用于管殼式熱交換器的管束和構(gòu)造所述管束的方法
【專利說明】用于管殼式熱交換器的管束和構(gòu)造所述管束的方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明主要涉及管殼式熱交換器并且，更特別地，涉及用于這種熱交換器的管束和其組裝和使用方法。
[0003]管殼式熱交換器用于多種應(yīng)用以引起流體流之間的熱交換。在這些熱交換器中，被稱為管側(cè)流體的第一流體通過管束中細(xì)長的管，所述管束容納在通常為圓柱形的殼內(nèi)。大量的管被包括在管束中并且它們以彼此平行和間隔開的關(guān)系延伸。所述管在其相反末端固定于基本上平面的頭部板，所述頭部板也稱為管板。第二流體，通常稱為殼側(cè)流體，在殼內(nèi)圍繞管的開放空間內(nèi)流動并且經(jīng)歷與在管內(nèi)流動的第一流體流的熱交換。
[0004]管殼式熱交換器以不同的已知方式構(gòu)造，以在管側(cè)流體和殼側(cè)流體之間提供所需的流動排列。例如，在單通路管和單通路殼排列中，使用直管并且用于管側(cè)流體流的入口管嘴和出口管嘴位于熱交換器的相反末端。用于殼側(cè)流體的入口和出口管嘴同樣位于熱交換器的相反末端。在這種排列中，流體流的流動可以順流或逆流。在順流流動中，用于管側(cè)流體和殼側(cè)流體的入口管嘴都位于熱交換器的相同末端并且用于流體的出口管嘴位于熱交換器的相反末端。然后管側(cè)和殼側(cè)流體在熱交換器的相同末端進(jìn)入，沿其長度流動，并在熱交換器的相反端流出。在逆流流動中，用于流體的入口管嘴位于熱交換器的相反末端并且出口管嘴同樣位于熱交換器的相反末端。然后流體進(jìn)入熱交換器的相反末端，以相反方向沿其長度流動，并在熱交換器的相反末端流出。
[0005]在另一種流動排列中，使用U-形管替代直管并且用于管側(cè)流體的入口和出口管嘴位于熱交換器的相同末端。管側(cè)流體沿各個U-形管的一個臂(leg)流動并且然后倒轉(zhuǎn)方向，并且沿U-形管的另一臂流回。在該排列中用于殼側(cè)流體的入口和出口管嘴都可以位于熱交換器的與用于管側(cè)流體的入口和出口管嘴相同的末端，在該情況下，縱向擋板設(shè)置在U-形管的臂之間，形成分開的流動路徑，其允許縱向擋板一側(cè)的殼側(cè)流體以一個方向流動，之后倒轉(zhuǎn)并沿縱向擋板的另一側(cè)以相反方向流動。
[0006]備選地，用于殼側(cè)流體的入口和出口管嘴可以位于殼的相反末端，從而殼側(cè)流體僅以一個方向沿?zé)峤粨Q器的長度流動。常規(guī)使用其他多通路殼和多通路管排列并且進(jìn)一步在管式換熱器制造商協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)(the Standards of the Tubular ExchangerManufacturers Associat1n)中定義，所述標(biāo)準(zhǔn)通過引用以其整體并入本文。
[0007]在很多應(yīng)用中，管束中的管穿過沿管束的縱向長度間隔開的擋板而給管提供結(jié)構(gòu)支持并且因此減少管的下彎和震動。各個擋板還用于使殼側(cè)流體的流動轉(zhuǎn)向，從而促使其交叉流動而不是沿管流動，以用管側(cè)流體獲得更好的熱傳遞。擋板通常是單或雙部分切割的擋板的形式，在這種形式中擋板的四分之一圓或其他區(qū)域開放以允許殼側(cè)流體通過；或盤和多納圈(donut)擋板形式，在這種形式中殼側(cè)流體流過圍繞盤擋板的環(huán)形區(qū)域和流過多納圈擋板的中間開口。
[0008]在管束的初始組裝過程中，系桿通常焊接于擋板以形成籠裝結(jié)構(gòu)，其中擋板以間隔開的關(guān)系固定。設(shè)置各個擋板的旋轉(zhuǎn)方向，以使得擋板中的孔(管通過其插入)縱向?qū)R。因?yàn)樗隹變H稍大于管以減少流體通過孔的滲漏，所以孔的縱向?qū)R必須在緊密度容限內(nèi)。一旦管通過擋板中的孔插入，管的末端固定于一個或多個管板以形成完整的管束。
[0009]常規(guī)管殼式熱交換器中的管板通常由高強(qiáng)度金屬或金屬合金形成并且具有遠(yuǎn)大于殼的厚度以承受熱交換器內(nèi)的操作壓力和補(bǔ)償由大量接納管板中管的孔所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)弱化。管板的制造是時間密集型過程，因?yàn)榭淄ǔ１仨毞謩e鉆穿管板厚度。鉆孔操作產(chǎn)生圓形橫截面的孔，從而將管限制于具有相同圓形橫截面的那些。盡管當(dāng)時用具有橢圓或其他非圓形橫截面的管時，可以獲得更好的熱交換，但是迄今，管板中孔的圓形橫截面阻礙了具有橢圓、長圓形、卵形或蛋形橫截面的管在管殼式熱交換器中的應(yīng)用。
[0010]發(fā)明概述
[0011]在一個方面，本發(fā)明涉及用于管殼式熱交換器的管束。所述管束包括多個中空、細(xì)長的管，所述多個中空、細(xì)長的管以預(yù)選模式中彼此平行和間隔開的關(guān)系延伸，各個管具有第一末端，所述第一末端用于在管內(nèi)沿管的縱向長度流動的第一流體的進(jìn)入，和相反的第二末端，所述第二末端用于第一流體流出管，以及具有在第一和第二末端之間的中間部分。各個管的中間部分具有扁圓形的橫截面。在一個實(shí)施方案中，所述扁圓形具有一個對稱軸。在另一個實(shí)施方案中，所述扁圓形具有兩個對稱軸，其中一個軸短于另一個。所述管束還包括第一管板和多個擋板，所述第一管板具有孔，管的第一末端延伸入其中并緊固，所述多個擋板位于沿管的縱向長度間隔開的位置，用于支撐管和引導(dǎo)所述管外部的第二流體的流動。各個擋板具有用于流體通路的挖去部分和多個開口，所述管中的至少一些通過所述開口插入。擋板中相鄰擋板的挖去部分圍繞所述管束的中心縱軸旋轉(zhuǎn)錯開。各個管的中間部分是各個管縱向長度的至少大部分，各個管長度的至少75%，各個管長度的至少90%，或各個管長度的至少95%。在一個實(shí)施方案中，管的第一和第二末端具有圓形橫截面，其中第二末端的直徑小于第一末端的直徑，并且等于或小于各個管中間部分的短對稱軸的長度。
[0012]在另一個方面，本發(fā)明涉及如上文所述設(shè)置管束的管殼式熱交換器。
[0013]在另外一個的方面，本發(fā)明涉及組裝上文所述管板的方法。所述組裝方法包括以下步驟:設(shè)置具有圓形橫截面的管的第一和第二末端，和設(shè)置所述第二末端，使得所述第二末端的直徑小于管中間部分的所述短對稱軸的長度。所述組裝方法還包括將擋板彼此間隔開所需預(yù)選距離并且它們的開口對齊，將系桿固定于擋板以將擋板以它們彼此間隔開和旋轉(zhuǎn)的關(guān)系緊固，通過各個擋板中對齊的開口插入各個管的第二末端，將各個管的第一末端固定在第一管板的孔中，和將各個管的第二末端固定在第一管板或第二管板的其它孔中。
[0014]附圖簡述
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案制造的熱交換器從一個末端的透視圖，其中熱交換器的殼部分脫離以顯示內(nèi)部管束；
[0016]圖2是從相反末端獲取的圖1中顯示的熱交換器的透視圖；
[0017]圖3是熱交換器的放大的片斷透視圖，其顯示管束的末端部分；
[0018]圖4是放大的片斷透視圖，說明通過經(jīng)擋板中的開口插入各個管來組裝管束的過程;
[0019]圖5是以垂直剖面獲取的熱交換器側(cè)視圖；
[0020]圖6是沿圖5中線6-6以垂直剖面獲得的放大的片斷端視圖，顯示通過擋板之一的一部分插入的管和系桿；
[0021]圖7是管之一的片斷端視圖；
[0022]圖8是從圖7中所示管的一個末端獲取的正視圖；
[0023]圖9是管的相反端獲取的正視圖；和
[0024]圖10是用于計算管的部分的橢圓橫截面的變量的說明。
[0025]詳細(xì)描述
[0026]現(xiàn)在更詳細(xì)地轉(zhuǎn)向附圖并且首先是圖1-5，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的熱交換器廣泛地由數(shù)字10表示。熱交換器10是管殼式熱交換器并且包括細(xì)長的殼12，所述細(xì)長的殼具有前端14、相反端16和開放內(nèi)部容積18。所述殼12通常是圓柱形構(gòu)型，但是可以使用其它形狀。所述殼12由通常對殼12內(nèi)的流體惰性并且能夠在熱交換器10的操作過程中承受殼12內(nèi)的壓力和溫度的金屬、聚合物或其它材料形成。
[0027]入口管嘴20從殼12前端14延伸，用于將殼側(cè)流體引入殼12的內(nèi)部容積18。出口管嘴22從殼12延伸，用于將殼側(cè)流體移出殼12的內(nèi)部容積18。在一個實(shí)施方案中，出口管嘴22位于與殼12入口管嘴20所處的前端14相反的端16。在另一個實(shí)施方案中，所述出口管嘴22與入