專利名稱：制造螺旋熱交換器中的多管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換器。
背景技術(shù)：
熱交換器通常用于制冷、冷卻和加熱應(yīng)用。對于這些應(yīng)用，熱交換器不使流體混合而將熱量從一種流體傳輸?shù)搅硪环N流體。流體可以是氣體或液體。對于包括CO2氣體的特定的高壓應(yīng)用，制造商對熱交換器使用了管中管的設(shè)計(jì)?；旧?，熱交換器是一個容納一種流體的管被容納著其它流體的另一個較大的管所包圍。例如，當(dāng)CO2氣體在內(nèi)部管中循環(huán)的同時，水可在其周圍的管中循環(huán)。通過內(nèi)部管的表面交換熱量。
對于高壓應(yīng)用，管直徑必須保持為很小(小于3/8英寸)以維持合理的壁厚。對于大容量系統(tǒng)，這些管是有問題的，因?yàn)闊峤粨Q器需要許多平行的回路。結(jié)果，熱交換器的長度會非常長。
另外，在熱交換器中使用的水可接著用于消耗或者用于清潔工序。關(guān)鍵的是，水在熱交換過程中不能被污染。因?yàn)橛糜谝环N流體，假設(shè)為水，的管圍繞著另一種熱交換流體的管，所以常規(guī)的管內(nèi)管設(shè)計(jì)存在水被污染的危險。因此，在較大管內(nèi)的內(nèi)部管破裂會造成在較大管中的水被污染。
提出的一種解決方案是將一種熱交換流體的管子盤繞在具有另一流體的直管周圍。然而，由于管的幾何結(jié)構(gòu)不同，兩管可具有的彼此物理接觸的區(qū)域有限。因此，熱交換不是非常有效。
這種獨(dú)特的熱交換器的制造同樣是一種挑戰(zhàn)。特別的是，在過去，制造商通過將單根管繞夾具盤繞而生產(chǎn)螺旋管。在一些情況中，制造商也可將單根管繞其自身盤繞以生成多層的盤繞管以增加熱交換器每直線長度的表面積。然而，前述技術(shù)未能將一個以上的熱交換器管盤繞成緊密的螺旋形盤管以更好的適合于最佳熱交換器。
因此需要一種熱交換器和制造該熱交換器的方法，其可避免前述不足并提高熱交換器的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括至少第一熱導(dǎo)管和第二熱導(dǎo)管。每一管可傳輸在熱交換過程中使用的流體。與此相比的另一設(shè)計(jì)中，本發(fā)明設(shè)計(jì)將第一管與第二管盤繞在一起從而使得一個管的匝與另一個管的匝相鄰近。這樣，熱交換器極大地增加了管的每一線性長度的用于熱交換的表面積量，從而可以獲得更緊湊的設(shè)計(jì)。另外，螺旋盤繞在一起的管導(dǎo)致管內(nèi)的流體湍流而增強(qiáng)熱交換。螺旋盤繞在一起的管還確保管之間的緊密物理接觸以提高熱交換。不同流體可流經(jīng)各管并且可一起用于熱交換。因?yàn)楦髁黧w容納在其各自的管中，因此在熱交換期間流體不會混合。由于這些管沒有共享公共的壁，實(shí)際上每一管都有其自身的壁從而使得在這些管的每一根中的流體受到保護(hù)而不交叉混合。當(dāng)其中一個壁突然破裂時，流體會泄漏出但是不會與其他管中的流體混合。
第一和第二管的匝可繞相同軸線盤繞并且進(jìn)一步地沿著通常相對于該軸線相同的角度進(jìn)行盤繞。多管也可用這種方式互相盤繞。繞制的管也可裝入一套管中。該套管可以是用于第三流體的具有流體入口和流體出口的另一管。
另外，這些管可以這樣繞制，使得在管的圈內(nèi)產(chǎn)生容積。另一熱交換元件可布置在該容積中以增加熱交換。該附加熱交換元件可以與上述匝的螺旋相反的方向螺旋盤繞而進(jìn)一步改善熱交換。
本發(fā)明進(jìn)一步包括制造多管熱交換器的方法。與已有制造方法相比，本技術(shù)將第一熱交換管與至少一個第二熱交換管繞著相同的軸線盤繞。第一交換管和第二交換管都可具有自由移動部分，在熱交換管的其他部分被固定而不旋轉(zhuǎn)時，所述自由移動部分以螺旋的方式繞著共同的旋轉(zhuǎn)軸線盤繞。這樣，多管可盤繞到一起并在管的旋轉(zhuǎn)自由部分和固定部分之間互相盤繞。因此，本發(fā)明的技術(shù)可以利用第一熱交換管與第二熱交換管的互相盤繞而生成緊密的螺旋。
導(dǎo)向件可防止管的固定部分繞旋轉(zhuǎn)軸線盤繞。導(dǎo)向件可沿著軸線移動從而改變管的固定部分的位置。這樣，管的各部分可互相盤繞并隨后導(dǎo)向件從管的互相盤繞部分移開以使管的其余部分互相盤繞。該導(dǎo)向件允許管均勻地盤繞到一邊。另一導(dǎo)向件也可用于將管的固定部分保持在適當(dāng)位置。
各管可繞沿著旋轉(zhuǎn)軸線延伸的桿盤繞。該桿可限定螺旋圈的直徑。另外，該桿也可具有螺旋形圖案從而確保管以螺旋的方式盤繞。該桿隨后可以被去除并由第三熱交換元件替換以形成用于熱交換的附加層。


通過當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的下列詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會清楚本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)說明的附圖以下將簡要的描述圖1示出了本發(fā)明的多管加熱器的側(cè)剖視圖。
圖2示出了一個管相對于另一管的初始盤繞。
圖3示出了用于形成多管熱交換器的臨近匝的多管的盤繞。
圖4示出了用于構(gòu)造多管螺旋熱交換器的裝置。
圖5A示出了用于盤繞多管的夾具的前視圖。
圖5B示出了圖5A的夾具的透視圖。
圖6示出了用于盤繞多管的第一導(dǎo)向件。
圖7示出了用于盤繞多管的第二導(dǎo)向件。
圖8示出了具有用本發(fā)明的方法盤繞的多管的另一熱交換器。
圖9示出了若干連接的熱交換器。
圖10示出了具有導(dǎo)熱元件的熱交換器。
圖11示出了具有四根管的熱交換器。
圖12示出了具有三根管的熱交換器。
具體實(shí)施例方式
圖1圖示了多管熱交換器14的側(cè)剖視圖。多管熱交換器14具有被夾具50蓋住的中空管圓柱16以在圓柱16內(nèi)建立流體容積17。圓柱16具有第一流體入口200和第一流體出口204。布置在流體容積17內(nèi)的是沿著軸線X互相盤繞的第一導(dǎo)熱熱交換管18和第二熱交換管34使得第一熱交換管18形成第一匝22，該第一匝22臨近并優(yōu)選接觸沿著軸線X的第二熱交換管34的第二匝38。在第一熱交換管18和第二熱交換管中的流體之間的熱交換不僅通過管18，34之間的接觸而增強(qiáng)而且由于它們的螺旋形盤繞而改善，所述螺旋形盤繞增強(qiáng)了流體湍流并因此增強(qiáng)熱交換。
如圖2中所示，為了建立第一熱交換管18和第二熱交換管34的互相盤繞形狀，開始均為直的第一熱交換管18和第二熱交換管34插入穿過夾具50的孔78中。優(yōu)選的是，第一熱交換管18和第二熱交換管34可以是類似于銅的有延展性金屬以利于加工，如以下所解釋的?？椎臄?shù)目指示了可互相盤繞的管的數(shù)量。另外，插入夾具50中的第一熱交換管18相對于第二熱交換管34以及其它管之間的間隙指示了螺旋的緊密度。
第一熱交換管18具有插過第一導(dǎo)向件54的孔98的第一固定部分30以及第二熱交換管34具有插過導(dǎo)向件54的孔98的第二固定部分46?？?8優(yōu)選成斜角以致管84可以角度θ被饋入，通過該角度第一熱交換管18和第二熱交換管34相對于X軸線布置在夾具50和導(dǎo)向件54之間。螺旋的緊密度在某種程度上可通過角度θ指示。
夾具50可沿著箭頭A的方向自由旋轉(zhuǎn)，假定為順時針方向，以致第一旋轉(zhuǎn)自由部分26和第二旋轉(zhuǎn)自由部分42以相同方向旋轉(zhuǎn)。第一固定部分30和第二固定部分46被第一導(dǎo)向件54固定以阻止沿著箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)自由部分26和第二旋轉(zhuǎn)自由部分42繞軸線X盤繞時，第一熱交換管18和第二熱交換管34形成彎曲24。
如圖3中所示，當(dāng)?shù)谝粺峤粨Q管18和第二熱交換管34繼續(xù)繞軸線X盤繞時，形成第一熱交換管18的第一匝22并且形成第二熱交換管34的第二匝38。第一匝22和第二匝38沿著X軸線相鄰并優(yōu)選彼此接觸。當(dāng)?shù)谝粺峤粨Q管18和第二熱交換管34繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并繞軸線X盤繞時，以螺旋方式形成附加匝。這些匝會盤繞形成內(nèi)容積222或緊密地盤繞將容積222的尺寸最小化。
當(dāng)另外的匝產(chǎn)生時，可沿X軸線任意移動的第一導(dǎo)向件54沿著箭頭Y的方向從位置H(參見圖2)移到位置I(參見圖3)。為了保持匝的均勻性，重要的是，當(dāng)越來越多的第一熱交換管18和第二熱交換管34被盤繞時能保持導(dǎo)向件54和所述匝38之間的間距相同。
圖4示出了用于產(chǎn)生多管熱交換器14的裝置。這里，六根管84安裝在夾具50上并插入鏇床74內(nèi)以互相盤繞。如圖5A和5B中所示，夾具50具有足夠的孔78以容納每一管84。每一孔78具有足夠大的直徑以接收每一管84。另外，夾具50具有預(yù)定的穿孔圖案，這指示了管之間的間隔。
圖5A中所示，夾具50具有以大約等距間隔開的六個孔78以形成間隔82。另外，如圖4和5A中所示，軸向?qū)蚣?6設(shè)在間隔66內(nèi)部以使鏇床74沿著軸線X以箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)時管84可繞軸向?qū)蚣?6盤繞。軸線導(dǎo)向件66可具有如圖4中所示的預(yù)定螺旋形圖案以使管84可繞軸線導(dǎo)向件66盤繞而與該螺旋形圖案一致，假定為任何特定應(yīng)用所要求的圖案。
如圖4所示，管84穿過第一導(dǎo)向件54。如圖6中所示，第一導(dǎo)向件54具有六個容納每一管84的孔98和一接收軸向?qū)蚣?6的孔100。第一導(dǎo)向件54的孔98優(yōu)選成橢圓形，邊緣光滑且大于固定件50的孔78以利于管84通過導(dǎo)向件54。
如圖4中所示，第二導(dǎo)向件62與第一導(dǎo)向件54間隔開。如圖7所示，第二導(dǎo)向件62具有足夠數(shù)量和尺寸的用于接收管84的孔104和接收軸向?qū)蚣?6的孔106。第二導(dǎo)向件62象第一導(dǎo)向件54那樣防止管84沿著箭頭A的方向隨著鏇床74一起旋轉(zhuǎn)。管84另外具有在該方向擺動的趨勢。另外，第二導(dǎo)向件62象第一導(dǎo)向件54那樣沿著X軸線可移動。
這樣，鏇床74在箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)夾具50和管84以將管84繞軸向?qū)蚣?6盤繞。所述管在夾具50和第一導(dǎo)向件54之間的第一管段88被扭絞。然而，第一導(dǎo)向件54和第二導(dǎo)向件62防止管84繞軸向?qū)蚣?6盤繞。因此，第二管片段92不繞軸向?qū)蚣?6盤繞。因而，在第一管片段88的管的盤繞更加均勻。當(dāng)管84被互相盤繞時，第一導(dǎo)向件54和第二導(dǎo)向件62隨后沿著X軸線在箭頭Y的方向移動。優(yōu)選的是，第一導(dǎo)向件54與端夾具50和第一導(dǎo)向件54之間所形成的匝的位置保持一預(yù)定距離，在圖4中用距離Z示出。
一旦管84完全盤繞，軸向?qū)蚣?6隨后從盤繞的管84移去。如圖8中所示，軸向?qū)蚣?6可隨后被另一管熱交換器——管96所代替，該管96被插入先前被軸向?qū)蚣紦?jù)的空間。管96可以是另一扭絞的多管熱交換器或傳輸另一流體的單根圓柱。管84和管96然后被插入圓筒16，該圓筒然后被另一固定裝置50蓋住。
現(xiàn)在詳細(xì)解釋熱交換器和它們的運(yùn)行。參考圖1，熱交換器14具有繞軸線X成螺旋形互相盤繞的第一熱交換管18和第二熱交換管34以使第一熱交換管18的第一匝與第二熱交換管34的第二匝38接觸。由于這些管螺旋形盤繞在一起，第一匝22非常緊的接觸第二匝38而促進(jìn)熱交換。在圖1中進(jìn)一步示出，第一匝22相對于軸線X具有角度β而第二匝具有角度α。角度α通常與角度β相同以進(jìn)一步確保第一熱交換管18與第二熱交換管34之間的緊密配合。另外，在第一匝22和第二匝38內(nèi)形成容積222。容積222可接收另一熱交換元件以進(jìn)一步改善熱交換。
熱交換以下列方式完成。如水之類的第一流體208穿過第一流體入口200進(jìn)入并經(jīng)過流體容積17從第一流體出口204流出，如所示。另外，第二流體212和第三流體218分別經(jīng)過第一熱交換管18和第二熱交換管34。實(shí)際上，第二流體212和第三流體218可以是相同或不同的流體。如所示，第二流體212從熱交換管18的一端進(jìn)入經(jīng)過另一端出去。對于第三熱交換流體218和第三熱交換管34同樣如此。當(dāng)流體208，212和218彼此經(jīng)過時，它們進(jìn)行熱交換。因?yàn)榈谝粺峤粨Q管18和第二熱交換管34是兩個不同的管，兩流體212，218彼此分開但仍足夠接近來進(jìn)行熱交換。此外，如圖1中進(jìn)一步所示，第二流體212和第三流體218的方向與第一流體208的方向相反。該技術(shù)增強(qiáng)了流體湍流使得當(dāng)流體208，212和218彼此經(jīng)過時，它們能更有效地?zé)峤粨Q。
此外，端蓋50起到將流體212和218與流體208隔開的作用。特別的是，流體212和218可經(jīng)過端蓋而流體208不經(jīng)過端蓋，因?yàn)槎松w50起到當(dāng)流體208從入口200到出口204經(jīng)過容積17時將流體容納在容積17中的作用。這樣，流體208，212和218可被隔開。
如圖9所示，熱交換器14可互連至類似結(jié)構(gòu)的熱交換器。熱交換器14互連至類似結(jié)構(gòu)的熱交換器13和熱交換器15。類似于水的流體流過第一流體入口200從熱交換器13流到熱交換器14。然后水流過熱交換器14的整個長度，從第一流體出口204(如圖1所示)流出，經(jīng)過第二流體入口288流到熱交換器15，所述第二流體入口288與熱交換器14的第一流體出口204連通。然后水通過熱交換器15的第二套管280內(nèi)部的第二流體容積284而流過熱交換器15的第二套管280并最終流出第二流體出口292。這樣，流體可經(jīng)過平行或串聯(lián)回路內(nèi)的多個熱交換器從而與罩在每一熱交換器中的管圈無流體混合地進(jìn)行熱交換。
如圖10中所示，為了增強(qiáng)熱交換，導(dǎo)熱元件226設(shè)在如上所述形成的容積222中。導(dǎo)熱元件226包括一片金屬件，例如銅，其具有沿著F1方向的第一螺旋230。第一熱交換管18和第二熱交換管34在箭頭F2的方向螺旋盤繞，該方向與箭頭F1的方向相反。通過將導(dǎo)熱元件226布置在容積222中并且該元件以這種方式螺旋盤繞，促進(jìn)了在套管16內(nèi)的流體的湍流從而改善了流體套管16與在第一熱交換管18和第二熱交換管34中的流體的熱交換。
如圖8，11和12中所示多管，所述如圖12中所示的三管，如圖11中所示的四管，和如圖8中所示的六管可被互相盤繞從而在各管內(nèi)流體彼此不混合的情況下允許多種流體的熱交換。在圖8，11和12中示出的每一熱交換器可通過前述方式加工。如圖8中所示，這些多管可互相盤繞使得第一熱交換管18的第一匝22與第二熱交換管34的第二匝38鄰近，第二匝38鄰近于第三管240的第三匝244，第三匝244鄰近于第四管248的第四匝252，第四匝252鄰近于第五管256的第五匝258，第五匝258最后鄰近于第六管260的第六匝264。如所知的，可以調(diào)節(jié)螺旋的緊密度，管的長度，管的數(shù)量，管的直徑還有這些管的螺旋的角度來實(shí)現(xiàn)所給出的熱交換任務(wù)的特定需求。
因此，前述說明在于示例而不是限制?？筛鶕?jù)上述教導(dǎo)對本發(fā)明作出許多修改和變化。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)公開。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到某些修改可在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，在附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以與具體描述的不一樣的方式實(shí)踐。為此必須研究下列權(quán)利要求以確定本發(fā)明的真實(shí)范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，包括用于輸送流體的第一熱導(dǎo)管；用于輸送流體的第二熱導(dǎo)管；并且其中所述第一熱導(dǎo)管形成第一匝而所述第二熱導(dǎo)管形成第二匝，所述第一匝鄰近所述第二匝。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述第一匝接觸所述第二匝。
3.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述第一匝和所述第二匝繞著相同軸線盤繞。
4.如權(quán)利要求2所述的熱交換器，其中所述第一匝和所述第二匝繞著所述相同軸線沿著相對所述相同軸線的大致相同的角度進(jìn)行盤繞。
5.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，包括具有第三匝的第三熱導(dǎo)管，所述第三匝與所述第一匝和第二匝中的至少一個鄰近。
6.如權(quán)利要求5所述的熱交換器，其中所述第三匝繞著與所述第一匝和第二匝相同的軸線以大致相同的角度進(jìn)行盤繞。
7.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，包括將所述第一匝和第二匝罩住的套管。
8.如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其中套管包括第三管，所述套管具有流體入口和流體出口。
9.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中在所述第一匝和第二匝之內(nèi)形成容積。
10.如權(quán)利要求9所述的熱交換器，包括設(shè)在所述容積中的導(dǎo)熱元件。
11.如權(quán)利要求10所述的熱交換器，其中所述導(dǎo)熱元件具有第一螺旋并且所述第一匝和所述第二匝形成第二螺旋，所述第一螺旋在第一方向螺旋盤繞而所述第二螺旋在與所述第一方向相反的第二方向螺旋盤繞。
12.一種熱交換器包括用于輸送流體的第一熱導(dǎo)管，所述第一熱導(dǎo)管形成第一匝；用于輸送流體的第二熱導(dǎo)管，所述第二熱導(dǎo)管形成第二匝；其中所述第一匝鄰近所述第二匝，所述第一匝與所述第二匝繞著相同的軸線盤繞；以及用于將所述第一匝和所述第二匝罩住的套管，所述套管繞著所述第一匝和所述第二匝形成流體容積。
13.如權(quán)利要求12所述的熱交換器，其中所述套管具有第一流體入口和第一流體出口。
14.如權(quán)利要求13所述的熱交換器，包括具有第二流體容積的第二套管，所述第二套管具有第二流體入口和第二流體出口，其中所述第一流體出口與所述第二流體入口流體連通。
15.一種制造多管熱交換器的方法，包括有步驟a)繞軸線盤繞第一熱交換管形成第一匝；b)繞軸線盤繞第二熱交換管形成第二匝；以及c)將第一熱交換管與第二熱交換管互相盤繞，使得第一匝沿著軸線鄰近第二匝。
16.如權(quán)利要求15所述的制造多管熱交換器的方法，其中第一熱交換管具有第一旋轉(zhuǎn)自由部分和第一固定部分，并且第二熱交換管具有第二旋轉(zhuǎn)自由部分和第二固定部分，第一旋轉(zhuǎn)自由部分和第二旋轉(zhuǎn)自由部分繞著軸線自由盤繞而第一固定部分和第二固定部分被固定而不繞軸線盤繞。
17.如權(quán)利要求16所述的制造多管熱交換器的方法，包括有步驟d)將第一旋轉(zhuǎn)自由部分和第二旋轉(zhuǎn)自由部分緊固到夾具上；以及e)旋轉(zhuǎn)夾具從而將第一熱交換管與第二熱交換管互相盤繞。
18.如權(quán)利要求15所述的制造多管熱交換器的方法，包括下述步驟f)沿著軸向?qū)蚣P繞第一熱交換管和第二熱交換管，該軸向?qū)蚣刂S線延伸。
19.如權(quán)利要求18所述的制造多管熱交換器的方法，包括下述步驟g)去除軸向?qū)蚣⒂玫谌裏峤粨Q管替換軸向?qū)蚣?br> 20.如權(quán)利要求18所述的制造多管熱交換器的方法，其中軸向?qū)蚣哂新菪庑?，第一熱交換管的第一匝和第二熱交換管的第二匝盤繞在該導(dǎo)向件上。
全文摘要
一種熱交換器，具有用于傳輸流體的第一熱導(dǎo)管和用于傳輸流體的第二熱導(dǎo)管。第一熱導(dǎo)管形成第一匝而第二熱導(dǎo)管形成第二匝。第一匝鄰近第二匝。
文檔編號B21D53/06GK1882816SQ200480034300
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月19日
發(fā)明者Y·K·帕克, G·D·溫奇, W·A·里烏 申請人:開利公司