CN101275815B - 换热器中的配置 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明所述的换热器中的配置中，所述换热器包括外壳和管。所述管被设置在外壳内部。流向换热器的第一介质可被引导进入到所述管中且第二介质被引导至外壳内表面与管的外表面之间，并且来自所述换热器的第一介质可从所述管中被引导出来且第二介质从外壳内表面与管的外表面之间被引导出来。所述换热器包括至少两个沿第二介质流的方向连续设置的管排。所述第一管排中包括至少两根管，第一距离为两根平行管之间的距离，第二距离为第一排中的第一平行管与第二排中的管之间的距离，第三距离为第一排中的第二平行管与第二排中的管之间的距离。所述第一距离、第二距离和第三距离构成一个三角形，所述三角形的每个角都小于90°，并且所述第二距离的长度与所述第三距离的长度是不同的。

Description

换热器中的配置
技术领域
本发明的目的在于一种在根据权利要求1和8前序部分所述的换热器中所使用的配置和方法。
背景技术
管壳式换热器是在加工工业中应用最广泛的一种换热器类型。管壳式换热器的成本/功率比相对较低且其优点包括可靠性、耐用性以及多样的结构。
管式换热器通常由圆管构成，其中一种介质在管内部进行流动且另一种介质在管外部进行流动。由于这种结构，管式换热器适用于要求高温和高压的应用目的。最普通的管式换热器类型包括双管换热器和管壳式换热器。
管壳式换热器通常包括设置在圆柱形外壳内部的管束。这些管的端部被连接到管板上面。所述板将管一侧上的介质流与外壳一侧上的介质流彼此分开。间隔板被附接在外壳内从而引导外壳一侧上面的介质流，增大流速并支承管束。
在适当条件下，外壳一侧上的介质流引发换热器管道系统产生振动。所述振动包括物理系统围绕一定平衡位置进行的运动。存在使管产生振动的多种不同的激发机制，例如流体的弹性不稳定性、由旋转漩涡所导致产生的振动激发、由紊流所导致产生的声共振和振动激发。所述振动缩短了换热器的寿命并且导致产生噪音和能量损失。
一种用于对换热器中的振动进行控制的已公知的解决方案是在不将所述管固定到支承板上的条件下尽可能地支承整个换热器或其管。可通过以彼此间较短的距离放置间隔板从而实施所述支承。这些解决方案的缺点在于由于增多了加工阶段和增大了材料成本从而增加了换热器的生产成本。用以减轻振动的第二解决方案是将换热器内的流速，特别是外壳一侧上面的管之间的流速，保持得尽可能低。在这种情况下，换热器的尺寸增大并且材料成本升高增加了生产成本。
管壳式换热器常常被用于冷却旋转电机。在电机中受到加热的空气利用室外空气在换热器中被冷却下来。有时候，所使用的室外空气可能非常脏。在这种情况下，该工艺过程受益于以下事实，即管壳式换热器易于进行清洁。用以冷却电机的换热器尺寸较小且具有较大的换热器功率。
当旋转电机受控进行工作时，用于进行冷却所需的空气流量根据空气流量控制进行变化。常规范围为设计空气流量的0-130％。在这种情况下，来自电机要在换热器中进行冷却的空气的流速在换热器中相应地改变。如果设定换热器的尺寸，从而使得即便对于更大的空气流量而言所述流速也较低，那么换热器将会很大和很笨重。
发明内容
本发明的目的在于实现一种换热器。为了实现该目的，本发明的特征在于根据权利要求1和8所述的技术特征。在从属权利要求中限定了本发明的一些其它的优选实施例的技术特征。
在根据本发明所述的换热器中，所述换热器包括外壳和管。所述管被设置在外壳内部。流向换热器的第一介质可被引导进入到所述管中且第二介质被引导至外壳内表面与管的外表面之间，并且来自所述换热器的第一介质可从所述管中被引导出来且第二介质从外壳内表面与管的外表面之间被引导出来。所述换热器包括至少两个沿第二介质流的方向连续设置的管排。第一管排中包括至少两根平行管，第一距离为所述两根平行管之间的距离，第二距离为第一排中的第一平行管与第二排中的管之间的距离，第三距离为第一排中的第二平行管与第二排中的管之间的距离。所述第一距离、第二距离和第三距离构成一个三角形，该三角形中的每个角都小于90°。所述第二距离的长度与所述第三距离的长度是不同的。
在根据本发明所述的用于增大在换热器中的管道系统的产生(launching)流体弹性不稳定度的流速的方法中，所述换热器包括外壳和管。所述管被设置在外壳内部。第一介质被引导进入到所述管中且第二介质被引导至外壳内表面与管的外表面之间，并且第一介质从所述管中被引导出来且第二介质从外壳内表面与管的外表面之间被引导出来。至少部分管间隔部(tube division)非对称地进行布置。
本发明的一个实施例涉及一种管壳式换热器，其中被设置在换热器内部的管具有基本上平滑的外表面。具有平滑外表面的管不会在特性上阻断液流，而本发明的该实施例阻断了液流，从而防止所述液流在外壳一侧上面产生同步作用。
本发明的另一个实施例涉及一种管壳式换热器，其中气体如空气在换热器的外壳一侧上面进行流动，并且气体又如空气同样在换热器的管一侧上面进行流动。在管一侧上面进行流动的气体不会减弱由在外壳一侧上面进行流动的气体物质，例如略微减弱振动的具有更高密度的液体流，所引发的振动。
本发明的一个实施例涉及一种用于冷却电机的管壳式换热器。电机中的冷却剂，通常是空气或气体，从电机被传导至换热器的外壳一侧，在此冷却剂在外壳内表面与管的外表面之间进行流动。接收来自电机的冷却介质的热量的介质流在管内进行流动。根据本发明所述的一个实施例，在换热器的外壳一侧上面的流速可增大并且换热器的尺寸可被减小。
本发明的一个实施例涉及一种用于冷却受控进行工作的电机的管壳式换热器。受控进行工作的电机的转速是可改变的，在这种情况下，冷却剂的所需体积流速随控制信号而变化。然而，额定转距可由采用低转速的电机获得，在这种情况下，冷却剂的体积流速与转矩相关联。受控进行工作的电机的冷却空气流量的常规范围为设计空气流量的0-130％。
本发明的一个实施例涉及一种交叉流动换热器，其中第一介质的流动方向与第二介质的流动方向大致垂直。
为了使换热器保持处于良好水平，管间隔部(tube division)，即管之间的距离，在换热器中保持较小。在这种情况下，非对称管排的管间隔部优选不要过于稀疏。根据一个优选实施例，第二管排中的管之间的最大距离是第一管排中的管之间的距离的两倍。
根据一个实施例，第一管排中的两根平行管之间的第一距离不同于第二管排中的第一平行管与第二管排中的管之间的第二距离。
对于根据本发明所述的换热器中的配置而言，在外壳一侧上面进行流动的介质在其它地方且不仅是在流动空间的侧面上被提供了一条不同的平行流动路径。在这种情况下，所述平行的流动路径不仅是彼此的镜像。由于存在不同的流动路径，因此，外壳一侧上面的管之间的介质的最大流速分别位于不同的管道系统部段中。
根据本发明所述的一个实施例减弱了管壳式换热器中的振动。所述配置和所述方法增大了外壳一侧上面的流速，由此产生或出现了管道系统中的流体的弹性不稳定性。结果是，换热器的寿命增长，噪音水平降低且能量损失降低。
可以实施根据本发明所述的非对称管间隔部，从而使得管壳式换热器中的连续(或每一第三，第四等)管排具有不同的间隔部或者每一管排的一部分具有不同的间隔部。
在非对称地布置的管间隔部中，在流动方向上前后设置的两个管排之间的平行流动的横截面具有不同的尺寸。所述流动横截面形成在三根最接近的管之间。这样就干扰了介质流的同步作用，从而减弱了振动。
对于根据本发明所述的配置而言，换热器的生产成本不会增加太多。加工阶段的数量或材料成本也不会增加。与根据所选定的管间隔部使用同样数量的具有常规三角形或正方形间隔部或者倒三角形或正方形间隔部的管的换热器相比，换热器的尺寸可能会略有增大。然而，根据本发明所述的一个实施例允许在外壳一侧上面存在比常规解决方案更大的体积流量，这是因为特别是以较高速度出现在换热器的管一侧上面的振动被有效减弱。
附图说明
下面，通过一些实施例并结合附图对本发明进行更加详细地描述，其中：
图1示出了管壳式换热器的横截面；
图2a)-c)示出了非对称管间隔部的横截面；和
图3示出了利用管壳式换热器对电机进行的冷却。
具体实施方式
图1示出了用于冷却电机的管壳式换热器的横截面。管壳式换热器1由被设置在圆柱形外壳2内部的圆管3a-3g形成。对于该流动方法而言，该换热器是一种交叉流动换热器，其中液流在传热管的不同侧面上面垂直进行传导。所述外壳具有单排气结构(single draughtstructure)且外壳一侧上面的介质流通过位于第一端部处的单元5进入换热器并且所述介质流流过换热器到达另一端部，在所述另一端部处，所述介质流被排出。管一侧上面的介质流通过位于第一端部处的单元6进入换热器并且所述介质流在第一管排10中的管3e-3h内部进行流动到达换热器的另一端部，在所述另一端部处，所述介质流拐入转向室并且在第二管排11中的管3a-3d内部进行流动到达换热器的第一端部，在所述第一端部处，所述介质流通过单元7被排出。管3a-3h的端部被连接到将管一侧上面的介质流与外壳一侧上面的介质流彼此分开的管板4上。如果管一侧上面的冷却剂循环是打开的，那么空气主要被用作冷却剂。通常，其它气体和液体被用在管一侧上面的封闭冷却剂循环中。为了简单起见，图1中仅示出了两排管10，11。在实践中，管壳式换热器中可包括多排超过1000根管，管的数量可高达15000根。
间隔板8被附接到外壳2内部从而引导外壳一侧上面的介质流。间隔板8被交替地附接到外壳内部的顶部部段或底部部段上面。间隔板8引导外壳一侧上面的介质流9在所述管排之间从外壳的顶部流至底部，再向回从外壳的底部流至顶部。在交叉流动换热器中，管一侧上面的介质流的流动方向与外壳一侧上面的介质流的流动方向大致垂直。该垂直状态是通过紧密地设置间隔板8间隔部而得以实现的。图1中示出了接近外壳顶部的间隔板8。该间隔板引导外壳一侧上面的介质流9，如图中宽箭头所示，并且传导至换热器1外壳2的顶部从而在两个管排10，11之间流至换热器的底部。下一块间隔板8(图1中未示出)引导介质流9在所述管排之间从外壳的顶部流至底部。
管排10，11非对称重叠。在下部管排10中的管3e-3h彼此之间的距离L1，L2，L3是恒定的。在上部管排11中的管3a-3d彼此之间的距离L4，L5，L6是恒定的。下部管排10与上部管排11之间的距离L9在管排的全长范围内也是恒定的。在下部管排中的管3e-3h与在上部管排中的管3a-3d之间的距离不是恒定的，这是因为上部管排中的管3a-3d没有水平地设置在下部管排中的管3e-3h的间隙的中部，而是略微朝向间隙的其它边缘进行设置。如果在下部管排10中的管3e-3h彼此之间的距离L1，L2，L3与在上部管排11中的管3a-3d彼此之间的距离L4，L5，L6是相同的，那么不同长度L7，L8的两个距离形成在水平交替设置的下部管排10中的管3e-3h与上部管排11中的管3a-3d之间。
当外壳一侧上面的介质流9在外壳2的底部处的间隔板8下面进行流动时，该介质流转向与管排10，11相交叉地朝向外壳的顶部进行流动。介质流9被分开进入到最下面的管排10中的管3e-3h的间隙中。所述管之间的介质流的流速根据电机所需的冷却剂流的体积而进行变化。
一旦介质流9已流过第一管排10，该介质流部分地组合且再次分开以通过第二管排11。因为第一管排10中的管3e-3h与第二管排11中的管3a-3d彼此之间的距离发生变化，所以在第一管排10中的管3e-3h之间流动的介质流的流动横截面产生变化。基于两根管之间的距离L7，L8和在由间隔板8限定出的一定距离上的所述管的长度定义该流动横截面。在前两个管排中的管3e-3h之间进行传导的介质流没有在第二管排中的管3a-3d的两侧上面被均匀地分开形成两部分，这是因为现有的流动横截面具有不同的尺寸。这样就干扰了介质流9，从而使得介质流9在流过所述管排时不能产生同步作用并且由空气物质导致产生的振动在换热器1的管中被减弱。
介质流9的同步作用可进一步通过增大从间隔板8的管开口中流出的泄漏介质流而受到干扰。
图2a)-c)示出了非对称管间隔部的横截面。
图2a)示出了管间隔部，其中全部三个管排10a，11a，12a中的两根管的纵向中心轴线之间的距离L10，L20，L30是相等的。所述管排之间的距离L40，L50是恒定的。第二管排11a被水平重叠，从而使得第一管排10a中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10、第一管排10a中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L11、以及第一管排10a中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L12具有不同的长度。第一管排10a中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L11比第一管排10a中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L12更短。第一管排10a中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10、第一管排10a中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L11、以及第一管排10a中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11a中的管之间的距离L12形成一个三角形，该三角形中所有的角都是锐角。
流入存留在第一管排中的两根管之间的一个自由空间中的介质流9在流向存留在第二管排中的管之间的自由空间时被分成多个部分9a，9b。第一管排11a和第二管排12a中的管之间的距离形成具有不同尺寸的流动横截面，由于该原因，因此介质流9被不均匀地分成多个部分9a，9b。
如图2a)中所示出的非对称管间隔部采用了这样一种管间隔部，其中全部管排被实施采用相同的间隔部，即所述管之间的距离的长度对于所有管排而言是相等的。当一个管排的起始点被拉入或推出时，可实现该非对称状况，从而使得来自被拉入或推出的管排中的相同的管中的先前管排中的两根平行管之间的距离L11，L12是不相等的，此后被拉入或推出的管排中的管非垂直地位于彼此之上，且低于或高于它的管排中的所述管，或者所述管间隔部的中间部段位于下面或上面。
图2b)示出了一种管间隔部，其中每隔一个管排10b，12b中的两根管的纵向中心轴线之间的距离L10，L30是相等的。第二管排中的两根管的纵向中心轴线之间的距离L20是恒定的且比第一管排10b和第三管排12b中的该距离更长。所述管排之间的距离L40，L50是恒定的。
第一管排10b中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10和第一管排10b中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11b中的管之间的距离L111-L114是不同的。第一管排10b中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11b中的管之间的距离L111-L114具有不同于第一管排10b中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11b中的管之间的距离L121-L124的长度。
第一管排10b中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10、第一管排10b中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11b中的管之间的距离L111-L114、以及第一管排10b中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11b中的管之间的距离L121-L124形成一个三角形，没有一个角是钝角，即所述三角形中的每一个角都小于或等于90°。
图2c)示出了管间隔部，其中第一和第三管排10c，12c中的两根管的纵向中心轴线之间的距离L10，L30是相等的。第二管排11c中的两根管的纵向中心轴线之间的距离L21-L24不是恒定的，但是该距离朝向第二管排11c的边缘增加。所述管排之间的距离L40，L50在垂直方向上是恒定的。
第一管排10c中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10和第一管排10c中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11c中的管之间的距离L115-L118是不同的。第一管排10c中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11c中的管之间的距离L115-L118具有不同于第一管排10c中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11c中的管之间的距离L125-L128的长度。
第一管排10c中的两根平行管的纵向中心轴线之间的距离L10、第一管排10c中的第一平行管的纵向中心轴线与第二管排11c中的管之间的距离L115-L118、以及第一管排10c中的第二平行管的纵向中心轴线与第二管排11c中的管之间的距离L125-L128形成一个三角形，所述三角形中的每一个角都小于或等于90°。当第一管排10c中的管和第二管排11c中的管随机垂直地位于彼此顶部上时，所述三角形中的所述角为直角。
还可以实施该非对称管间隔部，从而使得第二管排中的两根管的纵向中心轴线之间的距离是恒定的且比第一和第三管排中的两根管的纵向中心轴线之间的距离更短。
图3示出了利用管壳式换热器对电机进行冷却的剖面图。管壳式换热器1b位于电机14的顶部上面。电机14是空气冷却的。管壳式换热器1b包括设置在带有圆角的矩形外壳2内部的圆管3i。对于流动方法而言，该换热器是一种交叉流动换热器，其中介质流垂直地在传热管的不同侧面上面进行传导。管一侧上面的介质流13a被传导进入到由来自换热器1b左侧的管3h形成的管束中并且介质流13a作为受热流从电机的右端部13b排出。外壳一侧上面的介质流9从电机的中间9c和右端部9d被传导至换热器1b的右端部。管3i的端部被附接到管板4上面。管板4将管一侧上面的介质流与外壳一侧上面的介质流彼此分开。
间隔板8a被附接到外壳2b内部，从而引导外壳一侧上面的介质流。间隔板8a是实心的，即间隔板8a被附接到所有管3i上面且外壳一侧上面的介质流循环通过外壳2b。在这种情况下，间隔板8a引导外壳一侧上面的介质流9在所述管排之间从外壳的底部流至顶部，再向回从外壳的顶部流至底部。因此，外壳一侧上面的介质流与管一侧上面的介质流大致垂直。
当外壳一侧上面的介质流9在管板4下面流至外壳2b的底部时，介质流9转向与管排相交叉地朝向外壳的顶部进行流动。介质流9被分开进入到管3i的间隙中。由于管3i的间隔部非对称地在换热器1b中实施，因此对于在外壳一侧上面进行流动的介质流9而言，存在多条平行的流动路径，且所述介质流的同步作用受到干扰。结果是，导致产生或出现管道系统的流体弹性不稳定度的在外壳一侧上面的流速增大。
在换热器中所述管之间的介质流的速度根据电机所需的冷却剂流的体积发生变化。通常，使冷却剂流在电机中进行循环的鼓风机被设置在转子轴线上面，在这种情况下，鼓风机以相同的转速随转子进行旋转，即在转速受控的电机中，转速随转子转速的变化而变化。该鼓风机也可以是独立的，其根据电机转速或转矩而受到控制。如果在低转速条件下需要额定转矩的话，则独立的鼓风机是必要的，在这种情况下，被附接到电机轴线上面的鼓风机不足以产生足够强的加压流。图3中所示出的构型中包括改进介质循环的单独的鼓风机15。电机中的冷却剂流量的正常范围为测量介质流量的0-130％。电机中使用的最普通的冷却剂是空气或气体。
在换热器1b中冷却下来的电机14的冷却剂流9e被传导至电机14的左端部，冷却剂流9e从该处流动通过定子16和转子17到达电机的中部9d和其另一端部9c。
在图3中，使用连续线画出的箭头表示更冷的空气，而使用虚线画出的箭头表示更热的空气。
根据对所需振动的减弱效应选择在换热器中形成非对称性的管排的数量。可通过增加换热器管间隔部的非对称性从而实现较大的振动减弱效应。
为了简单起见，所述附图中示出了具有平滑外表面的换热器管。所述换热器管也可以具有带加强筋、带有凸缘或带有螺纹的外表面，或者所述外表面的横截面可以呈星形形状。在这种情况下，所述管之间的距离长度由在管的外表面之间形成的距离进行定义。
在上文中已经结合了一些实施例对本发明进行了详细地描述。然而，以上的说明书不应被视为是对专利保护范围的限制；可在由所附权利要求书限定的范围内对本发明的多个实施例作出改变。
部件列表：1，1b换热器；2，2b外壳；3a-i管；4管板；5单元；6单元；7单元；8，8a间隔板；9，9a-e外壳一侧上面的介质流；10，10a-b，11a-b，12a-b管排；11管排；13a，b管一侧上面的介质流；14电机；15鼓风机；16定子；17转子；L1-L10，L20，L30，L40，L50，L111-L118，L121-L128距离。

Claims (8)

1.一种换热器，其中，所述换热器(1)包括外壳(2)和管(3a-3h)，所述管被设置在外壳(2)内部，在所述换热器(1)中，第一介质(13a-b)能被引导进入到所述管(3a-3h)中且第二介质(9)被引导至外壳(2)的内表面与管(3a-3h)的外表面之间，并且来自所述换热器(1)的第一介质能从所述管(3a-3h)中被引导出来且第二介质(9)从外壳(2)的内表面与管(3a-3h)的外表面之间被引导出来，其特征在于，所述换热器(1)包括至少两个沿第二介质(9)流的方向前后设置的管排(10，11)，所述管排(10，11)包括第一管排(10)和第二管排(11)，第一管排(10)中包括至少两根平行管(3a-3h)，第一距离(L2)为所述两根平行管之间的距离，第二距离(L8)为第一管排(10)中的第一平行管与第二管排(11)中的管之间的距离，第三距离(L7)为第一管排(10)中的第二平行管与第二管排(11)中的管之间的距离，所述第一距离、第二距离和第三距离构成一个三角形，所述三角形的每个角都小于90°，所述第二距离(L8)的长度与所述第三距离(L7)的长度是不同的。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述第一距离(L2)的长度与所述第二距离(L8)的长度是不同的。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，第二管排(11)中的两根平行管之间的距离(L4)最多是第一管排(10)中的两根平行管之间的距离(L2)的两倍。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，能被引导进入到所述换热器(1)中的所述第二介质(9)是用于电机(14)的冷却剂。
5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述电机(14)是受控进行工作的且所述受控进行工作的电机的转速是可变的，并且当改变所述转速时，冷却剂的体积流量也发生变化。
6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，能被引导进入到所述换热器(1)中的所述第一和第二介质(9)是气体。
7.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器是一种交叉流动换热器，并且第一介质(13a-b)的流动方向与第二介质(9)的流动方向垂直。
8.一种用于增大在换热器中的管道系统中产生流体弹性不稳定度的流速的方法，在所述方法中，所述换热器(1)包括外壳(2)和管(3a-3h)，所述管被设置在外壳(2)内部，在所述换热器(1)中，第一介质(13a-b)被引导进入到所述管(3a-3h)中且第二介质(9)被引导至外壳(2)内表面与管(3a-3h)的外表面之间，并且在所述换热器(1)中，第一介质从所述管(3a-3h)中被引导出来且第二介质(9)从外壳(2)内表面与管(3a-3h)的外表面之间被引导出来，其特征在于，至少部分管间隔部非对称地进行布置，其中，在前后设置的两个管排(10，11)之间沿着第二介质(9)的流动方向的平行流动的横截面具有不同的尺寸。
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