CN101438119B - 用户可选择的热交换装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

提供了可选择的热交换设备以及使用方法。该热交换设备包括大量由任何选择的材料且以任何选择的制造方法制成的半管。

Description

用户可选择的热交换装置及其使用方法

本申请要求申请日为2006年5月1日的第60/746,145号美国临时专利申请、以及申请日为2007年4月30日的第11/741,769号美国专利申请的优先权。这两件申请均已通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及保护元件，更具体地是用于保护设备的热交换器。

背景技术

在钢铁行业采用冷却元件来保护在各种过程中使用的设备。这类设备可能需要在极端的热流条件工作。常规的冷却元件典型地包含大量在其中流过水、并被接合在一起形成冷却元件的管。这种常规的管可以是例如2.5英寸内直径(ID)的圆管，流过该管的最大水流速为大约每秒六(6)到七(7)英尺。这些管所处的高热流条件需要较高的传热率和高于常规2.5英寸ID管的水流速。还需要能够使用适合的材料并采用适于所采用材料的任何制造方法来制造管及由该管形成的元件。

发明内容

本发明可以包括一个或多个以下特征以及这些特征的组合。

作为说明的目的，本发明提供了具有相对的高传热率和高水流速的高热流阻抗的流体冷却元件。应该理解，例如液体的任何合适的流体可以在元件中流动，该液体例如但不限于是水。为了制造用户选择形状与设计的钢铁工业水冷却元件，本发明还提供了一种在较宽范围中选择材料的方法。要注意的是，除水之外的液体或冷却液也在本发明的保护范围之内。由于冷却液流过该管/元件的速度被提高，并且热传导能力也得到了提高，因此该元件能够更好地满足熔炉、烟道废气系统、烟气罩、裙座、集尘箱等的苛刻和不断变化的要求。为了满足对特定应用的热传导及弹性(elasticity)方面的需求以及从市场上可以得到的材料中选择管的当前需求，本发明允许按需要选择制造材料和制造方法以得到需要的横截面半径，其中制造方法包括例如且不限于轧制、锻造、铸造或挤压。

本发明示例性的元件包括但不限于多个半管，并可根据需要选择性地由各种材料制成。还可以按需要采用各种适于选择的材料的制造方法来制造该元件。可以借助成本效益分析进行材料的选择，该分析考虑例如但不限于材料和制造成本以及得到的管和/元件的性能(例如传热率和水流速)。可以说明性地采用选择的(需要的)制造方法将选择的材料制成弧形，换句话说，制成半管或半圆柱形管。示例性的制造方法包括例如但不限于轧制、锻造、铸造或挤压。形成的半管具有两个相对的弧形端部，一个弧形端部位于弧形的一个端部，另一个位于弧形的相对端，内部凹形面在两个端部之间延伸，外部突起面在两个端部之间延伸并与所述内部凹形面相对。相对的弧形端部和相对的凹形和凸起面在每个管的长度方向上延伸。凹形面是内部表面，并且凸起面是半管的外部表面。每个半管在其弧形端部连接到板的管安装面上，同时半管的内部表面朝向板的安装面，且半管的外部表面朝向板的管安装表面相反方向。在本文中，元件指组成包括多个管的元件的每一个单独的半管，也指元件自身。流动的冷却液在每个管中流过并与管的内部表面和管的管安装表面有流体接触。管的外部表面也被称为半管的热面。

如前所述，管选择性地可由任何适合的材料制成，这些材料包括例如但不限于：钢，其包括例如且不限于不锈钢、铸钢、挤压钢和深冲钢；铁，其包括例如且不限于铸铁；镍，其包括且不限于镍合金；任何其它适合的元素、合成物和合金，而合金包括例如且不限于铝青铜合金。另外，本发明允许从板材或型材的更宽范围内选择制造管的材料，采用包括例如但不限于通过轧制、锻造、铸造或者挤压的制造方法将选择的材料制成需要的半圆形横截面或者半圆柱形，从而相对现有技术中的圆管以及由圆管形成的冷却元件而言，改善了冷却元件的可操作性。本发明所得到的更高的热传导性在提高设备的运行可靠性以及正常运行时间的同时还增加了其使用寿命，因为设备会更好地抵抗来自高热流、熔炉的腐蚀和磨蚀气氛、烟道废气系统或者燃烧室以及由该元件的一个或更多组件保护的任何其它设备的影响。

在非限制的说明性制造方法中，将一定长度的条钢(本领域技术人员所知的根据应用需要而选择的材料)沿其长度方向轧制、铸造或挤压以形成需要的弧形，从而满足冷却元件需要的横截面面积。为了优化元件的使用寿命，可以说明性并选择性地调整该横截面面积使其满足元件中的冷却液流速、压力降和驻留时间方面的要求。

作为说明的目的，棒材在其整个长度上具有通常一致的几何形状。通过轧制、成形加工、铸造或挤压而得到的弧形通常是从一个安装端部到另一个安装部的大约180度弧形，从而限定出了半管形状。得到的半管弧形能具有用于将多个管焊接在一起的位于其相对的端部处的凸缘或翼部。外表面通常可以是平滑的，或者可以具有特定应用需要的几何形状，这些特定应用包括例如但不限于任何的抗渣装置，如脊部或任何凹槽。在被本申请通过引用并入本文的Manasek公司等的第6,330,269号美国专利以及Manasek公司的申请日为2005年11月1日的第60/732,618号美国临时专利申请都描述了这种说明性几何形状。

说明性地，可以将多个半管焊接在通常平坦的板上而形成冷却元件。沿着半管元件的长度方向实施焊接。当采用具有翼部或凸缘的半管设计时，采用单面焊将两个相邻的半管与板连接并且彼此连接起来。

通过例如但不限于180度半弯管可以将半管连接起来而示例性地形成闭环冷却回路，所述180度半弯管可以例如但不限于是圆形弯管或斜接弯管，或者是单一平行流布局中的另一示例性的供应和回收集管。

当将得到的水冷元件用于钢铁生产设备时(例如将水冷通道或水冷元件用于电弧炉的炉壁)，该冷却元件需要具有相应的半径，可以通过典型的板材滚弯工艺对整个元件进行处理，并通过特别调整的板材滚弯工艺将整个元件处理为具有需要的半径。

与例如圆形管的元件设计相比，半管设计可以将冷却元件的厚度降低50％，从而增加了待冷却或待保护设备的有效工作容积。可选地，由于本发明的等分体设计与现存常规箱形板结构或非等分圆柱形管设计相比具有较小的壁厚，从而允许在待冷却或待保护设备中将一个通常等分或半管冷却元件叠放在另一个通常等分或半管冷却元件的顶部。根据这种设计，如果外部元件发生故障，那么后部元件可以对设备进行冷却，从而避免了增加成本的停机修理和/或更换故障元件。

本发明说明性的实施方式允许冷却液在元件中的流动速度是其在常规的管中的至少两倍。根据本发明，冷却液在半管中的流速可能到达并超过大约每秒12到20英尺。根据为任何特殊元件选择的具体材料的特性，说明性实施方式也会使半管/元件的热传导率最大化。

通过以下对说明性实施方式描述会更清楚地说明本发明的上述方面及其它方面。

附图说明

图1是通常沿图2中的线1-1得到的本发明的说明性实施方式的横截面图；

图1.A是图1中部分放大图；

图2是本发明的说明性实施方式的俯视图；

图3是本发明的另一个说明性实施方式的俯视图；

图4是本发明的另一个说明性实施方式的俯视图；以及

图5是本发明的另一个说明性实施方式的横截面图，其中示出了抗渣结构。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的原理，下面参照附图对其所示的说明性实施方式进行具体地描述。

参见图1，按照需要，半管12形状的横截面例如但不限于以下形状的本质上的等分：圆形或多边形，其中多边形包括四边形、平行四边形以及六边形或八边形。换句话说，作为说明的目的，半管12可以近似为将多面体或圆柱体沿通过其直径的平面等分而得到的半多面体或者如图所示的半圆柱体12。等分圆柱体或半圆柱体或者半管12从一个安装端部14向相对的安装端部15延伸，从而在安装端部14和15之间分别限定出弧形且大致为凹形的内表面17、和弧形且大致凸起的内表面18。换句话说，所示出的管或半管12是将圆柱体沿直径分割或本质上等分而得到的任一半。相对的安装端部14和15示意性地被配置为例如但不限于将半管12安装或接合到安装板24上。应该理解，管12可以直接安装到例如但不限于炉壁的设备上。图1所示的说明性实施方式中示出了的多根管12被安装或接合到安装板12的管安装面25上，从而示例性地形成冷却元件10、10A、10B和10C。与安装板24的管安装面25相对的设备安装面26示例性地被配置为将板24安装到设备上。

管12可以任何适合的方式被安装或接合到板24上，该方式包括例如但不限于在管12的每一侧或在安装端部14和15上沿管12的长度方向焊接。可选地，任何管安装端部14和15可具有延伸的部分或凸缘16。从图1A中可清楚地看到，当相邻管的安装端部14和15都具有凸缘16时，可以采用单面焊(single-weld)将板24或设备与对应的端部14和15沿其长度方向连接。当管12与板24接合在一起时，形成了中空通道28从而允许流体在其中被容纳并流过，该流体包括例如但不限于液体的任何适合冷却液。适合液体的示例是水。还可以通过直接将管12与设备安装在一起形成通道28。应该理解，还可以通过形成闭合管12而形成说明性地具有在安装端部14和15之间沿直径面38延伸的通常平坦的表面的通道28。该并不需要是平坦的示例性表面可以与板24安装在一起，或者直接与设备安装在一起。

管12具有若干尺寸，其包括且不限于：内直径21，其表示在安装端部14和15之间延伸的直径面的长度；内半径19和外半径20，分别表示直径面的中点与对应的内表面17和外表面18的任意点之间的面的长度。可以按需要对尺寸19、20和21进行选择。例如且不限于，内半径19可以按需要是大约一(1)英寸到大约两(2)英寸或者更多。内直径21根据需要可以是大约二(1)英寸到大约四(2)英寸或者更多。能够根据需要的管壁厚度来选择外半径20，这可以通过外半径20与内半径19之间的差来限定。图1示出了从一个管12的中点到另一个的中点之间的距离27。也可以按需要对该距离进行选择，该距离与选择的管12的上述尺寸和相邻的管12之间的距离有关。例如但不限于，该距离27可以在三(3)到六(6)英寸之间。在一个说明性实施方式中，该距离可以是大约四(4)英寸。每个管具有需要的纵向长度，并且该纵向长度说明性地由待保护设备的尺寸决定。

作为说明的目的，可以将半管12连接起来从而形成闭环冷却回路或者冷却元件10、10A、10B和10C，其可以例如以图2示出的单一平行流布局10A来配置，或以本领域内众所周知的方式，或图3和图4分别示出的回流布局10B和10C来配置。在回流布局中，说明性地通过例如且不限于180度半弯管的连接管件将管12相互连接起来。弯管30和32可以说明性地是图3中的圆角弯管30，或者是图4中的斜接弯管32。管或者元件与供应和回收源33相通。在说明性单一平行流布局10A中，供应和回收源33与供应和回收集管(header)33A相通。

管12说明性地并选择性地可由任何适合的材料制成，这些材料包括例如且不限于：钢，其包括例如且不限于不锈钢、铸钢、挤压钢和深冲钢；铁，其包括例如且不限于铸铁；镍，其包括且不限于镍合金；任何其它适合的元素、合成物和合金，合金包括例如且不限于铝青铜合金。另外，本发明允许从板材或型材的更宽范围内选择制作管的材料。在任何情况下，采用包括例如且不限于通过轧制、锻造、铸造或者挤压的制造方法将选择的材料制成需要的形状，该形状包括且不限于说明性半圆柱形。

在一个示例非限制性的制造方法中，将一段长度(如本领域技术人员所知地，根据应用的需要而选择)的条钢沿其长度方向轧制、铸造或挤压以形成需要的弧形，从而满足冷却元件所需要的横截面面积(cross-sectionalarea)。为了优化元件的使用寿命，说明性并选择性地可以调整该横截面面积使其满足元件中得到的冷却液流速、压力降和驻留时间方面的要求。

作为说明的目的，棒材在其整个长度上具有通常一致的几何形状。例如在说明性半圆柱形半管中，被轧制、成形加工、铸造或挤压的弧形通常是从安装端部14到15的大约180度弧形，从而限定出说明性半管形状。得到的半管弧形12可以但不一定需要具有位于其相对的端部14和15处的凸缘或翼部16，用于将多个管焊接在一起。例如，当提供翼部16时，能采用单面焊将相邻管12的相邻翼部16和安装板24焊接在一起。如果将管12彼此足够近地放置，即使不采用翼部16也能实现单面焊连接。

作为说明的目的，外表面18通常可以是平滑的，或者可以具有特定应用需要的几何形状，这些特定应用包括例如且不限于任何的抗渣装置(slagretentiondevice)，如在图5中说明性地示出的脊部或凹槽44，而且在Manasek公司第6,330,269号美国专利和第60/732,618号美国临时专利申请中也公开了这种设计。而且还可以按需要使用如凹槽的抗渣装置和结构。

当将得到的说明性冷却元件用于待保护设备时，例如但不限于将水冷通道或水冷元件用于钢铁生产中的电弧炉的炉壁时，该冷却元件需要具有相应的半径，可以通过典型的板材滚弯工艺(plateroll)对整个元件10进行处理，并通过特别调整的板材滚弯工艺将整个元件10处理为具有需要的半径。

本领域内技术人员应该理解，可以按需要选择其它适合的本质上的等分形状。可以使用例如但不限于以下几何体的中空等分体：多面体、六面体、八面体、十二面体、二十面体、方形体、立方体、平行六面体、棱柱、圆锥体、柱基(plinth)、圆柱体等。借助示例性的通常为等分的半管12或半圆柱形中空体，前述等分体可以具有闭合的(而不是具有开放的侧)结构从而形成通道28，其中，通过将该等分体安装在板24或设备上而形成通道28。不管基本为等分的半管12具有何种几何形状，应该理解，与例如完整圆柱形管或方管的元件设计中的非等分几何体相比，在此描述的包括说明性的半管12的等分体可以将冷却元件的厚度降低50％，从而增加了待冷却或待保护设备的有效工作容积。可选地，由于本发明的等分体设计与现存常规箱形板结构或非等分圆柱形管设计相比具有较小的壁厚，从而允许在待冷却或待保护设备中将一个通常等分或半管冷却元件叠放在另一个通常等分或半管冷却元件的顶部。在这种设计配置中，如果例如直接暴露于电弧炉的熔化炉渣的热面的外部元件发生故障，那么后部元件(即未直接暴露于说明性炉渣的元件)可以对设备进行冷却，从而避免了在仅使用一个冷却元件时不可避免的增加成本的停机修理和/或更换故障元件。

说明性的实施方式10、10A、10B和10C允许冷却液在元件中的流动速度是其在常规的管中的至少两倍。作为说明的目的，根据本发明，冷却液在半管中的流速可能到达并超过大约每秒12到20英尺。利用为任何特殊元件选择的具体材料的特性，说明性实施方式还可以使管/元件的热传导率最大化。

本发明也提供了保护设备的方法，其包括以下步骤：提供包括多个上述半管的保护性元件；以及将设备和保护性元件连接在一起，并使流体流过每个半管。该半管可以按需要彼此相通或者与供应和回收集管流体相通。作为说明的目的，可以对所有需要的半管方面进行选择，包括例如但不限于形状，还包括半管的尺寸、制造半管的材料、制造方法以及半管连接方法。

通过前述的附图和描述对本发明进行了说明性且非限制性的详细说明和描述，本发明所希望保护的仅包括已经示出和描述的说明性实施方式以及在本发明精神范围内做出的所有改变和修改。

Claims (30)

1.保护设备，包括冷却元件，所述冷却元件由多个半管焊接在安装板上而形成，所述半管具有纵向长度和近似等分几何体形状，其中，所述半管包括：

由等分平面限定的相对的安装端部；

大致地沿所述等分平面设置的、并在所述相对的安装端部之间延伸的直径面，所述直径面由所述安装板限定；以及

与所述直径面基本相对的外表面，所述外表面是平滑的，

其中，一个冷却元件叠放在另一个冷却元件的顶部，从而在直接暴露于熔化炉渣的冷却元件故障时，由未直接暴露于熔化炉渣的冷却元件进行冷却。

2.权利要求1所述的保护设备，其中，由任何适合的元素材料、合金材料或合成物材料形成所述半管。

3.权利要求2所述的保护设备，其中，采用适合所述材料的任何制造方法形成所述半管。

4.权利要求3所述的保护设备，其中，所述半管包括适于在钢铁生产设备中使用的厚壁。

5.权利要求4所述的保护设备，其中，所述半管以整体的方式形成。

6.权利要求1所述的保护设备，其中，所述直径面与所述外表面彼此为整体。

7.权利要求1所述的保护设备，其还包括在所述半管中流通的流体。

8.权利要求7所述的保护设备，其中，所述流体包括水。

9.权利要求7所述的保护设备，其中，所述流体流过所述半管的速度达到大约每秒20英尺。

10.权利要求7所述的保护设备，其中，所述流体流过所述半管的速度大于大约每秒20英尺。

11.权利要求7所述的保护设备，其中，所述流体流过所述半管的速度在大约每秒12英尺和大约每秒20英尺之间。

12.权利要求1所述的保护设备，其中，所述管包括基本等分的多面体。

13.权利要求1所述的保护设备，其中，所述基本等分的多面体包括基本等分的六面体。

14.权利要求1所述的保护设备，其中，所述基本等分的六面体包括基本等分的平行六面体。

15.权利要求1所述的保护设备，其中，所述基本等分的平行六面体包括基本等分的立方体。

16.权利要求1所述的保护设备，其中，所述半管包括基本等分的圆柱体，所述圆柱体的内直径等于在所述相对端部之间延伸的平面的长度。

17.权利要求16所述的保护设备，其中，所述内直径在大约两英寸与大约四英寸之间。

18.权利要求1所述的保护设备，其还包括多个相互连接以形成所述冷却元件的半管。

19.权利要求18所述的保护设备，其中，所述冷却元件与设备连接在一起。

20.权利要求18所述的保护设备，其中，所述冷却元件与所述安装板连接在一起，并且所述安装板与设备连接在一起。

21.权利要求20所述的保护设备，其中，所述相对的端部中的每一个包括凸缘，所述凸缘与所述安装板连接在一起。

22.权利要求18所述的保护设备，其中，所有的所述半管均彼此相通。

23.权利要求22所述的保护设备，还包括将每一个所述半管连接起来的弯管。

24.权利要求23所述的保护设备，其中，所述弯管通常是圆角的。

25.权利要求18所述的保护设备，其中，多个冷却元件彼此连接在一起，连接在一起的所述多个冷却元件与设备连接在一起。

26.用于保护设备的方法，包括：

提供冷却元件，所述冷却元件由多个半管焊接在安装板上而形成，所述半管具有通常为等分几何形状的横截面，所述半管还具有外表面，所述外表面是平滑的；

将一个冷却元件叠放在另一个冷却元件的顶部，从而在直接暴露于熔化炉渣的冷却元件故障时，由未直接暴露于熔化炉渣的冷却元件进行冷却；以及

允许流体流过所述多个半管中的每个。

27.如权利要求26所述的用于保护设备的方法，其中，流体的流动速度在大约每秒12英尺与大约每秒20英尺之间。

28.如权利要求26所述的用于保护设备的方法，其还包括选择每一个半管的形状的步骤。

29.如权利要求26所述的用于保护设备的方法，其还包括选择每一个半管的制造材料的步骤。

30.如权利要求26所述的用于保护设备的方法，其还包括选择每一个半管的制造方法的步骤。