專(zhuān)利名稱(chēng)：熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(dòng)和最大限度傳熱的殼-管熱交換器。
背景技術(shù)：
為了通過(guò)熱交換和/或發(fā)熱裝置實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)出而長(zhǎng)期努力的主要 目標(biāo)是要達(dá)到下列各項(xiàng) 更高的傳熱效率； 更低的壓力下降； 增強(qiáng)的性能； 有效的防振保護(hù)；以及 減少的安裝與維修費(fèi)用。
無(wú)論是海上開(kāi)釆、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(xiàng)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(yīng)用中。廣泛使用的熱交換器構(gòu)造之---圖1
中的殼-管熱交換器包括覆蓋著一束平行導(dǎo)管12的圓柱形外殼10，該 平行導(dǎo)管12在兩個(gè)端面板14之間伸展從而使第一流體16通過(guò)導(dǎo)管12。 其間，第二流體18流入并穿過(guò)兩個(gè)端面板之間的空間以致與導(dǎo)管接觸。 為了提供兩種流體間的改進(jìn)的熱交換，第二流體18的流動(dòng)由形成各個(gè) 通道的中間擋板20限定，該中間擋板設(shè)置為使第二流體在穿過(guò)一個(gè)通 道到下一通道時(shí)改變其方向。呈環(huán)形及圓盤(pán)形的擋板20垂直于外殼10 的縱軸22安置來(lái)提供第二流體18的之字形流動(dòng)24。不利地，第二流體不得不沿外殼長(zhǎng)度多次急劇地改變其流向。這 導(dǎo)致第二流體動(dòng)壓力的降低及其流速的不均勻，兩者相結(jié)合會(huì)對(duì)熱交 換器的性能產(chǎn)生不利影響。
科學(xué)界早已意識(shí)到擋板相對(duì)于外殼縱軸的垂直位置是造成相對(duì)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?fù)ǖ篱g的多個(gè)急轉(zhuǎn)彎的特征的交叉流 動(dòng)路線。熱交換器的效率可以通過(guò)減少擋板之間的間隔或窗口來(lái)提高。 但是，減少窗口會(huì)導(dǎo)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(dòng)分布 造成大量漩渦、滯流區(qū)以及導(dǎo)管展寬的擴(kuò)大/收縮，這會(huì)減少對(duì)流熱交 換率。促成傳熱率下降的另一因素是通過(guò)第一流體的導(dǎo)管必須在距外 殼一定的徑向距離處設(shè)置。因此，在外圍設(shè)置的導(dǎo)管周?chē)慕徊媪鲃?dòng) 比在中心設(shè)置的導(dǎo)管周?chē)臁?br>
這樣，如上所述的傳統(tǒng)擋板裝置導(dǎo)致通過(guò)擋板-外殼及導(dǎo)管-擋板間 隙的旁路流動(dòng)。旁路流動(dòng)使交叉流動(dòng)傳熱減少而由顯著的速率變化所 導(dǎo)致的流動(dòng)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(dòng)分布不均導(dǎo)致外圍導(dǎo)管的高溫及腐蝕使 得它們很快地?fù)p壞并因而減少了在熱交換過(guò)程中的作用。由于熱交換 器的設(shè)計(jì)基于整個(gè)管束的每個(gè)導(dǎo)管在熱交換過(guò)程中的均勻分布，所以 這些損壞的導(dǎo)管不能滿(mǎn)足此要求而應(yīng)加以更換。與此更換相關(guān)的高費(fèi) 用使熱交換器的維修費(fèi)用昂貴。
此外，由于通 常長(zhǎng)達(dá)24英尺的長(zhǎng)管由為解決與不勻速相關(guān)的問(wèn)題
而被分別隔開(kāi)一個(gè)很大距離的一連串擋板所支撐，因此傳統(tǒng)裝置可能 會(huì)引起高的流動(dòng)感生振動(dòng)損失。由高的熱梯度及不均勻的交叉流動(dòng)振 動(dòng)所帶來(lái)的危害是重大的。因此，有必要來(lái)構(gòu)建可以達(dá)到以下目的的擋板裝置 使對(duì)流熱交換率提高的通過(guò)外殼的均勻交叉流動(dòng)； 多個(gè)擋板相對(duì)于由擋板裝置或保持架所支撐的多個(gè)導(dǎo)管的實(shí)際定 位的穩(wěn)定性和正確性；以及 擋板裝置的簡(jiǎn)易化安裝。
發(fā)明內(nèi)容
這些目的通過(guò)用一連串分隔開(kāi)的扇形體擋板來(lái)取代傳統(tǒng)的弓形擋 板加以實(shí)現(xiàn)，所述每一個(gè)扇形體擋板都傾斜于外殼的縱軸設(shè)置以在外 殼側(cè)部上形成一個(gè)假擬螺旋形流動(dòng)通道。本發(fā)明的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)之一是 傾斜設(shè)置的擋板起到了交叉流動(dòng)的導(dǎo)向葉片的作用，該交叉流動(dòng)沿著 每個(gè)擋板的對(duì)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(dǎo)第二流體沿著螺旋狀的更為自然的流 動(dòng)通道流動(dòng)，該流動(dòng)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(shè)計(jì)那樣壓制交叉流動(dòng)。由于流速在每個(gè)擋板兩 邊都十分均勻，所以穿過(guò)后者的壓力梯度是微小的。因此，沒(méi)有不合 需要的泄流穿過(guò)或通過(guò)擋板，并且如理想設(shè)計(jì)的那樣，流動(dòng)主要沿著 朝向外殼內(nèi)壁并形成螺旋通道的最高點(diǎn)的擋板表面發(fā)生。因此，當(dāng)?shù)?二流體橫穿外殼的整體長(zhǎng)度時(shí)的快慢取決于擋板相對(duì)于外殼縱軸的法
線的角度時(shí)，流速保持不變。
此外，由于在流動(dòng)傳輸件的膨脹和收縮中所消耗的流動(dòng)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(cè)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(dǎo)的轉(zhuǎn) 換。
本發(fā)明提供了一種沿縱軸線延伸的殼-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，它們形成雙螺旋式布置，使第二流 體傳送管束橫穿并且與縱軸線成一個(gè)角度設(shè)置來(lái)引導(dǎo)第一流體以充分均勻的速率成螺旋形流動(dòng)，其中，每個(gè)扇形體擋板都具有一個(gè)橢圓形 的外緣和兩個(gè)側(cè)翼，所述兩個(gè)側(cè)翼從所述橢圓形的外緣朝向彼此會(huì)聚 以形成一個(gè)頂端，第一部分扇形體擋板的每一個(gè)的頂端設(shè)有傾斜鉆孔， 與所述第一部分扇形體擋板沿直徑相對(duì)的第二部分扇形體擋板的每一
個(gè)的頂端設(shè)有一個(gè)以不等于90°的角度成型的凹口，從而在把第一列 和第二列扇形體擋板相對(duì)固定之前，使每個(gè)扇形體擋板相對(duì)于縱軸線 以理想的連續(xù)方式進(jìn)行角定位。
這種構(gòu)造特別地有利于增加導(dǎo)管的長(zhǎng)度，而并不影響流動(dòng)的均勻 速度。
依照本發(fā)明的一個(gè)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(dāng)具有螺旋式擋板的管束插入外殼時(shí)能夠最小限度的泄 流。
為了確保多個(gè)擋板的相對(duì)位置及其相對(duì)于隨后通過(guò)這些擋板安裝 的導(dǎo)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(gè)實(shí)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(gè)擋板的徑向相對(duì)的側(cè)翼可以具有一個(gè)設(shè)置有圓孔的傾斜伸展的凸 緣，這些導(dǎo)管橫穿所述圓孔，另外這些導(dǎo)管由形成在相鄰擋板的對(duì)邊 的半圓孔而固定。
本發(fā)明的構(gòu)造對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備和基礎(chǔ)應(yīng)用是同樣有利的。對(duì)于前者， 本發(fā)明的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是有助于增加生產(chǎn)量而降低維修費(fèi)用。當(dāng)然，由 于腐蝕和機(jī)械故障而需要更換的導(dǎo)管的百分率因漩渦或反混的消除而 相當(dāng)大地減小。對(duì)于基礎(chǔ)應(yīng)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。
6因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)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(gè)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(dǎo)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(dòng)引起的振動(dòng)的集束性；
此外，本發(fā)明還有一個(gè)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(diǎn)，在圖中
圖1是傳統(tǒng)殼-管熱交換器中流動(dòng)分布的概略圖2是本發(fā)明的熱交換器的概略透視圖3是擋板保持架的透視圖4是四扇形擋板裝置的立面等矩圖5是依照本發(fā)明所構(gòu)建的單塊擋板的視圖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(shí)施例所構(gòu)建的本發(fā)明的扇形體擋板的 立面圖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(shí)施方式
參照?qǐng)D2，本發(fā)明的螺旋擋板式熱交換器30由多個(gè)扇形體擋板32 構(gòu)成，每一個(gè)擋板都相對(duì)于外殼34的縱軸A-A的法線N-N成角度入 放置。從而，扇形體擋板32 (以下稱(chēng)為擋板)引導(dǎo)外殼側(cè)面的交叉流 動(dòng)36成螺旋型式并處于擋板間減小的無(wú)支承管距中。這導(dǎo)致了具有可 用壓力下降到熱傳導(dǎo)的有效轉(zhuǎn)換的外殼側(cè)面上的真實(shí)的交叉流動(dòng)并且 由于另一種流體穿過(guò)導(dǎo)管40的振動(dòng)被最大限度地降低而減少了損害。 這就使堵塞交叉流動(dòng)36的死點(diǎn)不復(fù)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(gè)擋板 的對(duì)邊都可以彎曲來(lái)引導(dǎo)沿著螺旋型式的交叉流動(dòng)36。
如圖3和4中所示，擋板保持架26是以角度入放置并由多個(gè)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(lái)支撐多個(gè)導(dǎo)管40并用作交叉流動(dòng)36的螺旋式導(dǎo)向。優(yōu)選地， 保持架具有支承每個(gè)擋板于相應(yīng)的理想角位的中央管38 (見(jiàn)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(duì)準(zhǔn)，這是在 外殼內(nèi)有效地安置多個(gè)導(dǎo)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(gè)擋板的頂端鉆成獨(dú) 特的傾斜凹口 42從而在沿中央管38放置擋板32時(shí)使其保持角度入。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)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(jìn)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(duì)的擋板32的外周邊緣46的圓角端48。如果擋板保持 無(wú)支承形式，那么最小的結(jié)構(gòu)不規(guī)則和流動(dòng)負(fù)荷也會(huì)造成連續(xù)擋板的 管孔50對(duì)準(zhǔn)不好。用每一個(gè)都連接著相應(yīng)一行平行擋板的密封條44 對(duì)這些無(wú)支承的端部區(qū)48進(jìn)行架接，改善了管孔50之間直線對(duì)準(zhǔn)， 并且在擋板理想位置的固定之外還慮及了導(dǎo)管40的有效安裝。
密封條44提供了簡(jiǎn)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(dǎo)管的可靠穩(wěn)固。有利地，密封條44 設(shè)置于擋板的外緣46 (見(jiàn)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(dòng)并且它可以具有不同形狀包括多邊形或環(huán)形。每個(gè)密封條
44都沿整個(gè)保持架26的長(zhǎng)度連續(xù)延伸并點(diǎn)焊或定位焊接于圓角端48。
根據(jù)圖7中所示的實(shí)施例，可以通過(guò)橫跨連接桿28設(shè)置間隔條或 加固板56，每個(gè)連接桿28都連接于相應(yīng)的相鄰擋板32來(lái)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(gè)加固裝置部分地具 有與上面剛公布的實(shí)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(duì)準(zhǔn)。安裝加固板56所產(chǎn)生的另一優(yōu)點(diǎn)是慮及了共通于相鄰 擋板32的導(dǎo)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(duì)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(dǎo)管80。
根據(jù)本發(fā)明的加固件的另外一個(gè)可供選擇的實(shí)施例，相鄰擋板32 的端部區(qū)49可以由一個(gè)共通排管或多個(gè)排管來(lái)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(gè)孔60的外伸或擴(kuò)展 部件58。相鄰擋板的重疊部分58設(shè)置為孔60相對(duì)彼此對(duì)準(zhǔn)并使管50 穿過(guò)。由于不需要用另外的加固件來(lái)對(duì)準(zhǔn)相鄰擋板，因此該實(shí)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(huì)增加生產(chǎn)、 安裝和維修費(fèi)用。
依照這種殼-管構(gòu)型的熱交換器的構(gòu)造特征，每個(gè)擋板32都終止 于距離外殼34的內(nèi)壁62 (圖2)的一個(gè)徑向距離。按照慣例，擋板具 有一個(gè)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(huà)，以角度A設(shè)置圓形擋板必然會(huì)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(guò)不均勻間隙的交叉 流動(dòng)的速率也將是不均勻的。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，本發(fā)明的擋板32, 如圖4和5所示，每個(gè)都具有成型為橢圓表面的弓形部分的外周邊緣 46，當(dāng)以角度入布置擋板32時(shí)它被均勻地從外殼的內(nèi)壁62隔開(kāi)。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(dǎo)管40的無(wú)支承跨距(圖3)減小了一半，但是并不影響 交叉流動(dòng)的速率，它仍保持充分的均勻。
增加擋板32的數(shù)量會(huì)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(wèn)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(gè)都分別具有以理想角度入所鉆的孔100并且孔 的尺寸適合為圍繞并沿中央管38 (圖4)滑動(dòng)。因此，圍繞中央管38 轉(zhuǎn)動(dòng)這些擋板要慮及它們的理想角位，并且當(dāng)位置確定后，每個(gè)都具 有一個(gè)帶凹口頂端42 (圖4)的沿直徑相對(duì)的擋板92'和92，可以容 易地沿著中央管38移動(dòng)以避免阻礙擋板94和94 '的頂端。
應(yīng)該明白，對(duì)在此公布的實(shí)施例可以進(jìn)行各種修改。因此，不應(yīng) 該把以上描述認(rèn)作限制，而是僅作為優(yōu)選實(shí)施例的例證。本領(lǐng)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
1.一種沿縱軸線延伸的殼-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，它們形成雙螺旋式布置，使第二流體傳送管束橫穿并且與縱軸線成一個(gè)角度設(shè)置來(lái)引導(dǎo)第一流體以充分均勻的速率成螺旋形流動(dòng)，其中，每個(gè)扇形體擋板都具有一個(gè)橢圓形的外緣和兩個(gè)側(cè)翼，所述兩個(gè)側(cè)翼從所述橢圓形的外緣朝向彼此會(huì)聚以形成一個(gè)頂端，第一部分扇形體擋板的每一個(gè)的頂端設(shè)有傾斜鉆孔，與所述第一部分扇形體擋板沿直徑相對(duì)的第二部分扇形體擋板的每一個(gè)的頂端設(shè)有一個(gè)以不等于90°的角度成型的凹口，從而在把第一列和第二列扇形體擋板相對(duì)固定之前，使每個(gè)扇形體擋板相對(duì)于縱軸線以理想的連續(xù)方式進(jìn)行角定位。
全文摘要
一種沿縱軸線延伸的殼-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，它們形成雙螺旋式布置，使第二流體傳送管束橫穿并且與縱軸線成一個(gè)角度設(shè)置來(lái)引導(dǎo)第一流體以充分均勻的速率成螺旋形流動(dòng)，其中，每個(gè)扇形體擋板都具有一個(gè)橢圓形的外緣和兩個(gè)側(cè)翼，所述側(cè)翼從所述橢圓形的外緣朝向彼此會(huì)聚以形成一個(gè)頂端，第一部分扇形體擋板的每一個(gè)的頂端設(shè)有傾斜鉆孔，與所述第一部分扇形體擋板沿直徑相對(duì)的第二部分扇形體擋板的每一個(gè)的頂端設(shè)有一個(gè)以不等于90°的角度成型的凹口，從而在把第一列和第二列扇形體擋板相對(duì)固定之前，使每個(gè)扇形體擋板相對(duì)于縱軸線以理想的連續(xù)方式進(jìn)行角定位。
文檔編號(hào)F28D7/16GK101598509SQ200910126848
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月20日
發(fā)明者克里希南·S·丘納恩戈德, 巴希爾·I·馬斯特, 文卡特斯瓦蘭·普什帕內(nèi)森 申請(qǐng)人:路慕斯技術(shù)有限公司