CN108431540A - 包括压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统 - Google Patents

Abstract

一种柔性膨胀传热系统，其可以包括：动态部件，该动态部件包括热交换器；压力容器壳体，该压力容器壳体包围热交换器的至少一部分；以及压缩性密封膨胀件，该压缩性密封膨胀件将动态部件与压力容器壳体连接。压力容器壳体还包括压力容器壳体管道，并且其中，压缩性密封膨胀接头包括布置在压力容器壳体管道上的管道压缩性密封膨胀接头。

Description

包括压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年7月24日提交的美国临时专利申请NO.62/282,039的权益，其全部内容通过参引并入本文中。

背景技术

(1)技术领域

本申请涉及柔性膨胀传热系统(compliant heating system)、柔性膨胀传热系统的制造方法、以及使用柔性膨胀传热系统的方法。

(2)相关技术的描述

加热系统会由于在系统的加热或冷却期间因加热系统的部件的不同热膨胀所引起的机械应力而发生故障。机械应力是由于经受不同量的热膨胀的部件被紧密地连接。例如，不同量的热膨胀会由于部件被加热至不同的温度、或者由于部件具有不同的热膨胀性质而发生。例如，纵向热延伸的部件——例如熔炉、燃烧室和热交换器组件——当紧密地和其他部件多于一个的位置附接时比如压力容器壳体可导致部件故障。如下的流体加热系统特别容易发生机械故障：即，用于生产为环境温度调节、热水消耗、商业应用和工业加工应用运送热液体或蒸汽的液体循环(水)、蒸汽和热流体的流体加热系统。

由不同热膨胀引发的机械应力既存在于包括管壳式热交换器的系统中、也存在于采用包括无管式热交换器的替代性热交换器设计的系统。用于减小机械应力的技术比如浮动头部复合组件、热交换器管中的弯曲部和折弯部、以及柔性波纹管/褶皱件都具有缺陷。例如，位于压力容器内的浮动头部复合组件不易于在现场被检测到、维修或更换并且会需要频繁维护；热交换器管中的弯曲部和折弯部增加了柔性，但不易于被检查、维修或更换并且会增大制造成本和材料故障风险；并且压力容器内的柔性波纹管或褶皱件比如对于检查或修复来说难以接近，从而导致系统和部件的现场维修能力较差。

因此，仍有改进加热系统的需求以减小或消除由于不同热膨胀而产生的机械应力。

发明内容

本文中公开了一种包括压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统。

还公开了制造柔性膨胀传热系统的方法。

公开了一种柔性膨胀传热系统，包括：动态部件，该动态部件包括一个热交换器；一个压力容器壳体，该压力容器壳体包围热交换器的至少一部分；以及一个压缩性密封膨胀接头，该压缩性密封膨胀接头连接动态部件与压力容器壳体。

还公开了一种柔性膨胀传热系统，包括：一个动态部件，该动态部件包括一个热交换器、一个布置在热交换器的端部上排放室、和排气端口，；压力容器壳体，该压力容器壳体包围热交换器的至少一部分并且包括压力容器壳体管道，该压力容器壳体管道沿着横向轴线布置并且位于压力容器壳体的端部上，其中，排气端口横向地延伸穿过压力容器壳体管道；并且布置在压力壳体管道上的内管道压缩性密封膨胀接头和外管道压缩性密封膨胀接头，其中，排气端口经由内管道压缩性密封膨胀接头和外管道压缩性密封膨胀接头连接至压力容器壳体管道，其中，压力容器壳体管道包括压力容器法兰；其中，压力容器法兰经由内管道压缩性密封膨胀接头连接至管部段的第一端部，其中，管部段的第二端部经由外管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口法兰，并且其中，燃烧气体排放端口法兰经由连接法兰紧密地附接至排放端口。

还公开了一种制造柔性膨胀传热系统的方法，该方法包括：将包括热交换器的动态部件布置在压力容器壳体中；并且利用压缩性密封膨胀接头连接动态部件与压力容器壳体以制造柔性膨胀传热系统。

还公开了一种使用根据前述权利要求中任一项所述的柔性膨胀传热系统的方法，该方法包括：将传热流体引导穿过热交换器并到达排气端口；以及将来自传热流体的热传递至位于内部生产流体区域中的生产流体。

通过下面的附图和详细描述来示例性地说明上述特征及其他特征。

附图说明

请参照附图，附图为示例性实施方式，并且在附图中，相同的元件附图标记相同，并且其中，图5A、图6A和图7A中的虚线表示轴向轴线：

图1A是加热系统的截面图，其中，排放烟道被轴向地引导出基部；

图1B是图1A的一部分的放大图，其示出了加热系统的附接点；

图2A是加热系统的截面图，其中，排放烟道被横向地引导出基部；

图2B是图2A的一部分的放大图，其示出了加热系统的附接点；

图3A是竖向直立加热系统的图示；

图3B是水平直立加热系统的图示；

图4A是具有柔性压力容器管道的柔性膨胀传热系统的截面图；

图4B是图4A的一部分的截面图；

图4C是图4A的柔性膨胀传热系统的透视图；

图4D是图4A中示出的压缩性密封膨胀接头的截面图；

图5A是包括U形管排放烟道的柔性膨胀传热系统的截面图，该U形管排放烟道被横向地引导出基部；

图5B是图5A的柔性膨胀传热系统的一部分的透视图；

图5C是图5A中示出的压缩性密封膨胀接头310不同热膨胀未出现时的截面图；

图5D是图5A中示出的压缩性密封膨胀接头310不同热膨胀出现时的截面图；

图6A是柔性膨胀传热系统的截面图，其中，排放烟道被横向地引导出基部；

图6B是图6A的区域b的截面图；

图6C是进一步示出图6B的区域c中所示的压缩性密封膨胀接头的截面图；

图6D是图6A的柔性膨胀传热系统的立体剖视图；

图6E是图6A的柔性膨胀传热系统的不同热膨胀未出现时的截面图；

图6F是图6A的柔性膨胀传热系统的不同热膨胀出现时的截面图；

图7A是具有柔性压力容器壳体的柔性膨胀传热系统的一部分的截面图；

图7B是图7A的柔性膨胀传热系统的立体剖视图；以及

图8是压缩性密封膨胀接头的截面图。

具体实施方式

加热系统的重复热循环期间的不同热膨胀可导致高应力集中区域中的机械故障。例如，在经历热膨胀的部件与不经历热膨胀的部件之间、或者在经历不同量的热膨胀的部件之间的刚性附接位置处会发生机械故障。紧密附接位置可以存在于例如加热系统的动态部件与压力容器壳体之间。尽管不想被理论约束，但应当理解的是，机械故障可由局部开裂故障机理引发。一旦形成初始裂纹，裂纹内的暴露金属会经受氧化，从而导致在裂纹梢部处形成额外的应力，最终导致裂纹扩展和部件故障。

修复加热系统中的部件故障将会是高成本的且困难的。例如，拆卸压力容器以取出热交换器或炉元件耗时且劳动强度大，并且重新组装通常涉及到专门的焊接技术或连结技术。此外，包括用于将应力释放到压力容器内的热结构中(例如，在热交换器中、在燃烧系统中、或在炉中)的方法的流体加热系统昂贵且在这些应力释放装置的部件发生故障时难以维修。

为了克服这些缺点中的一者或更多者，公开了一种改进的柔性膨胀传热系统。所述柔性膨胀传热系统包括压缩性密封膨胀接头，该压缩性密封膨胀接头允许减小或几乎消除否则会在经历不同量的热膨胀的部件之间的附接点处产生的应力。由于柔性膨胀传热系统中的应力的减小，因此可以减少热交换器元件——比如热交换器管——的故障。

柔性膨胀传热系统可以设计成将热致差速运动和机械应力特定地局限于压缩性密封膨胀接头。在没有这种用于设计包括压缩性密封膨胀接头的结构的系统工程方法的情况下，热致机械应力会分布在整个加热系统中，从而使故障风险集中至较弱的元件或接头并且致使故障的可能性和故障的位置不可预知。尽管不想被理论约束，但相信包括所公开的压缩性密封膨胀接头保护昂贵、易碎且难以触及的部件使其免受机械应力引发的故障。

发明人已惊喜地发现，压缩性密封膨胀接头可以位于外部压力容器壳体上或压力容器壳体的暴露且易于进行维修的在外部设置的管道上。由于压缩性密封膨胀接头可用于将差速运动和机械应力局限于外部位置，因此可以保护昂贵、易碎且难以触及的部件使其免受机械应力引发的故障，并且具有可以容易地检查和维修的增加的益处。应当指出的是，外部位置指的是柔性膨胀传热系统外部的位置(比如外部压力容器壳体或压力容器壳体的在外部设置的管道中的一者或两者)，并且外部位置可以例如利用可移动的覆盖件或遮蔽件来封闭或至少部分地封闭。

例如，压缩性密封膨胀接头可以在外部设置在压力容器壳体上或定位在压力容器壳体的在外部设置的管道上。易于触及的压缩性密封膨胀接头允许现场维修，而无需使用专门的设备或复杂的连结技术——比如焊接。以这种方式，可以针对磨损、开裂或疲劳定期检查压缩性密封膨胀接头，以便在部件故障之前解决问题。这种检查可以周期性地执行，并且可以涉及到任何合适类型的检查，比如目视检查或非破坏性检查以用于检查压缩性密封膨胀接头的磨损、开裂和材料疲劳，从而在故障发生之前预测并解决问题。因此可以提高柔性膨胀传热系统的使用寿命，并且可以为10年至30年或更长。

此外，发明人已发现，在轴向排放构型和横向排放构型两者中使用可维修部件可以提供合适的热应力释放。在任一取向上，热应力释放均可以以可检查、可移除、可更换、以及可维修的方式包含在外部位置中。因此，流体加热系统的生产流体压力容器的可维修部件可以被暴露以用于维护，其中很少或不拆卸柔性膨胀传热系统。

当热致机械应力局限于如本文中所公开的压力容器壳体上的可更换的柔性元件时，对生产流体压力容器进行压力限制并且可以满足流体加热系统压力容器的当前安全标准。

柔性膨胀传热系统可以包含管壳式热交换器。其中，来自位于管中的传热流体的热被传递至位于压力容器壳体中的生产流体。传热流体可以在炉中产生和/或加热，并且可以为燃料燃烧的产物。经加热的传热流体可以从炉通过管行进至排放室(也称为排放歧管)，所述排放室位于管的远端部处。这个管可以包含多个热交换器管。上管板可以位于炉与管之间，并且下管板可以位于管的相反的远端部处并且位于管与排放室之间。压力容器壳体可以固定地附接至炉、上管板、下管板或排放室中的一者或多者。热交换器(例如，管)以及可选地,炉和排放室中的一者或两者可以布置在压力容器壳体内。

热交换器可以在传热流体与生产流体之间进行热交换，其中，生产流体和传热流体可以各自独立地包括气体和液体中的一者或两者。因此，柔性膨胀传热系统可以用作气-液加热系统、液-液加热系统或气-气加热系统。如本文中所使用的，传热流体被引导穿过热交换器并且不接触压力容器或生产流体；并且生产流体被引导穿过压力容器，与压力容器壳体的内表面和热交换器的外表面接触。

传热流体可以包含燃烧气体，比如由燃料燃烧的燃烧器产生的气体。传热流体可以包含水、蒸汽、一氧化碳和二氧化碳中的一者或更多者。生产流体可以包含酯、二酯、乙二醇、硅酮、水、蒸汽、油(比如石油和矿物油)和氯氟烃(比如卤代碳氟化合物、卤代氯氟烃和全氟化碳)的一者或更多者。具体谈及的是包含乙二醇和水的生产流体。

压缩性密封膨胀接头可以位于压力容器壳体和压力容器壳体的管道中的一者或两者上。压力容器壳体的管道可以引导成与压力容器壳体相对于压力容器壳体的轴向轴线成0°至180°的角度。压力容器壳体的管道可以被轴向地引导出基部(例如，成0°的角度)，或者可以被引导成处于相对于压力容器壳体的轴向方向的横向方向上(例如，成90°的角度)。压力容器壳体的管道可以包含折弯部。折弯部可以是相对于该折弯部的离开压力容器壳体所沿轴线成0°至180°。例如，如果管道被轴向地引导出压力容器壳体，则折弯部可以具有相对于轴向轴线成0°至180°的角度；并且如果管道被横向地引导出压力容器壳体，则折弯部可以具有相对于横向轴线成0°至180°的角度。可以使用任何合适的折弯部。谈及的是具有90°角度的折弯部。

图1A和图2A是加热系统的实施方式的截面图，其中，排放烟道分别被轴向地导出基部和横向地导出基部。在这些图中，鼓风机100促使空气通过管道102进入燃烧炉105中。当燃烧炉存在时，燃烧炉可以通过例如气体燃烧、油燃烧、石油燃料燃烧、电能转换或它们的任何组合来产生传热流体(例如，热空气)和燃烧产物。在没有燃烧炉的情况下，热气体可以由例如从高温涡轮机或高压锅炉排放的任何合适的来源供应。传热流体从上管板118穿过延伸至下管板122，通过热交换器管120至排放室并从排气端口132离开，经过热交换器部段138。生产流体经由入口端口134进入加热系统、穿过热交换器部段138、进入内部生产流体区域112，并且通过出口端口140离开。应当指出的是，例如为了改进加热系统的结构支撑，上管板118和下管板122可以固定地附接在压力容器壳体114上，如图1A和图2A所示；或者上管板118和下管板122可以具有比压力容器壳体114宽度小的宽度，比如图4B所示。当上管板118和下管板122固定地附接在压力容器壳体114上时，上管板118和下管板122可以允许生产流体穿过相应的板。相反地，上管板118和下管板122中的一者或两者可以防止生产流体的通流。

压力容器壳体114可以固定地附接至包括但不限于炉壁108(例如，在炉头部附接点106处)、管板(例如，在上管板附接点116处和下管板附接点124处)、以及排放室壁125(例如，在底部头部附接点130处)的一个或多个附接点处。如图1B中所示，压力容器壳体114可以包含压力容器壳体顶部头部110和压力容器壳体底部头部128。压力容器壳体顶部头部110在炉头部附接点106处固定地附接至炉头部104，压力容器壳体底部头部128固定地附接在底部头部附接点130处。如图2B中所示，压力容器壳体114可以在炉头部附接点106处固定地附接至炉头部104，并且压力容器壳体114可以在底部头部附接点130处固定地附接至凸缘129。

本体覆盖件136可以可移除地附接以便易于触及加热系统。替代性地或附加地，本体覆盖件136可以包含一个或多个可移除的面板以便于进行维修和维护。当本体覆盖件136被移除或打开时，可以触及到加热系统的外部部件中的一者或多者。外部部件的示例可以包括但不限于炉头部104、压力容器壳体114、排放室壁125和排气端口132。另外，由于压力容器壳体例如通过焊接固定地附接在热交换器部段附近，因此内部部件——比如热交换器管和炉——是不可触及的。

图3A和图3B分别是立式加热系统和卧式加热系统的实施方式的图示。如图3A和图3B中所示，外部部件在本体覆盖件被移除时是可触及的。具体地，图3A和图3B示出可触及的外部部件可包括顶部头部组件200、压力容器壳体114、基部210、排放烟道206、入口端口134和出口端口140。

当柔性膨胀传热系统歇止时，炉和热交换器组件可以处于室温，例如，23℃至25℃。在运转中，炉和热交换器的温度升高并且部件膨胀。膨胀可以发生在轴向方向上，例如，在沿着主轴线——例如沿着柔性膨胀传热系统的中心轴线——的纵向方向上。沿着传热流体的路径的部件——比如炉、上管板、热交换器管、下管板和排放室——在柔性膨胀传热系统的运转期间会经受高温并且因此会经受比压力容器壳体的热膨胀大的热膨胀，其中，压力容器壳体与生产流体接触并因此保持在较低的温度下，并且因此在运转期间几乎不会经受热膨胀。各个金属部件的膨胀会沿着流体加热系统的轴向方向而增加。

例如，本发明人已构建出具有仅比880千瓦(kW)小的热输入且可经历大于0.5mm的不受限的不同热膨胀的示例性锅炉的模型。在受限系统中，这种低水平的热膨胀可导致大于或等于150兆帕(MPa)的峰值应力。相反地，当前公开的允许动态部件膨胀的柔性膨胀传热系统的峰值应力在相同条件下可以减小至例如仅仅约40MPa，这可以几乎完全存在于径向方向上。系统内的这种应力减小可以对应于系统中的部件的使用寿命增大。

如本文中所述，可使用压缩性密封膨胀接头来减轻或消除由于在柔性膨胀传热系统的运转期间发生的不同热膨胀而产生的应力。压缩性密封膨胀接头可以包含覆盖膨胀间隙的垫片326和布置在垫片周围的保持环320。垫片可用来密封膨胀间隙并防止例如生产流体的内部流体泄漏出压缩性密封膨胀接头，并且还可用来提供可形成具有一个或多个运动自由度的铰接铰链的挠性元件。以下谈及的是垫片提供三个运动自由度的实施方式。膨胀间隙的宽度和角度中的一者或两者可以根据柔性膨胀传热系统的不同热膨胀而增大和减小。当系统处于室温例如23℃至25℃时，间隙的宽度可以大于0至5毫米(mm)、1mm至5mm、或1mm至4mm。

垫片可以包含任何合适的材料——比如弹性体。垫片可以包括以下各者中的一者或多者：苯乙烯基弹性体(比如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物、苯乙烯-(苯乙烯丁二烯)-苯乙烯嵌段共聚物、丁苯橡胶(SBR)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS))、丁二烯橡胶(BR)、天然橡胶(NR)、异戊二烯橡胶(IR)、乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)(例如，乙烯-丙烯-二烯单体的部分或完全氢化物)、含氟弹性体(比如，源自偏二氟乙烯、六氟丙烯、五氟丙烯、四氟乙烯和三氟氯乙烯中的一者或多者的含氟弹性体)和腈类材料。

保持环可以提供一个内部通道来容纳垫片。保持环可以为挠性或者可以为刚性，并且可以包含一个铰链以允许容易地添加或移除。保持环可以通过固定装置紧固至柔性膨胀传热系统。固定装置的示例包括螺栓(比如，图4C中所示)、扣钩、锁、卡扣或拉式闩锁。

一个或多个定位器可以用于导引保持环以维持其在压力容器壳体上的横向位置。定位器可以包括比如为脊部352的突出部和对应的比如为槽350的凹入部中的一者或两者。定位器的凹入部或突出部可以位于压力容器壳体上或压力容器壳体管道上。在实施方式中，保持环和压力容器壳体中的一者包括比如为脊部或螺柱的突出部，突出部可以配装到对应的比如为槽或孔的凹入部中，凹入部布置在保持环和压力容器壳体中的另一者中。例如，图8示出了保持环320可以包含对应于槽350的脊部352。

压缩性密封膨胀接头可以位于柔性膨胀传热系统的外部部件上。压缩性密封膨胀接头可以位于压力容器壳体上，例如，位于压力容器壳体的外表面上。压力容器壳体可以包含压力容器壳体管道，该压力容器壳体管道是从压力容器壳体的端部或侧部延伸出的，并且压缩性密封膨胀接头可以位于压力容器壳体管道上，例如，位于压力容器壳体管道的外表面上。压力容器壳体和比如炉、上管板、下管板和排放室的动态部件可以经由压缩性密封膨胀接头和刚性附接点——例如单个刚性附接点——附接，从而允许动态部件与压力容器壳体不同的热膨胀，且机械应力减小。

压缩性密封膨胀接头可以适应动态部件的总轴向偏移在以下这几个范围：0.01毫米(mm)至15mm、0.1mm至8mm、0.1mm至5mm、或0.01mm至5mm。

压缩性密封膨胀接头可以耐受压力容器壳体中的加压的生产流体。在实施方式中，压缩性密封膨胀接头可以耐受具有50千帕(kPa)至1,750kPa、100kPa至1,400kPa、或200kPa至1,200kPa的压力的生产流体。

压缩性密封膨胀接头可以具有150,000次循环至1,000,000次循环的疲劳寿命。其中，1次循环等于柔性膨胀传热系统的一次加热和冷却循环。

还惊奇地发现，使用多个压缩性密封膨胀接头产生协同效应，从而导致性能进一步改进。尽管不想被理论约束，但相信使用多个压缩性密封膨胀接头提供了适应导致扭矩的复杂应力——比如由角位移发展的应力——的改进能力，如在下面结合图6E和图6F进一步地公开。柔性膨胀传热系统可以包含2至10、3至8、或4至6个压缩性密封膨胀接头。这里谈及的是柔性膨胀传热系统包含2个压缩性密封膨胀接头的实施方式。

图4A至图4D展示了具有位于压力容器壳体的压力容器壳体管道上的压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统的实施方式。如图4A中所示，传热流体从燃烧炉105通过热交换器管120行进至排放室126，并且经由排气端口132离开，排气端口132被轴向地引导出基部。排放室的基部可朝向排气端口132倾斜，以便在冷凝应用中促进冷凝物的移除。例如，压力容器壳体114可以包含压力容器凸缘330，压力容器凸缘330横向地延伸出压力容器壳体114并且可以围绕排气端口132的一部分定位，如图4B和图4C中所示。压力容器凸缘330经由外压缩性密封膨胀接头310连接至燃烧气体排放端口凸缘332。燃烧气体排放端口凸缘332可以经由连接凸缘334例如借助于焊接接头340刚性地连接至排气端口132。压缩性密封膨胀接头310包含位于垫片326周围的保持环320。其中，垫片326位于膨胀间隙324的上方，例如，如图4D中所示。保持环320可以经由螺栓322紧固，如图4C中所示。压力容器凸缘330和排放端口凸缘332可以限定它们之间的膨胀间隙。

图5A至图5D展示了柔性膨胀传热系统的另一实施方式的截面图。其中，U形管排放烟道被横向地引导出基部。由于排放烟道是横向定向性，因此可以减小柔性膨胀传热系统的总长度并且可以允许便利地排气。在图5A中，传热流体从燃烧炉105通过热交换器管120行进至排放室126，并且经由包括被横向地引导出基部的U形管的排气端口132离开。例如，压力容器壳体114可以包含弯曲的压力容器壳体管道402，该弯曲的压力容器壳体管道402横向地延伸出压力容器壳体114并且可以绕着排气端口132的一部分定位，如图5A和图5B中所示。弯曲的压力容器壳体管道402可以经由压缩性密封膨胀接头310连接至燃烧气体排放端口凸缘332。例如，弯曲的压力容器壳体管道402可以可选地包含压力容器延伸部412，如图5C中所示。燃烧气体排放端口凸缘332可以经由连接凸缘334例如借助于焊接接头340刚性地连接至排气端口132。另外，如图5A中所示，压缩性密封膨胀接头310的轴线可以与压力容器的轴向方向平行。

图5C和图5D展示了压缩性密封膨胀接头如何能够适应加热系统的不同热膨胀。图5C展示了柔性膨胀传热系统的冷却状态，并且图5D展示了柔性膨胀传热系统的经受轴向膨胀360的加热状态。动态部件在加热时的轴向膨胀360可导致压缩性密封膨胀接头310的间隙宽度从初始冷却间隙宽度324-c增大至加热间隙宽度324-h。

图4A至图4D中所示的压缩性密封膨胀接头可具有与图5A至图5D中所示的压缩性密封膨胀接头类似的功能。

图6A至图6F展示了具有位于压力容器壳体的管道上的两个压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统的实施方式。在图6A至图6F中，排放烟道被横向地引导出基部，并且在排放烟道上安置了两个压缩性密封膨胀接头。在图6A的构型中，传热流体从燃烧炉105通过热交换器管120行进至排放室126，并且经由排气端口132离开，该排气端口132被横向地引导出基部。例如，压力容器壳体114可以包含压力容器凸缘330，压力容器凸缘330横向地延伸出压力容器壳体114并且可以绕着排气端口132的一部分定位，如图6B和图6C中所示。压力容器凸缘330可以经由内压缩性密封膨胀接头310-a连接至管部段314的第一端部，并且管部段314的第二端部可以经由外压缩性密封膨胀接头310-b连接至燃烧气体排放端口凸缘332。燃烧气体排放端口凸缘332可以经由连接凸缘334例如借助于焊接接头340刚性地连接至排气端口132。例如，内压缩性密封膨胀接头310-a和外压缩性密封膨胀接头310-b中的每一者均包含位于垫片326周围的保持环320。其中，垫片326位于膨胀间隙324的上方，如图6C中所示。保持环320可以经由螺栓322紧固，如图6D中所示。

图6E和图6F展示了多个压缩性密封膨胀接头如何能够适应加热系统的不同热膨胀的实施方式。其中，内压缩性密封膨胀接头310-a和外压缩性密封膨胀接头310-b各自独立地形成具有既允许轴向膨胀又允许角位移的三个自由度的铰接铰链。图6E示出了柔性膨胀传热系统的冷却状态并且图6F展示了柔性膨胀传热系统的经受轴向膨胀360的加热状态。动态部件在加热时的轴向膨胀360可以导致内压缩性密封膨胀接头310-a和外压缩性密封膨胀接头310-b中的一者或两者中的间隙宽度减小。同样地，轴向膨胀360可以导致角位移。角位移可以由从与燃烧气体排放端口凸缘332所限定的初始线m垂直的线所测量的角度α或γ来限定。α和γ可以各自独立地为0.1°至45°、0.1°至25°、0.5°至10°、或0.1°至5°。使用多于一个的压缩性密封膨胀接头可以允许动态部件的轴向膨胀，而不会在刚性结构上引发扭矩。使用多于一个的压缩性密封膨胀接头可以导致压缩性密封膨胀接头在动态部件的轴向膨胀期间变形的作动力减小。

在对图4A至图4D的柔性膨胀传热系统、图5A至图5D的柔性膨胀传热系统、以及图6A至图6F的柔性膨胀传热系统进行的比较中，观察到图4A至图4D的柔性膨胀传热系统的排气端口被轴向地导出柔性膨胀传热系统；然而，图5A至图5D和图6A至图6F的柔性膨胀传热系统的排气端口被横向地导出柔性膨胀传热系统。在图4A至图4D的柔性膨胀传热系统中，排气端口被轴向地导出柔性膨胀传热系统，动态部件的不同热膨胀沿着流体加热系统的轴向轴线(如图4A中的虚线所表示的)作用并且与在压缩性密封膨胀接头上所施加的应变一致。同样地，尽管图5A至图5D的柔性膨胀传热系统的排气端口被横向地导出柔性膨胀传热系统，但U形管的存在允许压缩性密封膨胀接头上的由动态部件的热膨胀产生的合成应变处于相同的轴向方向上(即，与轴向轴线平行的轴向方向)。压缩性密封膨胀接头的在合成应变处于横向方向上时的应变响应可以取决于垫片材料的压缩性能和膨胀性能，并且可以导致线性响应或非线性响应。相反，当排气端口被横向地(例如，沿与轴向轴线垂直的方向)导出使得压缩性密封膨胀接头上的合成应变不处于轴向方向上时，排气的横向重定向可以改变热组件的下游端部处的应力模式，并且可以引入新的横向应力分量和径向应力分量。柔性膨胀传热系统中存在多于一个的压缩性密封膨胀接头有助于减轻这些新的应力分量。

在这种构型中，与运动相关联的滑动摩擦力可以忽略不计或者可以被完全消除。然而，在某些实施方式中，可能存在基于内压的力，并且该力用于“拉直”管部段并与膨胀接头之间的长度、膨胀接头的直径、以及膨胀接头的直径相关。具体谈及的是由内压导致的回复力为1000磅力至20,000磅力、2000磅力至10,000磅力、或3000磅力至7000磅力的情况。

图7A至图7B展示了具有位于压力容器壳体上的压缩性密封膨胀接头的柔性膨胀传热系统的例子。在图7A的实施方式中，传热流体从燃烧炉105通过热交换器管120行进至排放室126，并且经由排气端口132离开。图7A展示了压力容器壳体114可以经由压缩性密封膨胀接头310连接至柔性压力容器凸缘512。柔性压力容器凸缘512可以例如经由焊接接头刚性地连接至顶部头部凸缘510、或者柔性压力容器凸缘512与顶部头部凸缘510可以为单件。压缩性密封膨胀接头310包含位于垫片周围的保持环320，其中，垫片位于膨胀间隙324的上方。保持环320可以经由螺栓322紧固，如图7B中所示。应当指出的是，尽管压缩性密封膨胀接头310位于顶部头部凸缘510附近，但还可以应用相反的构型。其中，压力容器壳体的顶部头部被刚性地附接，并且其中，压缩性密封膨胀接头位于压力容器壳体的远端部上。

还公开了一种柔性膨胀传热系统，其包含了例如图6A中所示的位于压力容器壳体中压力容器壳体管道上的压缩性密封膨胀接头；和例如图7A和图7B中所示的位于压力容器壳体上的压缩性密封膨胀接头。尽管不想被理论约束，但相信通过提供热应力的冗余性适应结构，可以提供改进的可靠性。位于压力容器壳体管道上的压缩性密封膨胀接头和位于压力容器壳体上的压缩性密封膨胀接头都如前所述，因此，为了清楚起见，省略重复的描述。

从图4至图7的所有实施方式中可观察到，压缩性密封膨胀接头被安置在压力容器壳体的外部上或压力容器壳体的在外部设置的管道上。如以上所指出的，压缩性密封膨胀接头在外部的位置允许了现场维修，无需使用专门的设备或复杂的连结技术——比如焊接。这种便利的现场维修可以允许针对磨损、开裂或疲劳定期检查压缩性密封膨胀接头，以便能够在部件故障之前解决问题。由于压缩性密封膨胀接头可以被容易地检查，因此损坏的压缩性密封膨胀接头可以在故障之前被容易地更换，从而与非柔性膨胀传热系统相比延长了柔性膨胀传热系统的使用寿命。

柔性膨胀传热系统的各个部件可以各自独立地包含任何合适的材料。这里具体谈及的是金属的使用。代表性的金属包括铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜，以及包括前述中的至少包含一种金属的合金。有代表性的金属包括碳钢、低碳钢、铸铁、锻铁、不锈钢、蒙乃尔、铬镍铁、青铜和黄铜，其中不锈钢比如为300系列不锈钢或400系列不锈钢——例如304不锈钢、316不锈钢或439不锈钢。具体谈及的一个实施方式中，热交换器芯和压力容器各自包含钢、特别是不锈钢。柔性膨胀传热系统可以包含炉、上管板、下管板和排放室；并且炉、上管板、下管板和排放室可以各自独立地包含任何合适的材料。这里谈及的是钢——比如低碳钢——或不锈钢的使用。尽管不想被理论约束，但应当理解的是，不锈钢使用在动态部件中可以有助于保持部件在它们各自的疲劳极限之下，从而潜在地消除作为故障机理的疲劳故障。

所公开的柔性膨胀传热系统可以提供以下益处中的一个或多个。第一，由于部件中的一些部件的不同热膨胀而产生的机械应力可以局限于压缩性密封膨胀接头的一个或多个的特定位置。第二，压缩性密封膨胀接头可以位于柔性膨胀传热系统的外部部件上——比如压力容器壳体上或者位于管道上——以允许容易地进行检查和/或维修。第三，在所公开的构型中，可以在无需焊接、专门的技术或工具的情形对压缩性密封膨胀接头进行检查和/或维修。

柔性膨胀传热系统的示例为例如用于生产热的热流体(比如蒸汽、热水、非水基流体、或包括前述中的一者或多者的组合)的锅炉。热的热流体可用于环境温度调节或水加热。柔性膨胀传热系统可用于家庭、商业或工业应用。在柔性膨胀传热系统中，热致机械应力可以局限于外部压力容器上的可更换的柔性元件以提供改进的可靠性。

所公开的系统可以交替地包含本文中所公开的任何适当的部件、由本文中所公开的任何适当的部件构成、或者基本上由本文中所公开的任何适当的部件构成。此外，所公开的系统还可以为不使用现有技术中使用的对于实现本公开的功能和/或目的不必要的任何部件或材料。

术语“一”和“一个”不表示数量的限制，而表示存在所谈及的项目中的至少一个项目。除非上下文另外明确指示，否则术语“或”是指“和/或”。在整个说明书中，对“实施方式”、“另一实施方式”、“一些实施方式”等的引用是指与实施方式结合描述的特定元件(例如，特征、结构、步骤或特性)被包括在本文中描述的至少一个实施方式中，并且可以存在于其他实施方式中或者可以不存在于其他实施方式中。此外，应当理解的是，所描述的元件可以以任何合适的方式结合在各种实施方式中。“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可以发生或者可以不发生，并且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。如本文中使用的术语“第一”、“第二”等、“主要”、“次要”等在本文中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个元件与另一元件。除非另有指出，否则术语“前”、“后”、“底”和/或“顶”仅用于描述的方便，而不限于任何一个位置取向或空间取向。

针对相同部件或性能的所有范围的端点包括端点、可独立地组合、并且包括所有中间点。例如，“高达25N/m、或者更具体地5N/m至20N/m”的范围包括端点以及“5N/m至25N/m”的范围的所有中间值——比如10N/m至23N/m。

除非另外限定，否则本文中使用的技术术语和科学术语具有在本发明所属领域中技术人员理解的相同含义。

所有引用的专利、专利申请和其他参考文献的全部内容通过参引并入本文中。然而，如果本申请中的术语与所并入的参考文献中的术语相矛盾或抵触的话，则本申请的术语优先于所并入的参考文献的抵触术语。

本文公开了一种柔性膨胀传热系统，包括：动态部件，该动态部件包括热交换器；压力容器壳体，该压力容器壳体包围热交换器的至少一部分；以及压缩性密封膨胀接头，该压缩性密封膨胀接头连接/连结/位于动态部件与压力容器壳体之间。

本文还公开了一种柔性膨胀传热系统，包括：动态部件，该动态部件包括热交换器、排放室和排气端口，排放室布置在热交换器的端部上；压力容器壳体，压力容器壳体包围热交换器的至少一部分并且包括压力容器壳体管道，压力容器壳体管道沿着横向轴线布置并且位于压力容器壳体的端部上，其中，排气端口横向地延伸穿过压力容器壳体管道；以及布置在压力壳体管道上的内管道压缩性密封膨胀接头和外管道压缩性密封膨胀接头，其中，排气端口经由内管道压缩性密封膨胀接头和外管道压缩性密封接头连接至压力容器壳体管道；其中，压力容器壳体管道包括压力容器凸缘；其中，压力容器凸缘经由内管道压缩性密封膨胀接头连接至管部段的第一端部，其中，管部段的第二端部经由外管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口凸缘，以及其中，燃烧气体排放端口凸缘经由连接凸缘刚性地附接至排气端口。

本文还公开了一种制造柔性膨胀传热系统的方法，该方法包括：将包含热交换器的动态部件布置在压力容器壳体中；以及利用压缩性密封膨胀接头将动态部件与压力容器壳体连接以制造柔性膨胀传热系统。

本文还公开了使用根据前述权利要求中任一项所述的柔性膨胀传热系统的方法，该方法包括：将传热流体引导穿过热交换器并到达排气端口；以及将来自传热流体的热传递至位于内部生产流体区域中的生产流体。

在前述的任何一个实施方式中，动态部件的热膨胀和压力容器的热膨胀在热交换器进行热交换时可以是不同的；和/或压力容器壳体还可以包含压力容器壳体管道，并且压缩性密封膨胀接头可以包含安置在压力容器壳体管道上的管道压缩性密封膨胀接头；和/或压力容器壳体管道可以沿着轴向轴线布置并且位于压力容器壳体的端部上，其中，动态部件还可以包括排放室，排放室安置在热交换器的端部上，其中，排放室连接至轴向地延伸穿过压力容器壳体管道的排气端口，以及其中，排气端口经由管道压缩性密封膨胀接头连接至压力容器壳体管道；和/或压力容器壳体管道可以包括压力容器凸缘，其中，压力容器凸缘经由管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口凸缘，并且其中，燃烧气体排放端口凸缘经由连接凸缘刚性地附接至排放端口；和/或压力容器壳体管道可以沿着横向轴线布置并且位于压力容器壳体的端部上，其中，动态部件还包含安置在热交换器的端部上的排放室和横向地延伸穿过压力容器壳体管道的排气端口，并且其中，排气端口经由管道压缩性密封膨胀接头连接至压力容器壳体管道；和/或压力容器壳体管道可以具有相对于压力容器壳体的横向轴线成0°至180°的折弯部；和/或压力容器壳体管道可以具有连接排放室与排气端口的90°折弯部，并且其中，折弯部的方向朝向压力容器的轴向方向，其中，管道压缩性密封膨胀接头的轴线与压力容器的轴向方向平行；和/或压力容器壳体管道可以包括弯曲的压力容器壳体管道，其中，燃烧气体排放端口凸缘连接至与弯曲的压力容器壳体管道相对的管道压缩性密封膨胀接头，并且其中，燃烧气体排放端口凸缘经由连接凸缘刚性地附接至排放端口；和/或管道压缩性密封膨胀接头可位于横向轴线上；和/或压力容器壳体管道可以包含压力容器凸缘，其中，压力容器凸缘经由内管道压缩性密封膨胀接头连接至管部段的第一端部，其中，管部段的第二端部经由外管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口凸缘，以及其中，燃烧气体排放端口凸缘经由连接凸缘刚性地附接至排放端口；和/或压缩性密封膨胀接头可以包含位于压力容器壳体的侧部上的壳体压缩性密封膨胀接头；和/或压力容器壳体可包括刚性地连接热交换器的下管板，其中，热交换器与排放室经由下管板流体连通，并且其中，壳体压缩性密封膨胀接头位于压力容器壳体的远离排放室的端部处；和/或动态部件还可以包含排放室，其中，排放室连接至延伸穿过压力容器壳体的排气端口；和/或壳体压缩性密封膨胀接头可位于压力容器壳体的靠近排放室的端部处；和/或压力容器壳体可以经由壳体压缩性密封膨胀接头连接至柔性压力容器凸缘，并且其中，柔性压力容器凸缘刚性地附接至顶部头部凸缘；和/或压缩性密封膨胀接头可以是可移除的；和/或压缩性密封膨胀接头可以包括保持环，保持环包括内部通道，其中，垫片位于内部通道中；和/或压缩性密封膨胀接头可以构造成适应膨胀间隙的间隙宽度的变化；和/或压缩性密封膨胀接头可以构造成适应膨胀间隙的角度的变化；和/或压缩性密封膨胀接头可以包含保持环，保持环包括定位器；和/或压缩性密封膨胀接头可在柔性膨胀传热系统加热时响应于在1,000磅力与12,000磅力之间的复合的滑动摩擦作动力与压力引发的回复力而移位；和/或柔性膨胀传热系统可以包括两个或更多个压缩性密封膨胀接头；和/或动态部件还可以包含燃烧炉；和/或燃烧炉可以安置在压力容器壳体中；和/或动态部件还可以包括排放室；和/或热交换器可以包含多个热交换器管。

Claims (31)

1.一种柔性膨胀传热系统，包括：

一个动态部件，所述动态部件包括一个热交换器；

一个压力容器壳体，所述压力容器壳体包围所述热交换器的至少一部分；以及

一个压缩性密封膨胀接头，所述压缩性密封膨胀接头连接所述动态部件与所述压力容器壳体。

2.根据权利要求1所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述动态部件的热膨胀与压力容器的热膨胀在所述热交换器进行热交换时是不同的。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体还包括压力容器壳体管道，并且

其中，所述压缩性密封膨胀接头包括布置在所述压力容器壳体管道上的管道压缩性密封膨胀接头。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道沿着轴向轴线布置并且位于所述压力容器壳体的端部上，

其中，所述动态部件还包括排放室，所述排放室布置在所述热交换器的端部上，

其中，所述排放室连接至排气端口，所述排气端口轴向地延伸穿过所述压力容器壳体管道，以及

其中，所述排气端口经由所述管道压缩性密封膨胀接头连接至所述压力容器壳体管道。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道包括压力容器法兰，

其中，所述压力容器法兰经由所述管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口法兰，以及

其中，所述燃烧气体排放端口法兰经由一个连接法兰紧密地附接至排放端口。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道沿着横向轴线布置并且位于所述压力容器壳体的端部上，

其中，所述动态部件还包括：

一个排放室，所述排放室布置在所述热交换器的端部上，以及

一个排气端口，所述排气端口横向地延伸穿过所述压力容器壳体管道，以及

其中，所述排气端口经由所述管道压缩性密封膨胀接头连接至所述压力容器壳体管道。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压力容器壳体管道具有相对于所述压力容器壳体的横向轴线成0°至180°的折弯部。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道具有连接所述排放室与所述排气端口的90°的折弯部，并且其中，所述折弯部的方向朝向所述压力容器的轴向方向，并且

其中，所述管道压缩性密封膨胀接头的轴线与所述压力容器的轴向方向平行。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道包括一个弯曲的压力容器壳体管道，

其中，燃烧气体排放端口法兰与所述弯曲的压力容器壳体管道相对地连接至所述管道压缩性密封膨胀接头，以及

其中，所述燃烧气体排放端口法兰经由连接法兰紧密地附接至所述排放端口。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述管道压缩性密封膨胀接头位于横向轴线上。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体管道包括压力容器法兰，

其中，所述压力容器法兰经由一个内管道压缩性密封膨胀接头连接至管部段的第一端部，

其中，所述管部段的第二端部经由一个外管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口法兰，以及

其中，所述燃烧气体排放端口凸缘经由连接法兰紧密地附接至所述排放端口。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头包括位于所述压力容器壳体的侧部上的一个壳体压缩性密封膨胀接头。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体包括紧密地连接所述热交换器的下管板，

其中，所述热交换器经由所述下管板与排放室进行流体连通，以及

其中，所述壳体压缩性密封膨胀接头位于所述压力容器壳体的远离所述排放室的端部处。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述动态部件还包括排放室，并且

其中，所述排放室连接至延伸穿过所述压力容器壳体的排气端口。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述壳体压缩性密封膨胀接头位于所述压力容器壳体的靠近排放室的端部处。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，

其中，所述压力容器壳体经由所述壳体压缩性密封膨胀接头连接至柔性压力容器法兰，并且

其中，所述柔性压力容器法兰紧密地附接至一个顶部法兰。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头是可移除的。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头包括一个扣环，所述扣环包括一个内部通道，在所述内部通道中有一个垫片。

19.根据权利要求1至18中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头是构造成满足膨胀间隙的间隙宽度的变化的。

20.根据权利要求1至19中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头是构造成满足膨胀间隙的角度的变化的。

21.根据权利要求1至20中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头包含一个扣环，所述扣环包括一个定位器。

22.根据权利要求1至21中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头会由1,000磅力和12,000磅力的滑动摩擦动力与压力引发的回复力共同作用下引起的所述柔性膨胀传热系统的加热而移位。

23.根据权利要求1至21中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述压缩性密封膨胀接头在所述柔性膨胀传热系统加热时移位，并且所述压缩性密封膨胀接头被设计成使得仅需要或施加可忽略不计的力来引起偏斜。

24.根据权利要求1至22中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述柔性膨胀传热系统包括两个或更多个压缩性密封膨胀接头。

25.根据权利要求1至23中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述动态部件还包括一个燃烧炉。

26.根据权利要求1至24中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述燃烧炉设在所述压力容器壳体中。

27.根据权利要求1至25中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述动态部件还包括一个排放室。

28.根据权利要求1至26中的任一项所述的柔性膨胀传热系统，其中，所述热交换器包括多个热交换管。

29.一种柔性膨胀传热系统，包括：

动态部件，所述动态部件包括一个热交换器、一个排放室和一个排气端口，所述排放室设在所述热交换器的一个端部上；

一个压力容器壳体，所述压力容器壳体包围所述热交换器的至少一部分并且包括一个压力容器壳体管道，所述压力容器壳体管道沿着横向轴线布置并且位于所述压力容器壳体的一端，其中，所述排气端口横向地延伸穿过所述压力容器壳体管道；以及

布置在所述压力壳体管道上的一个内管道压缩性密封膨胀接头和一个外管道压缩性密封膨胀接头，其中，所述排气端口经由所述内管道压缩性密封膨胀接头和所述外管道压缩性密封膨胀接头连接至所述压力容器壳体管道；

其中，所述压力容器壳体管道包括一个压力容器法兰；

其中，所述压力容器法兰经由所述内管道压缩性密封膨胀接头连接至管部段的第一端部；

其中，所述管部段的第二端部经由所述外管道压缩性密封膨胀接头连接至燃烧气体排放端口法兰，以及

其中，所述燃烧气体排放端口法兰经由连接法兰紧密地附接至所述排放端口。

30.一种制造柔性膨胀传热系统的方法，所述方法包括：

将包括热交换器的动态部件布置在压力容器壳体中，以及

用压缩性密封膨胀接头连接所述动态部件与所述压力容器壳体以制造所述柔性膨胀传热系统。

31.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的柔性膨胀传热系统的方法，所述方法包括：

将传热流体引导穿过所述热交换器致排气端口；以及

将来自所述传热流体的热传递至位于内部生产流体区域中的生产流体。