CN105518410A - 具有弹性元件的换热器 - Google Patents

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CN105518410A CN201480040623.XA CN201480040623A CN105518410A CN 105518410 A CN105518410 A CN 105518410A CN 201480040623 A CN201480040623 A CN 201480040623A CN 105518410 A CN105518410 A CN 105518410A
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Abstract

本发明涉及一种用于第一流体和第二流体之间的间接热交换的换热器(1)，其具有壳体(10)，所述壳体包围壳体空间(M)用于接收第一流体；管束(2)，其包括设置在该壳体空间(M)内的多根管(20)并旨在接收该第二流体，所述管(20)被布置成若干管层(200、201、202)；和夹套(3)，其被布置在所述壳体空间(M)内并在所述管束(2)的径向方向(R)上围绕所述管束(2)的最外管层(200)，从而在所述管束(2)和所述夹套(3)之间形成包围管束(2)的中间空间(4)，其中根据本发明，至少一个弹性元件(5、5’)被布置在所述最外管层(200)的相邻管部分(200’、200”)之间的第一区域(50a)，所述至少一个弹性元件(5、5’)具有第二区域(50b)，其伸出所述最外管层(200)并且旨在紧靠面向所述管束(2)的夹套(3)的内测(3a)和/或被设计为将所述至少一个弹性元件(5、5’)连接到所述夹套(3)。

Description

具有弹性元件的换热器
本发明涉及一种根据权利要求1的换热器及其用途。
这种换热器具有承压外壳，其限定了壳体空间用于接收第一流体。布置在所述壳体空间内的是管束，其包括多个管用于接收第二流体，所述管被布置成多个管层，从而第二流体可以进入与外壳空间内输入的第一流体进行间接的热交换。此外，这种换热器具有夹套，其被布置在壳体空间内并包围所述管束，从而在管束和夹套之间形成包围该管束的尽可能小的中间空间。这种夹套在管束周围的布置旨在抑制第一流体的过量旁路流穿过该管束，这将对该换热器的有效性产生不利影响。然而在一些情况下，由于操作的温度条件，所述夹套可能必须需要与所述换热器管束有更大的距离。这种增加的中间空间目的用于补偿管束和夹套的温度诱发的运动。
EP1790932A1在开始时公开了所描述的螺旋盘绕的换热器类型，其具有设置在夹套和外管层之间的弹性元件，所述弹性元件被应用到最外管层。所述弹性元件允许通过去耦在管和夹套直径上的热变化而减小热诱导应力。由于以前已知的在最外管层上的弹性元件的布置，在所述夹套和所述最外管层之间有相应的中间空间，其由该弹性元件在管束的径向方向的尺寸所决定。
然而，这里有问题的是所述夹套和所述最外管层之间的中间空间允许夹套围绕的第一流体的不期望的旁路流穿过管束，此部分不参与，或只在很小程度上，与在该管束中输入的第二流体进行热交换。
这会导致换热器相当大的损害。例如，在降膜蒸发器的情况下，过量的旁路流会导致在所述换热器贮槽内的液体发生增加。液位上升过高的结果是，这种换热器的输出必然被减少或液体(第一流体)从该系统中被抽出，特别是为了防止该设备的关闭。
在此基础上，因此本发明以减少上述缺点的方式解决在开始时提及的开发换热器类型的问题。
这个问题是由具有权利要求1所述特征的换热器来解决。
由此提供至少一个弹性元件被布置在某些部分，即在最外管层的相邻管部分之间的第一区域，所述至少一个弹性元件具有第二区域，其在夹套方向上沿管束的径向方向伸出所述最外管层，并且所述至少一个弹性元件紧靠其第二区域，从所述最外管层突出，依靠面向所述管束或最外管层的夹套的内侧，或者所述弹性元件被设计用于此。可替代地或另外地，那个区域用于将所述弹性元件连接到所述夹套。
“管束的最外管层”在此处应被理解为意指特别是邻近夹套的管层，并且与所述管束的其他管层相比，该管束在径向方向上与该夹套处于最小距离。
所述第一和第二流体的温度引起管束之间的，特别是所述最外管层，和所述夹套的热诱导应力-例如由于在管和夹套直径上的热变化。在这种情况下，所述至少一个弹性元件允许去耦在管和夹套的直径上的这些热变化，从而这些应力可以被减少或防止。
根据本发明，在换热器的最外管层中集成所述至少一个弹性元件，这允许最外管层和夹套的内侧之间的由所述至少一个弹性元件产生的中间空间做得比现有技术中的小得多，并且仍然提供热膨胀所需的距离量。这使安装不再发生在换热器的最外层上而是在换热器的最外层内成为可能，其结果是安装所需要的当然不参与弹性变形的距离或装配空间，不再作为所述最外管层上的固定间隙保留。
特别地，所述至少一个弹性元件是所谓的非热交换元件，在这个意义上所述至少一个弹性元件不与两种流体直接接触(诸如例如所述管束的管)。
例如，若所述第一流体(尤其与所述夹套接触)具有低的温度，该夹套收缩并与所述至少一个弹性元件进行相互作用。在这种情况下所述至少一个弹性元件被设计成这种方式：由于所述夹套的收缩，导致作用在所述至少一个弹性元件上的力使其弹性形变，而反之，在所述夹套与所述至少一个弹性元件进行相互作用(类似地同样适用于该管束或其的管)的位置，所述夹套只经历小的变形，或不变形。结果是，因为所述夹套根本不，或者仅在相对小的程度上与所述最外管层的管进行相互作用，所以在该管和该夹套之间传递的热诱导力(由于所描述的在直径上的热变化)被防止或减少。因此，对换热器诸如例如撕裂夹套的损害被阻止。
在相邻管部分，特别是这些直接相邻最外管层的管部分之间布置所述至少一个弹性元件，允许提供具有相对较小的体积的中间空间，同时不需要减少配置所述至少一个弹性元件的需求。因此换言之，所述至少一个弹性元件被布置在最外管层的某些部分，即所述至少一个弹性元件的第一区域被布置在该第一管层，而所述至少一个弹性元件的第二区域径向地伸出该最外管层。这具有减少外壳环绕的第一流体的旁路流穿过该管束(由于中间空间体积较小)的优点，从而该外壳环绕的第一流体与流经该管内部的第二流体的热交换效率被较少损害。
根据本发明，所述管束的管在换热器的芯管周围盘绕成若干管层，即该换热器就是所谓的螺旋盘绕的换热器。所述芯管通常沿纵向轴线延伸，其优选地沿着垂直于换热器预期布置的位置延伸。所述换热器的壳体优选地沿纵向轴线延伸，其特别地形成所述壳体的圆筒轴。
优选地，至少一个间隔元件被分别布置在相邻所述管束径向方向的管层之间。所述“径向方向”在目前情况下应被理解为意指沿芯管或管束的径向方向，并分别垂直于纵向轴线或垂直线并被引导从其远离。
“所述最外管层的相邻管部分”应被理解为特别是指在一根且相同的管部分，或者彼此相邻摆放或沿纵向轴线一根摆放在另一根之上的最外管层的两根管的直接相邻部分，即没有其它的管部分被布置在每两根这样的沿换热器或芯管的纵向轴线的管部分之间，但根据本发明可能有一个所述弹性元件(见上文)。
“弹性元件”根据本发明被理解为意指可逆变形能力大于(在这个意义上，需要更小的力以实现弹性变形)其相邻元件(特别是管，夹套或间隔元件)的元件或组件。原则上，当弹性元件与夹套元件相互作用时，所述弹性元件发生可逆弹性变形，所述夹套(或与弹性元件相互作用的其它组件，诸如例如所述最外层管层的空间元件和/或管)不经受任何弹性变形，或小很多的弹性变形，结果是与所述至少一个弹性元件相互作用。在所述相互作用或接触的区域，这些组件的受温度诱导的膨胀/收缩是可能的，但是与弹性元件的相互作用不会导致变形，或仅细小变形。所述可逆性使其可能：当存在受温度诱导的变形时，紧靠夹套的至少一个弹性元件能够弹性地变形，诸如例如该夹套的收缩，并且当该受温度诱导的变形中断时能够恢复到未变形的初始状态。
因此，实现至少一个弹性元件可逆变形所需的变形力小于管、夹套或间隔元件的相应变形所需的变形力。这允许所述管束与所述夹套之间的热诱导的相对运动，在此情况下，所述夹套和所述最外层管之间的距离变化并且从而所述的中间空间在其体积上发生改变。
“弹性的”根据本发明被理解为意指线性弹性和非线性弹性(例如橡胶弹性)两者。特别地，术语“弹性的”被理解为意指还存在于-196℃至100℃，特别是-165至65℃的温度的弹性。从而该弹性元件被特别设计为是在这些温度下是弹性的，并且可以执行上述的可逆变形。
在一些实施方案中，相比管、间隔元件或夹套的弹簧常数，所述至少一个弹性元件的弹簧常数优选地小于80％，优选地小于50％，优选地少于10％或优选地少于1％。
所述至少一个弹性元件可以与该夹套以互锁、摩擦接合和/或材料粘结的方式连接。
此外，所述至少一个弹性元件可以被固定到管束，特别是以互锁、摩擦接合和/或材料接合的方式，通过被布置在最外管层和相邻管层之间的间隔元件的方式。因此，例如，所述至少一个弹性元件可以被焊接到夹套和间隔元件。在原则上可能的是，所述至少一个弹性元件仅以滑动的方式连接到夹套或间隔元件，即其紧靠这些允许从周围夹套进一步去耦所述管束的组件。
所述最外管层和所述夹套内测之间的距离(即中间空间的厚度)优选位于从1mm至10mm的范围。
还可以设想，所述至少一个弹性元件形成为纵向延伸(就是说沿纵向比沿垂直地到那里具有更大的范围)，它在所述管束的两个管部分之间的纵向范围方向上延伸并沿着那些管部分。这里，所述弹性元件可以特别在芯管周围延伸，作为结果是具有进一步抑制第一流体的旁路流穿过管束的优点。
原则上，所述弹性元件可被形成为螺旋弹簧、板簧或盘形弹簧或一些其它弹簧元件或包括这种元件。此外，所述弹性元件可被形成为球形或圆柱形的样式，例如以实心的或空心体的形式。
在本发明的一个实施方案中，所述至少一个弹性元件具有两个支脚，其通过底部相互连接并且各具有端部区域，那些端部区域紧靠在夹套的内测。所述支脚优选地在夹套的方向上从底部彼此分叉并且特别是形成30°至50°，优选为40°的夹角，当所述弹性元件弹性变形时该角度增加，其相应的所述弹性元件正常至所述夹套的膨胀减少。
所述至少一个弹性元件优选地通过该底部固定到所述至少一个间隔元件，特别是通过焊接连接的方式，可能的通过夹紧连接到所述夹套。所述支脚在某些部分伸出最外管层，所述支脚的那些部位形成伸出管层的弹性元件。
此外，所述支脚可以通过底部彼此集成形成。此外，所述端部区域优选地朝向夹套凸出弯曲，从而它们分别形成夹套的凸出弯曲紧靠面。
为了抑制旁路流，所述弹性元件的两支脚可以依次被设计成沿上文定义的纵向范围的方向延伸。
所述至少一个弹性元件优选地包括金属和/或塑料；特别地，所述至少一个弹性元件包括不锈高等级钢，例如根据该标准EN10020，特别是材料编号1.4310的不锈弹簧钢，和/或聚四氟乙烯(PTFE)，例如特氟纶。
所述换热器优选地具有多个弹性元件，其分别布置在最外管层的相邻管部分之间的某些部分，也就是说被集成在最外管层，所述各弹性元件具有在管束径向方向上伸出最外管层的区域，并且旨在紧靠面向所述管束2的换热器夹套的内测，它也可能是可选地或附加地被设计为将所述各弹性元件连接到夹套的区域。单个弹性元件可依次以上述方式被配置。
根据本发明若干弹性元件优选地沿该管束的圆周或沿该管束的管的纵向范围方向被分别地依次相邻地布置。此外，根据本发明的若干弹性元件优选地沿该换热器的纵向轴线被分别依次布置成一个在另一个上面，以致所述弹性元件特别相当均匀地被分布在最外管层。
根据本发明的换热器优选地被用于实施作为第一流体的制冷剂流和作为该第二流体的含烃流之间的间接热交换，所述含烃流特别是由天然气形成的。
本发明其它的细节和优点将在附图的基础上通过下面示例性实施方案的附图描述来解释，其中：
图1示出根据本发明的换热器细节的剖视图；
图2示出根据本发明的具有弹性元件的螺旋盘绕的换热器的部分剖视透视图；和
图3示出根据本发明的弹性元件实施方案的横截面。
图1与图2联合示出根据本发明的具有多个弹性元件5的换热器1。
所述换热器1被设计成用于第一流体和第二流体之间的间接热交换，并具有壳体10，其包围壳体空间M用于接收所述第一流体，所述第一流体可以通过所述壳体10上的入口末端101被引入壳体空间M，并通过该壳体10上相应的出口末端102被排出壳体空间M。
在这种情况下，所述外壳10沿纵向轴线L延伸，沿换热器1预期布置的位置垂直延伸。在所述壳体空间M内还布置有具有多个管20的管束2用于接收该第二流体。在这种情况下，管20在芯管21周围螺旋盘绕成多个管层200、201(为了整体清晰度，仅最外管层200和位于其下的管层201被表示在图1中)，芯管21同样沿着纵向轴线L延伸并被同心地布置在该壳体空间M内。若干管20被分别集合于管板104内，第二流体可能通过所述壳体10上的入口末端103被引入那些管20，并通过出口末端105再次被排出所述管20。因此，热量可以在两种流体之间间接地交换，这些流体优选地逆流通过该换热器1。
所述壳体10和所述芯管21至少在某些部分是圆柱形结构，从而纵向轴线L形成该壳体10的圆柱形轴线并且该芯管21在其中同心地延伸。还在该壳体空间M内布置有夹套3，其围绕管束2，以在管束2和夹套3之间形成围绕该管束2的中间空间4。所述夹套3尽可能抑制第一流体的旁路流(由管束2限制的在壳体空间M内被输入的)穿过管束2。因此所述第一流体在壳体空间M内被输入至被夹套3围绕的壳体空间M的区域内。
此外，单个管层200、201通过沿纵向轴线L延伸的间隔元件61、6支撑于(特别是当有水平安装的管束2时)彼此之上或支撑于芯管21上，若干间隔元件61、6在该管束2的径向方向R上被分别地布置于彼此之上。
为了去耦夹套3和管20或彼此各自的管束2的热诱导应力/运动，提供若干弹性元件5(在图2，三个这种元件5以实施例的方式被示出)，分别地被集成在该最外管层200，所述弹性元件5优选地被基本均匀地分布在第一管层200上。在这种情况下，所述弹性元件5被分别地布置在相邻的沿该纵向轴线L的最外层管200的管部分200’、200”之间的第一区域50a，所述各弹性元件5的第二区域50b被用于紧靠面向所述管束2的夹套3内侧(或者用于连接到该夹套3)，其在夹套3的方向上在管束2或芯管21的径向方向R上分别地伸出最外层管200。
在这种情况下所述弹性元件5优选地在径向方向R上分别被固定到最外间隔元件61，特别是通过焊接连接的方式，并以滑动的方式通过各第二区域50b紧靠在夹套3的内侧。紧固到该夹套3和/或到各空间元件61的其他方式同样是可能的(见上文)。
所述最外管层200沿径向方向R与夹套3内侧的距离D(相应的非操作位置)特别是位于2mm至10mm的范围内，并且允许在换热器1运行期间经常发生的夹套3和管束2彼此之间的热诱导运动。
在夹套3内侧和各最外间隔元件61之间布置所述弹性元件5允许一方面最外管层200或管束2和另一方面夹套3足够的去耦，其使得热诱导应力可能减少并且同时保持中间空间4的厚度尽可能的小。
图3示出了根据本发明的弹性元件5’的另一个实施例，其可以用于例如代替根据图2的在换热器1的弹性元件5。根据图3，所述弹性元件5’具有两个支脚52、53，其通过弯曲的或圆形的底部51彼此集合地形成，并且各具有端部区域52a、53a，那些端部区域52a、53a分别形成用于紧靠该夹套3内侧3a的凸出紧靠表面。在这种情况下，所述支脚52，53从底部51分叉，借此在夹套3方向上被固定在间隔层61(例如通过焊接连接或在夹套3和间隔元件61之间夹紧)。所述支脚51、52可由此形成例如40°的夹角W。所述支脚52、53的厚度可介于0.3mm和0.5mm之间，特别是0.4mm。
因此，所述弹性元件5’的底部51被布置在最外管层200的相邻管部分200’，200”之间，或在最外管层200并属于所述弹性元件5’的第一区域50a，而所述支脚52、53的那些端部区域52a、53a属于伸出所述弹性元件5’的第二区域50b。所述弹性元件5’可以具有在管束2径向方向R上的高度H，例如20mm至35mm，优选地28mm。
当例如由于夹套3的收缩在所述弹性元件5’上作用力时，所述弹性元件5’会发生可逆的弹性变形，其中支脚52、53彼此远离，从而自由端部区域52a、53a在相反方向上沿夹套3内侧3a滑动。当夹套3存在温度诱导收缩的逆转时，所述弹性元件5’在原始状态的方向再次移回。结果，夹套和管20的热运动发生去耦。
参考标记列表
1 换热器
2 管束
3 夹套
4 中间空间
5，5’ 弹性元件
6，61 间隔元件
10 壳体
20 管
21 芯管
50a 第一区域5 -->
50b 伸出的第二区域
51 底部
52 支脚
53 支脚
52a 端部区域
53a 端部区域
101 入口端
102 出口端
103 入口端
104 管板
105 出口端
200，201 管层
200’，200” 相邻管部分
D 夹套和最外管层之间的距离
H 高度
R 径向方向
L 纵向轴线
M 壳体空间
W 角度

Claims (10)

1.一种用于第一流体和第二流体之间间接热交换的换热器，具有
-壳体(10)，其包围于壳体空间(M)用于接收所述第一流体，
-管束(2)，其包括布置在所述壳体空间(M)内的多根管(20)并旨在接收所述第二流体，所述管(20)围绕所述管束(2)的芯管(21)被盘绕成多个管层(200、201、202)和
-夹套(3)，其被布置在所述壳体空间(M)内并在所述管束(2)的径向方向(R)上围绕所述管束(2)的最外管层(200)，从而在所述管束(2)和该夹套(3)之间形成包围所述管束(2)的中间空间(4)，
其特征在于，
至少一个弹性元件(5、5’)被布置在所述最外管层(200)的相邻管部分(200’、200”)之间的第一区域(50a)，所述至少一个弹性元件(5)具有第二区域(50b)，其伸出所述最外管层(200)并旨在紧靠面向所述管束(2)的夹套(3)内侧(3a)和/或被设计用于将所述弹性元件(5)连接到所述夹套(3)。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述芯管(21)沿着纵向轴线(L)延伸，其特别是沿相对于所述换热器(1)预期布置的位置的垂直线(Z)延伸，即径向方向(R)被定向为垂直于该纵向轴线(L)。
3.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，所述换热器(1)在位于最外管层(200)和在所述管束(2)的径向方向(R)上相邻的管层(201)之间具有至少一个间隔元件(61)，所述至少一个弹性元件(5、5’)被固定到所述至少一个间隔元件(61)和/或紧靠它，特别是其它的间隔元件(6)被提供于径向方向(R)上相邻的管层之间，这些其它的间隔元件被布置在所述至少一个间隔元件(61)之下以支撑在所述管束(2)的径向方向(R)上的各个管层(200、201)。
4.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，所述至少一个弹性元件(5、5’)在所述最外管层(200)纵向地延伸，并且特别是围绕所述芯管(21)延伸，特别是在其周围螺旋延伸。
5.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，所述至少一个弹性元件(5、5’)被设计为弹簧元件，特别是以盘簧，螺旋弹簧或板簧的形式。
6.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，所述至少一个弹性元件(5’)具有两个支脚(52、53)，其通过底部(51)连接并且每个支脚具有末端区域(52a、53a)，那些末端区域(52a、53a)属于第二区域(50b)并且紧靠所述夹套(3)的内侧(3a)，特别是所述支脚(52、53)从属于第一区域(50a)的底部(51)分开，并且特别是所述弹性元件(5’)通过所述底部(51)被固定到至少一个间隔元件(61)。
7.根据权利要求1至5之一所述的换热器，其特征在于，所述至少一个弹性元件(5)以球形或圆柱形的形式形成。
8.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，所述至少一个弹性元件(5、5’)包括金属，特别是不锈高级钢，和/或塑料，特别是聚四氟乙烯(PTFE)。
9.根据前述权利要求之一所述的换热器，其特征在于，提供多个弹性元件(5、5’)，其分别被布置于所述最外管层(200)的相邻管部分(200’、200”)之间的第一区域(50a)，所述各弹性元件(5、5’)具有第二区域(50b)，其伸出所述最外管层(200)并旨在紧靠面向所述管束(2)的夹套(3)的内测和/或被设计为连接到所述夹套(3)，并且特别是若干所述弹性元件(5、5’)沿所述纵向轴线(L)被布置在彼此之上。
10.根据权利要求1至9之一所述的换热器的用途，其用于实施作为所述第一流体的制冷剂流和作为所述第二流体的含烃流之间的间接热交换，所述含烃流特别是由天然气形成。
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