CN100587381C - 改进的热交换器外壳和密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于热交换装置的外壳，热交换装置包括一由具有一延伸部的隔板部分地限定的流体通道。该热交换装置进一步包括一延伸穿过流体通道的流体管道列阵。该外壳包括多个外壳构件，每一个外壳构件都具有一壁和至少一个从该壁延伸出的凸缘。相邻外壳构件在凸缘接头处接合，并且该凸缘接头配置成固定地接合隔板的延伸部。该装置还包括设置在流体通道内的板构件和填充隔板和板构件之间的间隙的膨胀材料。另外，设置有限定第二流体通道的一部分的第二隔板，在该通道中，第一和第二隔板之间设置有一耐热衬垫和一膨胀材料层。

Description

改进的热交换器外壳和密封装置

技术领域

本发明通常涉及热交换器和构造热交换器的方法。

背景技术

具有多个平行管道列阵的热交换器和热交换化学反应器在本领域是公知的。这种产品的传统设计原则在设计标准中已经成文。流动泄漏对管子外表面流道，通常被称为“管壳式”热交换器的“壳程”，的分流严重地限制了设计热性能，这也是公知的。

各种技术被用于有利地增加热交换器中每单位体积的热交换面积，例如具有延伸传热表面的管子的使用和特别密集的管道列阵的使用。这种配置在紧凑、成本效率型热交换器结构的构造中是重要的。然而，这种配置的使用加重了管壳式热交换器中的流动旁流问题。因此，热交换器行业已经企图通过远隔管子和通过提供小的或没有延伸的传热表面(常被称为肋片)来降低整个流道的压降，从而限制流动旁流的影响，同时这也将降低热交换器的紧密度和成本效率。作为选择，热交换器行业已经企图通过提供用于限制任意给定的管子外侧流道中的泄漏的密封元件来限制流动旁流的影响。然而，这些限制流动旁流的方法有严重的局限性。

Uggersby的美国专利2,595,822(以下称′822专利)中描述的方法提供了用金属制成的具有圆形外部形状的弹性元件。这种元件限于在具有圆形平面形状的管式热交换列阵中使用，例如那些被称为管壳式交换器。此外，这些元件对粗糙度高或具有局部表面瑕疵的表面的密封能力也受到限制。‘822专利描述了一种相对不切实际的方法，因此多个管壳式交换器具有通过焊接轧制板材制成的圆形外壳，因此这种局部不规则性仅仅能通过难度大的和/或成本高的机械加工或抛光来消除。在多个情况下，由于构造的物理尺寸或材料的原因，将表面抛光改善到足以利用‘822专利中描述的方法将是完全不切实际的。最后，‘822专利中发明的金属元件限于在开始蠕变温度以下应用。事实上，即使在高得足以消除应力的运行温度下利用该金属元件，金属元件实质上也将在提供密封方面给予它们较差的效果。因此，高于400℃的温度是完全不可能的，并且在长期暴露期间，高于200℃的温度可能导致功能的部分损失。

在Forbes等人的美国专利4,733,722(以下称‘722专利)中描述了‘822专利所描述方法的一个替代方法。‘722专利描述了由聚合材料制成并具有特别设计的外形的弹性元件。这些密封元件克服了与‘822专利的元件中对表面抛光的敏感度相关的问题。然而，‘722专利中描述的弹性元件甚至有比‘822专利中描述的弹性元件更严格的温度限制。

在管外侧流道中具有格外高的局部压力梯度的热交换器中，使用密封件对旁通流动进行限制的问题更严重。这种类型的交换器实例是在管式交换器厂商协会(TEMA)标准术语中指定为壳式F型多通道、U型管热交换器。该设计标准确认了在这种热交换器中对密封件的需要，并且在Smith的美国专利4,778,005(以下称‘005专利)中描述了改进的内部通道密封件。‘005专利中描述的改进密封件是弹性金属元件，其能积极地承载气体的压差。这种密封件在某种程度上仍然有‘822专利中描述的圆形密封件的缺陷，但是却得益于它们的这种积极特性。

TEMA标准术语甚至没有认可在其纵向没有被分隔的壳内具有不同壳程通道的交换器。这表明了在这种设计中阻止有害泄漏的方法的现有技术无力。Lomax等人的美国专利6,497,856(以下称“‘856专利”)描述了使用管道阵列和这些管外侧的多通道流动的热交换化学反应器。在‘856专利所披露类型的热交换反应器结构中，管外侧流体通道间的最高温度大于800℃，因此温度太高以至于不能使用‘822专利中描述的方法。在‘856专利所描述的装置中需要的燃烧器可以在流动通道之间的分隔物的两侧产生明显的压降。这一压降明显地增加了使用常规构造技术的有害流动旁流。此外，‘856专利中描述的装置尤其有意于通过提供延伸传热表面来提高性能，这样就进一步增加了热交换反应器中的压降和泄漏。

因此，需要提供一种用于管式热交换器，例如那些在高温和高压下运行的热交换器的减少壳程流体泄漏和旁流的热交换结构。

发明内容

本发明有利地提供一种热交换装置，其包括一外壳、一设置在外壳内的第一流体通道、和一设置在外壳内的流体管道列阵，其中该流体管道延伸穿过第一流体通道。第一流体通道由一外壳内表面和由一隔板限定。该隔板具有一延伸超出第一流体通道的延伸部。该外壳包括具有一第一壁和一从第一壁延伸出的凸缘的第一外壳构件，和具有一第二壁和一从第二壁延伸出的凸缘的第二外壳构件。在隔板延伸部的相对侧，第一外壳构件的凸缘和第二外壳构件的凸缘在一凸缘接头处接合到该延伸部上。

本发明进一步有利地提供一种用于热交换装置的外壳，其中热交换器装置包括一由具有一延伸部的隔板部分地限定的流体通道。热交换装置进一步包括一延伸穿过流体通道的流体管道列阵。该外壳包括多个外壳构件，且每一个外壳构件都具有一壁和至少一个从该壁延伸出的凸缘，其中相邻外壳构件的凸缘在凸缘接头处接合。该凸缘接头配置成固定地接纳隔板的延伸部。

本发明还有利地提供一种热交换装置，其包括一外壳、一设置在外壳中的第一流体通道、一设置在外壳中的第二流体通道、和一将第一流体通道与第二流体通道基本上隔开的隔板。该装置还包括一设置在外壳内的流体管道列阵，其中该流体管道列阵延伸穿过第一流体通道、隔板和第二通道。一板构件设置在第一流体通道内。流体管道列阵延伸穿过该板构件，并且该板构件安装在与隔板有一预定距离的流体管道列阵外表面。至少一层膨胀材料设置在隔板和板构件之间，并且流体管道列阵延伸穿过该至少一层膨胀材料。该至少一层膨胀材料基本上完全填满隔板与板构件之间的间隙。

本发明有利地提供一种热交换装置，其包括一外壳、一设置在外壳内的第一流体通道、一设置在外壳内的第二流体通道、和一设置在外壳内的流体管道列阵，其中该流体管道列阵延伸穿过第一流体通道和第二通道。一密封区将第一流体通道与第二流体通道基本上隔开。该密封区包括一限定第一流体通道的一部分的第一隔板、和一限定第二流体通道的一部分的第二隔板。流体管道列阵延伸穿过第一和第二隔板。一耐热衬垫设置在第一隔板和第二隔板之间，流体管道列阵延伸穿过该耐热衬垫。一膨胀材料层设置在第一隔板和第二隔板之间，流体管道列阵延伸穿过该膨胀材料层。

本发明进一步有利地提供一种构造热交换装置的方法，其中该热交换装置包括一由具有一延伸部的隔板部分地限定的流体通道。该热交换装置进一步包括一延伸穿过流体通道的流体管道列阵。该构造方法包括步骤：设置多个外壳构件，其中每一个外壳构件都具有一壁和至少一个从该壁延伸出的凸缘；以及在凸缘接头处接合相邻外壳构件的凸缘，其中该凸缘接头固定地接纳隔板的延伸部，并且在这一步骤中不接合末级外壳构件。该方法还包括将流体管道列阵插入流体通道，在管道列阵的流体管道外表面设置多个传热肋片，和将末极外壳构件的凸缘接合到相邻的外壳构件上，以形成一封闭外壳。

附图说明

参考以下的详细描述，特别是与附图结合来考虑时，对本发明的更完整的评价及其多个附带优点将变得很显而易见，其中：

图1图示了本发明的管式热交换器芯的立体图；

图2图示了本发明的流体管道系统实施例的立体图；

图3图示了本发明的流体管道系统中的接头的详图；

图4图示了在适当的位置安装有本发明管道系统的图1所示管式热交换器芯的立体图。

图5图示了本发明的被定位的膨胀密封件的侧面剖视图。

具体实施方式

本发明的实施例将在下文中参照附图进行描述。在下面的描述中，具有基本上相同的功能和设置的组件由相同的附图标记表示，并且仅当必要时才进行重复的描述。

图1示出了一管式热交换器芯，其包括密封连接在第一管板3和第二管板4之间的基本上平行的管道或管子阵列2。第一流体从密封连接于第一管板3的进口歧管流入，穿过管子阵列2的管子，并从连接于第二管板4的第二歧管流出。为了清楚起见，这些歧管在这里没有示出。管子阵列2的管子外表面上设置有流动引导隔板或板5，这些板用于促使第二流体在与管子阵列2的轴线基本上垂直的方向上流动。一个或更多的隔板5可以被设置来形成越过管子阵列的第二流体的若干连续横向流动级，其中该管子是输送第一流体的。

根据热交换器的形状和期望构造，隔板通常可以是圆形平面形状，其具有在交替侧远离以产生期望流动的弦形截面。图1中的隔板优选为具有矩形平面形状。图1的管子阵列2同样呈矩形，不过本发明决不限于具有矩形平面形状的管子阵列和隔板，而且可以设置成具有任意期望的平面形状。

图1图示了配置成能产生‘856专利的流动结构的热交换器芯，‘856专利在此整体引入。隔板5可以布置成能够实现任意的期望流型，例如简单的逆流或平行流热交换。在‘856专利描述的流动结构中，第二流体的流动被密封区7分为两个独立的流动通道。在图1中，耐热毡垫的密封方法应用在下流道8和上流道9之间的密封区7。在经过一些中间处理，例如添加燃料到包括空气的第二流体中并且燃烧所得到的混合物，或者性质不同的第三流体可以流入其中一个通道后，第二流体可以流过这两个通道。在这两种情况下，流道7和8中的流体液压都可能不同，并且在密封区7的两端之间将因此而存在压力梯度。

同样应当注意的是，热交换肋片可以有利地设置在管子列阵2中的管子外表面，以增加传热面积、防止腐蚀、和为管子提供机械支撑。在图1中，使用了板状肋片10和圆环状肋片11的优选组合。还设置了具有特制传热肋片12的区域12。该延伸传热肋片将引起流体摩擦和压力损失，并可能因此而在横向流动级之间，特别是在密封区7的两端之间产生非常高的压差。

图1中的一个明显特征是不同的隔板尺寸。隔板5具有弦形形状，这种形状在允许相对侧方向上的流动的同时，能阻止在管子阵列2的一端的平行于管子的流动。另一方面，全隔板13不允许有平行于管子列阵2的流动。延伸隔板15设置一长的平面，这使得不可能有平行于管子列阵2的流动穿过该平面，而类似的隔板16则设置了允许局部流动的流体孔17。

图1中示出的所有隔板都具有一小的延伸部18，它在每个流体级的流动通道和肋片区域的外部延伸。设置延伸部18是为了配合用于引导第二流体的流动的耐热管道系统上。

图2示出了一种设置在外壳100内的改进流动歧管装置的结构，其中外壳100由外壳构件形成，例如片状盖板20、30和形成一部分热交换器外壳的各种隔板部分，例如隔板部分13-16和19。本发明的外壳100可以实现零泄漏状态。在图2中，为了清楚，在用分解图图示的外壳构件30，例如片状金属盖板部分，可以看见管式热交换器芯1。在与第二流体的横向流动方向平行的矩形肋片10的一侧，可以看见第二外壳构件20，例如片状金属盖板。在与第二流体的流动平行的方向上延伸的第二盖板20装配成与管子列阵2的延伸传热肋片10紧密接触。在第二盖板20的四个侧面上都设置有凸缘22，在侧面凸缘22以基本上成九十度的角度(注意，如果使用不同截面形状的外壳构件，该角度将不同)从面板20的壁24延伸出。凸缘22邻接隔板延伸部18，并且在凸缘接头36处以一种基本上液封的方式与其接合。

在盖板30的相对侧设置有两个以基本上成九十度的角度(注意，如果使用不同截面形状的外壳构件，该角度将不同)从壁34延伸出的凸缘32。凸缘32邻接隔板延伸部分18，并且沿着隔板接头36接合到隔板延伸部18和相邻盖板20的相邻凸缘22上。在盖板30的相对侧设置有两个在与壁34基本上平行的方向上(注意，如果使用不同截面形状的外壳构件，该方向将不同)从壁34延伸出的凸缘33。凸缘33邻接并且沿着凸缘接头35接合到相邻盖板20的相邻凸缘22上。这样就形成了一个引导第二流体流动的不能透过流体的歧管。

通过图3中的分解图可以对面板与隔板之间以及面板与面板之间的连接细节有更清楚的理解。在用分解图对盖板20a图示的地方，可以再一次看见热交换器芯1。在图3的下部位置还描述了另一个盖板20b，其处于隔板5下面的一个正常工作位置。图3图示了两个处于正常工作位置的盖板30a和30b，并且可以清楚地看见侧盖板20b的凸缘22b和端盖板30b的凸缘33b之间的凸缘接头35的位置。盖板30a的凸缘32a和盖板30b的凸缘32b与隔板5的延伸部18的连接也更清楚地示出。通过各种方法例如焊接、铜焊、胶接、成形轧制或其他对本领域技术人员来说是显而易见的方法，凸缘接头35和36可以制造成基本上不能透过流体。在凸缘和隔板5的接合处焊接或成形轧制凸缘接头36是尤其有利的，这样凸缘就可以在不同的热膨胀下弹性地挠曲，从而消除该组件上的应力并防止隔板、面板、或同时两者的永久性变形。

在本发明的可选择实施例中，一个或更多的盖板20、30可以通过螺栓、螺钉、或其他可拆卸紧固装置来连接。在这一实施例中，优选的是，在盖板20、30之间，以及在盖板20、30与隔板5的延伸部18之间设置一固定的密封构件。该可选择实施例的优点是盖板可以移去，以检查和/或清理包括热交换管子排列2的热交换器芯1。在一些预期有严重的污垢腐蚀或沉积的热交换器工作条件下，这一特征是非常理想的。

在所描述的实施例中，因为凸缘接头位于每个面板的顶边和底边，以及每个面板的端部，所以在永久性塑性变形发生之前可能有程度相当大的弹性变形。由于接头设置在与面板的壁有一定距离的位置，例如在凸缘的端部，因此可能有弹性变形存在，从而允许接头和壁之间的部分凸缘在沿着壁面方向的负荷下发生挠曲。这样本发明就提供了一种膨胀装置，其用于允许相邻壁之间的间隙在预定条件，例如由不同部分的热膨胀和由热交换器中的热梯度引起的负荷下膨胀。这是本发明的一个特别有利的方面，因为在使用此实施例所描述管道的管式热交换器的连续横向流动级之间可以很容易地承受高的热应力。当使用延伸传热技术特征时，上述特征也是有利的，因为延伸传热技术特征大大地增加了每个横向流动级的传热量，这导致在每个横向流动区两侧和任意两个相邻横向流动区中的两点之间有更高的热梯度。在瞬变运行期间和在热交换器设计成在多种条件下工作的情况下，这些高弹性接头动态适应温度改变的能力也是特别有利的。因此，该装置能够在一个没有泄漏的宽的温度和温度曲线图范围内连续运行。这样，当处于启动工况或非设计工况下的低温时，隔板和盖板不会泄漏，非设计工况是指整个热交换器温度曲线图可能与设计点处的温度曲线图明显不同时。

凸缘接头35和36形成不同的膨胀部件，这些部件使得相邻壁之间的间隙在预定条件下膨胀。在与管道列阵2的轴线垂直的等间距处可以看见水平膨胀部件48。显然这些部件是沿着整个管道结构的外周边延伸的。水平膨胀部件48能承受平行于管子列阵2的大量热膨胀。垂直膨胀部件49在图中也很明显。垂直膨胀部件49承受垂直于管子列阵2的弹性膨胀。本发明的实施例有利地提供了平行和垂直于管子列阵2的弹性膨胀。

本发明的盖板20、30可以用任何适应工作条件的材料制成。然而，优选的是用金属板材制造。于是使用标准的金属板加工技术就能很容易地制成凸缘部件，并且凸缘接头也很容易制成。如果管子和/或隔板列阵的平面形状不是正方形或矩形，则可以制成适当形状的面板和隔板，例如六边形或八边形。甚至传统的圆形平面也可以象形成四开板(或两开板等)那样使用深冲压圆形面板和传统的圆形隔板来构造。圆形面板仍然可以设置有凸缘部件(例如以与直接邻近于凸缘的部分壁基本上成九十度的角度从圆形壁延伸出的凸缘)，并且使用与前述多边形隔板和盖板相同的常规方法进行连接，这样就得到了本发明的所有附带优点，即与传统壳式构造相比，有更轻的质量、更低生产成本和原料成本。

图4示出了装配有外壳100的图1所示管式热交换器芯，其中该外壳包括本发明的隔板和面板管道系统。延伸盖板和延伸隔板15和16形成的燃烧器箱41的配置清楚地体现出本发明的灵活性。燃烧器火焰管42安装成与管子列阵2基本平行，并且设置有连接凸缘43。在没有厚板中的难度大和繁重的大焊点装配的情况下，传统的整体外壳中不能装设延伸室，并且也不能特有地利用比延伸室的尺寸小的缩减面积管子，这样会导致很高的流动分布不均的可能性。更不利的是，在高温应用中，例如输送从燃烧器来的热烟气，辐射传热可能很重要，并且这样的小连接会导致传热的不均匀，从而大大的增加热应力。

除了与管子列阵2基本上平行的进口和/出口例如燃烧器箱41，与管子列阵2垂直的第二流体进口也可以容易地配置。它们可以包括不同流体连接端口，这些端口包括全区域凸缘接头，例如接头44，以及缩减面积管子或管接头45和46。当通过使用延伸盖板来装设附加集流室47时，由缩减面积接头来的流动的分布可以得到明显改善。和燃烧器箱41一样，当与简单的管接头比较时，集流室47能产生非常均匀的流动分布，这是因为该延伸部提供了一个不受传热肋片10约束的集流区域。

所有附图都已说明了盖板，其用一块板覆盖多边形管子列阵的一个整侧面。在一些应用中，与热交换器芯1的尺寸有关的运行压力和温度使得需要在一个或更多侧面上设置若干副板。这有利地减少了对应于一个给定盖板厚度的机械应力，并且提供了附加热膨胀接头。因此，在给定位置上设置的盖板的数量和厚度可以变化，以适应局部的温度和应力条件。

图5是本发明的热交换器密封区7的侧剖面图。密封区7由隔板13和15限定。图5示出了带有辅助板肋片10的基本平行的管子列阵2。前和后盖板30也是可见的，并且与延伸隔板15和全隔板13接合。为了清楚地表示，环形肋片11从图5中略去。

隔板在穿孔表面和穿过这些孔的管子列阵2的管子之间具有局部间隙。这些间隙可以有任意尺寸，该尺寸由所选择的制造方法和热交换结构的设计细节来决定。另外的间隙50可能存在于封闭区7内的耐热毛毡封51和盖板壁之间。由于外壳的构造方法，使用本发明可以将间隙50最小化。该间隙提供了流体泄漏的路径，该路径引起在第一横向流动流体通道52和第二横向流动流体通道53之间的流体传输。如前所述，这两个通道可以传输相同或两种不同的流体，但是在这两种情况下，在流体通道之间都很可能存在压差。在某些构造中，上流体通道53包含处于第一压力下的高温燃烧器烟气，同时下流体通道52包含处于第二更高压力下的预热燃烧器空气。在这种情况下，耐热毛毡封51将起到减少泄漏和热应力的作用。然而，耐热毛毡封材料的缺陷已经被证明。

本发明的实施例优选包括图5中描述的密封区7，当通道53中的流体温度高于800℃的膨胀材料工作限制温度，并且通道52中的流体温度低于膨胀材料工作限制温度时，该密封区是特别有用的。在该实施例中，隔板13和15之间的间隙用一层或多层耐热材料填充，例如耐热毛毡封51、带可塑耐热纤维的铸件、或带疏松的耐热纤维的填充物。耐热材料与相连于流体通道53的隔板15紧密接触。首先以与管子列阵2的管子、隔板15、和外壳100内表面密封接触的方式安装耐热材料。然后将图5中虚线表示的一层或更多层膨胀材料设置在耐热材料51和隔板13之间。足量的作为一种防止膨胀材料56过热的热绝缘体的耐热材料51把膨胀材料56与流体通道53分隔开。这两块隔板通过机械方法例如本领域公知的与隔板支撑杆连接，通过在与管子1紧密接触的延伸热交换肋片层之间的机械锁定，或通过其他对于本领域技术人员来说是显而易见的方法，以基本上固定的机械关系固定。

当加热到300℃以上，膨胀材料56就沿着垂直于隔板13、15表面的方向膨胀。这种膨胀使耐热材料51受到相当大的压力。在该压力下，耐热材料51被压缩得密度比安装时的更高。并且，该压力迫使耐热材料51改进与管子列阵2和外壳100内表面的密封接触。因为外壳100的盖板是基本上固定的，所以膨胀材料56在与管子平行的方向上的膨胀转换成对耐热毛毡材料51的均匀压力。

耐热材料51厚度和膨胀材料56数量的选择是由耐热材料51的期望压缩度、耐热材料工作时的预期收缩性、膨胀材料56的膨胀特性以及隔板、盖板(外壳)和它们的机械支撑件的机械强度来决定的。因此，可能有多个不同的唯一适合预期热交换器的确切类型及其工作条件的组合。

在本发明的优选实施例中，设置了平行于隔板13的板构件54。板构件54与隔板13间隔一定距离。板54可以是同一隔板，或可以是如图5所示的延伸传热板肋片，或单个肋片的列阵。隔板13和板54之间的间隙距离通过机械方法例如与隔板支撑杆连接，通过在与管子列阵2的管子紧密接触的延伸热交换肋片层之间的机械锁定，或通过其他对于本领域技术人员来说是显而易见的方法来基本上固定地保持。

基本平行的板13、54之间的间隙用在高温下膨胀的材料55填充。一个优选例子是一种膨胀衬垫，其仅包括蛭石，或包括与耐热纤维和粘合剂系统结合的蛭石。一种特别优选的材料是汽车应用中采用的限制催化式排气净化器的膨胀衬垫。这种膨胀衬垫材料的在300℃至375℃之间的温度下膨胀，并在高至800℃的温度下维持弹性以延伸露出的能力是独特的。这种材料的保持催化转化器单片和灭火的用途在本领域是众所周知的。该膨胀衬垫有一独特的特性，即在垂直于其厚度方向的膨胀比在平行于其厚度方向的更明显。因此，在此所述类型的管子列阵热交换器中，单独使用它作为密封构件是无效的。将膨胀衬垫55夹在彼此固定保持的隔板13和肋片54之间，使得否则将仅沿着与隔板13平面垂直的方向膨胀的膨胀衬垫被迫与管子列阵2的管子和流体通道周边紧密接触。这种受限的膨胀能因此而实施基本上液封的接触，以阻止在流体通道52和53之间的穿过间隙的流动。

在高温下，用于膨胀密封件55和膨胀材料56的仅在加热到300℃至375℃之间的温度时膨胀的膨胀材料维持它的膨胀状态，并且在经过很多次循环后基本上保持弹性。因此，从冷的起动工况到热的运行工况，都能维持密封压力，并且基本上阻止流体泄漏。

该特别优选的膨胀衬垫产品被制造成能抵御流动热气体的腐蚀。因此，本发明的被定位膨胀密封件自身就能抵御腐蚀的破坏。

根据上面的描述可以很容易地认识到，改进的密封装置可以通过将例如上面描述的锁定膨胀密封件55与使用了膨胀材料56和耐热材料51组合的密封区7结合来得到。这样的结合在图5示出，并且与单独使用的其他方法相比它提供了更高的泄漏减少量。

同样可以很容易地认识到，尽管本发明的密封技术特别适合于结合本发明的外壳和隔板来使用，但是它们也可以极其有效地用于标准管壳式热交换器，以促进在使用其他密封方法不能达到的温度下的工作。本发明的方法也可以将管壳式热交换方法的可操作性扩展到具有多壳程流体通道的热交换器，从而有意义的扩展与先前实践有关的这种热交换器的可操作性。管道和密封方法的结合进一步确保了因为使用高密度延伸传热肋片而具有高性能，以及具有由此产生的高压降的多通道高温管式热交换器。

本发明的面板和隔板管道系统的一个重要附带优点是管式热交换器的装配或构造。一些其他的壳管式热交换器被构造成有两个级。热交换芯结构与壳组件分开制造，然后将热交换芯插入壳内。这种传统装配程序需要在热交换器芯和壳装配中有极其严密的配合公差，或者需要有相对宽的配合公差和大的间隙，这产生本发明消除的流体泄漏。此外，在这些其他的构造中，热交换器芯必须非常小心地搬动以避免拆卸时被损坏。当热交换器在有腐蚀或污垢的条件下工作时，以及当腐蚀和/或污垢残余物有粘结在壳内管芯上的趋势时，要避免芯、壳、或同时两者的损坏几乎是不可能的。而且，热交换器的这些其他构造必须安装成在芯移走方向上有足够的空间，以提供装置的自由入口和用于芯的拔出的充足空间。

在本发明的优选实施例中，每一次装配热交换器的一个横向流动通道，使用盖板和隔板作为支架来引导装配程序。这就让人工装配进行得特别快，这是因为乏味的传热肋片计算可以被最简化，只要不断添加肋片直到它们匹配盖板的高度为止。这种方法也有利地减少了每个部件所需的配合公差，因为壳的每个组件都很小，这使得保持较严密的配合公差比处理一个大的壳时更容易。盖板所需的薄滚距使得装配进一步容易化，因为薄材料可以更容易形成精确的形状，并且任何不匹配的地方都可以在装配时很容易地校正。

本发明也使得对芯的处理容易化，因为带有隔板的被部分装配的外壳可以用作在装配期间承受热交换器组件的重量的结构支架。例如，本发明提供一种构造热交换装置的方法，其中，包括外壳构件20、30和隔板5、13-16和19的外壳100被装配，但除了沿着外壳100的一侧延伸的外壳构件(例如，为了留出沿着外壳100的该侧的开口，将在图4中可见的一个或更多的外壳构件20留下)，从而形成一个沿着外壳100的该侧具有开口的支架，以允许工人装配芯1。然后工人可以将流体管道列阵2插入流体通道，并在穿过外壳100开口侧的管道列阵2的流体管道外表面上装设多个传热肋片10。一旦芯1全部装完，接下来就将剩余的外壳构件接合于相邻的外壳构件，以形成封闭的外壳100。

用上述方法构造的热交换器可以在不移动热交换器的情况下，通过拆卸外壳100的一部分，例如移去一个或更多的外壳构件20、30来进行检查。这可以通过有选择地设置如前所述的可移动外壳构件20、30，或通过断开外露的凸缘接头来实现。前者会引起更高的制造费用和更高的壳泄漏机率，而后者则能确保一个密闭的第二流体管道系统，但在一定范围内需要更多的人工。因此，通常没有哪种方法是更可取的。在这两种情况下，因为不必从外壳中移出芯，所以不需要起重机，甚至对于大型热交换器来说也是这样。此外，可以在不考虑为检查或清理而需要的芯移出空间的情况下安置热交换器。这样，在芯从外壳中移出期间的任何芯被损坏的可能性都可以消除。因此，本发明非常适合于预期在腐蚀或污垢工况下工作的热交换器。这也使得使用更少的机械紧固组件成为可能，因为不需要考虑在传统的移去芯方法中遇到的潜在力。

应当注意，这里叙述和描述的典型实施例仅阐述本发明的优选实施例，并不表示以任何方式限制权利要求的范围。

根据上述教导可能存在多个本发明的修改和变化。因此可以理解，除了这里特别描述的外，本发明可以在所附权利要求的范围内被实施。

Claims (42)

1.一种热交换装置，包括：

一外壳；

一设置在所述外壳内的第一流体通道，所述第一流体通道由所述外壳的内表面和由一隔板限定，所述隔板具有一延伸超出所述第一流体通道的延伸部；

一设置在所述外壳内的并在一进口歧管的管板和一出口歧管的管板之间延伸的流体管道列阵，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一流体通道，

其中，所述隔板设置在所述进口歧管的管板和所述出口歧管的管板之间的一位置处，

其中所述外壳包括具有一第一壁和一从所述第一壁延伸出的凸缘的第一外壳构件，所述外壳进一步包括具有一第二壁和一从所述第二壁延伸出的凸缘的第二外壳构件，并且

其中在所述延伸部的相对侧，所述第一外壳构件的所述凸缘和所述第二外壳构件的所述凸缘在凸缘接头处接合于所述隔板的所述延伸部。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述流体管道列阵延伸穿过所述隔板。

3.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一壁和所述第二壁限定所述第一流体通道的内表面的一部分。

4.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述外壳包含多个外壳构件，每个外壳构件都具有一壁和至少一个从所述壁延伸出的凸缘，其中相邻外壳构件的凸缘被接合。

5.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一外壳构件的所述凸缘可拆卸地接合于所述隔板的所述延伸部。

6.根据权利要求5所述的热交换装置，其中一密封构件设置在所述第一外壳构件的所述凸缘和所述隔板的所述延伸部之间。

7.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述流体管道列阵具有多个设置在所述流体管道外表面上的传热肋片，所述多个传热肋片在所述第一流体通道内延伸。

8.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述隔板具有一带有一流体孔的部分。

9.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一外壳构件的所述壁具有一流体连接端口。

10.根据权利要求1所述的热交换装置，

其中所述流体管道列阵延伸穿过所述隔板，

其中所述隔板的所述延伸部绕着所述隔板的整个周边延伸，并且

其中所述热交换装置进一步包括一设置在所述外壳内的第二流体通道，所述第二流体通道由所述外壳的一附加内表面限定，所述流体管道列阵延伸穿过所述第二流体通道。

11.一种热交换装置，包括：

一外壳；

一设置在所述外壳内的第一流体通道，所述第一流体通道由所述外壳的内表面和由一隔板限定，所述隔板具有一延伸超出所述第一流体通道的延伸部；以及

一设置在所述外壳内的流体管道列阵，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一流体通道，

其中所述外壳包括具有一第一壁和一从所述第一壁延伸出的凸缘的第一外壳构件，所述外壳进一步包括具有一第二壁和一从所述第二壁延伸出的凸缘的第二外壳构件，并且

其中在所述延伸部的相对侧，所述第一外壳构件的所述凸缘和所述第二外壳构件的所述凸缘在凸缘接头处接合于所述隔板的所述延伸部，

其中所述流体管道列阵延伸穿过所述隔板，

其中所述隔板的所述延伸部绕着所述隔板的整个周边延伸，并且

其中所述热交换装置进一步包括一设置在所述外壳内的第二流体通道，所述第二流体通道由所述外壳的一附加内表面限定，所述流体管道列阵延伸穿过所述第二流体通道，

其中，所述热交换装置进一步包括：

一设置在所述第一流体通道内的板构件，所述流体管道列阵延伸穿过所述板构件，所述板构件安装在与所述隔板有一预定距离的所述流体管道列阵的外表面；以及

至少一层设置在所述隔板和所述板构件之间的膨胀材料，所述流体管道列阵延伸穿过所述至少一层膨胀材料，其中所述至少一层膨胀材料完全填满所述隔板和所述板构件之间的间隙。

12.根据权利要求11所述的热交换装置，其中所述至少一层膨胀材料由一种在高于300℃的温度下膨胀的材料制成。

13.一种热交换装置，包括：

一外壳；

一设置在所述外壳内的第一流体通道，所述第一流体通道由所述外壳的内表面和由一隔板限定，所述隔板具有一延伸超出所述第一流体通道的延伸部；以及

一设置在所述外壳内的流体管道列阵，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一流体通道，

其中所述外壳包括具有一第一壁和一从所述第一壁延伸出的凸缘的第一外壳构件，所述外壳进一步包括具有一第二壁和一从所述第二壁延伸出的凸缘的第二外壳构件，并且

其中在所述延伸部的相对侧，所述第一外壳构件的所述凸缘和所述第二外壳构件的所述凸缘在凸缘接头处接合于所述隔板的所述延伸部，

其中所述流体管道列阵延伸穿过所述隔板，

其中所述隔板的所述延伸部绕着所述隔板的整个周边延伸，并且

其中所述热交换装置进一步包括一设置在所述外壳内的第二流体通道，所述第二流体通道由所述外壳的一附加内表面限定，所述流体管道列阵延伸穿过所述第二流体通道，

其中所述第二流体通道进一步由一附加隔板限定，该附加隔板具有一延伸超出所述第二流体通道的延伸部，所述流体管道列阵延伸穿过所述附加隔板，所述附加隔板的所述延伸部绕着所述附加隔板的整个周边延伸，

其中所述外壳包括一具有一第三壁和一从所述第三壁延伸出的凸缘的第三外壳构件，

其中所述第二外壳构件的所述凸缘和所述第三外壳构件的所述凸缘在所述附加隔板的延伸部的相对侧接合于所述延伸部，并且

其中所述热交换装置进一步包括：

一设置在所述隔板和所述附加隔板之间的耐热衬垫，所述流

体管道列阵延伸穿过所述耐热衬垫；以及

一设置在所述隔板和所述附加隔板之间的膨胀材料层，所述

流体管道列阵延伸穿过所述膨胀材料层。

14.根据权利要求13所述的热交换装置，其中所述耐热衬垫和所述膨胀材料层完全填满所述隔板和所述附加隔板之间的间隙。

15.根据权利要求13所述的热交换装置，其中所述膨胀材料层由一种在高于300℃的温度下膨胀的材料制成。

16.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述凸缘接头包括用于允许所述第一壁和所述第二壁之间的间距在由于热膨胀而在该热交换装置内产生载荷时膨胀的膨胀装置。

17.根据权利要求16所述的热交换装置，其中所述膨胀装置允许所述间距在与所述流体管道列阵的流体管道轴线方向平行的方向上膨胀。

18.根据权利要求16所述的热交换装置，其中所述膨胀装置允许所述间距在与所述流体管道列阵的流体管道轴线方向垂直的方向上膨胀。

19.一种用于热交换装置的外壳，该热交换装置包括一由具有一延伸部的隔板部分地限定的流体通道，并进一步包括一延伸穿过该流体通道的并在一进口歧管的管板和一出口歧管的管板之间延伸的流体管道列阵，所述外壳包括：

多个外壳构件，每一个外壳构件都具有一壁和至少一个从所述壁延伸出的凸缘，其中相邻外壳构件的凸缘在一凸缘接头处接合，

其中所述凸缘接头配置成固定地接纳隔板的延伸部，以及

所述隔板设置在所述进口歧管的管板和所述出口歧管的管板之间的一位置处。

20.根据权利要求19所述的外壳，其中所述外壳包含一具有四边横截面的包括两个相对的第一外壳构件和两个相对的第二外壳构件的第一部分，

其中每一个第一外壳构件都具有一壁和至少两个在所述壁的相对侧的凸缘，所述至少两个凸缘以与所述壁成九十度的角度从所述第一外壳构件的所述壁延伸出，

其中每一个第二外壳构件都具有一壁和至少两个在所述壁的相对侧的凸缘，所述至少两个凸缘沿着平行于所述壁的一平面从所述第二外壳构件的所述壁延伸出，并且

其中每一个第一外壳构件的所述至少两个凸缘中的每一个与相邻的第二外壳构件的所述至少两个凸缘中的一个凸缘接合。

21.根据权利要求20所述的外壳，其中所述外壳包含一具有四边横截面的包括两个相对的第一外壳构件和两个相对的第二外壳构件的第二部分，其中所述第二部分叠加在所述第一部分上面并且与所述第一部分接合。

22.根据权利要求21所述的外壳，其中所述第一部分具有一与所述第二部分的横截面积不同的横截面积。

23.根据权利要求21所述的外壳，

其中所述第一部分的每一个所述第一外壳构件和每一个所述第二外壳构件都具有一以与其所述壁成九十度的角度从其所述壁延伸出的膨胀凸缘，

其中所述第二部分的每一个所述第一外壳构件和每一个所述第二外壳构件都具有一以与其所述壁成九十度的角度从其所述壁延伸出的膨胀凸缘，并且

其中所述第一部分的所述膨胀凸缘接合于所述第二部分的相应膨胀凸缘，以在所述第一部分和所述第二部分之间形成四个膨胀接头。

24.根据权利要求23所述的外壳，其中所述四个膨胀接头中的三个配置成固定地接纳隔板的延伸部分。

25.根据权利要求23所述的外壳，其中所述第一部分的所述膨胀凸缘可拆卸地连接到所述第二部分的所述相应膨胀凸缘上。

26.根据权利要求25所述的外壳，其中一密封构件设置在所述第一部分的所述膨胀凸缘和所述第二部分的所述相应膨胀凸缘之间。

27.根据权利要求19所述的外壳，其中所述凸缘接头包含用于允许所述相邻外壳构件的所述壁之间的间距在由于热膨胀而在该热交换装置内产生载荷时膨胀的膨胀装置。

28.根据权利要求27所述的外壳，其中所述膨胀装置允许所述间距在与所述流体管道列阵的流体管道轴线方向平行的方向上膨胀。

29.根据权利要求27所述的外壳，其中所述膨胀装置允许所述间距在与所述流体管道列阵的流体管道轴线方向垂直的方向上膨胀。

30.根据权利要求19所述的外壳，其中所述多个外壳构件中的至少一个的所述壁具有一流体连接端口。

31.一种热交换装置，包括：

一外壳；

一设置在所述外壳内的第一流体通道；

一设置在所述外壳内的第二流体通道；

一将所述第一流体通道与所述第二流体通道隔开的隔板；

一设置在所述外壳内的流体管道列阵，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一流体通道、所述隔板和所述第二通道；

一设置在所述第一流体通道内的板构件，所述流体管道列阵延伸穿过所述板构件，所述板构件安装在与所述隔板有一预定距离的所述流体管道列阵的外表面；以及

至少一层设置在所述隔板和所述板构件之间的膨胀材料，所述流体管道列阵延伸穿过所述至少一层膨胀材料，

其中所述至少一层膨胀材料完全填满所述隔板和所述板构件之间的间隙。

32.根据权利要求31所述的热交换装置，其中所述至少一层膨胀材料由一种在高于300℃的温度下膨胀的材料制成。

33.根据权利要求31所述的热交换装置，其中所述至少一层膨胀材料由蛭石制成。

34.根据权利要求33所述的热交换装置，其中所述至少一层膨胀材料进一步由耐热纤维和一种粘合剂制成。

35.一种热交换装置，包括：

一外壳；

一设置在所述外壳内的第一流体通道；

一设置在所述外壳内的第二流体通道；

一设置在所述外壳内的流体管道列阵，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一流体通道和所述第二通道；以及

一将所述第一流体通道与所述第二流体通道隔开的密封区，所述密封区包括：

一限定所述第一流体通道的一部分的第一隔板，所述流体管道列阵延伸穿过所述第一隔板；

一限定所述第二流体通道的一部分的第二隔板，所述流体管道列阵延伸穿过所述第二隔板；

一设置在所述第一隔板和所述第二隔板之间的耐热衬垫，所述流体管道列阵延伸穿过所述耐热衬垫；以及

一设置在所述第一隔板和第二隔板之间的膨胀材料层，所述流体管道列阵延伸穿过所述膨胀材料层。

36.根据权利要求35所述的热交换装置，其中所述耐热衬垫和所述膨胀材料层完全填满所述第一隔板和所述第二隔板之间的间隙。

37.根据权利要求35所述的热交换装置，其中所述膨胀材料层由一种在高于300℃的温度下膨胀的材料制成。

38.根据权利要求35所述的热交换装置，其中所述膨胀材料层由蛭石制成。

39.根据权利要求38所述的热交换装置，其中所述膨胀材料层进一步由耐热纤维和一种粘合剂制成。

40.根据权利要求35所述的热交换装置，进一步包含：

一设置在所述第一流体通道内的板构件，所述流体管道列阵延伸穿过所述板构件，所述板构件安装在与所述第一隔板有一预定距离的所述流体管道列阵的外表面；以及

至少一层设置在所述第一隔板和所述板构件之间的膨胀材料，所述流体管道列阵延伸穿过所述至少一层膨胀材料，

其中所述至少一层膨胀材料完全填满所述第一隔板和所述板构件之间的间隙。

41.根据权利要求40所述的热交换装置，其中所述至少一层膨胀材料由一种在高于300℃的温度下膨胀的材料制成。

42.一种构造热交换装置的方法，该热交换装置包括一由具有一延伸部的隔板部分地限定的流体通道，并进一步包括一延伸穿过该流体通道的流体管道列阵，所述构造方法包括步骤：

设置多个外壳构件，该外壳构件的每一个都具有一壁和至少一个从该壁延伸出的凸缘；

在一凸缘接头处接合相邻外壳构件的凸缘，其中凸缘接头固定地接纳隔板的延伸部，其中在这一步骤中不接合末极外壳构件；

将流体管道列阵插入流体通道；

在管道列阵的流体管道的外表面上设置多个传热肋片；以及

将末极外壳构件的凸缘接合到相邻外壳构件上，以形成一封闭外壳。

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