專利名稱：用于泄漏敏感應用的雙壁軸流式電加熱器的制作方法
用于泄漏敏感應用的雙壁軸流式電加熱器本發明一般涉及電加熱流體的領域，更具體地說，涉及用于泄漏敏感應用的雙壁軸流式電加熱器。定義以下提供本發明某些術語的定義“加熱棒”為在模鍛式金屬護套中的組裝加熱器，把所述加熱棒插入保護管中。所述組裝加熱器包括三個區，即從冷接點(cold junction)向外延伸的具有低熱輸出的引線區、包括純加熱器(heater proper)的具有高熱輸出的第二區、和包括冷趾(cold toe)的具有低熱輸出的第三區。“拉桿”包括多條用于將擋板組件固定在一起的長的金屬棒。將拉桿的一端螺紋穿入管板，拉桿的另一端例如由螺母固定。所述擋板具有與拉桿位置匹配的孔，所述擋板在拉 桿上面滑動并使用在擋板之間的隔板(spacer)被縱向地定位。“隔板”為將與拉桿連接的擋板分開的裝置。所述隔板通常為管，所述管的直徑大于在擋板中適合通過拉桿的孔。拉桿壓縮擋板和隔板構成的組件以固定所述組件和防止振動(chatter)。由于隔板的兩端均壓緊在擋板或管板上，所以很少流體會流入隔板內。因此隔板可以用來阻止流體流入換熱器的某些區域。在本文所述的實施例中，隔板被用作此目的以及用于將擋板分開。因此，隔板的截面形狀可與常用的管不同，為流動區域中流體提供所需的形狀。“保護管”為插入加熱器殼體中的管，將加熱棒與在殼體中的流體分開。“套管”為位于加熱棒周圍的裝置，所述套管強迫流體流入具有長度/間隙比例大的間隙中以平整流體的流動。“引線”為從加熱器外導電至純加熱器的電線，大部分的熱能由純加熱器產生。“冷接點”為引線與純加熱器中的加熱線圈之間的接合點。“純加熱器”是指設計成主要熱源的加熱器的一段，通常由高電阻加熱線或線圈組成。純加熱器位于冷趾與冷接點之間。“冷趾”是與加熱引線隔開的部分，在那里，產生熱的線圈由低電阻電線的U型件彼此連接。這部分較所述純加熱器冷得多。“熱膨脹間隙”為允許加熱棒在保護管內的差熱膨脹的間隙。背景傳統上通過管殼式換熱器加熱氣體和流體，其中流過管子的熱流體或氣體提供熱，熱穿過管壁加熱流過換熱器但在管子外面的材料。殼體包含待加熱的流體或氣體，通常是圓柱形以提供良好的壓力屏障。在圓柱兩端的壓力屏障由管板提供，空心管被型鍛在所述管板中。然而，許多不同的設計也是可行的。當應用對泄漏敏感時，換熱器往往設有雙管板，在管板之間設有間隙，從而可以防止從管子到殼體的泄漏或反之亦然，且可以觀察到泄漏，從而可以在主要泄漏發生之前進行維修。作為替代方案，可以將加熱流體引入殼體中，而待加熱的流體可以流過管子的內部。當需要更高溫度時(較可以從蒸汽(諸如水蒸汽)所得到的溫度高)，或者當流體被用作流過管子的熱傳遞流體時，使用電加熱器代替所述管子。然而，與管殼式換熱器相比，電加熱器存在某些限制。至少使用兩種基本設計爐的設計，其中流體流過位于電加熱爐內的管子，或直接浸入式設計，其中流體在加熱棒上流動，所述加熱棒被直接插入到某種導管中。爐的設計的一個例子為輻射線圈爐(見Wellman的設計)，其中容納氣體的盤管通過電加熱元件加熱，其結果爐壁帶熱。該爐通常具有蓋子或端板，管道伸出所述蓋子或端板以與工藝的其余部分連接。當管道被加熱時，所述管道膨脹并移動。該爐通常不是氣密或具有額定壓力以允許管道移動和降低成本。第二個例子使用了諸如在美國專利US 7，318，735中所示的浸入式加熱器，其為帶凸緣的設計，其中將多個U型加熱元件與凸緣焊接，與電加熱器連接的電線從凸緣中的孔伸出。加熱元件束被放置在空管道內而被加熱的流體從管道的側部進入和離開。
如果管發生泄漏，這兩類設計會把材料釋放到大氣中，必須停機來進行維修。使用腐蝕性材料會增加泄漏的可能性許多腐蝕性材料也是有毒的，因而嚴重危害健康。盡管有泄漏的風險，但很多時候沒有泄漏檢測系統來警告操作員。腐蝕隨著溫度上升而迅速加劇，因而管上的任何熱點會腐蝕得更快。爐的設計導致管道存在一部盲區，所以管道的某些部分較其它部分熱。對于浸入式設計來說，一些區域的流動不暢順，因而無法除去熱而變成熱點。對于難以加熱的腐蝕性氣體這種情形尤其明顯。從美國專利US 7，318，735的圖I可以看出，流體從側部進入，因此必須轉向下并從出口流出。這種方向的轉變使在從橫流到軸流的轉移中產生低流動區域，所述低流動區域可以造成熱點。在‘735專利中沒有提出任何改善這轉移的機制。此外，電加熱器的特征在于每單位長度所發出的熱是恒定的，因而，如果不從加熱器的全部區域均勻地去除熱，可以發展成“熱點”。這種情況不會在管殼式換熱器出現，因為低熱傳遞的區域根本不傳遞熱，因此，熱點問題不是太嚴重。因而，不可能使用帶電加熱器的標準管殼式設計，因為典型的橫流擋板會產生熱點。也可以看出，一個加熱管或線的故障便需要將整個組件移除以修理該故障。如在美國專利US 7，318，735中所述，這使運作成本增加。然而，在美國專利US 7，318，735中所提出的解決方案也有缺陷，即必須將裝置關閉和拆除，在總管板(headerplate)上焊接。腐蝕性材料的另一個問題是它們通常具有不應該超過的上限溫度。因而限制了可于加熱器的熱端使用的通量。然而，由于加熱器通常具有單一通量，這意味著于冷端也有低通量，因而整體加熱器會更大。這問題的一個解決方案是可變的通量率，其中于冷端的通量較于熱端的高，但這種加熱器更昂貴且不容易得到。另一個缺點是沒有測量加熱器溫度的方法，使得當加熱器過熱時可以知道。有可能將個別的熱電偶套管穿過頂板，但這需要更多空間和板的額外穿透件，且每個熱電偶套管僅僅測量它與加熱器接觸的點。簡述本發明的實施例的目的包括(但不僅限于)通過降低泄漏的風險和通過預報的泄漏檢測來提供改進的安全性，擁有本發明的成本低，沿加熱器長度具有可變通量，減少可以加劇腐蝕速率的熱點，以及減少或消除加熱器的過熱。結合附圖并參閱以下的說明，本發明的其它目的和優點將顯而易見，其中，通過闡述和舉例公開了本發明的具體實施例。
根據本發明的較佳的實施例，揭示了用于泄漏敏感應用的雙壁軸流式電加熱器，其包括容納待加熱的泄漏敏感的流體的殼體，所述殼體具有至少一個用于管板的端連接，至少用于流體入口或出口的第一連接和第二連接，所述第一連接和第二連接可以是側連接或端連接，主管板和副管板，其中主管板與殼體的端連接連接，而副管板直接地或通過導管與主管板連接，至少一個在卡銷式保護管內的加熱棒，其中保護管的一端是一個封閉端，從而可以自由膨脹，而另一端則與主管板密封，加熱棒與副管板密封，以及至少一個流動轉向擋板，所述流動轉向擋板位于流體入口之后或流體出口之前。進一步泄漏保護包括在主管板與副管板之間的導管，所述導管被設計成承受過程壓力并提供壓力傳送器和警報器以接納穿過保護管的泄漏，以及當泄漏發生時提供警報。可以把裝置暫時停機進行緊急維修，按照管殼式換熱器的標準慣例把加熱棒移除和堵塞泄漏的保護管。更優選的是，各加熱棒個別地與副管板壓力密封，從而如果加熱棒故障，可以在使用中時移除或更換加熱棒，以及在保護管內和在加熱棒外具有高發射率涂層以加強它們之間的輻射轉移。通過將第二管束插入第一管束的相對端可以使成本進一步降低。通過增加或改變保護管的直徑可以得到可變通量的額外設計靈活性。可以將熱電偶套管插入加熱棒的中心或保護管中以直接測量于不同位置的加熱器溫度。
附圖簡介附圖構成本說明書的一部分且包括本發明的具體實施方案，具體實施方案可以各種形式來實施。應該理解到，為了有助于理解本發明，本發明的各方面在一些情況下可能擴大或放大顯示,其中圖I是結合本發明的技術特征的基本熱交換裝置的剖視示意圖，所述裝置具有一個管束，側入口和端出口 ；圖2是具有兩個管束，側入口和出口的延伸的實施例的剖視示意圖；圖3是闡述流體通過標準管殼式換熱器的流動路徑的剖視示意圖；圖4是闡述由流體通過標準管殼式換熱器的流動路徑造成的熱點的剖視示意圖，圖中該管已經由電加熱器取代；圖5是闡述軸流在電加熱器的管殼式換熱器中避免低流動區和熱點的截面示意圖；圖6是結合本發明的技術特征的包括轉向擋板的換熱器的截面圖；圖7是支撐保護管的輻射形擋板的截面圖；圖8是保護管布置的截面圖，圖中出示了軸流擋板和隔板；圖9是保護管布置的截面圖，圖中示出了軸流擋板和隔板，并使用隔板作為延伸的表面面積；
圖10是保護管布置的截面圖，圖中包括用作軸流擋板的大中心管；圖11是保護管布置的截面圖，圖中示出了使用方形排管，所述方形排管被軸流擋板包圍；
圖12是換熱器的部分的示意圖，圖中闡述通過對隔板和擋板進行輻射來提供延伸的熱傳遞區域；圖13是闡述通過改變保護管的直徑來提供可變通量的示意圖；圖14是闡述現有技術將被薄護套覆蓋的加熱棒焊接到支撐板中的截面圖；圖15是示出將加熱棒和保護管密封以使板分開的截面圖；圖16是插入式溫度傳感器的側視圖；圖17和圖18分別是帶由加熱線圈包圍的中心熱電偶套管的加熱棒的端視圖和縱視圖。詳述 雖然本文提供了較佳的實施例的說明，應當理解到，本發明可以各種形式實施。因此，不應將在本文揭示的具體細節解釋為限定，而應作為權利要求的基礎和教導本領域技術人員在任一適當具體系統、結構或以任何方式實際應用本發明的代表性基礎。圖I是本發明的基本實施例的原理的示意圖。上部分包括與在傳統管殼式換熱器中使用的雙管板類似的雙管板配置。因為只有一種流體被加熱，為了避免熱交換流體與被加熱流體之間的交叉污染，所述管板構成雙壁的頂部。次級保護由在主管板101之間的增壓室(plenUm)135構成，所述主管板通過帶凸緣的導管103與副管板102連接，所述帶凸緣的導管依次與副管板102焊接，并用螺栓104固定在主管板101上，所述螺栓還將該組件固定在殼體100上。導管134設有穿透件(penetration) 105和注入和吹掃連接件107,所述導管134通向泄漏檢測器106，所述泄漏檢測器可以是諸如壓力或溫度發送器、傳導率或密度檢測器或氣相色譜儀等不同的裝置之一。在傳統的帶雙管板的管殼式換熱器中，穿透件105僅僅為漏孔，且通過操作員注意到某物從所述孔滴下而完成泄漏檢測，這對于泄漏敏感應用是不能接受的。由主管板101，保護管108和與管密封128相連的管板提供主要保護。較佳地，使用標準換熱器的制造技術使保護管108膨脹進入主管板101中，最好還與主管板101密封焊接，進一步降低泄漏的風險。把電加熱棒109插入保護管108中，在它們之間有間隙空間110，所述間隙空間至少足以考慮到制造公差，差熱膨脹和由腐蝕引起的可能的厚度增加。加熱棒109通過在副管板102中的孔113穿過在絕緣塊112中的孔111，并通過個別的壓力密封件(pressure seals) 114,所述壓力密封件通過短管115焊接到副管板102。圖的壓力密封件是標準通孔低泄漏率壓緊接頭，例如由Swagelok或Parker制造的那些，并根據制造商的指示用套圈116將所述壓力密封件與加熱棒密封。其它的壓力密封件諸如凸緣和O型圈密封件也是可行的。加熱棒109可具有標準尺寸管的延伸件117，將延伸件焊接在實際的加熱棒上，可以改善密封部位的緊密連接。壓縮密封件是特別有利的，因為它具有低泄漏率和占用面積小的特點，要檢查時，可以把壓縮密封件打開和重用多次，當舊的加熱棒被更換之后，可以通過所述壓力密封件直接插入新的加熱棒。于加熱棒109的頂端設有通往導管120的密封件118，和延伸到接線盒121的絕緣電線束119。在工業應用上，實行時需要將在剛性或柔性的導管120中的電線封閉。其中所述電線束119還包括熱電偶引線，應當將所述熱電偶引線隔離以抵抗由電源電線產生的電磁場。將接線盒設置于側部，使得可以很容易地移除個別的加熱棒109和整個主管板101，以及帶保護管束108的副管板102。注入和吹掃連接件107用于對在主管板101和副管板102之間的充滿保溫材料的增壓室135加壓，以及用對結構材料和工藝流體123惰性的氣體122充滿所述管周圍的間隙空間110。如果發生泄漏而需要將換熱器的頂部打開時，也可以用氣體122變壓吹掃工藝流體(process fluid)123的增壓室135和間隙空間110。工藝流體123通過側入口進入并撞擊保護管108的兩側。流動箭頭124示出了使所述工藝流體向上轉向，到達殼體頂部的周圍，然后向下轉向以流入轉向擋板126的導流罩部分125。導流罩125的功能是在殼體頂部發生渦流之后平整流體的流動。在導流罩和保護管之間的間隙132使壓力下降，這有助于均勻分布所述流動。按照管殼式換熱器的標準慣例，擋板126由來自主管板的隔板(圖中未顯示)和隔離棒(圖中未顯示)支撐。在幾個位置設置額外的輻射形擋板127，所述輻射形擋板是帶非常開放結構的管狀支撐擋板，以減小保護管的振動，同時使對流動的干擾減至最小(如圖7所示)。流體流動箭頭124進一步示出工藝流體123的軸流往下到達換熱器，經過加熱器和保護管的端部133，然后從中心出口 129離開，已被加熱的工藝流體130繼續前往另外的導管(圖中未顯示)。另一種替代方案是提供側面出口，但是這需要另外的轉向擋板126以在沒有對軸流造成干擾的情況下使流體轉向到側面出口流出。該實施例的好處 在于加熱棒109和保護管108都是卡銷式(bayonet style)(即于下端部是無限制的),這意味著它們于底部可以自由膨脹，因此它們的熱膨脹不會把在管板上的張力推向管密封件128，已知在傳統管殼式換熱器中管密封件是最有可能發生泄漏的區域。圖2示出了第一和第二加熱器組件201，202的示意簡圖，每個加熱器組件的更多細節在圖I示出，底部加熱器組件202與頂部加熱器組件201反向設置。在這實施例中，流體210通過頂側面入口 203進入到頂部加熱器組件201，并通過中心出口 204離開，所述中心出口也是底部加熱器組件202的中心入口，并通過側面出口 205離開。在這實施例中，底部殼體206的直徑較頂部殼體207大，使得底部保護管208的直徑較頂部保護管209大。對于每線性英寸相同瓦(same watts per linear inch)來說,較大直徑的保護管208比較小直徑的管209具有較低的熱通量(瓦/平方英寸)。因此，這是在加熱器底部中具有較低通量的兩級加熱器的例子。為了標準化，在保護管208，209兩者中使用相同大小的加熱棒211是特別有利的。通過將側面出口 205連接到另外的加熱器的入口(圖中未顯示)以串聯的方式連接額外的加熱器也是可行的。圖3，圖4和圖5示出了流動的示意簡圖，示出電加熱管殼式換熱器的軸流的好處。圖3示出了典型的管殼式換熱器301。熱流體302流動通過入口管板303，往下流入管304并從底部管板305離開。冷的流體306從側面入口 307流入，橫過管304并由擋板308轉向以在通過側面出口 309離開前反復橫過管304。位置310所述流動由擋板308的阻擋作用逆轉，使位置310的流速非常低，因此熱傳遞也是非常低。不利的是，熱流體在這個位置沒有被冷卻，而未被交換的熱由所述流體帶到另一個熱交換的位置。因此，低流動點的存在導致熱傳遞損失。在這種類型的交換器中，主要的泄漏來源311是管板303，305和管304被加熱和膨脹時在管板303，305與管304之間的連接312。在圖4中，圖3的熱流體302由插入式加熱棒320取代，不需要底部管板305，保護管322由蓋327終止，使管322可以自由地膨脹，從而減小于管322和頂管板321之間的連接326泄漏的風險。低流動位置323與在圖3中的低流動位置310位置相同，但此時因為沒有熱流體攜帶熱，所以未被傳遞的電熱不會被向下帶到保護管322。因此，保護管322的低流動位置323可以形成熱點324。形成熱點是不希望有的，因為它們可以導致保護管322的腐蝕加劇，或使殼側流體325分解。因此，這些變化降低了于管板泄漏的風險，但增加了由于熱點而泄漏的風險。在圖5中，通過改變殼側流動路徑341和加熱棒342可以降低或消除由于熱點而泄漏的風險。冷的流體343從側面入口 344進入到由殼體346，頂管板347和轉向擋板348形成的腔室345。轉向擋板348使流體343改變其流動路徑341從初始的橫流變為軸流，如流動箭頭349所示。在轉向擋板348上面存在一些低流動區域350，但將加熱器改進成將“冷端”351定位在轉向擋板的頂部352下面使在所述轉向擋板上面存在未加熱區域。冷端351位于加熱引線353與純加熱器354之間的連接點。在底部轉向擋板355下面存在類似的低流動區域350，而將加熱棒342設計成具有低熱輸出的冷趾356在轉向擋板357的底部上面開始。在加熱棒358的端部和保護管359的端部之間設有熱膨脹間隙360，以當保護管359在加熱期間膨脹時防止加熱棒342與保護
管359接觸。圖6是流動的放大截面示意圖，圖中示出了把轉向擋板408插入換熱器401的殼體406中。冷的流體403從側面入口 404進入到由殼體406，頂管板407和轉向擋板408形成的腔室405中。轉向擋板408具有兩個元件，即擋板409和導流罩410，所述擋板基本上阻擋流體流入換熱器中，所述導流罩包圍保護管402并迫使流體403均勻地通過每個保護管402周圍的間隙414分布和加強流動使流動變成為軸向。導流罩410還保護保護管402免受入口流體403的交叉管流(cross-tube flow)，從而減小在管402上的可以引起振動的力。擋板409位于側面入口 404的底部下面以確保密封。導流罩410從擋板409延伸，最好延伸到側面入口 404的高度的大約50%的位置。冷端411位于導流罩的頂部下面，在那里開始軸流并具有良好的熱傳遞。因此，高的導流罩的好處在于有更多可用的加熱長度。另一方面，導流罩的頂部越接近頂管板407，用于流動轉向的空間越小，從而導致壓力下降和分布不均。通過有限的元件分析使用計算器來模擬流動，有助于在給定的流動條件下進行優化。為了有良好的流動分布和低振動，較佳的是入口直徑412與殼體直徑413大致相同。圖7示出了輻射形擋板127在管支撐結構中單孔502的截面示意詳圖。所述的管支撐結構是圖I所示的用于支撐輻射形擋板127的典型結構。通過三個短小突出部503將保護管501支撐在孔502的中心。短小突出部503的支撐防止管502的過度移動和振動。短小突出部503的細小尺寸為流體流動提供了大的流通區域504，因此得到低的壓力下降。圖8，圖9，圖10和圖11示出了幾種替代的保護管和縱流擋板的配置的截面示意圖。為了清晰起見，內部具有加熱棒的保護管沒有單獨地顯示，它們的組合由交叉線陰影圈表示。在圖8中，各個保護管601成三角形圖案布置，其中中央部分留有大致相等的間隙602，而在外圓周沒有足夠空間放置保護管的位置留有較大的間隙603。使用不同形狀的縱向擋板604填充這些較大間隙603，使間隙的大小更均勻。用固定在管板和檔板上的隔板605把擋板固定在位。在圖9中，各個保護管611也成較大的三角形圖案布置，其中中央部分留有大致相等的間隙612，而沿外圓周沒有足夠空間放置保護管的位置留有較大的間隙613。還使用相同形狀的縱向擋板614填充這些間隙，使間隙更均勻。同樣用固定在管板和檔板上的隔板615把擋板固定在位。還設有額外的隔板616以使保護管611之間的間隙更均勻和提供延伸的表面面積。熱的保護管611將熱輻射到隔板616，所述隔板然后還通過傳導和對流把流體617加熱。在圖10中，被定位在中間的大管子621由排列成環形的較小管子622包圍。如在圖8和圖9中，用相同形狀的縱向擋板624把在圓周的較大間隙623填充，使所述間隙更均勻。用固定在管板和檔板上的隔板625把擋板固定在位。還在管621，622之間的間隙中設置額外的隔板626以進一步減小所述間隙空間和提供延伸的表面面積。熱的保護管621，622將熱輻射到隔板626，所述隔板然后通過傳導和對流把流體628加熱。作為進一步的變型，可以將多個加熱棒放置在大保護管621中。
在圖11中，在換熱器的中心把保護管631布置成四方形圖案，在所述管之間具有均勻的間隙632。用單個大擋板634封堵在所述四方形陣列外面的大空白區域633，所述單個大擋板由截面擋板637和縱向擋板636組成，其完全包圍管631并用作額外的熱傳遞區域。如前面所述，用擋板634封堵以防止流體流過其中，擋板634由隔板635支撐。圖12示出了用于計算由擋板701和隔板702提供的延伸的表面面積的好處的輻射熱傳遞網絡的例子。扇形部分703表示與圖10類似的帶圓形截面的加熱器的對稱部分，用于減小計算在全截面中熱傳遞的時間。中心加熱器704和外部加熱器705封閉電加熱棒，所述電加熱棒將熱輻射到擋板701和隔板702。所有表面均由垂直于加熱器流動的流體706冷卻；因此隔板702和擋板701用作額外的表面面積并提高了整體的熱傳遞。圖13闡述了改變保護管801的直徑如何在沒有改變加熱棒802本身的線性熱輸出的情況下改變通量。加熱棒802的直徑803較保護管801的頂部直徑804小。由于所有來自加熱棒802的能量均通過保護管801流出，于保護管801的表面807的熱通量(即每單位面積的熱)與加熱棒和保護管的直徑之比成正比例。在膨脹部分805之后于保護管801的表面807的通量較低，因為保護管直徑于底部806較大。圖14是現有技術的單一加熱器901焊接到支撐板902的截面圖，圖中示出了現有技術的電加熱器用于加壓操作時在防止泄漏方面的一些缺點。待加熱的流體903包圍加熱器并通過薄金屬護套904與加熱器901的內部隔離，通過用于制造加熱器的模鍛技術(swaging technique)來確定所述薄金屬護套的厚度。在加熱器內的電線905由細微的礦物氧化物粉末906絕緣，所述礦物氧化物粉末的絕緣性能主要來自粒子之間的間隙。電線延伸穿過填充化合物柱塞907到達加熱器組件的外面。一旦在護套904中出現孔909，在護套外面的流體903可以流過孔909和絕緣材料中的間隙到達柱塞907，所述柱塞907不是壓力密封件，最終將會在壓力增加的情況下發生故障，使流體釋放到環境中，引致潛在的嚴重的健康和安全問題。由于加熱器護套904被焊接到支撐板902，當泄漏發生時需要把整個支撐板移除，將加熱器切斷并將新的加熱器焊接到組件中。因為這需要大量的工作，使用這現有技術的加熱器配置的人趨向容忍小量泄漏，希望在工廠停工的時間來到之前泄漏情況不會轉壞。雖然這種態度是可以理解的，它可能會導致災難性的故障和有毒物質的大量釋放。與之不同的是，圖15所示的組件加入了本發明的特征，圖中示出了在保護管1002內的單一加熱器1001的截面，保護管1002首先膨脹進入管板1004中的孔1003，然后被密封焊接。使用諸如由Swagelok制造那些通孔壓緊接頭1012將加熱器1001與分開的支撐板1005密封，所述壓緊接頭被焊接到支撐板1005。可以在低于外面的流體1007的壓力的情況下用流體1006填滿加熱器1001和保護管1002之間的間隙1010。如果形成了孔1008，外面的流體1007進入所述間隙并使內部的流體1006的壓力增加，并由壓力發送器1009立即檢測所述壓力增加。因此，操作員會知道那兒有一個孔，但操作員在泄漏到外面發生之前還有一些時間，由于加熱器的護套1011是后備的壓力屏障。操作員可以關機并把流體1007清除掉，安全地把加熱器打開，把加熱器支撐板1005和被固定的加熱器1001拿出來，按照管殼式換熱器的標準慣例找出泄漏的保護管和把它堵塞，因此把泄漏密封。然后可以通過打開壓緊接頭1012把放進有故障的保護管1002的加熱器1001移除，用標準的蓋把接頭配件1012密封(圖中未顯示)，重新安裝支撐板1005和加熱器1001，因而把換熱器放回以進行操作，雖然于稍為低的功率進行操作，因為少了一個加熱器。這較移除支撐板，切掉故障的加熱器和重新焊接新的加熱器快得多，且所有步驟均可以在不需要焊接設備的情況下于換熱器就地完成，焊接設備可能會導致失火或爆炸并被嚴格限制使用。更常見的問題是在加熱棒1001本身會發生接地短路，這些故障可以很容易地通過在外面測試引線而被檢測得到。因為操作員知道保護管1002是完好的(因為壓力變送器1009示出了低壓力)，可以很容易地取出壓緊接頭1012，移除舊的加熱器1001并用新的加熱器取代，接著把壓緊接頭1012再密封。
圖16至圖18闡述了所描述的實施例的特別有利方面，如提供在加熱器中于多點直接測量加熱器溫度的能力。圖17和圖18分別是帶六個加熱線圈1106包圍熱電偶套管1104的加熱棒的端視圖1101和縱向截面圖1102，可以把熱電偶或熱電偶束1105或其它溫度檢測裝置插入所述熱電偶套管，并把所述熱電偶套管裝入多管加熱器護套1107中。對于使用三相電源的大型工業用加熱器來說，使用六個線圈是特別有利的，因為每對加熱線圈可以是一個完整的單相電路，從而每個多管加熱器直接由自動平衡的三相電源供電，且可以把加熱器從系統中移除，而沒有給其它加熱器造成不平衡負載。熱電偶束有不同長度1109的熱電偶，每個熱電偶測量在其尖端1108的溫度，對應于在熱電偶套管1104內的不同深度。因此，本發明通過雙壁結構來降低泄漏的風險，所述雙壁結構具有外壁和在壁之間的泄漏檢測機制。此外，通過提供關于加熱溫度的信息，避免可能會導致腐蝕加劇的熱點，增加操作性能和改善加熱器壽命。更進一步，提供更換個別加熱棒來提，這有助于更便利維修。雖然結合較佳的實施例敘述了本發明，但并不意味著將本發明的保護范圍限定于所述的具體形式，相反地，本發明涵蓋包含在由隨附的權利要求書所限定的本發明精神和范圍內的替代、修改及等同的內容。
權利要求
1.一種軸流式電加熱流體換熱器，包括 細長的換熱器殼體，所述殼體具有主管板，一個或多個電加熱器延伸穿過所述管板進入所述殼體的內部空間，在所述殼體的側部設有第一端口并且在所述殼體的側部或端部設有一個或多個額外端口，所述端口提供進入所述殼體的入口和從所述殼體離開的出口，用于將流體送入所述殼體中位于所述主管板下面但在所述電加熱器外面的所述內部空間，其中所述電加熱器位于所述內部空間內， 與所述主管板隔開并在所述主管板上的副管板，在所述主管板與所述副管板之間具有增壓空間，由所述主管板、所述副管板和所述增壓空間組成第一組管板， 所述一個或多個電加熱器包括多個保護管，在每個保護管內至少有一個加熱棒，所述一個或多個保護管具有外表面并且第一端部與所述主管板密封，第二端部遠離所述主管板，是一個封閉端，形成將所述一個或多個加熱棒封閉在其中的無流體空間，所述無流體空間與所述增壓空間連通，以及 至少一個流動轉向擋板，所述流動轉向擋板位于所述內部空間中在所述第一組管板下面，并且處于作為進入所述殼體的內部空間的流體入口的所述端口之一與作為從所述殼體的內部空間離開的流體出口的所述端口之一之間。
2.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括 由增壓空間隔開的至少第二組主和副管板，所述第二組管板與所述第一組管板沿所述殼體的長度軸向地隔開；從所述第二組主和副管板延伸的第二組電加熱器，所述第二組電加熱器的保護管與所述第二組主管板連接，所述第一和第二組管板的副管板所隔開的距離大于所述第一和第二組管板的主管板之間的距離；以及至少一個額外流動轉向擋板，所述額外流動轉向擋板位于所述內部空間中，處于所述第一和第二組管板的主管板之間。
3.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，將從所述軸流式電加熱流體換熱器離開的流體送至一個或多個與所述軸流式電加熱流體換熱器串聯連接的額外電加熱流體換熱器。
4.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，將從所述軸流式電加熱流體換熱器離開的流體送至一個或多個與所述軸流式電加熱流體換熱器串聯連接的額外電加熱流體換熱器。
5.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個位于所述主管板下面的軸流擋板。
6.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括壓力密封件，所述壓力密封件位于每條加熱棒穿過所述副管板的位置。
7.根據權利要求6所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，所述壓力密封件由壓緊接頭、凸緣或者金屬或橡膠O形圈密封裝置提供。
8.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，將多個不同直徑的保護管密封連接到所述主管板。
9.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個不被加熱的隔板或擋板，所述隔板或擋板被定位成吸收來自所述保護管的熱并由所述流體冷卻。
10.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，至少一個保護管至少具有直徑不同的兩個部分。
11.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括從所述主和副管板之間的增壓空間延伸的導管以及位于所述導管中的泄漏檢測器，所述泄漏檢測器用于檢測穿過一個或多個保護管進入所述保護管中的所述無流體空間的泄漏，所述泄漏檢測器包括一個或多個壓力傳感器、溫度傳感器、密度傳感器、導熱率傳感器、液體檢測器或氣相色譜儀接入口。
12.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括在所述增壓空間中設置的保溫材料。
13.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括軸向地延伸通過所述一個或多個電加熱器的中心的熱電偶套管，每個所述熱電偶套管均具有一個或多個放置在其中的溫度測量裝置。
14.根據權利要求I所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個與所述一個或多個保護管同軸放置的輻射形擋板。
15.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個位于所述主管板之間的軸流擋板。
16.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括壓力密封件，所述壓力密封件位于各加熱棒穿過所述副管板的位置。
17.根據權利要求16所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，所述壓力密封件由壓緊接頭、凸緣或者金屬或橡膠O形圈密封裝置提供。
18.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，將多個不同直徑的保護管密封連接到所述主管板。
19.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個不被加熱的隔板或擋板，所述隔板或擋板被定位成吸收來自所述保護管的熱并由所述流體冷卻。
20.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，其特征在于，所述至少一個保護管至少具有直徑不同的兩個部分。
21.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一條或多條從每組主和副管板之間的增壓空間延伸的導管以及位于所述一條或多條導管中的泄漏檢測器，所述泄漏檢測器用于檢測穿過一個或多個保護管進入所述保護管中的所述無流體空間的泄漏，所述泄漏檢測器包括一個或多個壓力傳感器、溫度傳感器、密度傳感器、導熱率傳感器、液體檢測器或氣相色譜儀接入口
22.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括在所述增壓空間中設置的保溫材料。
23.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括軸向地延伸通過所述一個或多個電加熱器的中心的熱電偶套管，每個所述熱電偶套管均具有一個或多個放置在其中的溫度測量裝置。
24.根據權利要求2所述的軸流式電加熱流體換熱器，進一步包括一個或多個與所述一個或多個保護管同軸放置的輻射形擋板。
全文摘要
一種用于泄漏敏感應用的雙壁軸流式電加熱器提供了耐腐蝕且抗泄漏的組件且包括在電加熱棒外面的保護管，由增壓室隔開的雙管板以及被定位成對穿過所述保護管的壁的泄漏進行檢測的泄漏檢測器。本設計包括兩個或多個管束選項，將各管束插入包圍所述管板和加熱器的殼體的相對端部中。本設計易于維修，因為每個加熱棒均可以當裝置在使用中時被獨立更換。提供不同直徑的保護管，可以從標準單一通量加熱棒提供可變的熱通量。設有內置的熱電偶套管以允許直接監控加熱捧的溫度。通過使用轉向擋板來避免熱點以及通過使用輻射形擋板支撐所述管來避免振動。
文檔編號F24H1/10GK102667360SQ201080057250
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月3日 優先權日2009年12月17日
發明者K·倫德, 斯蒂芬·M·勞德 申請人:勞德有限公司