專利名稱：熱交換器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種熱交換器，更特別地但不排他地涉及一種構(gòu)造為提供流體沿螺旋狀通道的勻速流動和最大限度傳熱的殼-管熱交換器。
背景技術(shù)：
為了通過熱交換和/或發(fā)熱裝置實現(xiàn)最大產(chǎn)出而長期努力的主要目標是要達到下列各項更高的傳熱效率；更低的壓力下降；增強的性能；有效的防振保護；以及減少的安裝與維修費用。
無論是海上開采、精煉、電力、石化還是造紙和食品工業(yè)，熱交換器通常都是以上列舉各項的核心部分。多種熱交換器構(gòu)造為人所公知并且投入到各種應用中。廣泛使用的熱交換器構(gòu)造之一——圖1中的殼-管熱交換器包括覆蓋著一束平行導管12的圓柱形外殼10，該平行導管12在兩個端面板14之間伸展從而使第一流體16通過導管12。其間，第二流體18流入并穿過兩個端面板之間的空間以致與導管接觸。為了提供兩種流體間的改進的熱交換，第二流體18的流動由形成各個通道的中間擋板20限定，該中間擋板設置為使第二流體在穿過一個通道到下一通道時改變其方向。呈環(huán)形及圓盤形的擋板20垂直于外殼10的縱軸22安置來提供第二流體18的之字形流動24。
不利地，第二流體不得不沿外殼長度多次急劇地改變其流向。這導致第二流體動壓力的降低及其流速的不均勻，兩者相結(jié)合會對熱交換器的性能產(chǎn)生不利影響。
科學界早已意識到擋板相對于外殼縱軸的垂直位置是造成相對低的傳熱率/壓力下降率的主要原因。相互平行伸展并與外殼的縱軸成直角的相鄰擋板確定了具有由相鄰通道間的多個急轉(zhuǎn)彎的特征的交叉流動路線。熱交換器的效率可以通過減少擋板之間的間隔或窗口來提高。但是，減少窗口會導致沿著與外殼并列的擋板外緣的高流速，以及接近外殼中心的低流速。在由相鄰擋板界定的各段內(nèi)的不均勻流動分布造成大量漩渦、滯流區(qū)以及導管展寬的擴大/收縮，這會減少對流熱交換率。促成傳熱率下降的另一因素是通過第一流體的導管必須在距外殼一定的徑向距離處設置。因此，在外圍設置的導管周圍的交叉流動比在中心設置的導管周圍更快。
這樣，如上所述的傳統(tǒng)擋板裝置導致通過擋板-外殼及導管-擋板間隙的旁路流動。旁路流動使交叉流動傳熱減少而由顯著的速率變化所導致的流動分布不均增加了回流和死區(qū)內(nèi)的漩渦，由此在外殼側(cè)面上發(fā)生更高的堵塞率。這種流動分布不均導致外圍導管的高溫及腐蝕使得它們很快地損壞并因而減少了在熱交換過程中的作用。由于熱交換器的設計基于整個管束的每個導管在熱交換過程中的均勻分布，所以這些損壞的導管不能滿足此要求而應加以更換。與此更換相關(guān)的高費用使熱交換器的維修費用昂貴。
此外，由于通常長達24英尺的長管由為解決與不勻速相關(guān)的問題而被分別隔開一個很大距離的一連串擋板所支撐，因此傳統(tǒng)裝置可能會引起高的流動感生振動損失。由高的熱梯度及不均勻的交叉流動振動所帶來的危害是重大的。
因此，有必要來構(gòu)建可以達到以下目的的擋板裝置使對流熱交換率提高的通過外殼的均勻交叉流動；多個擋板相對于由擋板裝置或保持架所支撐的多個導管的實際定位的穩(wěn)定性和正確性；以及擋板裝置的簡易化安裝。

發(fā)明內(nèi)容
這些目的通過用一連串分隔開的扇形體擋板來取代傳統(tǒng)的弓形擋板加以實現(xiàn)，所述每一個扇形體擋板都傾斜于外殼的縱軸設置以在外殼側(cè)部上形成一個假擬螺旋形流動通道。本發(fā)明的構(gòu)造的優(yōu)點之一是傾斜設置的擋板起到了交叉流動的導向葉片的作用，該交叉流動沿著每個擋板的對邊具有十分均勻的速率因而避免了回流和漩渦。
因此，一連串傾斜擋板引導第二流體沿著螺旋狀的更為自然的流動通道流動，該流動通道提供十分均勻的流率和最小限度的泄流，而不是如上所述的傳統(tǒng)設計那樣壓制交叉流動。由于流速在每個擋板兩邊都十分均勻，所以穿過后者的壓力梯度是微小的。因此，沒有不合需要的泄流穿過或通過擋板，并且如理想設計的那樣，流動主要沿著朝向外殼內(nèi)壁并形成螺旋通道的最高點的擋板表面發(fā)生。因此，當?shù)诙黧w橫穿外殼的整體長度時的快慢取決于擋板相對于外殼縱軸的法線的角度時，流速保持不變。
此外，由于在流動傳輸件的膨脹和收縮中所消耗的流動能量是最小的，所以壓力損失僅是在傳統(tǒng)擋板的熱交換器中所測損失的一小部分。因此，螺旋式擋板結(jié)構(gòu)提供了更高的可用壓力下降到熱傳導的轉(zhuǎn)換。
依照本發(fā)明的一個方面，螺旋式擋板的扇形體為橢圓板的扇形部分。與外殼內(nèi)壁并列的橢圓形外表面的構(gòu)造提供了在它們之間的緊密的間隙，從而當具有螺旋式擋板的管束插入外殼時能夠最小限度的泄流。
為了確保多個擋板的相對位置及其相對于隨后通過這些擋板安裝的導管束的理想布置，本發(fā)明提供了連接一連串擋板的各種配置的加固件。依照一個實施例，縱向密封條定位焊接于相鄰擋板的擋板邊緣。作為選擇，間隔條可以橋接起構(gòu)造為固定間隔的擋板的連接桿。最后，每個擋板的徑向相對的側(cè)翼可以具有一個設置有圓孔的傾斜伸展的凸緣，這些導管橫穿所述圓孔，另外這些導管由形成在相鄰擋板的對邊的半圓孔而固定。
本發(fā)明的另一方面是提供包含形成了一個雙螺旋型式的兩列擋板的螺旋擋板裝置。這種構(gòu)造特別地有利于增加導管的長度，而并不影響流動的均勻速度。
本發(fā)明的構(gòu)造對于現(xiàn)有設備和基礎應用是同樣有利的。對于前者，本發(fā)明的構(gòu)造的優(yōu)點是有助于增加生產(chǎn)量而降低維修費用。當然，由于腐蝕和機械故障而需要更換的導管的百分率因漩渦或反混的消除而相當大地減小。對于基礎應用，本發(fā)明的構(gòu)造有助于減少劃分間隔、能量消耗及投入。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的殼-管熱交換器內(nèi)的擋板裝置，構(gòu)造為使不均勻的交叉流速最小化并使熱交換率最大化；本發(fā)明的另一目的是提供一種扇形體擋板，成型為使外殼內(nèi)側(cè)的擋板裝置之間的間隙減少到最小限度；本發(fā)明還有一個目的是提供一連串具有加固裝置的扇形體擋板，該加固裝置構(gòu)造為便于插入并確保導管在扇形體擋板內(nèi)的理想位置；本發(fā)明的另一目的是提供一種扇形體擋板的雙螺旋式裝置，構(gòu)造為提高防止流動引起的振動的集束性；此外，本發(fā)明還有一個目的是構(gòu)建能夠使雙螺旋式裝置的安裝有效的扇形體擋板。


結(jié)合附圖從以下描述中可以更容易地明了上述及其它目的、特征和優(yōu)點，在圖中圖1是傳統(tǒng)殼-管熱交換器中流動分布的概略圖；圖2是本發(fā)明的熱交換器的概略透視圖；圖3是擋板保持架的透視圖；圖4是四扇形擋板裝置的立面等矩圖；圖5是依照本發(fā)明所構(gòu)建的單塊擋板的視圖；圖6是顯示圖2的本發(fā)明的熱交換器的縱向密封條的立面?zhèn)纫晥D；圖7是顯示本發(fā)明的熱交換器的加固條的立面圖；圖8是依照本發(fā)明的另一實施例所構(gòu)建的本發(fā)明的扇形體擋板的立面圖；圖9是本發(fā)明的螺旋式扇形擋板裝置的雙螺旋構(gòu)造的示意圖。
具體實施例方式
參照圖2，本發(fā)明的螺旋擋板式熱交換器30由多個扇形體擋板32構(gòu)成，每一個擋板都相對于外殼34的縱軸A-A的法線N-N成角度λ放置。從而，扇形體擋板32(以下稱為擋板)引導外殼側(cè)面的交叉流動36成螺旋型式并處于擋板間減小的無支承管距中。這導致了具有可用壓力下降到熱傳導的有效轉(zhuǎn)換的外殼側(cè)面上的真實的交叉流動并且由于另一種流體穿過導管40的振動被最大限度地降低而減少了損害。這就使堵塞交叉流動36的死點不復存在，并且充分地排除了漩渦或反混的耗散能量。雖然如附圖中所示的擋板32是平直的，但是每個擋板的對邊都可以彎曲來引導沿著螺旋型式的交叉流動36。
如圖3和4中所示，擋板保持架26是以角度λ放置并由多個連接桿28互接在一起的連續(xù)擋板或扇形體擋板32組合成的，該擋板保持架26用來支撐多個導管40并用作交叉流動36的螺旋式導向。優(yōu)選地，保持架具有支承每個擋板于相應的理想角位的中央管38(見圖4)，該理想角位的特征為在連續(xù)擋板32的孔50之間成直線對準，這是在外殼內(nèi)有效地安置多個導管40所必需的。為了確保擋板32的正確角位并從而保證保持架26結(jié)構(gòu)的精確性，可以把每個擋板的頂端鉆成獨特的傾斜凹口42從而在沿中央管38放置擋板32時使其保持角度λ。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，如圖3和6中所示在擋板32之間安裝縱向密封條44進一步提高了保持架26的精確性。擋板32的形狀成形為具有彼此相對的擋板32的外周邊緣46的圓角端48。如果擋板保持無支承形式，那么最小的結(jié)構(gòu)不規(guī)則和流動負荷也會造成連續(xù)擋板的管孔50對準不好。用每一個都連接著相應一行平行擋板的密封條44對這些無支承的端部區(qū)48進行架接，改善了管孔50之間直線對準，并且在擋板理想位置的固定之外還慮及了導管40的有效安裝。
密封條44提供了簡單、有效和低成本的結(jié)構(gòu)，以確保相鄰擋板的正確位置以及共通于這些擋板的導管的可靠穩(wěn)固。有利地，密封條44設置于擋板的外緣46(見圖4、5)和外殼內(nèi)側(cè)之間的間隙內(nèi)以避免阻礙交叉流動并且它可以具有不同形狀包括多邊形或環(huán)形。每個密封條44都沿整個保持架26的長度連續(xù)延伸并點焊或定位焊接于圓角端48。
根據(jù)圖7中所示的實施例，可以通過橫跨連接桿28設置間隔條或加固板56，每個連接桿28都連接于相應的相鄰擋板32來獲得相鄰擋板之間的理想間隙，如圖3中更好地顯示出。這個加固裝置部分地具有與上面剛公布的實施例同樣的合理性并且允許擋板32的管孔50之間的理想對準。安裝加固板56所產(chǎn)生的另一優(yōu)點是慮及了共通于相鄰擋板32的導管80(圖3和9)的可靠接合。沿相鄰擋板的側(cè)翼54形成的半圓形凹口52(圖4、5)從兩邊嚙合共用管80。由板56加固以后，擋板32被傾斜地彼此相對繃緊從而形成于相鄰擋板上的凹口52穩(wěn)固地嚙合其間的導管80。
根據(jù)本發(fā)明的加固件的另外一個可供選擇的實施例，相鄰擋板32的端部區(qū)49可以由一個共通排管或多個排管來支持，如圖8中所示。特別地，擋板32的端部區(qū)49成型為具有至少一個孔60的外伸或擴展部件58。相鄰擋板的重疊部分58設置為孔60相對彼此對準并使管50穿過。由于不需要用另外的加固件來對準相鄰擋板，因此該實施例是特別有利的，如果像圖6和7所示使用另外的加固件，就會增加生產(chǎn)、安裝和維修費用。
依照這種殼-管構(gòu)型的熱交換器的構(gòu)造特征，每個擋板32都終止于距離外殼34的內(nèi)壁62(圖2)的一個徑向距離。按照慣例，擋板具有一個符合外殼圓拱的外周邊緣。如果擋板的外周邊緣附加成型于內(nèi)壁62的話，以角度λ設置圓形擋板必然會在外殼的圓形內(nèi)壁62與擋板的外周邊緣之間產(chǎn)生不均勻的間隙。因此，穿過不均勻間隙的交叉流動的速率也將是不均勻的。為了彌補這一缺點，本發(fā)明的擋板32，如圖4和5所示，每個都具有成型為橢圓表面的弓形部分的外周邊緣46，當以角度λ布置擋板32時它被均勻地從外殼的內(nèi)壁62隔開。
圖9顯示依照本發(fā)明所構(gòu)建的雙螺旋式擋板裝置90。增加了擋板32的數(shù)量，導管40的無支承跨距(圖3)減小了一半，但是并不影響交叉流動的速率，它仍保持充分的均勻。
增加擋板32的數(shù)量會由于間隔不足而使相鄰擋板在保持架26中的布置產(chǎn)生問題。如圖4和9中所示，第一螺旋96和第二螺旋98的擋板94和94′，每一個都分別具有以理想角度λ所鉆的孔100并且孔的尺寸適合為圍繞并沿中央管38(圖4)滑動。因此，圍繞中央管38轉(zhuǎn)動這些擋板要慮及它們的理想角位，并且當位置確定后，每個都具有一個帶凹口頂端42(圖4)的沿直徑相對的擋板92′和92，可以容易地沿著中央管38移動以避免阻礙擋板94和94′的頂端。
應該明白，對在此公布的實施例可以進行各種修改。因此，不應該把以上描述認作限制，而是僅作為優(yōu)選實施例的例證。本領域技術(shù)人員可以在附加于此的權(quán)利要求的范圍和本質(zhì)內(nèi)構(gòu)想其它的變更。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，包括具有一條縱軸并構(gòu)造為容納第一流體的外殼；和多個扇形體擋板，每一個擋板都與縱軸成一個角度安置于所述外殼上來引導第一流體以充分均勻的速率流入經(jīng)過所述外殼的螺旋形。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述角度不是直角。
3.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，每個扇形體擋板都具有相應的一對構(gòu)造為平直或彎曲的對邊，以及多個分隔開的孔，所述孔構(gòu)造為在扇形體擋板的理想位置上傳送第二流體的多個軸向延伸的導管橫穿所述孔。
4.如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，每個扇形體擋板的對邊在其間界定一個朝向外殼內(nèi)側(cè)并從外殼內(nèi)側(cè)間隔相同徑向距離的橢圓形外緣，從而當?shù)谝涣黧w在扇形體擋板的橢圓形外緣與外殼內(nèi)側(cè)之間以充分均勻的速率流動時，第一流體沿每個扇形體擋板的對邊產(chǎn)生充分均勻的壓力。
5.如權(quán)利要求4所述的熱交換器，還包括多個平行于外殼縱軸延伸的傾斜地隔開的密封條，每個密封條都橋接扇形體擋板的外緣以確保其理想位置，該理想位置中相鄰扇形體擋板的孔成直線對準，并且使接觸到第一流體的導管所產(chǎn)生的振動減小到最低限度。
6.如權(quán)利要求5所述的熱交換器，其特征在于，每個密封條都是具有多邊形或環(huán)形橫截面的連續(xù)桿并且固定于彼此平行成一排安置的連續(xù)扇形體擋板的外緣的端部區(qū)。
7.如權(quán)利要求4所述的熱交換器，還包括多個軸向延伸的連接桿，所述每個連接桿都穿過相應排的平行扇形體擋板的外緣的端部區(qū)，以及多個加固條，所述加固條在相鄰扇形體擋板的端部區(qū)之間連接相鄰連接桿來確保扇形體擋板的理想位置并減少振動。
8.如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，每個加固條都是固定于所連結(jié)的連接桿頂部的薄片。
9.如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，每個扇形體擋板的對邊都在其間界定一對側(cè)翼，所述每個側(cè)翼都形成有一排半圓孔，其中相鄰扇形體擋板的半圓孔設置為在理想位置嚙合共通于相鄰扇形體擋板的導管。
10.如權(quán)利要求4所述的熱交換器，其特征在于，每個扇形體擋板都具有一對從相應的外緣向彼此會聚的側(cè)翼，所述外緣具有分隔開的延伸端部，每一個端部都外伸于該對側(cè)翼的相應一個之外并且設置為在扇形體擋板的理想位置與相鄰扇形體擋板的延伸部分交疊。
11.如權(quán)利要求10所述的熱交換器，其特征在于，所述每個延伸端部都設有在扇形體擋板的理想位置與相鄰扇形體擋板的延伸部分的相應孔對準的多個孔中的至少一個，形成于相鄰擋板的延伸部分的孔中橫穿相應導管來確保扇形體擋板的理想位置。
12.如權(quán)利要求4所述的熱交換器，其特征在于，與縱軸成一個角度安裝以確定第一流體流動的第一螺旋形的多個扇形體擋板的每一個都具有相應的一對側(cè)翼，每對側(cè)翼從外緣會聚并形成一個頂端，該頂端終止于外殼的縱軸之上。
13.如權(quán)利要求12所述的熱交換器，其特征在于，所述扇形體擋板的每個頂端都具有一個相應的凹口，該凹口成型為符合居于外殼縱軸中心的中央管的外表面。
14.如權(quán)利要求12所述的熱交換器，還包括以一個角度安置于外殼內(nèi)來引導第一流體成螺旋形流動的其它多個扇形體擋板，其中所述熱交換器配置有減少連續(xù)扇形體擋板之間的導管的無支承跨距并保持第一流體流動的勻速速率的雙螺旋構(gòu)造。
15.如權(quán)利要求14所述的熱交換器，其特征在于，其它多個扇形體擋板的至少一部分中的每一個擋板都具有一個相應的頂端，所述頂端設置有使中央管橫穿的相應孔并構(gòu)造為使扇形體擋板可圍繞居于縱軸中心的中央管旋轉(zhuǎn)到理想位置。
16.一種殼-管式熱交換器，包括由第二流體傳送管束橫穿并構(gòu)造為引導第一流體沿螺旋線路穿過管束的一連串扇形體擋板，以及選擇性地連接第二流體傳送管束來使振動減少到最小限度并使其支持達到最大限度的加固件。
17.如權(quán)利要求16所述的殼-管式熱交換器，其特征在于，一連串的扇形體擋板形成第一流體的局部障礙并且每一個都具有一個橢圓形的外緣，用來使第一流體以均勻流動速率穿過設置在橢圓形邊緣和外殼內(nèi)側(cè)之間的間隙。
18.如權(quán)利要求16所述的殼-管式熱交換器，其特征在于，加固件構(gòu)造為連接至少兩個相鄰扇形體擋板的橢圓形外緣。
19.一種沿縱軸延伸的殼-管式熱交換器，包括第一列扇形體擋板和第二列扇形體擋板，它們形成一個雙螺旋式布置使第二流體傳送管束橫穿并且與縱軸成一個角度安置來引導第一流體以充分均勻的速率成螺旋形流動。
20.如權(quán)利要求19所述的殼-管式熱交換器，其特征在于，每個扇形體擋板都具有一個橢圓形的外周邊緣和兩個側(cè)翼，所述側(cè)翼從所述橢圓形的外緣朝向彼此會聚以形成一個頂端，該頂端設有一個傾斜的鉆孔從而在把第一列和第二列扇形體擋板相對固定之前，使每個扇形體擋板相對于縱軸以理想的連續(xù)方式進行角定位。
全文摘要
一種熱交換器，構(gòu)造為具有與外殼縱軸成一個角度安置的扇形體擋板，用來引導流體成螺旋形的交叉流動并保持交叉流動的充分均勻的速率。
文檔編號F28F9/22GK1584482SQ20031011968
公開日2005年2月23日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月20日
發(fā)明者巴希爾·I·馬斯特, 克里希南·S·丘納恩戈德, 文卡特斯瓦蘭·普什帕內(nèi)森 申請人:Abb路慕斯全球股份有限公司