CN101310156A - 板型热交换器的制造方法和相关的热交换器 - Google Patents

板型热交换器的制造方法和相关的热交换器 Download PDF

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Abstract

一种所谓的板型热交换器(10，110，210)的制造方法，包括如下操作步骤：并列放置一对大致相同的金属板(12，14)；通过在相应的周边侧(13a，13b，13c，13d)执行焊接，把所述并列放置的金属板(12，14)彼此固定在一起；通过多个焊接区域(22)使所述并列放置的金属板(12，14)彼此进一步地固定在一起，所述多个焊接区域(22)以至少两个直线排列布置，所述至少两个直线排列与金属板(12，14)的一对相对的周边侧(13a，13c)平行且相邻，并且与所述周边侧相距预定的间隔关系；在所述并列放置的金属板(12，14)之间导入压力流体，以便形成中空的、大致盒形的主体(17)，在所述主体(17)中限定内室(16)和两个大致管状通道(16a，16b)，所述内室(16)和两个大致管状通道(16a，16b)形成在所述一对相对的周边侧(13a，13c)与焊接区域(22)的相应的相邻直线排列之间，所述大致管状通道(16a，16b)具有平行于所述相对的周边侧(13a，13c)的轴线并且与所述内室(16)流体连通；沿所述大致管状通道(16a，16b)且在所述大致管状通道(16a，16b)的轴线的方向上切割所述中空主体(17)，因此，获得在相对两侧上配备有大致半管状通道(16c，16d)的中空主体(17)，所述半管状通道(16c，16d)朝主体(17)的外部开放；相应的分配器导管(18)和收集器导管(20)与所述大致半管状通道(16c，16d)结合。

Description

板型热交换器的制造方法和相关的热交换器
技术领域
就最宽的方面而言，本发明涉及一种制造所谓的板型热交换器的方法，即包括盒形平坦主体的热交换器，在主体内限定内室，用于通过热交换工作流体。前述类型的热交换器有利地用于化学反应器的热交换单元，以便最优地实现放热或吸热化学反应，例如，在氨、甲醇、甲醛、或苯乙烯的合成反应中。所述的交换器必须从反应环境去除热量或给反应环境供应热量，以便把反应环境的温度控制在预先计算的理论值附近的狭窄范围内。
具体地，本发明涉及一种所述板型热交换器的制造方法，包括如下操作步骤：
并列放置一对大致相同的金属板；
通过在相应的周边侧执行焊接，把所述并列放置的金属板彼此固定在一起；
通过多个焊接区域使所述并列放置的金属板彼此进一步地固定在一起，所述多个焊接区域以至少两个直线排列布置，所述至少两个直线排列与金属板的一对相对的周边侧平行且相邻，并且与所述周边侧相距预定的间隔关系；
在所述并列放置的金属板之间导入压力流体，以便形成中空的、大致盒形的主体，在所述主体中限定内室和两个大致管状通道，所述内室和两个大致管状通道形成在所述一对相对的周边侧与焊接区域的相应的相邻直线排列之间，所述大致管状通道具有平行于所述相对的周边侧的轴线并且与所述内室流体连通。
请注意，在本发明的应用中，术语“焊接区域”通常指并列放置的金属板的具有预定长度的焊接区域，包括边界线条件，其中焊接区域是点状的(在该情况下，使用术语“焊点”)。
本发明还涉及使用所述方法获得的热交换器，以及包括前述热交换器的化学反应器。
背景技术
在许多工业应用中，特别是在化学反应器领域，使用所谓的板型热交换器是公知的，所述热交换器包括盒形的、平行六面体形的、平坦的、大致矩形的主体，在主体中限定室，该室用于流通热交换工作流体。
制造所述热交换器也是公知的，在预先选择的一对并列放置的金属板的周边执行焊接，此后，金属板之间固定在一起，在适当压力作用下导入流体(泵送步骤)以便相互分隔开所述板，从而获得交换器的的内室。
在压力流体的前述泵送步骤期间，为了保持所述主体的平行六面体形式，以及防止板过分分隔开，因此被过分地应力牵引，具有形成裂纹、裂缝和甚至严重破裂的风险，现有技术在并列放置的板之间提供其它焊接，位于板的多个预先选择的区域处，优选地，根据多个直线排列布置，多个直线排列平行于前述板的一对相对的周边侧。
在泵送步骤期间，在金属板之间形成室(热交换器的内室)，如前所述，以与焊接区域的前述直线排列相同的方式能够独立形成多个“导管”，所有导管通过通道相互流体连通，通道形成在一个焊接区域和相邻的焊接区域之间。利用
利用泵送步骤，获得理想的板型热交换器的中空的、大致盒形的主体。
此外，利用前述焊接区域的适当布置，以及提供其它可能的焊接区域，例如平行于其它对的相对周边侧的焊接区域，能够为热交换工作流体限定穿过中空主体的预定的通路，例如以蜿蜒的形式。
在所述的盒形主体中，“导管”形成在金属板的前述一对相对的周边侧处并在该周边侧处延伸，用于作为穿过所述板型热交换器的分配器和收集器。
焊接区域的各种直线排列之间的距离根据并列放置的金属板的机械特性来选择，由于该原因，在泵送作用期间，两个相邻的直线排列之间的板的部分必须没有过分地分隔开(变形)，以便防止出现裂缝。换言之，根据所述机械特性，焊接区域的直线排列之间的距离具有上界。
根据供给热交换器的工作流体的流速来选择所述收集器导管和分配器导管的剖面，因此，自然地，它具有下界。基本上，所述相对的周边侧的焊接与焊接区域的相应的相邻直线排列之间的距离具有下界。
所述两个边界不一致，即限定前述分配器导管和收集器导管的焊接之间的距离总大于相对于焊接区域的相邻的直线排列的距离，其中热交换器越长(因此供应工作流体的内室的容积越大)，这种距离差越大。
尽管根据不同观点它具有优点，但是上述说明的板型热交换器的制造方法具有公认的缺点。
主要缺点是压力流体的泵送步骤，其中必须非常小心，这会严重影响热交换器的生产时间。
事实上，如前所述，因为所述相对的周边侧的焊接与焊接区域的相应的相邻直线排列之间的距离大于相邻的焊接区域的两个直线排列之间的距离，变形阻力更小，压力流体开始使交换器的将形成分配器导管和收集器导管的部分发生变形(膨胀)。
同时，为了正确地“膨胀”交换器的其余部分，防止分配器导管和收集器导管“爆裂”，必须使用适当的外部限制元件或装置(例如特定的金属板)来限制这些导管的膨胀，这些外部限制元件或装置适当地定位并且挤压分配器导管和收集器导管，这导致生产循环相当复杂。
此外，所述“限制”操作步骤难以完全自动地执行，导致不能完全地发挥当前的机器和设备执行所述制造方法的制造潜力。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明设计和提供一种板型热交换器的制造方法，它能够以简单、低成本效率和有效的方式来克服现有技术的局限和/或缺点，即能够显著地降低生产时间，同时，增加执行该过程的设备的自动化程度。
根据本发明，通过板型热交换器的制造方法解决了该问题，该类型的板型热交换器的制造方法的特征在于，还包括操作步骤：
沿所述大致管状通道且在所述大致管状通道的轴线的方向上切割所述中空主体，因此，获得在相对两侧上配备有大致半管状通道的中空主体，所述半管状通道朝主体的外部开放；相应的分配器导管和收集器导管与所述大致半管状通道结合，分别用于分配热交换工作流体到所述内室中和收集来自所述内室的热交换工作流体。
有利地，前述方法不同寻常地降低了板型热交换器的生产时间。
通过参考附图，根据下述说明和优选实施例，本发明的板型热交换器的制造方法的其它特性和优点将变得清楚，上述说明和优选实施例仅用于解释说明，不用于对本发明的限制。
附图说明
图1显示化学反应器的纵向剖视图，其中安装多个板型热交换器；
图2显示根据本发明的方法制造的、包括在图1的反应器中的板型热交换器的立体图；
图3显示图2所示的板型热交换器的沿图2的平面Z的横截面剖视图；
图4a，4b和4c详细显示图3中的热交换器的相继的操作步骤的沿沿图2的平面Z的示意剖视图；
图5显示根据本发明的方法制造的板型热交换器的第二实施例的示意横截面剖视图；和
图6显示根据本发明的方法制造的板型热交换器的第三实施例的示意立体图。
具体实施方式
首先参考图1，2，3，4a，4b和4c，显示了化学反应器，全部用标记60表示，化学反应器包括热交换单元40，热交换单元40包括多个板型热交换器10，该板型热交换器10使用本发明的方法制造。
更具体地，化学反应器60包括圆筒形壳62、下部63和顶部64，壳62具有轴线R-R，该壳62的相对两端被相应的底部闭合。在壳62的内部，提供反应环境(reaction environment)69，该反应环境69包括本质上公知的催化床层(catalytic bed)，反应流体流通过该催化床层。
热交换单元40以本质上传统的方式支撑在反应环境69中，更具体地，在催化床层的内部，热交换单元40浸泡在大量适当的催化剂中，未图示。
反应流体通过顶部64的喷嘴64a进入化学反应器60，并到达催化床层。反应产物通过下部63的开口63a离开反应器。每个板型热交换器10供应有热交换工作流体，工作流体通过入口42进入反应器60并通过出口44离开反应器。热交换单元40的多个热交换器10是相互流体连通的，并以绝对传统方式连接到入口42和出口44。
板型热交换器10由两个金属板12和14，例如矩形形状的金属板，优选地具有相同尺寸。
所述板12和14并列放置并且在相应的周边侧13a，13b，13c，13d和多个焊接区域22处焊接在一起，多个焊接区域22布置成多个直线排列(在所述图中显示四个直线排列：通常而言，这些直线排列的数量至少为两个)，多个直线排列与板12和14的一对相对的周边侧(图示为13a和13c)平行且相邻，并且与周边侧相隔预定间隔。通常，焊接区域22的两个直线排列之间的距离是恒定的并且等于周边侧13a和13c与相应的相邻焊接区域22之间的距离(图4a)。
在图2的非限制性实例中，焊接区域22具有受限的长度，实际上为“焊点”(这里的焊接区域是点状的)。
此时，执行所谓的泵送步骤，换言之，压力流体导入所述金属板12和14之间，金属板12和14并列放置以便形成中空主体17，大致盒形的，优选地平坦盒形，例如平行六面体，其中，中空主体17限定内室16和两个大致管状的通道16a和16b，通道16a和16b形成在所述的一对相对周边侧13a和13c与相应的相邻焊接区域22的直线排列之间，所述大致管状的通道具有与所述相对的周边侧13a和13c平行的轴线，并且通道与内室16流体连通(图4b)。
根据本发明，方法包括如下操作步骤：沿所述大致管状通道16a和16b、并且在通道16a和16b的轴线上切割所述中空主体17，因此在所述中空体的相对侧上获得大致半管状通道16c和16d，并且半管状通道16c和16d的开口朝向体的外侧(图4c)。
此时，去除了两个切割的周边侧13a和13c。
根据本发明，相应的分配器导管18和收集器导管20与所述大致半管状通道16c和16d结合，用于分配热交换器工作流体到所述内室16中和收集来自所述内室16的热交换器工作流体。通常，分配器导管18和收集器导管20是圆筒形的。
内室16通过用于工作流体的入口和出口与热交换器的外部流体连通。更具体地，入口与分配器导管18流体连通，同时出口与收集器导轨20连通。
根据本发明的实施例(如所附的图示实例所示)，分配器导管18和收集器导管20焊接在大致半管状通道16c和16d上，并且靠近相应的末端区域16c’、16c”和16d’、16d”，该末端区域已经被适当地打开分离以便容纳所述分配器导管18和收集器导管20。
有利地，通过自动焊接设备来执行所述操作步骤，自动焊接设备执行氧炔焊，优选地通过激光束。
所述装置在分配器导管18上执行两个焊接24和26，在收集器导管20上执行两个焊接25和27，所述焊接连续并且沿纵向方向、相对于热交换器10的对称平面A-A彼此大致对称。具体地，焊接24和26，和/或，焊接25和27沿分配器导管18和收集器导管20的母线执行，分配器导管18和收集器导管20相对于热交换器10的对称平面A-A彼此大致平面。两个焊接24和26，和/或，焊接25和27限定导管的两个部分，该部分面向内部流通热交换工作流体的内室16，该导管部分具有适当的开口28(例如孔)以便使热交换工作流体与内室16流体连通。
在图3所示实例中，两对焊接24、26和焊接25、27直径地相对并且与板12和14平行。更具体地，焊接24、26和25、27分别位于平面L-L和L’-L’上，大致垂直于热交换器10的对称平面A-A。
图5显示根据本发明的方法制造的板型热交换器的第二实施例，所述叫喊起用标记110表示。
在该图中，与图2所示的热交换器10相同或等同的结构元件用相同标记表示，并且不再说明。热交换器110与热交换器10的不同之处在于：焊接24、26和焊接25、27与板12和14平行，分别位于平面X-X、Y-Y和X’-X’、Y’-Y’上，与分配器导管18和收集器导管20的轴线倾斜并形成相应的锐角，该锐角(β，β’)相对于平面L-L和L’-L’大致相等，分配器导管18和收集器导管20的轴线属于平面L-L和L’-L’。更具体地，两个焊接24和26相对于热交换器110的对称平面A-A是对称的(焊接25和27与之相似)，并位于平面X-X和Y-Y上，平面X-X和Y-Y相对于对称平面A-A是对称的并且设定成相对于平面L-L成锐角β，平面L-L垂直于平面A-A。优选地，根据分配器导管18和收集器导管20的直径，锐角β和β’在0°和50°之间。具体地，锐角β和β’在10°和45°之间。
请注意，利用本实施例，焊接24、26与焊接区域22的相邻直线排列之间的距离被减小(焊接25、27与焊接区域22的相邻直线排列之间的距离也被减小)，有利地使热交换器110具有更大的机械强度。换言之，热交换器110适用于大多数的应用领域，包括热交换器受到相当大的机械应力的领域。
图6显示根据本发明的方法制造的热交换器的第三实施例，所述交换器用标记210表示。在该图中，与上述图2所示的热交换器10相同或等同的结构元件用相同标记表示，并且不再说明。
在本实施例中，通过适当定位所述焊接区域22和设置与一对相对周边侧13b和13d平行的其它焊接区域222a，从而以盘管形式限定穿过内室16的预定通路。
根据前述说明，可以清楚地知道，本发明的板型热交换器的制造方法解决了技术问题，并且实现了许多优点，首先，它实现了不寻常的高生产率，并且能够获得充分地抵抗工作流体压力的热交换器。
有利地，事实上，用于形成中空体的压力流体的泵送步骤被简单地执行，而不需要现有技术中的复杂的外部限制元件，因为它能够选择周边侧的焊接与焊接区域的相邻直线排列之间的距离，使之等于相邻焊接区域的两个直线排列之间的距离(图4a)：以该方式，压力流体以均匀并且同时的方式膨胀内室的“导管”和两个大致管状通道(图4b)。
此外，利用本发明的方法，它能够为分配器导管和收集器导管选择最适当的厚度，仅根据必须施加给内室的“导管”的机械阻力来简单地确定金属板的厚度尺寸，内室的“导管”由相邻的焊接区域的直线排列限定。
换言之，与现有技术的热交换器相比，利用本发明的方法，热交换器可在简单的制造条件下和以低成本实现。具体地，热交换器能够专用于热交换器的外部和内部之间具有极大压差的化学反应器。
此外，板型热交换器用于被热交换工作流体穿过，工作流体大致沿化学反应器的轴线的方向流动，已经注意到，分配器导管实现了有利效果，使得能够用于热交换和内室的初始区域(换言之，靠近所述分配器导管的区域)。事实上，在这种情况下，热交换工作流体沿热交换器的已设置有前述分配器导管的整个侧面以均匀和一致的方式分配。
当然，为了满足特定和不确定的需求，本领域的熟练技术人员能够对上述板型热交换器的制造方法进行各种修改和变化，这些修改和变化都落入所附权利要求限定的、本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种所谓的板型热交换器(10，110，210)的制造方法，包括如下操作步骤：
并列放置一对大致相同的金属板(12，14)；
通过在相应的周边侧(13a，13b，13c，13d)执行焊接，把所述并列放置的金属板(12，14)彼此固定在一起；
通过多个焊接区域(22)使所述并列放置的金属板(12，14)彼此进一步地固定在一起，所述多个焊接区域(22)以至少两个直线排列布置，所述至少两个直线排列与金属板(12，14)的一对相对的周边侧(13a，13c)平行且相邻，并且与所述周边侧相距预定的间隔关系；
在所述并列放置的金属板(12，14)之间导入压力流体，以便形成中空的、大致盒形的主体(17)，在所述主体(17)中限定内室(16)和两个大致管状通道(16a，16b)，所述内室(16)和两个大致管状通道(16a，16b)形成在所述一对相对的周边侧(13a，13c)与焊接区域(22)的相应的相邻直线排列之间，所述大致管状通道(16a，16b)具有平行于所述相对的周边侧(13a，13c)的轴线并且与所述内室(16)流体连通，
所述方法的特征在于，它还包括如下步骤：
沿所述大致管状通道(16a，16b)且在所述大致管状通道(16a，16b)的轴线的方向上切割所述中空主体(17)，因此，获得在相对两侧上配备有大致半管状通道(16c，16d)的中空主体(17)，所述半管状通道(16c，16d)朝主体(17)的外部开放；
相应的分配器导管(18)和收集器导管(20)与所述大致半管状通道(16c，16d)结合，所述分配器导管(18)和收集器导管(20)分别用于分配热交换工作流体到所述内室(16)中和收集来自所述内室(16)的热交换工作流体。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，分配器导管(18)和收集器导管(20)通过焊接被结合在大致半管状通道(16c，16d)上，并且靠近半管状通道的相应的末端区域(16c’，16c”，16d’，16d”)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，通过自动焊接设备执行所述相应的末端区域(16c’，16c”，16d’，16d”)的焊接(24，25，26，27)，所述自动焊接设备执行氧炔焊、使用激光束焊接。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，所述相应的末端区域(16c’，16c”，16d’，16d”)的所述焊接(24，25，26，27)是连续且纵向的，相对于热交换器(10，110，210)的对称平面(A-A)彼此大致对称。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，多对所述焊接(24，25，26，27)直径地相对并且与金属板(12，14)平行。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于，多对所述焊接(24，25，26，27)与金属板(12，14)平行，分别位于平面(X-X，Y-Y，X’-X’，Y’-Y’)上，平面(X-X，Y-Y，X’-X’，Y’-Y’)与分配器导管(18)和收集器导管(20)的轴线倾斜并且相对于平面(L-L，L’-L’)形成相应的大致相等的锐角(β，β’)，分配器导管(18)和收集器导管(20)的轴线分别属于平面(L-L，L’-L’)，平面(L-L，L’-L’)大致垂直于热交换器(110)的对称平面(A-A)。
7. 根据权利要求6的方法，其特征在于，所述锐角(β，β’)在0°和50°之间。
8. 一种板型热交换器(10，110，210)，包括中空的、大致盒形的、平行六面体的主体(17)，在主体(17)中限定用于流通热交换工作流体的内室(16)，其特征在于，板型热交换器包括分配器导管(18)和收集器导管(20)，分别用于分配所述热交换工作流体到所述内室(16)中和收集来自所述内室(16)的所述热交换工作流体，所述导管(18，20)与所述主体(17)的相对侧结合。
9.一种板型热交换器(10，110，210)，包括中空的、大致盒形的、平行六面体的主体(17)，在主体(17)中限定用于流通热交换工作流体的内室(16)，其特征在于，板型热交换器包括分配器导管(18)和收集器导管(20)，分别用于分配所述热交换工作流体到所述内室(16)中和收集来自所述内室(16)的所述热交换工作流体，根据权利要求1的方法使所述导管(18，20)与所述主体(17)的相对侧结合。
10.根据权利要求9的热交换器(10，110，210)，其特征在于，所述分配器导管(18)和收集器导管(20)通过焊接被结合在大致半管状通道(16c，16d)上，并且靠近管状通道的相应的末端区域(16c’，16c”，16d’，16d”)。
11.根据权利要求10的热交换器(10，110，210)，其特征在于，所述相应的末端区域(16c’，16c”，16d’，16d”)的所述焊接(24，25，26，27)是连续且纵向的，相对于热交换器(10，110，210)的对称平面(A-A)彼此大致对称。
12.根据权利要求11的热交换器(10，110，210)，其特征在于，多对所述焊接(24，25，26，27)直径地相对并且与金属板(12，14)平行。
13.根据权利要求11的热交换器(110)，其特征在于，多对所述焊接(24，25，26，27)与金属板(12，14)平行，分别位于平面(X-X，Y-Y，X’-X’，Y’-Y’)上，平面(X-X，Y-Y，X’-X’，Y’-Y’)与分配器导管(18)和收集器导管(20)的轴线倾斜并且相对于平面(L-L，L’-L’)形成大致相等的锐角(β，β’)，分配器导管(18)和收集器导管(20)的轴线分别属于平面(L-L，L’-L’)，平面(L-L，L’-L’)大致垂直于热交换器(110)的对称平面(A-A)。
14.根据权利要求13的热交换器(110)，其特征在于，所述锐角(β，β’)在0°和50°之间。
15.一种化学反应器(60)，该类型的化学反应器(60)包括圆筒形壳(62)、下部(63)和顶部(64)，壳(62)的相对两端被相应的底部闭合，在壳(62)的内部提供反应环境(69)，该反应环境(69)包括催化床层，在催化床层中定位热交换单元(40)，热交换单元(40)包括多个板型热交换器(10，110，210)，其特征在于，根据权利要求8～14中的任一项来实现所述热交换器(10，110，210)。
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