CN102428338B - 螺旋式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺旋式热交换器(1)，其包括由至少两个螺旋片材(10a，10b)形成的螺旋体(2)，该至少两个螺旋片材(10a，10b)经过卷绕而形成螺旋体，从而至少形成用于第一介质的第一螺旋形流动通道和用于第二介质的第二螺旋形流动通道，其中，螺旋体被基本圆柱形的外壳(2)所封闭，外壳(2)设有与第一流动通道和第二流动通道连通的连接元件(8a，8b，9a，9b)，其中，该至少两个螺旋片材还形成螺旋体的中心，其中，各个螺旋片材包括第一片材部分(12a，12b)，并且其中，流动通道形包括第二片材部分(13a，13b)，并且其中，第一片材部分由比第二片材部分更厚的材料制成。

Description

螺旋式热交换器
发明领域
本发明大体涉及允许处于不同温度的两种流体之间出于各种目的而进行热传递的螺旋式热交换器。具体地说，本发明涉及具有由改进的形成方法制成的螺旋体的螺旋式热交换器。
发明背景
传统上，螺旋式热交换器通过卷绕操作制造而成。两个片材于相应的端部处焊接在一起，其中，焊接接头将包含在片材的中心部分中。通过使用可缩进的心轴等来将这两个片材卷绕在彼此周围而形成片材的螺旋元件，以便限定两个分开的通路或流动通道。具有与流动通道的宽度相对应的高度的间隔部件附连到片材上。
在心轴缩进之后，在螺旋元件的中心中形成了两个入口通道/出口通道。这两个通道通过片材的中心部分来彼此分开。由螺旋元件的外圈形成外壳。螺旋元件的侧端经过处理，其中，螺旋流动通道可以各种方式在两个侧端处进行横向封闭。典型地，盖子附连到各个端部上。盖子中的一个可包括延伸到中心中并与这两个流动通道中的相应的一个连通的两个连接管道。在螺旋流动通道的径向外端处，相应的集管焊接到外壳或者螺旋元件上，以形成通向相应的流动通道的出口部件/入口部件。
备选地，可使用管状中心，而不是通过卷绕过程形成螺旋体的中心。用于形成通道的片材焊接到管状中心上。在片材焊接到管状中心上之后，片材由卷绕机卷绕而形成流体通道。
与较早的螺旋式热交换器的被卷绕的中心有关的一个问题是，该中心可能由于形成中心的片材与形成通道的片材相同而易于疲劳。与管状中心解决方案有关的一个问题是，由于数量低，所以管状中心是昂贵的且难以购买，尤其是对于由SAE级316L和304的不锈钢合金以外的其它材料制成的管状中心而言。
发明的公开
本发明的目的是克服上面提到的与现有技术的螺旋式热交换器有关的问题。更具体地说，它是以为具有高抗疲劳性且制造起来将较廉价的螺旋体的中心提供简化的解决方案的螺旋式热交换器为目标。
这个目的通过一种螺旋式热交换器来实现，其包括由至少两个螺旋片材形成的螺旋体，该至少两个片材经过卷绕而形成螺旋体，从而至少形成用于第一介质的第一螺旋形流动通道和用于第二介质的第二螺旋形流动通道，其中，螺旋体被基本圆柱形的外壳封闭，外壳设有与第一流动通道和第二流动通道连通的连接元件，并且其中，提供了间隔部件来分开第一流动通道和第二流动通道，其中，该至少两个螺旋片材还形成螺旋体的中心，其中，各个螺旋片材包括形成螺旋体的中心的第一片材部分和形成流动通道的第二片材部分，并且其中，第一片材部分由比第二片材部分更厚的材料制成。
根据本发明的第一方面，第一片材部分和第二片材部分被焊接在一起，并且在两个片材部分之间提供的过渡部分从第一片材部分至第二片材部分逐渐变薄。
根据本发明的另一方面，螺旋体的中心被密封，并且第一流动通道和第二流动通道的出口/入口定位成紧邻螺旋中心。
根据本发明的又一方面，螺旋体的螺旋中心的各个端部被盖子密封。
根据本发明的进一方面，螺旋体的螺旋中心和螺旋体的第一螺圈相对于螺旋体的剩余部分和流动通道而缩进，以紧邻螺旋体的螺旋中心而分别产生入口或出口。
根据本发明的进一方面，在第二片材部分上提供间隔部件。
根据本发明的还一方面，第一片材部分优选由具有介于6mm和8mm之间的厚度的材料制成，并且其中，第二片材部分优选由具有介于2mm和2.5mm之间的厚度的材料制成。
本发明的另一个目的是在螺旋式热交换器中形成具有高抗疲劳性且制造起来将较廉价的螺旋体的中心。
这个目的利用一种制造螺旋式热交换器的螺旋体的方法来实现，其包括以下步骤：
-将两个片材从相反的两侧插入到可缩进的心轴中，其中，这两个片材包括形成螺旋体的中心的第一片材部分和形成螺旋体的流动通道的第二片材部分，并且其中，第一片材部分由比第二片材部分更厚的材料制成；
-在卷绕机中将这两个片材卷绕起来，以形成螺旋体；
-在某个位置将各个片材焊接到另一片材上，以形成螺旋中心；以及
-将盖子焊接到螺旋中心的各个端部上，以密封住螺旋中心。
根据本发明的进一方面，盖子被焊接在螺旋中心的各个端部上，以密封住螺旋中心，与形成流动通道的第二片材部分相比，由第一片材部分形成的螺旋中心被缩进，从而紧邻螺旋体的螺旋中心而分别产生入口或出口。
根据从属权利要求和描述，本发明的另外的方面是显而易见的。
附图简述
根据参照附图的本发明的若干个实施例的以下详细描述，另外的目的、特征和优势将显现，其中：
图1是螺旋式热交换器的透视图；
图2是螺旋式热交换器的示意性的概略图；
图3是现有技术的螺旋式热交换器的中心的截面图；
图4是现有技术的螺旋式热交换器的中心的截面图；
图5是根据本发明的螺旋式热交换器的中心的第一截面图；以及
图6是根据本发明的螺旋式热交换器的透视图。
实施例的详细描述
一种螺旋式热交换器包括至少两个螺旋片材，该至少两个螺旋片材沿着相应的螺旋形路径围绕公共中心轴线而延伸，并且形成基本彼此平行的至少两个螺旋形流动通道，其中，各个流动通道包括径向外孔和径向内孔，径向外孔使得相应的流动通道和相应的出口导管/入口导管之间能够连通，并且相对于中心轴线位于相应流动通道的径向外部部分处，径向内孔使得相应的流动通道和相应的入口室/出口室之间能够连通，使得各个流动通道容许热交换流体相对于中心轴线而沿基本切向的方向流动，其中，中心轴线在径向内孔处穿过入口室/出口室。具有与流动通道的宽度相对应的高度的间隔部件可附连到片材上。
在图1中显示根据本发明的螺旋式热交换器1的透视图。螺旋式热交换器1包括螺旋体2。片材10a、10b设有附连到片材上或形成于片材的表面中的间隔部件(未显示)。间隔部件用于在片材10a、10b之间形成流动通道14a、14b(见图5)，并且具有与流动通道宽度相对应的高度。在图1中，只是示意性地显示了带有若干螺圈的螺旋体2，但明显的是，其可包括另外的螺圈，而且螺圈从螺旋体2的中心一直形成至螺旋体2的周边。螺旋体2可被单独的外壳4封闭，但形成螺旋体2的片材通常还通过片材的外圈来构成外壳。螺旋式热交换器1的中心3被盖子15(如图2中所示意性地显示)所覆盖，盖子15被焊接在螺旋体2上。流体通道14a、14b被通过螺栓6等而可拆卸地附连到螺旋式热交换器上的盖罩或端盖7a、7b所覆盖。
盖子7a、7b中的一个可包括延伸到中心中且与这两个流动通道中的相应的一个连通的两个连接管道8a、8b，或者各个盖子7a、7b可包括延伸到中心且与这两个流动通道中的相应的一个连通的连接管道8a、8b。在螺旋流动通道14a、14b的径向外端处，集管5分别焊接到外壳4或者螺旋元件9a、9b上，从而形成通向相应的流动通道14a、14b的出口部件/入口部件。
螺旋式热交换器1进一步设有垫片，其中，各个垫片布置在螺旋体2的端部部分和端盖7a、7b的内表面之间，以密封住流动通道14a、14b以免于外部漏泄，以及防止在相同流动通道的不同的螺圈或圈之间有旁路。垫片可形成为与螺旋体2的螺旋相似的螺旋，之后被挤压到螺旋体2的各个螺圈上。备选地，将垫片挤压在螺旋体2和端盖7a、7b的内表面之间。垫片还可以其它方式来构造，只要实现密封效果即可。
虽然没有提到，但是对于本领域中的技术人员应该清楚，螺旋体2的外表面通常设有支承外壳的内表面的螺柱或间隔部件，以抵抗螺旋式热交换器1的工作流体的压力。在某些应用中，在流动通道中不需要螺柱。
如上面提到的那样，通过将两个金属片材10a、10b卷绕在可缩进的心轴11(未显示)周围而形成螺旋体2的中心。各个金属片材10a、10b包括较厚的第一片材部分12a、12b和较薄的第二片材部分13a、13b。只构成金属片材10a、10b的较短部分的较厚的第一部分12a、12b用于形成螺旋体2的中心3。较薄的第二部分13a、13b构成金属片材19a、10b的用于形成螺旋体2的流动通道14a、14b的较长部分。相应部分的长度分别取决于中心3的直径和流体通道的长度。各个金属片材的两个部分被焊接在一起，并且在两个部分之间的过渡部段逐渐变薄，以便从较厚的片材部分12a、12b至较薄的片材部分13a、13b具有平滑的过渡。根据一个实例，金属片材的较厚的第一部分具有大约6mm-8mm的厚度，而金属片材的较薄的第二部分具有大约2mm-2.5mm的厚度，但其它厚度实例也是可行的，只要中心3具有良好的抗疲劳性，以及在两个流体通道之间产生良好的热交换即可。
通过将这两个金属片材的各个较厚的第一部分插入到可缩进的心轴的相对缝隙中而形成螺旋体2的中心3。金属片材插入缝隙中达心轴的直径的大约1/5-1/3。在插入金属片材之后，卷绕机将片材卷绕起来以形成螺旋体2。在金属片材的较厚的第一部分12a、12b和金属片材的较薄的第二部分13a、13b之间的过渡部段大致位于超过半圈一点点之后。在卷绕机已经完成金属片材的卷绕之后，就从卷绕机上移除螺旋体2，并移除可缩进的心轴。螺旋体2被移动至焊接台上，以便手动地或通过焊接机将这两个流体通道14a、14b彼此密封开或封闭开，以及通过在位置16a、16b处将较厚的片材部分12a、12b彼此焊接在一起而使螺旋中心3相对于流体通道14a、14b密封开。位置16a基本上等同于这样的位置：在该位置处，较厚的片材部分12a完成刚好超过半圈，并且该位置在较厚的片材部分12a已经达到另一较厚部分12b且开始逐渐变薄至较薄的片材部分13a之后。位置16b基本上等同于这样的位置：在该位置处，较厚的片材部分12b完成刚好超过半圈，并且该位置在较厚部分12b已经达到另一较厚部分12a且开始逐渐变薄至较薄的片材部分13b之后。最后将盖罩或盖子15(如图2中所示意性地显示)焊接到螺旋中心3的各个端部开口上，以获得非常有抗力且被密封的螺旋中心3。
螺旋中心3和流动通道14a、14b的第一螺圈处于与流体通道14a、14b的剩余螺圈相比被缩进的各个端部中，以使得流体能够进入/离开螺旋式热交换器，因为螺旋中心3被盖罩/盖子15所密封。螺旋中心缩进17的大小取决于所需要的流体流量，并且在一个优选的实施例中，缩进等于大约90mm，但明显地，其它大小也是可行的。
为将这两个流体通道14a、14b彼此封闭开，以及防止相应的流动通道的流体混合，螺旋体2的最外部边缘被折叠，使得每隔一个螺圈开口被封闭，以及折缝被焊接，以确保该封闭。这备选地在螺旋体2的两个端部上完成，使得例如在后面被盖子7a所覆盖的螺旋体2的端部中，流体通道14b是封闭的，并且在后面被盖子7b所覆盖的螺旋体2的端部中，流体通道14a是封闭的。如上面提到的那样，垫片布置在螺旋体2的端部部分和端盖7a、7b的内表面之间，以密封流体以及引导流体穿过流动通道。
螺旋式热交换器1的功能性如下：第一介质通过第一连接元件8a而进入螺旋式热交换器1中，第一连接元件8a布置在螺旋式热交换器1的盖子7a的中心中，并且形成为入口，并且其中，第一连接元件8a连接到管道装置上。第一连接元件8a与螺旋体2的第一流动通道14a连通，第一流动通道14a“开始”于螺旋中心3外部的开口的第一螺圈处，并且第一介质通过第一流动通道14a输送至第二连通元件9a，第二连通元件9a布置在螺旋体2的周边上且布置在外壳4上，形成为出口，第一介质在该出口处离开螺旋式热交换器1。第二连通元件9a连接到用于进一步输送第一介质的管道装置上。
第二介质通过第二连接元件9b而进入螺旋式热交换器1中，第二连接元件9b布置在螺旋体3的外周边上且布置在外壳4上，形成为入口，第二连接元件9b连接到管道装置上。第二连接元件9b与螺旋体2的第二流动通道14b连通，并且第一介质通过第二流动通道14b输送至形成为出口的第一连接元件8b上，第二介质在该出口处离开螺旋式热交换器1。布置在螺旋式热交换器1的盖子7a的中心上的第一连接元件8b进一步连接到用于进一步输送第二介质的管道装置上。
在螺旋体2的内部，将在第一介质和第二介质之间发生热交换，使得一种介质被加热，并且另一介质被冷却。取决于螺旋式热交换器1的具体用途，这两种介质的选择将有所不同。上面已经就两种介质沿相反的方向循环穿过螺旋式热交换器1进行了描述，但显而易见的是，它们还可沿平行的方向循环。
在上面的描述中，用语“连接元件”已经用作连接到螺旋式热交换器上的元件，并且更具体地说，用作连接到螺旋式热交换器1的流动通道或流体通道14a、14b上的元件，但是应该懂得，连接元件是典型地焊接到螺旋式热交换器上的连接管道等，并且可包括用于将另外的管道装置连接到该连接元件上的机构。
在图3中显示了由管状中心101制成的螺旋中心100的现有技术的解决方案，用于形成流动通道的片材被焊接到螺旋中心上。在图4中显示了由两个片材201制成的螺旋中心200的现有技术的解决方案，这两个片材被焊接在一起，并卷绕起来而形成螺旋中心和流动通道。
本发明不限于上面描述的和图中显示的实施例，而是可在所附权利要求所限定的本发明的范围内以任何方式进行补充和修改。

Claims (1)

1.一种螺旋式热交换器(1)，包括由至少两个螺旋片材(10a,10b)形成的螺旋体(2)，所述至少两个螺旋片材(10a,10b)经过卷绕而形成所述螺旋体(2)，从而至少形成用于第一介质的第一螺旋形流动通道和用于第二介质的第二螺旋形流动通道，其中，所述螺旋体(2)被基本圆柱形的外壳(4)所封闭，所述外壳(4)设有与所述第一螺旋形流动通道(14a)和所述第二螺旋形流动通道(14b)连通的连接元件(8a,8b,9a,9b)，并且其中，提供了呈螺柱形式的间隔部件来分开所述第一螺旋形流动通道和所述第二螺旋形流动通道(14a,14b)，并且其中，可拆卸的端盖(7a,7b)覆盖所述外壳(4)的开口端，其特征在于，所述至少两个螺旋片材(10a,10b)还形成所述螺旋体(2)的中心(3)，其中，各个螺旋片材(10a,10b)包括形成所述螺旋体(2)的所述中心(3)的第一片材部分(12a,12b)以及形成所述第一、第二螺旋形流动通道(14a,14b)的第二片材部分(13a,13b)，并且其中，所述第一片材部分(12a,12b)由比所述第二片材部分(13a,13b)更厚的材料制成。
2. 根据权利要求1所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述第一片材部分(12a,12b)和所述第二片材部分(13a,13b)被焊接在一起，并且在所述两个片材部分(12a,12b;13a,13b)之间提供的过渡部分从所述第一片材部分(12a,12b)至所述第二片材部分(13a,13b)逐渐变薄。
3. 根据权利要求1或2所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述螺旋体(2)的所述中心(3)被密封，并且所述第一螺旋形流动通道(14a)和所述第二螺旋形流动通道(14b)的出口/入口中的至少一个定位成紧邻所述螺旋体(2)的所述中心(3)。
4. 根据权利要求3所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述螺旋体(2)的所述中心(3)的各个端部被盖子密封。
5. 根据权利要求4所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述螺旋体(2)的所述中心(3)和所述螺旋体(2)的第一螺圈相对于所述螺旋体(2)的剩余部分和所述流动通道(14a,14b)而缩进，以紧邻所述螺旋体(2)的所述中心(3)而分别产生入口或出口(8a,8b)。
6. 根据权利要求1所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，在所述第二片材部分(13a,13b)上提供所述呈螺柱形式的间隔部件。
7. 根据权利要求2所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述第一片材部分(12a,12b)由具有介于6mm和8mm之间的厚度的材料制成，并且所述第二片材部分(13a,13b)由具有介于2mm和2.5mm之间的厚度的材料制成。
8. 根据权利要求4所述的螺旋式热交换器(1)，其特征在于，所述螺旋体(2)的所述中心(3)和所述螺旋体(2)的第一螺圈相对于所述螺旋体(2)的剩余部分和所述流动通道(14a,14b)而缩进，以在所述中心(3)和覆盖所述流动通道的端盖(7a,7b)之间分别产生入口或出口(8a,8b)。
9. 一种制造根据权利要求1-8中的任一项所述的螺旋式热交换器(1)的螺旋体(2)的方法，其特征在于以下步骤：
- 将两个片材(10a,10b)从相反的两侧插入到可缩进的心轴中，其中，所述两个片材(10a,10b)中的各个包括形成所述螺旋体(2)的中心(3)的第一片材部分(12a,12b)和形成所述螺旋体(2)的流动通道(14a,14b)的第二片材部分(13a,13b)，并且其中，所述第一片材部分(12a,12b)由比所述第二片材部分(13a,13b)更厚的材料制成；
- 在卷绕机中将所述两个片材(10a,10b;12a,12b;13a,13b)卷绕起来，以形成螺旋体(2)；
- 在位置(16a,16b)处将各个片材(10a,10b)焊接到另一片材(10a,10b)上，以形成所述螺旋体(2)的所述中心(3)；以及
- 将盖子焊接到所述螺旋体(2)的所述中心(3)的各个端部上，以密封住所述螺旋体(2)的所述中心(3)。
10. 根据权利要求9所述的制造螺旋式热交换器(1)的螺旋体(2)的方法，其特征在于：
- 盖子被焊接到所述螺旋体(2)的所述中心(3)的各个端部上，以密封住所述中心(3)，与形成所述流动通道(14a,14b)的所述第二片材部分(13a,13b)相比，由所述第一片材部分(12,12b)形成的所述体(2)的所述中心(3)被缩进，从而紧邻所述螺旋体(2)的所述中心(3)而分别产生入口或出口(8a,8b)。
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