CN101004328A - 热交换器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在流体间交换热量的设备，该设备是这种类型：其包括密封外壳(1)、在流体间交换热量的装置(20)以及流体的进入和排出装置(14，16；32，41)。热交换器装置包括由水平板的堆叠形成的多个板束(20)，该板束以星形结构围绕与外壳(1)同轴的管状中央收集器(10)分布。每个板束(20)具有固定到收集器(10)上的垂直前壁和未固定的垂直后壁，每个板束都可滑动地被支撑在固定到外壳上的支撑件(25)上。

Description

热交换器设备
技术领域
本发明涉及一种在流体间交换热量的设备，该设备通过与第二流体交换热量来冷却第一流体。
背景技术
众所周知，热交换器设备包括一密封外壳，该外壳内设有互相平行布置的板束。
该板由通常为不锈钢的优质金属薄板制成，其具有表面光滑的边缘，以及波纹状的中心部分。由此，这些板相互接触限定出形成独立的流体流动回路的通道。
那种具有多个板束的热交换器可运行于多种流体，例如：液体或者气体或者两相混合物。
利用两种流体在各自回路中流动的那种类型的板式热交换器，热量在两种流体间交换，因此使得其中一种流体被加热，而另一种流体被冷却。反之亦然。
在某些工业应用中，对于被冷却的流体来说，其进入和排出板式热交换器之间必然存在相当大的温度差。
这就是为何在这种情形下将多个板式热交换器接连地布置，并且每个板式热交换器都由一个密封外壳构成的原因，该外壳内设置有限定出两个独立回路的一个板束。借助于穿过每个外壳的连接管，以密封的方式将不同板束的回路连接在一起，这样就为经过不同板束的主要流体提供了连续的流动。
结果，这种设备占用了大量的地面面积，并且其制造和维修的费用也很大。
另外，在热交换器之间传送流体的不同热交换器之间的连接管构成了无用压头损失区以及热损失区，因此降低了该热交换器设备的效率。
为了弥补这些缺点，包括一密封外壳的热交换器设备是公知的，其外壳内设置的多个板束，每一板束都连接到流体的进入和排出装置。
通常，板束刚性地连接至密封外壳，当两流体间的温度差大到例如几百度的级别时，这会出现问题。
该温度差在板束上产生大的热应力，该热应力会导致板束的板变形，以及断裂，因此降低了该设备的效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种紧凑的热交换器设备来避免这些缺点。该热交换器设备可在温差大的流体间交换热量。
因此，本发明提供一种在流体间交换热量的设备，该设备是这种类型：其包括垂直的具有伸长形状的密封外壳、流体间的热交换器装置、以及用于第一流体和用于第二流体的进入装置和排出装置，该设备的特征在于，热交换器装置包括由水平板的堆叠形成的多个板束，这些水平板之间限定出两个用于两种流体逆流的流动回路，这些板束以星形结构围绕与外壳同轴的管状中央收集器分布，其中每个板束具有垂直的前壁和垂直的后壁，该前壁固定到中央收集器上并设有用于每种流体的入口和出口，该后壁未被固定并设有用于每种流体的入口和出口，每个板束被可滑动地支撑在固定到密封外壳上的支撑件上。
根据本发明的其他特征：
.对于每一个回路来说，前壁上设置的流体入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端形成，第一流体回路入口的开口端位于前壁的中间，而第二流体回路出口的开口端位于前壁的侧边缘上；
.第一流体入口的开口端通向中央收集器开口，该中央收集器与所述第一流体的进入装置连接；
.相邻两板束前壁侧边缘上的第二流体出口的开口端通过环形收集器互相连接，该环形收集器与所述中央收集器同轴，并在其底部热交换器内包括与排出所述第二流体的装置连接的半球形帽；
.对于每一个回路来说，后壁上设置的流体入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端形成，第二流体回路入口的开口端位于后壁的中间，而第二流体出口的开口端位于后壁的侧边缘上；
.对于每一个回路来说，后壁上形成的流体入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端形成，第二流体回路入口的开口端位于后壁的侧边缘上，而第一流体出口的开口端位于所述壁的中间；
.第二流体入口的开口端通向环形空间开口，环形空间位于中央收集器和外壳之间，所述环形空间与所述第二流体的进入装置连接；
.第一流体出口的开口端被收集器覆盖，该收集器通过至少一根管与收集环连接，该管设有至少一个膨胀补偿器，该收集环与排出第一流体的装置连接；并且
.每个板束的每个侧壁上具有各自垂直的偏转器，该偏转器朝着邻近的板束延伸，两个相邻偏转器的自由端重叠。
附图说明
下列参照附图以及实例的描述会呈现本发明的特点和优点，其中：
图1是本发明热交换器设备的纵向剖面示意图；
图2是沿图1的2-2线得到的横剖面示意图；
图3是沿图2的3-3线得到的纵向剖面示意图，其展示了本发明设备内的流体流动；
图4是透视示意图，其展示了本发明热交换器设备内的板束分布；
图5A和5B分别是板束前面和后面的壁的视图。
这些图展示了在第一流体A和第二流体B之间实现热交换的设备。第一流体A被称为“热”流体，其进入设备的温度大约为800℃，而第二流体B被称为“冷”流体，其进入设备的温度大约为200℃。
该热交换器设备是例如用第二流体B来冷却第一流体A的。
图中展示的热交换器设备包括一个密封外壳1，其具有伸长的外形以及例如圆形的部分。该密封外壳1设有支撑件(未图示)，该支撑件放置在一表面上以接纳所述的密封外壳1，该密封外壳优选地垂直放置。
外壳1具有一圆柱形的中央部分2，该中央部分2设有例如半球形的盖3和底4。
该设备包括一个管状中央收集器10，其与外壳1同轴，并与外壳1一起限定了一个环形空间5。收集器10具有通常为圆柱形的中央部分11，该中央部分具有分别为球形帽形式的盖12和底13。
第一流体A的进入装置在收集器10的盖12中开口，该进入装置由至少一根管14构成，该管穿过密封外壳1的盖3，并且还设有至少一个膨胀补偿器15。在中央收集器10和密封外壳1之间限定的环形空间5与第二流体B的进入装置连接，该进入装置由至少一根穿过所述密封外壳1的盖3的管16构成。
尤其如图1、2和4所示，该设备包括在流体A和B之间交换热量的装置，该装置包括设置在位于密封外壳1和中央收集器10之间的环形空间5内的多个板束20。
在附图中展示的外壳中，板束20布置成围绕着中央收集器10的星形结构，其数量例如是八个。按照通常的方式，每个板束20一般为矩形块的形式，并且其由小厚度的水平金属板21的堆叠形成，例如由不锈钢制成。这些板21具有未图示的波纹。每个板束20内的板21相互之间限定出两个分别用于流体A和B逆流的回路。
尤其如图2和4所示，每板束20包括一个垂直的前壁22、一个垂直的后壁23、以及两个侧壁24，前壁22固定到收集器10的中央部分11上，后壁23自由地伸入环形空间5内，两个侧壁24垂直地延伸至收集器10的所述中央部分11。
如图4所示，每束板20具有倚靠在支撑件25上的底部，该支撑件固定到密封外壳1上。每个支撑件25由水平板25a和垂直板25b构成，相应板束20的底部相对可滑动地承靠该水平板25a，而垂直板25b垂直地延伸至所述的水平板25a。
如图5A所示，前壁22设有流体A和B的入口和出口，对于每一个回路来说，这些入口和出口通过交替重叠开口端26a和26b，或者封闭端27a和27b形成，开口端26a和26b分别用于第一流体A和第二流体B，封闭端27a和27b分别用于第一流体A和第二流体B。
第一流体A的回路入口的开口端26a位于前壁22的中间，而第二流体B的回路出口的开口端26b位于前壁22的侧边缘上。第一流体A的开口端26a在中央收集器10中开口，结果其与第一流体A的进入管14连接。
如图3和4所示，在两个相邻板束20前壁22的侧边缘中第二流体B的出口的开口端26b通过环形收集器30相互连接，该收集器30与中央收集器10同轴。
在环形收集器30的底部，该环形收集器30具有一个围绕着中央收集器10的底部13的半球形帽31。如图1和3所示，该半球形帽31与排出第二流体B的装置连接，该装置由至少一根穿过密封外壳1底部的管32构成。该管32设有至少一个膨胀补偿器33。
如图5B所示，每个板束20的后壁23具有用于每一种流体的入口和出口。对于每一个回路来说，这些入口和出口通过交替重叠开口端28a和28b，或者封闭端29a和29b形成。开口端28a和28b分别用于第一流体A和第二流体B，封闭端29a和29b分别用于第一流体A和第二流体B。
在图5B所示的实施例中，第二流体B的回路入口的开口端28b位于后壁23的中间，而第一流体A的出口的开口端28a位于所述后壁23的侧边缘。第二流体B的入口的开口端28b在位于收集器10和密封外壳1之间的环形空间5中开口，环形空间5本身与用于使第二流体B进入所述环形空间5内的进入管16直接相通。
如图3和4所示，第一流体A的出口的开口端28a被垂直的收集器35覆盖。因此，第一流体A的出口的开口端28a的每一垂直列被收集器35覆盖，而每一个收集器35借助于至少一根管36在其顶端延伸，该管36设有至少一个膨胀补偿器37。每一根管36与收集环40连接，该收集环自身与第一流体A的排出装置连接，该排出装置至少由一根穿过密封外壳1的盖3的管41构成。
在未图示的另一种形式中，第二流体B的入口的开口端28b可位于后壁23的侧边缘，而第一流体A的出口28a的开口端可位于后壁23的中间。在这种结构中，来自每一板束20的第一流体A的出口的开口端28a的垂直列被收集器35覆盖，该收集器35通过管36与收集环40连接。
如图2所示，每个板束20在其每个侧壁24上包括一个垂直偏转器。该偏转器朝着相邻的板束20延伸。
两个相邻偏转器的自由边45a重叠，因此使得第二流体B通过并绕着中央收集器10产生一个所述第二流体B的缓冲区。
偏转器46设置在第一流体A的进入管14周围，而另一个偏转器47类似地在中央收集器10的半球形帽31和密封外壳1的底部4之间设置在板束20的下面。
现在参照附图3，其描述了流体A和B如何流经该设备。
大约800℃温度的热的第一流体A通过进入管14进入中央收集器10，然后被引入每个板束20的入口26a。
大约200℃温度的第二流体B通过进入管16进入环形空间5，该环形空间在中央收集器10和密封外壳1之间形成。该第二流体B被引向每个板束20后壁23上的入口28b。流体A和B在每个板束20的独立回路中的流动使得在这些流体之间进行热量交换，因此第一流体A在经过每个板束20后被冷却，并通过板束20的出口端28a排出以便被垂直的收集器35收集。被冷却的第一流体A沿着管36流动，并在通过管41排出该设备之前穿入收集环40。
在第一流体A循环经过该设备的同时，第二流体B以大约200℃的温度通过进入管16进入密封外壳1。在填充环形空间5之后，该第二流体B穿过每个板束20后壁23中的开口端28b，并按照与第一流体A逆流的方式通过每个板束20。因此，在每个板束20中流体A和B之间形成了热交换，第二流体B被因此加热，并从每个板束20的开口端26b排出，然后在经由中央截流器10的底13和半球形帽31形成的空间、然后经管32排出之前被环形收集器30收集。
当热流体A和冷流体B通过该设备的不同部件，尤其经过板束20时，所产生的热应力导致板束20的板21膨胀，倘若借助于这些板束20和支撑件25之间构成的滑动支撑，每一板束被支撑在密封外壳1内，这些板可以不受约束地膨胀，因此可以避免每个板束20内存在大的热应力。这些可同样应用于热流体的进入管14、冷流体的排出管32、也可以应用于每根管36，其中该冷流体在经过每个板束20后被加热，每根管36都设有各自的膨胀补偿器15、33和37。
本发明的热交换器设备呈现出的优点为：通过中央收集器10使热流体的入口集中在密封外壳1的中央，并且通过使用热流体进入管14、中央收集器10、以及被加热流体的排出管32周围的各个偏转器45、46和47，使得周边的冷的缓冲区围绕着热区。
以这种方式提供的、围绕着热区的这些缓冲区使得提供一种密封外壳1成为可能，与以前使用的热交换器设备的密封外壳相比，该密封外壳1具有相对小的厚度。
由于其设计，依照本发明的热交换器设备呈现出的优点为：倘若热流体和冷流体之间具有大的温度差，在使各种部件不受约束地膨胀的同时，紧凑并且具有大的热交换面积。

Claims (13)

1、一种用于在流体间交换热量的设备，该设备是这种类型：其包括垂直的具有伸长形状的密封外壳(1)、流体间的热交换器装置(20)以及用于第一流体(A)和第二流体(B)的进入装置(14，16)和排出装置(32，41)，该设备的特征在于，该热交换器装置包括由水平板(21)的堆叠形成的多个板束(20)，这些板之间限定出两个用于两种流体(A和B)逆流的流动回路，这些板束以星形结构围绕与外壳(1)同轴的管状中央收集器(10)分布，其特征还在于每个板束(20)具有垂直的前壁(22)和垂直的后壁(23)，该前壁固定到中央收集器(10)上并设有用于每种流体(A和B)的入口(26a)和出口(26b)，该后壁未被固定并设有用于每种流体(A和B)的入口(28b)和出口(28a)，每个板束(20)被可滑动地支撑在固定到密封外壳(1)上的支撑件(25)上。
2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，对于每一个回路来说，前壁(22)上设置的流体入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端(26a，26b；27a，27b)形成，第一流体(A)的回路入口的开口端(26a)位于前壁(22)的中间，而第二流体(B)的回路出口的开口端(26b)位于前壁(22)的侧边缘上。
3、如权利要求2所述的设备，其特征在于，第一流体(A)的入口的开口端(26a)在中央收集器(10)中开口，该中央收集器(10)与所述第一流体(A)的进入装置(14)连接。
4、如权利要求3所述的设备，其特征在于，第一流体(A)的进入装置由至少一根管(14)构成，该管(14)穿过外壳(1)并连接到中央收集器(10)的顶部，所述管(14)设有至少一个膨胀补偿器(15)。
5、如权利要求2所述的设备，其特征在于，相邻两板束(20)的前壁(22)的侧边缘上的用于第二流体(B)的出口的开口端(16b)通过环形收集器(30)互相连接，该环形收集器与所述中央收集器(10)同轴，并在其底部热交换器内包括与用于排出所述第二流体(B)的装置(32)连接的半球形帽(31)。
6、如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述用于排出第二流体(B)的装置由至少一根在密封外壳(1)的底部穿过该密封外壳(1)的管(32)构成，所述管(32)设有至少一个膨胀补偿器(33)。
7、如权利要求1所述的设备，其特征在于，对于每一个回路来说，后壁(23)上设置的用于第一和第二流体(A和B)的入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端(28a，28b；29a，29b)形成，第二流体(B)的回路入口的开口端(28b)位于后壁(23)的中间，而第二流体(A)的出口的开口端(28a)位于后壁(23)的侧边缘上。
8、如权利要求1所述的设备，其特征在于，对于每一个回路来说，后壁(23)上形成的流体入口和出口通过交替重叠开口端或者封闭端(28a，28b；29a，29b)形成，第二流体(B)的回路入口的开口端(28b)位于后壁(23)的侧边缘上，而第一流体(A)的出口的开口端(28a)位于所述后壁(23)的中间。
9、如权利要求7或者8所述的设备，其特征在于，第二流体(B)的入口的开口端(28b)在位于中央收集器(10)和外壳(1)之间的环形空间(5)中开口，所述的环形空间(5)与所述第二流体(B)的进入装置(16)连接。
10、如权利要求9所述的设备，其特征在于，第二流体(B)的进入装置由至少一根管(16)构成，所述管(16)穿过外壳(1)并开口到所述外壳(1)的内部。
11、如权利要求7或者8所述的设备，其特征在于，第一流体(A)的出口的开口端(28a)被一收集器(35)所覆盖，该收集器(35)通过至少一根管(36)与一收集环(40)连接，所述管(36)设有至少一个膨胀补偿器(37)，该收集环(40)与排出第一流体(A)的装置(41)连接。
12、如上述任意权利要求所述的设备，其特征在于，每个板束(20)在其每个侧壁(24)上具有各自的垂直的偏转器(45)，该偏转器(45)朝着邻近的板束(20)延伸，两个相邻偏转器(45)的自由端(45a)重叠。
13、如上述任意权利要求所述的设备，其特征在于，第一流体(A)是以大约800℃进入板束(20)的热流体，第二流体(B)是以大约200℃进入所述板束(20)的冷流体。
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