CN104279083A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

一种用于具有简单构造的移动应用的改进热交换器包括第一端板和第二端板。第一管设置在所述第一端板与所述第二端板之间。与所述第一管同心对准的第二管也设置在所述第一端板与所述第二端板之间。所述第二管具有大于所述第一管的直径的直径，从而界定其间的环隙。所述第一管和所述第二管被焊接至所述第一端板和所述第二端板。第一开口位于所述第一端板和所述第二端板的一个中。第二开口位于所述第一端板中。第三开口和第四开口位于所述第二端板中。螺旋管道设置在所述环隙内，且通过所述环隙将所述第一开口与所述第三开口连接。所述第二开口和所述第四开口与所述环隙流体连通。

Description

热交换器

技术领域

本申请涉及一种用于在移动应用中汽化低温液化燃料的热交换器。

背景技术

已知低温泵包括集成到泵总成的汽化器。一般被称为热交换器的汽化器设置在将液压单元连接至泵的轴周围的环隙中。例如，申请人的美国专利第7,607,898号公开了一种包括集成到泵总成的汽化器的低温泵。该设计有几个优点，包括其紧凑的布置。与被泵送的低温流体的温度相比，路由通过凸缘的汽化工艺流体相对较热，使得泵的热端不会被低温流体过度冷却，从而降低了冻结的可能性。不需要使泵和汽化器之间的管路绝缘，而如果汽化器位于液化天然气（LNG）储罐的外部，则将需要使管道绝缘。在某些应用中，将汽化器集成到泵总成具有优点。泵的总重量增加。凸缘总成的重量和复杂度增加，因为冷却剂（用于汽化LNG的热交换器）必须被路由到内部汽化器。

由于多种原因，在一些应用中，汽化器位于低温泵的外部。泵中输送加压低温流体的工艺流体管被路由通过泵的圆柱状侧壁，其中其与将加压低温流体递送至汽化器的外部管路连接。存在用于外部汽化器的多种已知设计，例如，板框式汽化器。在壳管式设计中，盘管设置在柱状壳体内，并且一种流体流经盘管而另一种流体流经壳体。

在移动应用中的随机力和振动将大量应力施加在汽化器上。这些应力可促使常规汽化器中的接头和接缝过早疲劳和损坏。当汽化器中的工艺流体是低温流体（诸如液化气体燃料）时，采用诸如o型环的密封件的接头和接缝可收缩。这可引起燃料渗漏，从而导致燃料损失，降低效率和增加维修时间。

本领域的现状是缺乏用于汽化低温燃料的技术。本装置提供了一种用于汽化低温燃料的改进热交换器。

发明内容

改进的热交换器包括第一端板和第二端板。第一管设置在第一端板与第二端板之间。第二管与第一管同心对准且也设置在第一端板与第二端板之间。第二管具有大于第一管的直径的直径，从而界定其间的环隙。第一管和第二管被焊接至第一端板和第二端板。第一开口位于第一端板和第二端板的一个中。第二开口位于第一端板和第二端板的一个中。第三开口和第四开口位于第二端板中。螺旋管道设置在环隙内，且通过环隙将第一开口与第三开口连接。第二开口和第四开口与环隙流体连通。

以下特征可单独地或以组合的形式用于热交换器的优选实施方案中。垫片可至少沿着第一管的外表面的一部分而位于螺旋管道和第一管之间。垫片支撑管道并抑制振动。螺旋管道的对端可延伸通过第一开口和第三开口，且螺旋管道可被焊接至第一开口和第三开口处的热交换器。热交换器可包括分别焊接至第一开口、第二开口、第三开口和第四开口的第一配件、第二配件、第三配件和第四配件。螺旋管道的对端可被分别锻造或焊接至第一配件和第三配件。第二管中的排水阀可被提供来排空环隙。与第二管连接的托架将热交换器固定至支撑结构且与支撑结构隔开。电加热带可与第一管的内表面和第二管的外表面中的至少一个连接。位于第一端板和第二端板与第一管和第二管之间，以及位于第一配件、第二配件、第三配件和第四配件与第一端板和第二端板之间的所有接头和接缝可被焊接。螺旋管道可包括第一螺旋段和第二螺旋段，第一螺旋段与第二螺旋段同心对准且重叠。当第一螺旋段和第二螺旋段是单独的管道时，它们可连接至多支管，使得工艺流体通过多支管流经螺旋段。当第一开口和第二开口位于第二端板中时，热交换器还可包括第三管，第三管与第一管和第二管同心对准且位于第一管和第二管之间，并从第二端板朝第一端板延伸。第二开口与位于第三管和第二管之间的第一空隙流体连通，且第四开口与位于第三管和第一管之间的第二空隙流体连通。第一空隙与靠近第一端板的第二空隙流体连通。

改进热交换装置包括热交换器、液化气体燃料供给和内燃引擎。热交换器包括第一端板和第二端板。第一管设置在第一端板和第二端板之间。第二管与第一管同心对准并且也设置在第一端板和第二端板之间。第二管具有大于第一管的直径的直径，从而界定其间的环隙。第一管和第二管被焊接至第一端板和第二端板。第一开口位于第一端板和第二端板的一个中。第二开口位于第一端板和第二端板的一个中。第三开口和第四开口位于第二端板中。螺旋管道设置在环隙内，且通过环隙将第一开口与第三开口连接。第二开口和第四开口与环隙流体连通。内燃引擎包括通过冷却回路泵送引擎冷却剂的冷却系统泵。第一开口接收来自液化气体燃料供给的液化气体燃料，且第二开口接收来自冷却系统泵的引擎冷却剂。加热的引擎冷却剂在热交换器中汽化液化气体燃料，使得内燃引擎接收来自第三开口的汽化气体燃料和来自第四开口的引擎冷却剂。液化气体燃料可以是液化天然气。

在热交换器定向在垂直位置中且第一开口和第二开口位于第一端板中，然后第一端板位于底部且第二端板位于顶部的实施方案中。第一配件、第二配件、第三配件和第四配件可被分别焊接至第一开口、第二开口、第三开口和第四开口。在优选实施方案中，垫片至少沿着第一管的外表面的一部分而位于螺旋管道和第一管之间。垫片支撑管道并抑制振动。在另一优选实施方案中，热交换装置包括第一外部配件和第二外部配件。螺旋管道的对端延伸通过热交换器的第一开口和第三开口且与相应的第一外部配件和第二外部配件连接。螺旋管道密封地焊接至第一开口和第三开口处的热交换器。

附图说明

图1是根据一个实施方案的热交换器的横截面的海拔示意图。

图2是包括图1的热交换器的热交换装置的示意图。

图3是根据另一实施方案的热交换器的分解等距视图。

图4是根据另一实施方案的热交换器的分解等距视图。

图5是图4的热交换器的横截面图。

图6是沿着线6-6’截取的图5的热交换器的横截面图。

图7是图6的热交换器的多支管的详细视图。

图8是根据另一实施方案的热交换器的横截面图。

具体实施方式

参考图1，示出了采用尤其适合于在移动应用中汽化低温燃料的新颖设计和构造的热交换器10。热交换器10包括一对同心管，该同心管包括具有公共轴线40的内管20和外管30。通过将管焊接至端板50和端板60来将管20和管30固定在适当的位置。端板50具有一对面向的环形槽55（未示出），且端板60具有一对面向的环形槽65（未示出），将相应的管20和管30插入所述环形槽中，有助于在焊接之前定位和对准所述管。将配件90和配件100插入端板50的开口70和开口80中，且通过焊接将其固定至开口70和开口80。类似地，将配件130和配件140插入端板60的开口110和开口120中，且通过焊接将其固定至开口110和开口120。环隙150由管20和管30之间以及端板50和端板60之间的空隙界定。管道160一般是环绕内管20延伸的螺状物的形式，且通过环隙150将配件100和配件140连接。在优选的实施方案中，管道160的每一端被锻造至相应的配件100和配件140。在其它实施方案中，管道160的每一端可被焊接至相应的配件100和配件140。在还进一步的实施方案中，管道160的每一端可延伸通过相应的开口80和开口120，使得管道160密封地焊接至开口80和开口120，在这样的实施方案中，不需要配件100和配件140，然而，可采用热交换器10外部的配件来连接通过外部管路延伸通过开口80和开口120的管道160的每一端。垫片170倚靠在内管20的外表面的至少一部分上且沿着内管20的外表面的至少一部分延伸，并支撑管道160。垫片用来抑制在车载应用和移动应用中发生的振动。如果在没有抑制的情况下，管道160悬浮在环隙150内，那么在道路行驶的车辆的正常振动可加速管道160与配件100和配件140之间的连接的疲劳。核心180一般是中空的，且与环隙150保持隔离。如将在下文更详细解释，这减小了通过热交换器10的横截面流动面积，从而增加速率并与线圈接触以增加湍流和热传递。电加热带（未示出）可被应用到管20的内表面和管30的外表面以当冷却剂温度过低时（例如，在冷启动期间或在非常冷的周围环境中）提供附加的热。还被称为电伴热的电热带通常采用被提供来与管20和管30的相应表面直接接触的电加热元件的形式。热绝缘优选地被应用到电热带上以返回热并增加此类加热系统的效率。与不具有中空中心的常规热交换器相比，主题装置提供更大的表面面积以用于将热引入环隙150中。托架190和托架200允许热交换器10例如通过螺钉或通过焊接点来连接至支撑结构，且与支撑结构隔离以允许外管30周围的空气流动，或提供空间以容纳电热带并允许绝缘。为维护之目的，排水阀210允许热交换器10排空环隙150中的热交换流体，而无需断开热交换器和连接至引擎冷却系统的管路的连接。在其它实施方案中，热交换流体可通过配件90或配件130排出。在优选实施方案中，端板55和端板65与管20和管30之间，在配件90、配件100、配件130和配件140与端板55和端板65之间，以及管道160与配件100和配件140之间的接头和接缝被焊接。

在工艺流体是低温流体的应用中，诸如当液化天然气（LNG）被汽化时，上述组件是不锈钢，因为冷工艺流体将冷凝创建可腐蚀其它材料的环境的热交换器10周围的湿度。环隙150足够大以允许热交换流体流动，即使当靠近螺旋管道160的薄膜温度变得足够冷以冻结并降低热交换流体的流动能力，当热交换流体为引擎冷却剂时，所述热交换流体可以是水-乙二醇混合物。用于上述热交换器10的焊接点消除对密封件的需求，这在其中密封件在无法经受周围环境和低温度的大范围的情况下具有渗漏的倾向的低温应用中是有利。例如，在冷却时，o型环经历液态玻璃化转变，这也被称为橡胶玻璃化转变。当o型环正好低于其玻璃化转变温度时，其会失去其弯曲和形成适当密封件的能力。螺旋管道160和内管20之间以及螺旋管道160和外管30之间的空隙增加热交换流体的湍流，因为流体围绕管道流动，这增加了热交换流体和工艺流体之间的热传递。

参考图1和图2，在操作中，管道220将加压液化气体燃料从液化气体燃料供给230中的低温泵（未示出）递送至入口配件100。冷却系统泵是内燃引擎系统250的一部分，其通过引擎冷却系统泵送引擎冷却剂，在所述引擎冷却系统中引擎冷却剂通常通过流经与引擎相关的冷却套管而被加热。然后，通过管道260将加热的引擎冷却剂引导至入口配件130，其中加热的引擎冷却剂涌入环隙150且通过出口配件90退出，从而通过管道270返回到引擎250。随着液化气体燃料被泵送通过管道160，其被加热的引擎冷却剂汽化，从而以气体状态或超临界状态通过出口配件130退出，且然后通过管道240递送至下游用户，诸如引擎系统250。在应用中，其中垂直安装热交换器10，然后建议液化气体燃料通过底部配件（配件100或配件140，这取决于定向）进入，因为当液化燃料汽化时，其将呈上涨的趋势。建议逆流气体燃料和引擎冷却剂以最大化这两种流体的热差，以增强汽化，然而，这不是必要的。

现参考图3，根据另一实施方案图示热交换器11。热交换器11的相同部件和先前实施方案后续的所有实施方案由相同的参考数字示出，且如果可能的话，可能不被详细论述。螺旋管道161与管道160相类似，但是管道161的对端分别延伸通过端板51和端板61中的相应开口70和开口120，且然后管道被焊接至开口处的端板，从而消除对配件100和配件140的需求。如果需要，可采用外部配件（未示出）来将管道161的对端连接至外部管路（未示出）。端板51和端板61两者均作为界定由管20和管30与端板51和端板61形成的环隙（类似于环隙150）的壁，且也作为用于热交换器11的安装支撑。热交换器11可通过使用紧固件(使用孔320)将端板51和端板61连接至支撑结构或替代地通过焊接而被安装在支撑结构上。端板51中的孔300和端板61中的孔310支撑和定位在装配期间用于焊接的内管20。外管30可通过在装配期间用于焊接的夹具(未示出)而被支撑和定位，或替代地，可采用端板51和端板61中的环隙（未示出）以用于此类目的。

现参考图4至图7，根据另一实施方案示出热交换器12。螺旋管道163位于螺旋管道162的核心内，两者均位于由管20和管30与端板52和端板62界定的环隙（类似于环隙150）内。多支管330密封地焊接至靠近端板52的管道162和管道163的端，使得工艺流体可通过多支管从一个管道流到另一个管道。管道162的端340延伸通过端板62中的开口81，且管道163的端350延伸通过开口121。管道162被焊接至开口81处的端板62，且管道163被焊接至开口121处的端板62。工艺流体通过开口81进入管道162中的热交换器12，且通过开口121退出通过管道163的热交换器12，即工艺流体通过端板62进入并退出。然而，在其它实施方案中，与本公开中所述描述的流体方向相比，管道162和管道163中的工艺流体的方向可以是反向的。在其它实施方案中，管道162和管道163可以是包括彼此同心且重叠的内部螺旋段和外部螺旋段的单一管道，使得不需要多支管330。热交换流体通过配件130和开口110进入热交换器12，且通过开口70和配件90退出。与本文所描述的流体方向相比，在其它实施方案中，热交换流体的方向可以是反向的。管道162和管道163的螺状物被示出在邻近相应管20和管30的紧密对准中。在其它实施方案中，管道162和管道163可与相应的管20和管30隔开，且螺状物可彼此隔开，使得热交换流体可在单独螺状物之间或周围流动，以最大化管道和热交换流体之间的表面面积。热交换器12可被布置以用于以多种方式（诸如通常水平对准、通常垂直对准和于其间对准）进行操作。

现参考图8，根据另一实施方案示出热交换器13。端板63包括开口81和开口121（未示出），管道162的端340延伸通过开口81且管道163的端350延伸通过开口121。由引擎废热加热的热交换流体（例如，引擎冷却剂）通过在端板63中的相应配件91和130进入且离开热交换器13。与管20和管30同心且位于管20和管30之间的管25将热交换器13中的螺旋管道162和螺旋管道163分离，且从端板63朝端板53延伸，留下环形开口以将内部空隙54连接至外部空隙56。可通过从管25运行至管20和/或管30的一个或多个十字轴来支撑管25靠近端板63。引擎冷却剂可在任一方向上流动。在优选实施方案中，引擎冷却剂与流经管道162和管道163的工艺流体的流向相反。该实施方案具有如下优点：将环绕运送冷液化工艺流体的管道流动的热交换流体与环绕运送汽化工艺流体的管道流动的热交换流体分离。

虽然已示出和描述本发明的特定元件、实施方案和应用，但是将理解，本发明不受限于此，因为在不脱离本公开的范围且尤其鉴于前述教导的情况下，本领域技术人员可作出修改。

Claims (22)

1.一种热交换器，其特征在于，其包括

第一端板和第二端板；

第一开口，其位于所述第一端板和所述第二端板的一个中；

第二开口，其位于所述第一端板和所述第二端板的一个中；

第三开口和第四开口，其位于所述第二端板中；

第一管，其设置在所述第一端板和所述第二端板之间；

第二管，其与所述第一管同心对准且也设置在所述第一端板和所述第二端板之间，所述第二管具有大于所述第一管的直径的直径，从而界定其间的环隙，所述第一管和所述第二管被焊接至所述第一端板和所述第二端板；

螺旋管道，其设置在所述环隙内且通过所述环隙将所述第一开口与所述第三开口连接；和

所述第二开口和所述第四开口，其与所述环隙流体连通。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括至少沿着所述第一管的外表面的一部分而位于所述螺旋管道和所述第一管之间的垫片，所述垫片支撑所述管道并抑制振动。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述螺旋管道的对端延伸通过所述第一开口和所述第三开口，且所述螺旋管道被焊接至所述第一开口和所述第三开口。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括分别焊接至所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口的第一配件、第二配件、第三配件和第四配件。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述螺旋管道的对端被分别锻造至所述第一配件和所述第三配件。

6.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述螺旋管道的对端被分别焊接至所述第一配件和所述第三配件。

7.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，位于所述第一端板和所述第二端板与所述第一管和所述第二管之间，以及位于所述第一配件、所述第二配件、所述第三配件和所述第四配件与所述第一端板和所述第二端板之间的所有接头和接缝被焊接。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括位于所述第二管中的排水阀，所述排水阀用于排空所述环隙。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括用于将所述热交换器固定至支撑结构且与所述支撑结构隔开的托架。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括与所述第一管的内表面和所述第二管的外表面中的至少一个连接的电加热带。

11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述螺旋管道包括第一螺旋段和第二螺旋段，所述第一螺旋段与所述第二螺旋段同心对准且重叠。

12.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，其进一步包括将所述第一螺旋段与所述第二螺旋段连接的多支管。

13.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，当所述第一开口和所述第二开口位于所述第二端板中时，其进一步包括第三管，所述第三管与所述第一管和所述第二管同心对准且位于所述第一管和所述第二管之间，并从所述第二端板朝所述第一端板延伸，所述第二开口与位于所述第三管和所述第二管之间的第一空隙流体连通，且所述第四开口与位于所述第三管和所述第一管之间的第二空隙流体连通，所述第一空隙与靠近所述第一端板的所述第二空隙流体连通。

14.一种热交换装置，其特征在于，其包括：

热交换器，其包括：

第一端板和第二端板；

第一开口，其位于所述第一端板和所述第二端板的一个中；

第二开口，其位于所述第一端板和所述第二端板的一个中；

第三开口和第四开口，其位于所述第二端板中；

第一管，其设置在所述第一端板和所述第二端板之间；

第二管，其与所述第一管同心对准且也设置在所述第一端板和所述第二端板之间，所述第二管具有大于所述第一管的直径的直径，从而界定其间的环隙，所述第一管和所述第二管被焊接至所述第一端板和所述第二端板；

螺旋管道，其设置在所述环隙内且通过所述环隙将所述第一开口与所述第三开口连接；和

所述第二开口和所述第四开口与所述环隙流体连通。

液化气体燃料供给；

内燃引擎，其包括通过冷却回路泵送引擎冷却剂的冷却系统泵；

其中所述第一开口接收来自所述液化气体燃料供给的液化气体燃料，且所述第二开口接收来自所述冷却系统泵的引擎冷却剂，加热的引擎冷却剂在所述热交换器中汽化液化气体燃料，使得所述内燃引擎接收来自所述第三开口的汽化气体燃料和来自所述第四开口的引擎冷却剂。

15.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，所述液化气体燃料是液化天然气。

16.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，当所述热交换器定向在垂直位置中且所述第一开口和所述第二开口位于所述第一端板中时，然后所述第一端板位于底部且所述第二端板位于顶部。

17.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，其进一步包括至少沿着所述第一管的外表面的一部分而位于所述螺旋管道和所述第一管之间的垫片，所述垫片支撑所述管道并抑制振动。

18.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，其进一步包括分别焊接至所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口的第一配件、第二配件、第三配件和第四配件。

19.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，所述螺旋管道包括第一螺旋段和第二螺旋段，所述第一螺旋段与所述第二螺旋段同心对准且重叠。

20.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，其进一步包括将所述第一螺旋段与所述第二螺旋段连接的多支管。

21.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，其进一步包括第一配件和第二配件，所述螺旋管道的对端分别延伸通过所述第一开口和所述第三开口，且与相应的第一配件和第三配件连接，所述螺旋管道密封地焊接至所述第一开口和所述第三开口处的所述热交换器。

22.根据权利要求14所述的热交换器，其特征在于，当所述第一开口和所述第二开口位于所述第二端板中时，其进一步包括第三管，所述第三管与所述第一管和所述第二管同心对准且位于所述第一管和所述第二管之间，并从所述第二端板朝所述第一端板延伸，所述第二开口与位于所述第三管和所述第二管之间的第一空隙流体连通，且所述第四开口与位于所述第三管和所述第一管之间的第二空隙流体连通，所述第一空隙与靠近所述第一端板的所述第二空隙流体连通。