12的主纵向轴线延伸的至少一层76隔热材料(耐火材料)所替代。隔热材料层76包绕管束的长度部分(优选为大部分长度)和内引导套24的长度部分(优选为大部分长度)。隔热材料层76可包绕管束的主要长度部分。隔热材料层76可包绕内引导套24的主要长度部分。隔热材料层76因此保护第一压力室12免于热介质。第一压力室12因此可包含至少一层76隔热材料，其沿着所述第一压力室12的主纵向轴线延伸，所述至少一层76隔热材料包绕管束的长度部分和内引导套24的长度部分。

流入第一压力室12(即热交换器10的壳侧)的第一流体可为热介质，而流入管束的所述u形交换管18和所述第二压力室14(即热交换器10的管侧)的第二流体可为冷却介质。

根据纯逆流构造，第一流体和第二流体典型地不接触。

最后，热交换器10的所有实施例可设有结构支承件62和其它设备，比如出入孔和仪器喷嘴，其不包括在本发明的保护范围中。

根据一方面，本发明涉及一种操作壳管式热交换器10的方法，该壳管式热交换器10具有圆柱形几何形状且包括在相反侧上连接到公共管板16的第一压力室12和第二压力室14，其中第一压力室12设有至少一个入口喷嘴28和至少一个出口喷嘴30，其中第二压力室14设有至少一个第一喷嘴46和至少一个第二喷嘴48，其中管板16连接到管束，该管束容纳在第一压力室12中，且包括多个u形交换管18，其中每个u形交换管18设有第一部分18a和第二部分18b，其中每个u形交换管18的第一部分18a和第二部分18b通过u形弯头20来液压地连接，其中第一压力室12包含至少一个内引导套24，其具有圆柱形或伪圆柱形几何形状且沿着所述第一压力室12的主纵向轴线延伸，对于所述第一部分18a的相应长度的至少部分，所述内引导套24包绕每个u形交换管18的所述第一部分18a，所述内引导套24在其第一端78处通过第一连接器件38密封地连接到管板16，所述内引导套24在其第二端52处开放，该方法包括：

-通过第一压力室12的入口喷嘴28来引入第一流体，

-通过第二压力室14的第一喷嘴46或第二喷嘴48来引入第二流体，

-使第二流体流过所述多个u形交换管18，以间接地执行与第一流体的热交换，

-通过第一压力室12的出口喷嘴30来排出第一流体，

-分别通过第二压力室14的第二喷嘴48或第一喷嘴46来排出第二流体，

由此，内引导套24在内引导套24内产生至少部分停滞区，防止第一流体流横跨每个u形交换管18的所述第一部分18a，因此防止或减小在每个u形交换管18的所述第一部分18a中从第一流体到第二流体的热传递。

该方法的壳管式热交换器可为如上文限定的壳管式热交换器，且可包括上文描述的特征、变型和实施例中的任一个。例如，内引导套24可包括从内引导套24的第一端78延伸到第二端52的非穿孔封套表面80。

在该方法中，可引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的一部分。可引导第一流体在接触管板16之前横跨管束的第二腿18b的至少一部分。因此，可引导第一流体，使得在第一流体接触管板16之前，在第一流体与第二流体之间交换热量的一部分。第一流体可在某点处接纳到第一压力室12中，使得第一流体通过与第二流体交换热量的至少一部分来流向管板16。

在该方法中，流入第一压力室12(即热交换器10的壳侧)的第一流体可为热介质，而流入管束的所述u形交换管18和所述第二压力室14(即热交换器10的管侧)的第二流体可为冷却介质。换句话说，引入第一压力室12中的第一流体可为热介质，而引入所述第二压力室14中且流过管束的所述u形交换管18的第二流体可为冷却介质。

在该方法中，根据纯逆流构造，第一流体和第二流体典型地不接触。

因此看到，根据本发明的壳管式热交换器以及操作壳管式热交换器的方法实现先前概述的目标。

壳管式热交换器以及如此构思的本发明的方法在许多修改和变型全都落入相同的发明构思内的任何情况下易受影响；另外，所有细节可由技术上等同的元素替代。实际上，所使用的材料以及形状和尺寸可根据技术需求为任何类型的。

本发明的保护范围因此由所附权利要求书限定。