CN110291354B - 带挡板的管壳式装置 - Google Patents

Abstract

管壳式装置，包括多个挡板(5)，所述多个挡板沿着管束布置、垂直于所述管束的轴线并且被所述管穿过，其中，每个挡板是具有开口(11)的基本上平坦的主体，所述管穿过所述开口(11)，并且在所述开口(11)的区域中，所述挡板包括从所述挡板的表面突伸的突出部(12)。

Description

带挡板的管壳式装置

技术领域

本发明涉及管壳式装置的领域。

背景技术

管壳式装置通常用作在管内流动的流体与在壳程中流动的流体之间的热交换器。

已知的管壳式装置包括挡板，所述挡板基本上具有两个功能：在壳程使流体偏离和/或加速的流体动力学功能，从而增加热交换系数；以及用于防止管振动的结构功能；

US 5 058 664和US 5 642 778公开了一种用于制造挡板的已知方法，所述挡板由框架支撑的杆挡板组成。

EP 2 469 215公开了由薄板形成的挡板，所述薄板交叉形成格栅并且倾斜以便使壳程流体偏斜。

上述现有技术的缺点是每个单一的挡板由多个部件组成，这些部件需要焊接和/或装配在一起，因此构建相对昂贵。而且，通过挡板插入管是困难的操作。

这些装置的另一缺点是热交换系数受壳程流体的影响很大。为了适当地引导壳程流体，已知在装置内部设置隔板，然而这导致额外的压头损失。

现有技术的管壳式装置通常具有横向的壳程流体。该术语表示管外和管周围的气流主要垂直于管的轴线来引导。这种布置通常涉及在连续挡板之间穿过管束的各个部分的多个通道。

横向壳程通常优选在气流和管表面之间提供良好的热交换。另一方面，横向壳程涉及相当大的压降并且需要挡板提供管束部分的适当密封，以便避免从一部分到另一部分的气体旁路。挡板必须在每个管周围形成密封圈，然而，这可能增加成本和/或可能使管的插入更加困难。

例如，BE 1018891和US 4834173描述了具有横向壳程流体的热交换器。

EP 3 115 734描述了挡板，该挡板允许管的自由插入及其随后的锁定。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造管壳式装置的挡板的新方法，从结构的角度和内部流体动力学的角度来看，所述方法都是有利的。

该目的通过本发明中描述的装置实现。

所述挡板包括金属板，所述金属板具有用于使管穿过所述挡板的开口。在所述开口处，所述挡板包括从所述挡板的表面突伸的突出部。这些突出部与如下文借助于示例所解释的流体动力学和/或抗振动结构功能相配合。

优选地，所述挡板是垂直于管的轴线(即垂直于管束的轴线)的基本上平坦的元件。所述突出部从相应挡板的表面沿平行于管束轴线的方向或沿相对于所述轴线倾斜的方向延伸。

每个突出部可以在等于或小于在所述金属板中形成的相应开口的区的区上延伸。

所述突出部可以配置为用于适于使壳程流体偏离的流体动力学功能，和/或弹性地支撑管的结构功能。能够引起壳程流体运动的显著偏离的突出部被称为流体动力型。

在优选的实施方式中，壳程气流是轴向的或主要是轴向的。因此，装置的壳程的(一个或多个)气体输入和(一个或多个)气体输出被设置成提供所述轴向流或主要轴向流。在一些实施方式中，所述突出部中的至少一些突出部是流体动力型突出部，适于使壳程气流从主轴线方向偏离(例如，倾斜给定角度)。

优选地，所述挡板的突出部整体布置成为所述壳程流体提供沿横向于管或管束的纵向轴线方向的方向上的运动分量。

更有利地，所述突出部布置成为所述壳程流体提供基本上正弦的运动或基本上螺旋形的运动。

当所述管具有正方形或三角形的排列时，使得为所述壳程流体提供基本上正弦的流的突出部的布置是优选的。当管布置在圆形队列上时，使得为所述壳程流体提供基本上螺旋形的流的突出部的布置是优选的，即使使用管的后一种配置也可以获得正弦流体。

在优选的实施方式中，所述装置包括具有不同配置的突出部的挡板。所述装置可以包括两组或更多组挡板，其中每组挡板具有特定配置的突出部。术语“配置”可以包括一个或多个特征，例如突出部的形状、尺寸和方向。具有不同配置的挡板可以沿管束适当地分布，例如这些挡板可以彼此交替。

应当注意，突出部的不同配置可以改变流体动力学功能和结构功能。

在本发明的一些实施方式中，具有不同配置的突出部的一系列挡板为壳程流体提供目标路径，从而产生穿过壳程的优先路径，和/或为所述流体提供一定程度的湍流。合适的路径和/或湍流的增加可以增加热交换。

作为上述方案的替选或补充，所述挡板系列可以根据不同的平面形成用于管的支撑件，以有效地抑制振动。为此目的，相邻挡板的突出部有利地根据不同的支撑平面安置于相同管上。

在优选的实施方式中，根据本发明的装置至少包括第一组挡板和第二组挡板，所述第一组挡板具有第一配置的突出部，所述第二组挡板具有第二配置的突出部，其中，第二配置与第一配置共轭，并且第一组挡板和第二组挡板沿着管束的至少一部分交替。以这种方式，具有第一配置的突出部的挡板面对且相邻于具有第二配置的突出部的挡板，以此类推。

因此，壳程流交替地遇到第一配置的突出部和第二配置的突出部。共轭配置的所述突出部配合来为壳程流体提供期望的流体动力学效应。根据优选的实施方式，所述流体动力学效应导致基本上正弦的流线或基本上螺旋形的流线。

具有正弦壳程流的实施方式和具有螺旋形壳程流的实施方式可以彼此组合，例如通过将挡板配置为用于沿着管束的至少一部分获得正弦的流以及沿着管束的至少另一部分获得螺旋形的流。

在一些实施方式中，单个挡板可以包括具有不同配置的突出部。因此，例如，单个挡板的不同部分具有不同的流体动力学效应。

突出部可以具有各种形状。在第一实施方式中，突出部具有基本上二维的形状，其中，一个尺寸(例如厚度)明显小于其它两个尺寸。在另一实施方式中，突出部具有基本上单维的形状，其中，一个尺寸相对于另外两个尺寸占主导地位。突出部可以具有多边形的形状或更复杂的形状。

在优选的实施方式中，用于一个或多个管的每个开口至少包括第一区域和第二区域，所述第一区域适于有间隙地容纳一个或多个管，所述第二区域适于以较小间隙地或基本上无间隙地容纳一个或多个管。通过将挡板布置成所谓的组装配置，对齐开口的第一区域，从而允许管的自由插入，每个管有间隙地通过挡板的开口被容纳。

在所述组装位置，挡板相对于其操作配置而交错或旋转。通过将挡板从组装位置移动至操作位置，管从开口的第一区域切换至开口的第二区域，在第二区域处，管基本上锁定就位。将挡板从组装位置引导至操作位置的运动可以是移位(所谓的“移锁(shift-lock)”实施方式)或旋转(所谓的“扭锁(twist-lock)”实施方式)。

在已经提到的专利申请EP 3 115 734中更详细地描述了允许管自由插入挡板及其随后锁定的这些实施方式。

在上述实施方式中，在组装时锁定管，突出部有利地形成为当挡板处于锁定位置时为管提供弹性支撑。以这种方式，本发明提供了为系统提供一定程度的弹性和灵活性的附加优势。

有利地，挡板的材料是钢片。挡板可以是由切割的或冲孔的金属板形成的单个主体，或者可以包括其它元件，例如外围的加强环。在一些实施方式中，所述金属板包括叠加的多个金属片。优选地，金属板具有盘或部分盘的形状。

每个挡板可以在壳程的整个截面区或基本上整个截面区上延伸，或者每个挡板可以仅在所述截面区的一部分上延伸。仅覆盖壳程的截面区的一部分的挡板可以与不同的布置交替，例如与覆盖该区的不同部分的布置交替。

通过结构简单性与挡板主动配合流体动力学和/或结构特征的事实相结合，给出了本发明的优势。例如，本发明允许实现如下的装置：挡板通过引导壳程流体而与内部流体动力学协作，并进一步为管提供易弯曲的弹性支撑。

在一些实施方式中，从挡板的表面突伸的突出部主要作为支架元件，所述支架元件能够弯曲并因此为管提供弹性支撑。这是重要的优势，因为用于组装管和挡板的现有技术系统存在问题：相对自由的联接不能以有效的方式抵消振动，而精确的配合使得安装困难并且使得管和挡板的整体过于刚性。本发明通过允许精确安装、同时由于突出部能够弯曲的能力而使系统具有一定的弹性而解决了该问题。

流体动力学效应具有增加热交换系数并优化壳程流体的优势，为此目的，利用通过挡板的通道而不引入显著的额外压头损失。例如具有正弦线或螺旋线的适当定向的壳程流体流过所有管并允许完全利用管束。

在本发明的第一实施方式中，用于管的开口有利地利用冲孔或切割工艺形成在挡板的金属板中，并且所述突出部由通过开口的切割或冲压产生的金属板的材料的条状物形成，并以适当的方式弯曲。优选的切割技术包括激光切割和水射流切割。

在本发明的第二实施方式中，突出部由在开口处稳固地施加在金属板上的元件形成。有利地，突出部是通过焊接、优选地通过点焊(电阻焊接)施加的金属片元件。

在本发明的第一实施方式中，有利地，挡板包括具有小厚度的板，使得突出部是弹性的并且易于弯曲。为了增加挡板的稳定性，可以提供焊接至金属板的外边缘的加强环。

第二实施方式(施加的突出部)具有以下优势：突出部的厚度可以与形成挡板的金属板的厚度不同。例如，突出部可以较薄以确保所述突出部是弹性的并且易于弯曲。

在特别优选的变型中，挡板包括具有所期望厚度的金属板，通过激光切割或水射流切割获得用于管的开口；流体动力型突出部由薄金属片制成，并在开口区域内通过点焊施加在挡板上。

在一些变型中，为了便于定位和焊接突出部的操作，金属板包括具有不同厚度的两个叠加的金属片。具有相对大厚度的第一金属片具有结构功能并且包括用于管穿过的通孔。具有较小厚度(小于第一金属片的厚度)的第二金属片安装在第一金属板上并且包括流体动力型突出部。在这种情况下，所述突出部可以通过弯曲延伸到开口之外的条状物或部分条状物而形成。在插入管之前或在插入管过程中，可以弯曲突出部。

除了确保更高的热交换效率之外，上述两种构造方法都比设想通过组装大量的棒型线性元件而形成挡板的传统方法更快且更便宜。

应当注意，本发明对于具有或不具有用于在组装期间锁定管的所述系统的交换器都是有利的。

优选地，根据本发明的装置是用于化工厂的化学反应器。在一些实施方式中，化学反应器可以包含催化剂。

本发明的另一优势在于可以在相同挡板上提供不同配置的突出部。通过这种方式，可以实现内部流体动力的更好控制。

本发明适于具有直管的装置和具有U形管的装置。在具有U形管的装置的情况下，挡板沿着U形管的直线部分施加。

本发明的另一优势是所述装置可以具有轴向的或主要轴向的壳程流，与横向的壳程流相比，所述轴向的或主要轴向的壳程流具有较小的压降。在这种情况下，所述挡板不需要在管周围形成气密密封，这有利于管的插入。由于突出部的流体动力学效应，本发明提供了良好热交换与轴向流设计的低压降的结合。

借助于下文涉及一些优选实施方式的详细描述，本发明的优势将更加清楚地显现。

附图说明

图1示出了包括一组防振挡板的管壳式装置的简化图。

图2示出了在本发明的实施方式中穿过挡板的管。

图3以示意图的形式示出了根据本发明的变型的第一实施例的图1中所示的装置的一组挡板。

图4是根据图3的挡板和管的横截面示意图，并且示出了壳程流线。

图5示出了图4的细节。

图6示出了本发明的第二变型中的一组挡板。

图7示出了本发明的第三变型中的一组挡板。

图8是根据图7的挡板和管的横截面示意图。

图9示出了本发明的第四变型中的一组挡板。

图10至图13示出了挡板的突出部的实施方式的多种变型。

图14和图15示出了挡板的突出部的其它实施方式。

具体实施方式

图1以示意图的形式示出了管壳式装置1，该管壳式装置包括：壳体2；直管束3；以间隔p隔开的多个挡板5；两个管板6。在图1中，为了简化说明，仅示出了管的轴线。此外，示出了管束3的中心轴线20，该中心轴线平行于管的轴线。

每个挡板5(图2)主要包括金属盘10，其中形成用于允许管4穿过的开口11。在所述开口11的区域或所述开口11中的至少一些开口的区域中，挡板5包括由盘10的材料的条状物形成的附件突出部12，所述附件突出部12从盘10的一侧13突伸。

开口11和突出部12可以使用各种方法形成。例如：开口11通过局部冲孔获得，并且突出部12由盘10的材料的条状物形成，该突出部12保持附接至金属盘而不是被移除；开口11可以使用合适的切割方法、优选激光切割或水射流切割、随后弯曲条状物以形成突出部12来获得；突出部12是安装在盘10上的金属薄片元件。这些示例是作为非限制性示例提供的，其它制造方法也是可能的。

根据具体的实施方式，每个开口11被一个管4或多个管4穿过。

图3至图5示出了一个实施方式(移锁型)，其中当挡板5处于轴向偏移的组装位置时，管4可以以一定量的间隙自由地插入开口11中。一旦完成管的插入，挡板可以以共轭线性位移+f或–f锁定在管上，这使得所述挡板对齐。所述位移+f、–f的方向也称为锁定方向。优选地，相邻的挡板通过沿相反方向的位移而被锁定。

为此目的，例如，开口11具有基本上梯形的形状，该形状包括适于有间隙地容纳管的基部，以及朝向渐缩头部会聚的用于锁定管的侧面。这种实施方式也在图10至图15中示出。

挡板组5包括具有第一配置的突出部112a的第一挡板5a和具有第二配置的突出部112b的第二挡板6b，其中第一挡板5a和第二挡板5b在管束的纵向方向上彼此交替。该图还示出了管板6。在该实施例中，挡板5a和5b可以分别通过线性位移+f、–f锁定在管束上。

具有所述第一配置的突出部112a从相应的挡板5a上沿着在参考平面中与管的轴线14和管束3的轴线20的方向形成第一角度a1的方向突伸。

具有所述第二配置的突出部112b从相应的挡板5b上沿第二方向突伸，该第二方向在相同的参考平面中与轴线14和轴线20的所述方向形成第二角度a2，该第二角度a2具有与第一角度a1相反的符号(图5)。

优选地，所述第二角度与所述第一角度相等且相反，即a2＝-a1。

更有利地，所述第一角度a1和第二角度a2的绝对值(模量)包括在30度至60度之间，并且优选地为45度。

所述参考平面例如是图4中所示的平面。

参考图5，突出部112a的上表面120面向开口11，并且包括相对于管束的轴线20的方向以所述角度a1倾斜的平坦表面。类似地，突出部112b的上表面121具有平坦表面，该平坦表面相对于所述轴线20具有倾斜角a2。

作为这种布置的结果，如图4中具体示出的，突出部112a和112b沿两个不同的方向(例如向上和向下)交替地使装置1内的壳程流偏离，使得基本上正弦的流线Fs分别在横穿第一挡板5a时向上弯曲或在横穿第二挡板5b时向下弯曲。

在图3至图5中，突出部112a、112b布置在开口11的一侧上(由于锁定位移+f或–f，该开口11朝向管4移动)，例如在梯形开口11的较小侧上。以这种方式，当挡板5a、5b从组装位置切换到锁定位置时，上述突出部112a、112b为管4提供弹性支撑。

特别地，在图5中可以看出，管4根据一个方向并且根据相反的方向(例如向上和向下)交替地形成支撑接触。在锁定阶段，管4楔入开口11的倾斜侧面之间；突出部112a、112b提供弹性元件以便恢复由于结构公差产生的任何间隙。

可以理解的是，突出部112a、112b具有确定正弦流线的流体动力学功能，以及弹性地支撑管4的结构功能，该结构功能补偿由于结构公差产生的间隙，并且防止振动。

图6示出了图3至图5的实施方式的变型，其中突出部112a、112b相对于挡板5的锁定方向侧向地布置，例如沿着梯形开口11的会聚侧面布置。

图7和图8示出了扭锁型的变型，其中挡板5从组装位置(其中管可以有间隙地自由插入开口11中)以绕轴线20共轭旋转

或

进入锁定位置。优选地，相邻的挡板允许管沿相反方向旋转而锁定。

在所述扭锁实施方式中，该组挡板5有利地包括第一挡板5a和第二挡板5b，其中突出部212a、212b配置成向壳程流体施加螺旋运动。

更详细地，根据所示实施方式，突出部212a、212b从挡板的相反侧延伸，例如突出部212a从挡板5a的前侧13a延伸，突出部212b从挡板5b的后侧13b延伸。突出部212a、212b也成角度地偏移。作为这种布置的结果，如图7和图8中所示，突出部212a、212b围绕轴线14和轴线20的方向螺旋地使壳程流偏离，从而产生基本上螺旋形的流线Fe。

在图7和图8中，突出部212a、212b相对于开口11定位，使得当挡板从组装位置进入操作位置时，管4朝向所述突出部212a、212b移动。以这种方式，突出部还用作管的弹性支撑件并且用于间隙的恢复(以与图3至图5中所示类似的方式)。

图9示出了图7和图8的变型，其中突出部212a、212b相对于锁定运动侧向地定位(以与图6所示类似的方式)。利用图9中所示的突出部的配置，获得与扭锁配置相关联的正弦流。

图10至图13示出了总体上由附图标记12表示的突出部的实施方式的实施例。图14和图15示出了实施方式的其它实施例。图10至图15中的实施方式的所述实施例同样适用于图1至图9中所示的各种实施方式。

图10示出了如下实施方式的实施例，其中突出部12具有基本上多边形的梯形样形状并且沿着一侧15连接至金属片盘。

图11示出了一个变型，其中仅从盘10移除的材料的一部分形成突出部12，因此，突出部12的面积小于开口11的面积。

图12示出了一个变型，其中突出部12接合至开口11的基底16，该开口11具有基本上梯形的形状。

图13示出了一个变型，其中每个开口11均包括两个突出部12，这两个突出部12在相对于挡板平面的相反侧上延伸。

如图10至图12所示的具有基本上梯形形状的开口通常适于仅容纳一个管4；因此，挡板需要与管4具有相等数量的开口11。图13示出了适于容纳四个管的移锁型的开口11的实施方式的实施例。

图14和图15示出了一个实施方式，其中突出部12由金属薄片元件形成，该金属薄片元件例如通过点焊25安装在盘10上。

应当注意，图14和图15中所示的结构形式可以适于本发明的所有变型。

最后，应当注意，在没有上述移锁型挡板锁定系统或扭锁型挡板锁定系统的情况下，本发明的实施方式(例如类似于图1至图9的实施方式)也是可行的。

Claims (15)

1.一种管壳式装置，包括多个挡板(5)，所述多个挡板沿着管束布置、垂直于所述管束(3)的轴线(20)并且被管穿过，其中：

每个挡板是基本上平坦的主体，并且包括具有开口(11)的金属板(10)，所述开口用于使所述管穿过所述挡板；

在所述开口(11)处，所述挡板包括从所述金属板突伸的突出部，

所述突出部被配置成用作所述管的弹性支撑件和/或用作流体动力型突出部，所述流体动力型突出部适于使横穿所述装置的壳程的流体偏离，其特征在于，壳程气流是轴向的或主要是轴向的，并且在于，所述突出部中的至少一些突出部是流体动力型突出部，所述流体动力型突出部适于使所述壳程气流从主轴线方向偏离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个挡板的所有突出部都从相应的所述挡板的相同侧(13)延伸。

3.根据权利要求1所述的装置，包括具有第一配置的突出部的第一挡板(5a)和具有第二配置的突出部的第二挡板(5b)，其中，所述第一挡板和所述第二挡板沿所述管束的至少一部分交替，并且其中，所述第一配置的突出部和所述第二配置的突出部共轭以向壳程流提供横向于所述管束(3)的轴线(20)的运动分量。

4.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述第一挡板(5a)具有配置成沿第一方向引导所述壳程流的突出部(112a)，在参考平面内，所述第一方向与所述管的轴线形成第一角度(a1)，

所述第二挡板(5b)具有配置成沿第二方向引导所述壳程流的突出部(112b)，在所述参考平面内，所述第二方向与所述管的轴线形成第二角度，所述第二角度具有与所述第一角度相反的符号，

由此获得穿过所述挡板的壳程流线，所述壳程流线在不同的方向上交替地偏离。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述壳程流线是基本上正弦的。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一挡板(5a)和所述第二挡板(5b)包括突出部(212a，212b)，所述突出部定向成为所述壳程流体提供基本上螺旋形的运动，所述运动围绕所述管束的轴线。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述突出部(212a，212b)从相应的所述第一挡板(5a)和所述第二挡板(5b)的相反侧(13a，13b)突出，并且彼此面对的所述挡板的突出部有角度地偏移。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个挡板包括具有不同配置的突出部。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，每个挡板占据所述壳程的所有的截面区或基本上所有的截面区，或仅占据所述截面区的一部分。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，相邻挡板的突出部位于每个管的相反侧上。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述挡板以以下方式形成：

用于一个或多个管的每个开口至少包括第一区域和第二区域，所述第一区域适于有间隙地容纳所述一个或多个管，所述第二区域适于以较少间隙地或基本上零间隙地容纳所述一个或多个管；

当所述挡板处于所谓的组装位置时，所述管束中的每个管容纳在相应基座的第一区域中，并且当所述挡板处于操作位置时，所述管束中的每个管容纳在所述基座的第二区域中。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述突出部相对于所述开口(11)定位，使得当所述挡板布置在所述操作位置时，所述管朝向所述突出部移动，从而当所述挡板处于所述操作位置时，所述突出部限定用于所述管的弹性支撑件。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述突出部由安装在对应于所述开口的所述金属板上的金属片元件形成。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开口是在所述金属板中冲孔或切割的，并且所述突出部由通过切割或冲孔所述开口而产生的所述金属板的材料的条状物形成，并且适当地弯曲。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述挡板包括外部加强环，所述外部加强环的厚度大于所述金属板的厚度。

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