CN105209843A - 用于管壳式热交换器的管束和构造所述管束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于管壳式热交换器的管束。管束包括多个细长的管，其各自具有中间部分，所述中间部分具有拥有至少一个对称轴的扁圆形横截面。所述管的末端可以具有圆形横截面，其中圆形末端之一的直径小于另一个末端并且也小于管的中间部分的短对称轴的长度。该管构造让管束通过将更小直径的管末端经管束中间隔开的挡板中对齐的开口插入来组装。管中间部分的非圆形横截面增加管侧和壳侧传热系数。

Description

用于管壳式热交换器的管束和构造所述管束的方法

发明背景

本发明主要涉及管壳式热交换器并且，更特别地，涉及用于这种热交换器的管束和其组装和使用方法。

管壳式热交换器用于多种应用以引起流体流之间的热交换。在这些热交换器中，被称为管侧流体的第一流体通过管束中细长的管，所述管束容纳在通常为圆柱形的壳内。大量的管被包括在管束中并且它们以彼此平行和间隔开的关系延伸。所述管在其相反末端固定于基本上平面的头部板，所述头部板也称为管板。第二流体，通常称为壳侧流体，在壳内围绕管的开放空间内流动并且经历与在管内流动的第一流体流的热交换。

管壳式热交换器以不同的已知方式构造，以在管侧流体和壳侧流体之间提供所需的流动排列。例如，在单通路管和单通路壳排列中，使用直管并且用于管侧流体流的入口管嘴和出口管嘴位于热交换器的相反末端。用于壳侧流体的入口和出口管嘴同样位于热交换器的相反末端。在这种排列中，流体流的流动可以顺流或逆流。在顺流流动中，用于管侧流体和壳侧流体的入口管嘴都位于热交换器的相同末端并且用于流体的出口管嘴位于热交换器的相反末端。然后管侧和壳侧流体在热交换器的相同末端进入，沿其长度流动，并在热交换器的相反端流出。在逆流流动中，用于流体的入口管嘴位于热交换器的相反末端并且出口管嘴同样位于热交换器的相反末端。然后流体进入热交换器的相反末端，以相反方向沿其长度流动，并在热交换器的相反末端流出。

在另一种流动排列中，使用U-形管替代直管并且用于管侧流体的入口和出口管嘴位于热交换器的相同末端。管侧流体沿各个U-形管的一个臂(leg)流动并且然后倒转方向，并且沿U-形管的另一臂流回。在该排列中用于壳侧流体的入口和出口管嘴都可以位于热交换器的与用于管侧流体的入口和出口管嘴相同的末端，在该情况下，纵向挡板设置在U-形管的臂之间，形成分开的流动路径，其允许纵向挡板一侧的壳侧流体以一个方向流动，之后倒转并沿纵向挡板的另一侧以相反方向流动。

备选地，用于壳侧流体的入口和出口管嘴可以位于壳的相反末端，从而壳侧流体仅以一个方向沿热交换器的长度流动。常规使用其他多通路壳和多通路管排列并且进一步在管式换热器制造商协会的标准(theStandardsoftheTubularExchangerManufacturersAssociation)中定义，所述标准通过引用以其整体并入本文。

在很多应用中，管束中的管穿过沿管束的纵向长度间隔开的挡板而给管提供结构支持并且因此减少管的下弯和震动。各个挡板还用于使壳侧流体的流动转向，从而促使其交叉流动而不是沿管流动，以用管侧流体获得更好的热传递。挡板通常是单或双部分切割的挡板的形式，在这种形式中挡板的四分之一圆或其他区域开放以允许壳侧流体通过；或盘和多纳圈(donut)挡板形式，在这种形式中壳侧流体流过围绕盘挡板的环形区域和流过多纳圈挡板的中间开口。

在管束的初始组装过程中，系杆通常焊接于挡板以形成笼装结构，其中挡板以间隔开的关系固定。设置各个挡板的旋转方向，以使得挡板中的孔(管通过其插入)纵向对齐。因为所述孔仅稍大于管以减少流体通过孔的渗漏，所以孔的纵向对齐必须在紧密度容限内。一旦管通过挡板中的孔插入，管的末端固定于一个或多个管板以形成完整的管束。

常规管壳式热交换器中的管板通常由高强度金属或金属合金形成并且具有远大于壳的厚度以承受热交换器内的操作压力和补偿由大量接纳管板中管的孔所产生的结构弱化。管板的制造是时间密集型过程，因为孔通常必须分别钻穿管板厚度。钻孔操作产生圆形横截面的孔，从而将管限制于具有相同圆形横截面的那些。尽管当时用具有椭圆或其他非圆形横截面的管时，可以获得更好的热交换，但是迄今，管板中孔的圆形横截面阻碍了具有椭圆、长圆形、卵形或蛋形横截面的管在管壳式热交换器中的应用。

发明概述

在一个方面，本发明涉及用于管壳式热交换器的管束。所述管束包括多个中空、细长的管，所述多个中空、细长的管以预选模式中彼此平行和间隔开的关系延伸，各个管具有第一末端，所述第一末端用于在管内沿管的纵向长度流动的第一流体的进入，和相反的第二末端，所述第二末端用于第一流体流出管，以及具有在第一和第二末端之间的中间部分。各个管的中间部分具有扁圆形的横截面。在一个实施方案中，所述扁圆形具有一个对称轴。在另一个实施方案中，所述扁圆形具有两个对称轴，其中一个轴短于另一个。所述管束还包括第一管板和多个挡板，所述第一管板具有孔，管的第一末端延伸入其中并紧固，所述多个挡板位于沿管的纵向长度间隔开的位置，用于支撑管和引导所述管外部的第二流体的流动。各个挡板具有用于流体通路的挖去部分和多个开口，所述管中的至少一些通过所述开口插入。挡板中相邻挡板的挖去部分围绕所述管束的中心纵轴旋转错开。各个管的中间部分是各个管纵向长度的至少大部分，各个管长度的至少75％，各个管长度的至少90％，或各个管长度的至少95％。在一个实施方案中，管的第一和第二末端具有圆形横截面，其中第二末端的直径小于第一末端的直径，并且等于或小于各个管中间部分的短对称轴的长度。

在另一个方面，本发明涉及如上文所述设置管束的管壳式热交换器。

在另外一个的方面，本发明涉及组装上文所述管板的方法。所述组装方法包括以下步骤：设置具有圆形横截面的管的第一和第二末端，和设置所述第二末端，使得所述第二末端的直径小于管中间部分的所述短对称轴的长度。所述组装方法还包括将挡板彼此间隔开所需预选距离并且它们的开口对齐，将系杆固定于挡板以将挡板以它们彼此间隔开和旋转的关系紧固，通过各个挡板中对齐的开口插入各个管的第二末端，将各个管的第一末端固定在第一管板的孔中，和将各个管的第二末端固定在第一管板或第二管板的其它孔中。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施方案制造的热交换器从一个末端的透视图，其中热交换器的壳部分脱离以显示内部管束；

图2是从相反末端获取的图1中显示的热交换器的透视图；

图3是热交换器的放大的片断透视图，其显示管束的末端部分；

图4是放大的片断透视图，说明通过经挡板中的开口插入各个管来组装管束的过程；

图5是以垂直剖面获取的热交换器侧视图；

图6是沿图5中线6-6以垂直剖面获得的放大的片断端视图，显示通过挡板之一的一部分插入的管和系杆；

图7是管之一的片断端视图；

图8是从图7中所示管的一个末端获取的正视图；

图9是管的相反端获取的正视图；和

图10是用于计算管的部分的椭圆横截面的变量的说明。

详细描述

现在更详细地转向附图并且首先是图1-5，根据本发明构建的热交换器广泛地由数字10表示。热交换器10是管壳式热交换器并且包括细长的壳12，所述细长的壳具有前端14、相反端16和开放内部容积18。所述壳12通常是圆柱形构型，但是可以使用其它形状。所述壳12由通常对壳12内的流体惰性并且能够在热交换器10的操作过程中承受壳12内的压力和温度的金属、聚合物或其它材料形成。

入口管嘴20从壳12前端14延伸，用于将壳侧流体引入壳12的内部容积18。出口管嘴22从壳12延伸，用于将壳侧流体移出壳12的内部容积18。在一个实施方案中，出口管嘴22位于与壳12入口管嘴20所处的前端14相反的端16。在另一个实施方案中，所述出口管嘴22与入口管嘴20一起位于前端14并且纵向延伸的挡板(未显示)位于壳12的内部容积18内。所述纵向延伸的挡板促使壳侧流体从入口管嘴20流向壳12的相反端16，之后倒转方向在挡板的相反侧流回前端14，在这种情况下，其通过出口管嘴22离开壳12的内部容积18。入口管嘴20和出口管嘴22通常从壳12径向延伸，但它们可以以其它方向从壳12延伸，比如正切方向。

在所示的单通路管侧实施方案中，设置限定内部空腔25并且具有用于管侧流体的入口管嘴26的入口通道或头部24以关闭壳12的开口前端14。设置限定内部空腔29并具有用于管侧流体的出口管嘴30的出口通道或头部28以关闭壳12的开口端16。在双通管侧实施方案中，入口头部24和出口头部28均位于壳12的前端14并且所述壳的另一端16关闭。在所示的实施方案中，入口管嘴26和出口管嘴30沿壳12的纵向中心轴延伸，但它们可以以其它方向延伸，比如垂直于壳12的纵向中心轴的方向。

管束32位于壳12的开放内部容积18内并且包括多个中空、细长的管34，这些管以彼此平行且间隔开的关系延伸并且以预选模式设置。每一个管34都具有开口第一末端36，所述第一末端用于沿管34的纵向长度在管34内流动的管侧流体的进入，和相反的开口第二末端38，所述第二末端用于第一流体离开管34。所述管34由导热的、抗腐蚀材料构成，比如各种金属，包括铜合金、不锈钢、碳钢、有色铜合金、因科镍合金(Inconelalloys)、镍、哈斯特洛伊镍基耐蚀耐热合金(Hastelloyalloys)和钛。

管束32包括多个板状挡板40，所述板状挡板位于沿管34的纵向长度间隔开的位置。所述挡板40用于当壳侧流体在管34外部流过时重新定向壳侧流体的流动。所述挡板40还用于支撑和维持管34的所需定位。如在图4中最佳显示的，各个挡板40具有单独的开口42，管34通过所述开口延伸。开口42大小为稍大于管34，以允许管34纵向通过开口42插入，同时最小化可以通过开口42的壳侧流体的量。

挡板40形成为不完全盘并且改变大小，从而它们的外边缘接触或接近壳12的内表面。当挡板40垂直于壳的中心纵轴设置时，挡板40可以形成为不完全环形盘。当挡板40相对垂直面倾斜时，挡板40可以形成为不完全椭圆盘。挡板40被称为不完全盘是因为它们各自包括挖去部分44，所述挖去部分允许壳侧流体经挡板40通过。在一个实施方案中，挖去部分44横切挡板40的外边缘。所述挖去部分44可以形成为挡板40的扇区、节段或其它部分。在一个实施方案中，挖去部分44是具有45至270度之间、75至240度之间、85至230度、90度、135度或180度角度的扇区。

相邻挡板40中的挖去部分44旋转地或以别的方式围绕壳12的纵向中心轴彼此错开，从而在壳侧流体在壳12的内部容积18内从入口管嘴26流至出口管嘴30时，形成所需的壳侧流体流动路径。在一个实施方案中，挡板40中的挖去部分44是半球形并且相邻挡板40中的挖去部分44彼此旋转180度，形成壳侧流体的正弦流动路径。在另一个实施方案中，挡板40中的挖去部分44是四分之一圆并且相邻挡板40中的挖去部分44彼此间旋转90度，从而产生壳侧流体的螺旋流。

管束32可以包括系杆46，所述系杆经挡板40的边缘区域延伸并且固定于该边缘区域，从而以所需纵向间隔和旋转方向紧固挡板40。系杆46的数量可以根据需要改变。在一个实施方案中，四至二十四个系杆46均匀地围绕挡板40的边缘间隔开。

管束32包括至少一个管板48，所述管板位于壳12的前端14并且将壳12的开放内部容积18与入口头部24的内部空腔25分开。所述管板48通常为盘状，具有以常规方式将壳12的内表面密封的边缘。如图5中最佳显示的，所述管板48包括多个孔49，这些孔完全贯穿管板48相反面之间的厚度延伸。管34的第一末端36插入管板48的孔49并紧固于其中。如果管34是U形的，则管34的第二末端38插入管板48的其它孔49中并紧固于其中。在所示的实施方案中，其中管34是直的，第二管板50位于壳12的相反端16并且将壳12的开放内部容积18与出口头部28的内部空腔29分开。管34的第二末端38插入延伸通过第二管板50的孔49并且被并紧固于其中。如在图3中最佳可见的，在所示的实施方案中，管34的第一和第二末端36和38被接纳入套管51内，而该套管装配入管板48和50中的孔49中。

管板48和50必须承受热交换器10内的操作压力。因为孔49的存在显著降低管板48和50的强度，所以管板48和50由具有数倍于壳12厚度的高强度材料形成。在一个实施方案中，管板48和50中的每个均由高强度金属或金属合金形成并且具有二至十英寸的厚度。因为用于管板48和50的材料的硬度和厚度，在管板48和50的一个实施方案中，孔49横截面为环形并且以钻孔操作形成。

根据本发明，在管34的第一和第二末端36和38之间的各个管34的中间部分52具有扁圆形的横截面。在一个实施方案中，所述扁圆形具有两个对称轴，所述对称轴以相对彼此正交的角度延伸，其中一个轴短于另一个，从而管34的横截面形成几何形状比如椭圆或长圆形。在另一个实施方案中，所述扁圆形仅具有一个对称轴，以使得管34的横截面形成几何形状比如卵形或蛋形。当管34的横截面具有两个对称轴时，比如图10中所示，管34在管34的横截面的最宽部分具有预选长度的长轴54并且在管34的横截面的最窄部分具有垂直的较短轴56。在图10所示的实施方案中，管34的横截面是椭圆并且半径r₁和r₂在两条曲线的相切点P₁和P₂处共线。在其域的极限处，半径r₁在焦点Q₁和Q₂处横切椭圆长轴“a”，其也是半径r₂的中心点。椭圆短轴“b”与椭圆长轴“a”的比率范围为0.22＜b/a＜0.92。

各个管34的中间部分52包括各个管26的纵向长度的至少大部分，各个管34长度的至少75％，各个管34长度的至少90％，或各个管34长度的至少95％。如在图7-10最佳可见的，在一个实施方案中，各个管34的第一末端36是环形横截面，具有大于第二末端36的直径。各个管34的第一末端36的直径还大于管34中间部分52的横截面的短轴56(图10)的长度，并且小于各个管34的长轴54(图10)的长度。各个管34的第二末端38还具有环形横截面，该环形横截面的直径等于或稍小于管34中间部分52的横截面的短轴56(图10)的长度。

各个管34可以由具有与第一末端36相同直径的环形横截面的原材料(stock)制造。然后将管34用一个以上系列的滚筒压平，形成用于中间部分52的横截面的所需几何形状。然后第二末端38通过成锥工具形成，以获得具有更小直径的圆形横截面。如可在图7中看到的，各个管34包括第一末端36和中间部分52之间的过渡节段58和第二末端38和中间部分52之间的类似过渡节段60。管34可以是未修饰的或它们可以具有延伸的或增加的内和/或外表面。在一个实施方案中，所述延伸的表面是鳞状物(未显示)，所述鳞状物沿管34纵向延伸。

在一个实施方案中，挡板40中的开口42具有相同的椭圆、长圆形、卵形、蛋形或其它几何形状，作为管34中间部分52的横截面形状。开口42稍大于管34的中间部分52，从而管34可以通过开口42插入并在开口42内维持紧密装配，以降低可以通过开口42的壳侧流体的量。作为一个实例，开口42大于管34的外部尺寸约0.4mm。开口42可以以其长轴垂直、水平或在垂直和水平之间的方向延伸来排列。开口42可以各自以相同的方向定向或它们可以独立地定向。

挡板40中的开口42被排列成以预选模式，比如正方形、矩形或三角形节距(pitch)放置管34。在另一个实施方案中，挡板40中的开口42被排列成以一系列同心圆的方式放置管34，各个管34的长轴56正切于相关环而延伸。

在管束32的组装过程中，管板48和50以及挡板40彼此间隔开所需预选距离并且它们的开口42对齐。然后将系杆46焊接或以其它方式固定于挡板40，从而将挡板40以它们彼此间隔开并且旋转的关系紧固。各个系杆46的一端可以旋入管板48和50之一中的螺丝孔(未显示)中并且系杆46的另一端固定于管束32相反端处的最后的挡板40。

一旦已经由管板48和50、挡板40以及系杆46形成笼状结构，各个管34的更小直径的第二末端38通过管板48中的一个孔49插入并且纵向移动第二末端38通过管束32一端处的第一挡板40中的一个开口42。然后根据需要旋转管34以将管34中间部分52的长和短轴54和56与末端挡板40中的开口42的相应轴对齐。然后将管34通过连续挡板40中对齐的开口42送入，直到管34的第一末端36通过管束32相反端处的最后的挡板40并且置于其它管板50中的孔49之一内。剩余的管34以相同的方式通过管板48中的孔49、各个挡板40中的开口42和其它管板50中的孔49插入。在一个实施方案中，然后将稍微凸出超过管板48和50的管34的第一和第二末端36和38比如通过扩大为管板48和50或焊接于管板48和50的方式固定于管板48和50。然后以常规方式将组装的管束32插入热交换器10的壳12内。

在使用中，将壳侧流体通过入口管嘴20引入到热交换器10的壳12的内部容积18内。当壳侧流体沿壳的长度路流动并且通过挡板40中的挖去部分44时，壳侧流体经正弦路径流动。然后壳侧流体通过出口管嘴22从壳12的内部容积18移出。

将管侧流体通过入口管嘴26引入到入口头部24的内部空腔25。然后管侧流体分配到管34的第一末端36并且沿管34的长度流动，之后离开管34的第二末端38。然后管侧流体进入出口头部28的内部空腔29，之后通过出口管嘴30离开热交换器10。

当壳-侧和管侧流体在热交换器10流动时，从一种流体向另一种流体发生热传递。管束32中管34的非圆形中间部分52比常规圆管提供更高的管侧和壳侧传热系数，因为管34中间部分52的扁圆形横截面具有比管34(中间部分52由其形成)的圆形横截面更大的表面积。

从以上所述将看出，本发明是充分改变以获得上文列出的所有意图和目标以及结构所固有的其它优势的发明。

应理解，某些特征和亚组合是有效的并且可以在不参考其它特征和亚组合的情况下使用。这被本发明的范围考虑并在本发明的范围内。

因为在不偏离发明范围的情况下，可以进行本发明的很多可能的实施方案，所以应当理解，本文列出的或附图中显示的所有事项被解释为说明性的并且没有限制性意义。

Claims (20)

1.一种用于管壳式热交换器的管束，所述管束包括：

多个中空、细长的管，所述管在预选模式中以彼此平行且间隔开的关系延伸，所述管中的每一个都具有用于在管内沿管的纵向长度流动的第一流体的进入的第一末端，和相反的用于第一流体流出所述管的第二末端，以及第一和第二末端之间的中间部分，管的所述中间部分具有拥有至少一个对称轴的扁圆形横截面；

第一管板，所述第一管板具有孔，所述管的第一末端延伸至所述孔内并被紧固；和

多个挡板，所述挡板位于沿管的纵向长度间隔开的位置，用于支撑所述管并且引导第二流体在所述管外部流动，所述挡板中的每一个都具有用于流体流过的挖去部分和多个开口，所述管中的至少一些通过所述开口插入，其中所述挡板中的相邻挡板的所述挖去部分围绕所述管束的中心纵轴旋转错开。

2.权利要求1所述的管束，其中管中具有所述扁圆形横截面的所述中间部分为各个管纵向长度的大部分。

3.权利要求1所述的管束，其中管中具有所述扁圆形横截面的所述中间部分为各个管纵向长度的至少75％。

4.权利要求1所述的管束，其中管中具有所述扁圆形横截面的所述中间部分为各个管纵向长度的至少90％。

5.权利要求1所述的管束，其中管中具有所述扁圆形横截面的所述中间部分为各个管纵向长度的至少95％。

6.权利要求1所述的管束，其中所述挡板中的每一个都以通常垂直于所述管束的中心纵轴的平面设置。

7.权利要求1所述的管束，其中所述挡板中的每一个都是不完整的盘并且所述挖去部分横切所述盘的圆周。

8.权利要求1所述的管束，其中所述第一管板具有另外的开口，管的第二末端延伸入所述另外的开口中并且被紧固。

9.权利要求1所述的管束，所述管束包括第二管板，所述第二管板具有开口，管的第二末端延伸入该开口中并且被紧固。

10.权利要求1所述的管束，其中改变所述挡板中的所述开口的形状以符合管中间部分的横截面。

11.权利要求1所述的管束，其中所述挖去部分是挡板的扇区或节段。

12.权利要求1所述的管束，其中所述预选模式是正方形或三角形节距。

13.权利要求1所述的管束，其中所述预选模式是一系列同心圆。

14.权利要求13所述的管束，其中在每一个管中，管中间部分的至少一个对称轴处于沿所述同心圆中一个的切线的状态。

15.权利要求1所述的管束，其中每一个管的中间部分的横截面具有两个对称轴，其中一个轴短于另一个，并且其中管的所述第一和第二末端横截面为圆形，并且所述第一和第二末端之一具有小于所述短对称轴的长度的直径。

16.权利要求1所述的管束，其中每一个所述管沿其整体纵向长度都具有所述扁圆形形式的横截面。

17.权利要求1所述的管束，其中所述扁圆为椭圆或长圆形几何形状的形式。

18.权利要求1所述的管束，其中所述扁圆是卵形或蛋形几何形状的形式。

19.一种管壳式热交换器，所述管壳式热交换器包括：

壳，所述壳具有内部容积，根据权利要求1所述的管板设置在所述内部容积中；

入口管嘴，所述入口管嘴从所述壳延伸，用于将壳侧流体引入到壳的内部容积；

出口管嘴，所述出口管嘴从所述壳延伸，用于将壳侧流体从壳的内部容积移出；

另一入口管嘴，所述另一入口管嘴用于将管侧流体引入到管束内的管的第一末端；和

另一出口管嘴，所述另一出口管嘴用于将管侧流体从管束内的管的第二末端移出。

20.一种组装权利要求1所述管束的方法，所述方法包括以下步骤：

设置具有圆形横截面的管的所述第一和第二末端，并且设置具有小于管的中间部分的所述至少一个对称轴的长度的直径的所述第二末端；

将挡板彼此间隔开所需预选距离，并且它们的开口对齐；

将系杆固定于挡板，以使挡板以它们彼此间隔开和旋转的关系紧固；

通过各个挡板中对齐的开口插入各个管的所述第二末端；

将各个管的第一末端固定在第一管板中的孔中；和

将各个管的第二末端固定在第一管板或第二管板中的其它孔中。