CN108507234A - 热交换器及用于在热交换器中分配液相的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换器，其用于执行第一介质与第二介质之间的间接换热并包括：包围热交换器的壳空间的壳；沿着纵向轴线延伸的芯管，用于接收第一介质的多个管缠绕在芯管上，管形成管束，管的多个上端部汇集在一起并连接至固定在壳上的管板；沿着壳的周向延伸并用于接收第二介质的环形通道；侧向地设置在壳上的输入喷嘴并且第二介质通过输入喷嘴引入环形通道；和具有带有出口开口的基底的多个分配器臂，第二介质的液相通过出口开口分配到管束上，分配器臂与环形通道流动连接，分配器臂的基底布置于环形通道下方。根据本发明，管板于分配器臂的基底上方、环形通道下方固定在壳上。本发明还涉及一种用于将液相分配给热交换器的管束的方法。

Description

热交换器及用于在热交换器中分配液相的方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋盘管式热交换器，所述热交换器用于执行在热交换器的管束中传送的至少一种第一介质与在热交换器的壳空间中运送的第二介质或流体之间的间接换热，本发明还涉及一种用于将第二介质的液相分配给热交换器的管束的方法。

背景技术

这种热交换器例如用在LNG设备中，其中，变为两相状态的制冷剂或第二介质通常在预分配器中借助于重力分离而分成气相和液相。这种分离优选地在环形通道中进行，所述环形通道沿着壳的周向方向在壳的内侧上延伸。第二介质/制冷剂的液相然后直接供入连接至环形通道的分配器臂。从分配器臂进行向热交换器的管束的分配。

在大容器的情况下，由于热交换器的壳的直径较大以及液相的由过程决定的持液高度，因而所谓的持液量(hold-up)的重量会非常大，这会影响热交换器的静力学并由此影响对应的壁厚度。

此外，由于环形通道和分配器臂的结构，管束与分配器臂之间具有较大的距离。由此，可能存在交叉流，而交叉流会导致壳侧上的液相的不良分配，并可能进而导致性能的损失。类似地，这还会导致管板与管束的上端之间的距离较大，从而需要更长且更重的芯管。这进而会影响制造和静力学。

此外，结构设计和所要求的制造顺序意味着管束和分配器系统难以并行地制造。这对这一背景，本发明所基于的目的是：提供一种在前述问题上改进的热交换器。

发明内容

该目的通过具有权利要求1的特征的热交换器来实现。根据本发明的热交换器的有利构造提供在从属权利要求中并在下文中予以描述。

根据权利要求1，一种用于执行至少一种第一介质与第二介质之间的间接换热的热交换器被提供，所述热交换器包括：

-壳，壳包围热交换器的壳空间，

-芯管，芯管设置成沿着纵向轴线延伸，并且用于接收第一介质的多个管缠绕在芯管上，所述管形成管束，其中，管束中的管的多个上端部汇集在一起并连接至管板，管板侧向地固定在壳上，

-用于接收第二介质的环形通道，

-输入喷嘴，输入喷嘴侧向地设置在壳上并且第二介质可以经由输入喷嘴引入环形通道中，

-多个分配器臂，所述多个分配器臂均具有基底，液相可以通过基底分配在管束上，其中，分配器臂均与环形通道流动连接，并且，分配器臂的基底在纵向轴线的方向上布置于环形通道下方。

根据本发明，还设置成，管板在纵向轴线的方向上于分配器臂的基底上方、环形通道的下方固定在壳上。换言之，至少一个管板于环形通道与分配器臂的基底之间固定或布置在壳上。术语管的“上端部”尤其涉及芯管的竖向定向的纵向轴线。

优选地，侧向地固定于壳上的管板连接至热交换器的壳的圆柱状部分。

还优选地将侧向地设置于壳上的输入喷嘴设置或固定在热交换器的壳的一圆柱状部分上或上述圆柱状部分上。

热交换器可以具有多个管板，管的上端部然后相应地汇集成多个组或多个管簇，其中，一个组或一个管簇中的上端部然后连接至或锚接在配属的管板中。在这种情况下，优选地，所有的管板在纵向轴线的方向上于分配器臂的基底上方、环形通道下方固定在壳上。

在之前的设计中，不同的是，用于上管端部的管板布置在环形通道上方。芯管的必要的长度通过根据本发明的手段有利地减小。此外，过程所需的介质液位可以通过根据本发明的构造得以确保，从而将所述介质液位移入分配器臂中。分配器臂在这种情况下优选地具有相对较小的容积，以使得只具有对应小的持液量。由此，可以有利地实现重量减小，这对于热交换器的静力学设计(地震或风力载荷)具有有益效果。

管板的布置方式还实现了：使得分配器系统能够与管束脱耦，并由此能够实现分配器的在后安装。由此，可以减小分配器臂与管束之间的距离。尤其，根据本发明的结构、即环形通道现在位于管板/管簇上方，使得管束与分配器之间不再具有任何下缺口(undercut)，从而使得整个分配器系统可以独立地预制造并可以通过焊接而附接至容器或壳。

根据本发明的一个实施例，芯管沿着纵向轴线与壳同轴地布置。此外，管束中的管优选地缠绕在芯管上以使得芯管可以吸走或带走管束中的管的载荷。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，芯管没有与分配器臂流动连通。

尤其，根据本发明的一个实施例设置成，环形通道通过相应的流动路径连接至相应的分配器臂，其中，相应的流动路径(例如下流管或轴件，参见下文)完全在芯管外延伸。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，环形通道沿着壳的面向壳空间的内侧、更准确地说是尤其在垂直于纵向轴线或垂直于芯管地延伸的平面内延伸。此外，分配器臂的基底也优选地在垂直于壳或芯管的纵向轴线平面内延伸。

根据本发明的另一实施例，设置成，环形通道设置成抵靠壳的内侧，以使得尤其由壳来形成环形通道的外壁。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，分配器臂均在朝向芯管的方向上顺着或逆着径向方向向内延伸。相应的径向方向在这种情况下垂直于芯管的纵向轴线并向外指向壳。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，相应的分配器臂分别通过沿着纵向轴线延伸的下流管流动连接至环形通道，其中，尤其，相应的下流管设置成抵靠环形通道的基底和/或内壁，其中，内壁与外壁相对地设置或者内壁被外壁包围。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，相应的分配器臂在向上方向上被顶棚关闭，其中，尤其，相应的下流管从上方邻接所配属的分配器臂的顶棚。为此，与相应的下流管流动连接的开口可以形成在相应的顶棚中。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，相应的分配器臂的顶棚沿着朝向芯管的方向向内(沿着壳或管束的径向方向)降低。也就是说，尤其，分配器臂的横截面沿着径向方向向内减小。

根据本发明的另一实施例设置成，各分配器臂具有排气道，排气道尤其相对于相应的下流管独立地形成。相应的排气道在这种情况下优选地与所涉及的分配器臂的顶棚中的开口邻接。

根据本发明的一个实施例设置成，相应的排气道从相应的分配器臂的顶棚向上突起并沿着纵向轴线延伸，其中，尤其，相应的排气道从相应的分配器臂的与芯管相邻布置的端部向上突起。

此外，根据本发明的一个实施例设置成，相应的分配器臂的顶棚具有朝向相应的排气道上升的部分。

通过顶棚的上升部分，第二介质的气体或气相将沿着向内方向上升并顺着相应的排气道向上。这具有以下优点：气体无需逆着液体的流动上升。由此，沿着向下方向引导第二介质的液相的构件可以有利地更小地制造。

根据本发明的一替代实施例设置成，相应的分配器臂由一轴件的下部分形成，所述轴件从环形通道沿着纵向轴线向下延伸，其中，相应的轴件具有面向芯管的内壁，该内壁相对于纵向轴线倾斜地延伸，以使得相应的轴件的横截面、即水平剖面向上(即朝向环形通道)窄缩。

在前述的轴件变型例中，下流管(也被称作下液管)由此被分配器轴件替代，所述分配器轴件包括结合的下流管和分配器臂，其中，尤其，相应的分配器轴件的具有下流管功能的上部连续地过渡成相应的轴件的具有分配器臂功能的下部中。尤其，沿着向上方向改变形状、尤其在横截面上窄缩的轴件替代将液相从环形通道引入相应的分配器臂的下流管地与相应的分配器臂的基底区域或基底安装在一起。轴件相对于别的结构具有以下优点：由此改善了气体和液体的分离。由于横截面较大，使得液体具有更长的停留时间和更低的下沉速率，该改善了气体和液体的分离。

在理论上，根据本发明的一个实施例可以设置成，相邻的分配器臂通过均压管彼此流动连接，以使得分配器臂中液相的液位可以通过液相借助于至少一个均压管的流动而均等化。均压管可以尤其是将分配器臂彼此连接的环形管线。

在理论上，本发明还实现了：使得分配器臂的基底与管束的沿着水平面延伸(或垂直于纵向轴线延伸)的上侧之间具有较小的距离，其中，根据一个实施例，该距离可以位于50mm至500mm、尤其50mm至100mm的范围内。

根据本发明的另一方面，根据本发明的一种用于将液相分配给热交换器的管束的方法被建议，其中，第一介质导入环形通道并从环形通道只通过在芯管外延伸的流动路径供入主分配器的分配器臂，并从分配器臂流至热交换器的管束。

根据本发明的方法的一个实施例，相应的流动路径由下流管或轴件形成(还参见上文)。

根据本发明的方法的另一实施例，设置成，在热交换器的预期的运行期间，液相位于相应的流动路径(例如下流管或轴件)中，即在流动路径中具有对应于运行状况下的特定的介质液位。

本发明尤其提供一种分配器系统，这种分配器系统能够实现最大程度的并行制造。此外，根据本发明的设计尤其实现了减小持液量并减小容器重量的效果。最后，本发明实现了：减小分配器臂的基底与管束之间的距离，从而避免了液体在管束的上端处的不良分配。

附图说明

本发明更多的细节和优点将基于附图、借助于示例性实施例的附图的下述说明予以解释，其中：

图1示出根据本发明的一种热交换器，其中，环形通道通过下流管(下液管)连接至分配器臂；

图2示出根据本发明的一种热交换器，其中，从分配器臂附加地分支出排气道；

图3示出根据本发明的一种热交换器，其中，分配器臂在此以轴件的方式构造；并且

图4示出根据本发明的热交换器的分配器臂的基底的示意性平面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的螺旋盘管式热交换器1，其包括用来接收第一介质M1的管束2，第一介质M1将要与第二介质M2的液相F间接换热，第二介质M2在管束2周围的壳空间5中运送。壳空间5在这种情况下由压力承载壳4围出，压力承载壳4沿着纵向或圆柱轴线Z延伸，纵向或圆柱轴线Z在热交换器1的运行就绪的状态下平行于竖向地布置。

管束2具有多个管20，所述多个管20分别尤其螺旋地、即以螺旋线的形式缠绕在芯管3上，芯管设置成沿着纵向轴线Z延伸并且与壳4同轴地布置在壳空间5中。在这种情况下，芯管3吸收管束2的载荷。为了简化起见，在这种情况下在图1至3中只示出一个管20。

为了将液相F分配给管束2，首先，两相混合物或第二介质M2通过输入喷嘴104引入环形通道100内，其中，输入喷嘴104侧向地形成在圆柱状的壳4上，环形通道100在壳的面向壳空间5的内侧4a上环绕地延伸并抵靠壳的所述内侧地设置。环形通道100具有由壳4形成的外壁103以及内壁102，内壁102在壳4或管束2的径向方向R上与外壁103相对地布置。外壁103和内壁102通过环形通道100的基底101彼此连接。

环形通道100形成预分配器，两相混合物/第二介质M2首先在该预分配器中平稳下来并分离出气相G，然后液相F向下导入热交换器1的分配器臂201，分配器臂201执行第二介质M2的液相F向管束2的分配。

根据图1至图4，分配器臂201均具有带有出口开口207的基底202，液相F可以借助于出口开口207流向管束2。分配器臂201还具有面向壳4的内侧4a的外侧206，其中，分配器臂201分别从外壁206沿着管束2/壳4的径向方向R向内延伸向面向芯管3的内壁208。外壁206和内壁208通过分配器臂201的侧壁204、205彼此连接，侧壁204、205设置成沿着径向方向R延伸。

分配器臂201的基底202在纵向轴线Z的方向上布置于环形通道100下方。根据图4，在周向方向上相邻的分配器臂201之间具有间隙6，管20的上端部穿过所述间隙导向管板21，管板21继而侧向地固定在壳4上。管板21在这种情况下在纵向轴线Z的方向上于分配器臂201的基底202上方、环形通道100下方固定在壳4上。

在该实施例中，芯管3没有与分配器臂201流动连接并且没有参与液相F的分配。

根据图1所示的实施例，相应的分配器臂201分别通过下流管10流动连接至环形通道101，所述下流管10设置成沿着纵向轴线Z延伸。下流管10在这种情况下尤其具有恒定的圆形横截面。此外，相应的分配器臂201在向上方向上被顶棚203关闭，相应的下流管10沿着向上方向从顶棚203突出。尤其在相应的顶棚203中形成有与相应的下流管10邻接的开口203a。

还优选地设置成，相应的顶棚203沿着朝向芯管3的方向向内降低，以使得在相应的分配器臂201中排出的气相G可以沿着顶棚203上升到相应的下流管10中。在此，各下流管10由此还形成相应的排气管道。

根据图1，各下流管10可以设置成抵靠环形通道100的基底101和内壁102，以使得液相F可以通过内壁102中和基底101中的开口流出环形通道100并流入相应的下流管10。

为了进一步改善排气性，根据图2，每个分配器臂201还可以具有独立的排气道210，排气道210从相应的分配器臂201的端部、也即从顶棚203平行于芯管3地向上突出，其中，相应的顶棚203优选地在朝向相应的排气道210的方向上沿着向上方向升高，以使得气相可以沿着相应的顶棚203上升到所配属的排气道210内。相应的排气道210尤其与形成在顶棚203中的开口203b邻接。

根据另一实施例设置成：相应的分配器臂201由轴件11的下部形成，所述轴件11从环形通道100沿着纵向轴线Z向下延伸，其中，各轴件11具有内壁208，内壁208面向芯管3并相对于纵向轴线Z倾斜地延伸，以使得相应的轴件11的横截面、即在水平面上沿着向上方向窄缩。在这种情况下，相应的轴件11继而优选地设置成抵靠环形通道100的内壁102或基底101，以使得液相F可以经由基底101/内壁102落入或流入相应的轴件11。在此，由于内壁208是倾斜的，因而气相G可以沿着相应的轴件11的内壁208上升。

根据图4，在所有的实施例中，相邻的分配器臂201可以通过均压管209彼此连接，以使得分配器臂201中液相F的液位可以自己均等化。均压管209可以分成多个部分，这些部分分别在两个相邻的分配器臂201之间延伸。

在原理上，本发明实现了：使得分配器臂201的基底202与管束2的沿着水平面延伸的上侧2a之间具有较小的距离A，该距离能够位于例如50mm至500mm的范围内。此外，本发明还实现了纵向轴线Z的方向上的扁平设计，其中，分配器的通常的高度H、即从相应的分配器臂201的基底202至环形通道100的上外周的高度H能够位于1000mm至5000mm的范围内。所在的壳4在分配器臂201的区域内的直径例如是1000mm至6000mm。

附图标记列表

1 热交换器

2 管束

2a 上侧

3 芯管

4 壳

4a 内侧

5 壳空间

6 间隙

10 下流管

11 轴件

20 管

21 管板

100 环形通道

101 基底

102 内壁

103 外壁

104 输入喷嘴

201 分配器臂

202 基底

203 顶棚

203a，203b 开口

204，205 侧壁

206 外壁

207 出口开口

208 内壁

209 均压管

210 排气道

F 液相

A 距离

G 气相

H 高度

M1 第一介质

M2 第二介质(两相输入流)

R 径向方向

Z 纵向轴线

Claims (15)

1.一种热交换器(1)，所述热交换器用于执行第一介质(M1)与第二介质(M2)之间的间接换热，所述热交换器包括：

-壳(4)，所述壳包围热交换器(1)的壳空间(5)，

-芯管(3)，所述芯管(3)设置成沿着纵向轴线(Z)延伸，并且用于接收第一介质(M1)的多个管(20)缠绕在所述芯管(3)上，所述管(20)形成管束(2)，其中，所述管束(2)中的管(20)的多个上端部汇集在一起并连接至管板(21)，所述管板固定在所述壳(4)上，

-环形通道(100)，所述环形通道沿着所述壳(4)的周向延伸并用于接收所述第二介质(M2)，

-输入喷嘴(104)，所述输入喷嘴侧向地设置在所述壳(4)上并且所述第二介质(M2)能够通过所述输入喷嘴引入所述环形通道(100)中，以及

-多个分配器臂(201)，所述多个分配器臂均具有带有出口开口(207)的基底(202)，所述第二介质(M2)的液相(F)能够通过所述出口开口分配到所述管束(2)上，其中，所述分配器臂(201)均与所述环形通道(100)流动连接，并且，所述分配器臂(201)的基底(202)在所述纵向轴线(Z)的方向上布置于所述环形通道(100)下方，

其特征在于，

所述管板(21)在所述纵向轴线(Z)的方向上于所述分配器臂(201)的基底(202)上方、所述环形通道(100)下方固定在所述壳(4)上。

2.根据权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述芯管(3)没有与所述分配器臂(201)流动连接。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述环形通道(100)沿着所述壳(4)的面向所述壳空间(5)的内侧(4a)延伸。

4.根据权利要求3所述的热交换器(1)，其特征在于，所述环形通道(100)抵靠所述壳(4)的内侧(4a)地设置，以使得尤其所述壳(4)形成所述环形通道(100)的外壁(103)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述分配器臂(201)沿着垂直于所述纵向轴线(z)的径向方向(R)延伸，其中，尤其所述分配器臂(201)均从所述壳(4)朝向所述芯管(3)延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，各分配器臂(201)分别借助于沿着所述纵向轴线(Z)延伸的下流管(10)流动连接至所述环形通道(100)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，各分配器臂(201)均具有顶棚(203)。

8.根据权利要求7所述的热交换器(1)，其特征在于，各顶棚(203)相应地沿着朝向所述芯管(3)的方向向内降低。

9.根据权利要求7所述的热交换器(1)，其特征在于，各分配器臂(201)具有排气道(210)。

10.根据权利要求9所述的热交换器(1)，其特征在于，各排气道(210)从相应的分配器臂(201)的所述顶棚(203)中的开口(203b)向上突起并沿着所述纵向轴线(Z)延伸。

11.根据权利要求10所述的热交换器(1)，其特征在于，各分配器臂(201)的顶棚(203)具有沿着朝向相应的排气道(210)的方向上升的部分。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其特征在于，各分配器臂(201)由一轴件(11)的下部分形成，所述轴件从所述环形通道(100)沿着所述纵向轴线(Z)向下延伸，其中，各轴件(11)具有面向所述芯管(3)且相对于所述纵向轴线(Z)倾斜地延伸的内壁(208)，以使得各轴件(11)的横截面沿着向上方向窄缩。

13.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述壳(4)的周向上相邻的分配器臂(201)借助于均压管(209)彼此流动连接，以能够通过所述分配器臂(201)中的液相(F)借助于所述均压管(209)的流动来使得所述分配器臂(201)中的液相(F)的液位均等化。

14.一种用于将液相(F)分配给根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)的管束(2)的方法，其中，将所述第二介质(M2)导入所述环形通道(100)并从所述环形通道(100)只通过在所述芯管(3)外延伸的流动路径(10，11)供入所述热交换器(1)的所述分配器臂(201)，并且使所述第二介质(M2)的液相(F)从所述分配器臂传递至所述热交换器(1)的所述管束(2)。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，各流动路径由下流管(10)或由轴件(11)形成。