CN110869688A - 用于恶劣工作条件的热交换器 - Google Patents

Abstract

在一种配置中，用于恶劣温度和流体流动条件的热交换器包括第一纵向壳体、第二纵向壳体和在该纵向壳体之间横向延伸的横向壳体。纵向壳体可以彼此平行。壳体直接流体地联接在一起以在入口和出口管板之间形成公共的壳体侧空间。因此形成了大体上U形的壳体组件。管束具有互补的U形构造，包括多个管，这些管延伸穿过管板之间的纵向壳体和横向壳体。膨胀接头将每个纵向壳体流体地联接至一个管板。壳体侧入口和出口喷嘴可以流体地联接至膨胀接头，用于从热交换器引入壳体侧流体和从热交换器抽取壳体侧流体。在另一配置中，热交换器可以是L形，带有相同构造的管束。

Description

用于恶劣工作条件的热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月28日提交的申请号62/526,213的美国临时申请的优先权权益；其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及热交换器，并且更具体地涉及适用于发电行业的壳管式热交换器。

背景技术

壳管式热交换器用于发电和其他行业中，以加热或冷却各种工艺流体。例如，在朗肯(Rankine)发电循环中使用诸如给水加热器之类的热交换器结合蒸汽涡轮发电机组来产生电力。在这样的应用中，壳体侧流体(即，在管外部的壳内流动的流体)通常是蒸汽，而管侧流体(即，在管内部流动的流体)是给水。从涡轮机排出的低压蒸汽被冷凝，形成给水。通常在朗肯循环中使用多个给水加热器，以使用从蒸汽轮机中各个抽气点抽出的蒸汽依次并逐渐提高给水温度。加热的给水返回到蒸汽发生器，在蒸汽发生器中将其转换回蒸汽以完成循环。用于在蒸汽发生器中将给水转化为蒸汽的热源可以是核燃料或化石燃料。

在某些工况下，由于两种流体(管侧和壳体侧)之间的壳和管道材料的热膨胀系数和流体温度不同，差热膨胀会在壳体和管束中产生较高的纵向应力。在高温(例如超过500华氏度)的严酷工况下运行的固定管板式热交换器中，差热膨胀引起的应力是对装置完整性和可靠性的最大威胁。工业上使用的其他设计替代方案，例如带有直列波纹管型膨胀接头的直壳体、外堆叠浮动头等，都有缺点，例如存在泄漏风险(堆叠头设计)或结构坚固性降低(膨胀接头设计)。

需要一种改进的热交换器设计，其可以更有效地补偿差热膨胀。

发明内容

根据本公开的适用于给水加热和其他工艺流体加热应用的管壳式热交换器可以以克服过去的固定管板设计的问题的方式补偿差热。在一种构造中，热交换器包括：多个壳体，其可以以多种多边形或曲线几何形状结合并流体地联接在一起，以形成一体的单个壳体侧压力保持边界；以及管束，其具有与壳体组件互补的构造。壳体可以以一种构造焊接在一起。组件的每个壳体内的壳体侧空间均流体地连通形成连续的壳体侧空间，管束的管穿过该空间。值得注意的是，由于每个壳体本身不是具有其自己专用管束的离散或单独的热交换器，因此当前的壳体组件共同形成单个热交换器。因此，热交换器包括位于不同壳体内的单个管侧入口管板和单个管侧出口管板，如本文进一步所述。

在一个设计变型中，热交换器可以包括两个或更多个直线形壳体，其布置成形成具有与壳体组件的曲线轴向轮廓平行的管束的连续弯曲的U形。在一个实施例中，热交换器可以具有希腊字母Π(“PI”)的大致形状，该热交换器包括两个平行的纵向壳体和在纵向壳体之间流体地联接的横向壳体。在每个纵向壳体的相同端部处各有两个管板，它们限定了热交换器内壳体侧的空间和容积。横向壳体的每一端都可以被盖住以形成完全隔离的壳体侧空间。纵向壳体和横向壳体中的壳体侧空间流体连通，从而产生与壳的形状一致的壳体侧流体路径。形成为宽或正方形“U”形的管支腿在其末端以产生密封接头的方式固定到相应的一个管板上。有利的是，弯曲的管可基本消除壳体和管束中的高纵向应力，这是由于壳体和管材的热膨胀系数以及两种流(壳体侧和管侧)之间的流体温度不同而产生的差热膨胀所引起的。

在另一设计变型中，热交换器壳体可以是L形的，其中管束具有互补的构造和一对管板。该实施例包括纵向壳体和横向壳体，横向壳体与纵向壳体流体地联接并垂直于纵向壳体取向。

本文公开的曲线壳式热交换器实施例的共同特征是：(1)具有单管通道和单壳通道；(2)管侧和壳体侧流体流的布置可以完全逆流以产生最大的热传递；(3)将每个管板连接到管侧集管或喷嘴上；(4)热交换器的多个壳体的每个壳体的直径通常比其常规的单壳体U形管的直径小，从而有利地导致每个较小直径的壳体和管束之间的差热膨胀较小。

在一些实施例中，壳体侧流体可以是蒸汽，而管侧流体可以是诸如水的液体。在其他实施例中，壳体侧流体也可以是液体。在热交换器的某些应用中，可以使用除水以外的液体，例如各种化学品。

在一个方面，热交换器包括：纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线；以及纵向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二纵向轴线，第二壳体平行于第一壳体布置；横向的第三壳体，其将第一壳体和第二壳体流体地联接在一起，第三壳体在第一壳体和第二壳体之间横向延伸，并且限定了与第一壳体侧空间和第二壳体侧空间流体连通的第三壳体侧空间；管束，其包括多个管，每个管限定管侧空间，该管束延伸穿过第一壳体、第二壳体和第三壳体。壳体侧入口喷嘴流体地联接到第一壳体；壳体侧出口喷嘴与第二壳体流体地联接。其中，壳体侧流体的流动路径为从第一壳体侧空间穿过第三壳体侧空间到达第二壳体侧空间。

在另一方面，热交换器包括：纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线；以及纵向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二纵向轴线，第二壳体平行于第一壳体布置；第三壳体流体地联接到第一壳体的第一终端和第二壳体的第一终端，第三壳体在第一壳体和第二壳体之间横向延伸，第三壳体限定横向轴线，第三壳体侧空间与第一壳体侧空间和第二壳体侧空间流体连通；U形管束，包括多个管，每个管限定管侧空间，该管束延伸穿过第一壳体、第二壳体和第三壳体；入口管板和出口第二管板；管侧入口喷嘴流体地联接至入口管板；管侧出口喷嘴流体地联接到出口管板；第一膨胀接头，其联接在入口管板和第一壳体的第二终端之间；第二膨胀接头，其连接在出口管板和第二壳体的第二终端之间；壳体侧入口喷嘴，其流体地联接至第二膨胀接头，其中，壳体侧流体通过第二膨胀接头引入第一壳体；壳体侧出口喷嘴，其流体地联接至第一膨胀接头，其中，壳体侧流体从第二壳体中流出通过第一膨胀接头；其中，壳体侧流体的流动路径是从第一壳体侧空间经过第三壳体侧空间到第二壳体侧空间。

在另一方面，热交换器包括：纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线，该第一壳体包括第一终端和第二终端；以及横向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二横向轴线，第二壳体包括第一终端和第二终端，第二壳体流体地联接至第一壳体的第一终端并且垂直于第一壳体取向；L形管束，其包括分别限定管侧空间的多个管，该管束延伸穿过第一壳体和第二壳体；第一管板和第二管板；第一膨胀接头，其联接在第一管板和第一壳体的第二终端之间；第二膨胀接头，其联接在第二管板和第二壳体的第二终端之间；壳体侧入口喷嘴，其流体连接至第二膨胀接头，其中，壳体侧流体通过第二膨胀接头引入第二壳体。壳体侧出口喷嘴，流体地联接至第一膨胀接头，其中，壳体侧流体从第一壳体中流出通过第一膨胀接头，其中，壳体侧流体的流动路径为从第二壳体侧空间流入第一壳体侧空间。

本文公开的本发明的任何特征或方面可以与任何其他特征或方面以各种组合使用。因此，本发明不限于本文作为示例公开的特征或方面的组合。

根据下文的详细描述和附图，本发明的其他应用领域将变得显而易见。

附图说明

将参考以下附图描述示例性实施例的特征，在附图中相似的元件被相似地标记，并且其中：

图1是根据本发明的热交换器的俯视图。

图2是图1的热交换器的管的平面图。

图3是图1的热交换器的膨胀接头和壳体侧入口喷嘴构造的局部侧面剖视图。

图4是另一种膨胀接头和壳体侧入口喷嘴构造的局部侧面剖视图。

图5是图1的热交换器的挡板的侧视图。

图6是图1的热交换器的纵向壳体和横向壳体之间的接头的剖视图，其示出了壳体侧导流板；

图7是管侧入口喷嘴和相关的管板、膨胀接头和纵向壳体的侧面剖视图。

图8是朝向入口喷嘴观察的端部视图。

图9是通过图3或4的膨胀接头截取的横截面图；和

图10是根据本公开的热交换器的第二实施例的平面图。

所有附图均为示意图，不一定按比例绘制。在一个附图中示出和/或给定附图标记的部件可以被认为是它们出现在其他附图中的相同部件，为简洁起见没有数字编号，除非特别地用不同的部件编号标记并且在此描述。

具体实施方式

在此通过参考示例性实施例示出和描述了本发明的特征和益处。旨在结合附图阅读示例性实施例的该描述，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。因此，本公开明确地不应该限于示出了可以单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合的示例性实施例。

在本文公开的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对术语，例如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为是指所描述的方向，或者如所讨论的附图所示。这些相对术语仅是为了方便描述，并且不需要以特定的方向构造或操作设备。诸如“附接”、“附着”、“连接”、“耦接”、“互连”等类似的术语是指一种关系，其中结构通过中间结构以及可移动或刚性的附件或关系直接或间接地彼此固定或附接，除非另有明确说明。

图1-9示出了根据本公开的管壳式热交换器100的第一实施例。热交换器100包括限定纵向轴线LA1的第一纵向壳体101，限定纵向轴线LA2的第二纵向壳体102和限定横向轴线TA1的横向壳体103。纵向壳体101和102是圆柱形的，并分别限定了具有相同构造的内部开放壳体侧空间108a，108c，以用于接收和循环壳体侧流体SSF。横向壳体103是圆柱形的，并且限定了具有相同构造的内部开放壳体侧空间108b。壳体侧空间108a-108c流体连通，使得每个壳体侧空间完全通向相邻的壳体侧空间，以形成用于保持管束的单个曲线且连续的公共壳体侧空间。

每个壳体101-103是线性伸长的并且直的，其长度大于直径。纵向壳体101、102可以比横向壳体103更长，在一些实施例中，横向壳体103的长度大于组合的纵向壳体的直径。在一些实施例中，纵向壳体101和102各自的长度大于横向壳体103的长度的两倍。在所示的实施例中，纵向壳体101、102具有基本相同的长度。在其他实施例中，一个纵向壳体的长度可以短于另一纵向壳体的长度。

在本构造中，壳体101-103以“U”形的大致形状或更具体地在所示实施例中以“PI”形(如希腊字母Π)总体布置。每个纵向壳体101、102具有第一终端104以及相对的第二终端105，第一终端104在没有任何中间管道或结构的情况下直接与横向壳体103流体地连接或联接，第二终端105附接并流体地联接到相应的管板111和110，如图1最佳所示。在一个实施例中，壳体101和102可以焊接到横向壳体103上，以形成密封的防漏流体连接和压力保持边界。纵向壳体101和102侧向间隔开并且彼此平行地布置。横向壳体103在壳体端部104处，在纵向壳体之间侧向和横向延伸。在一实施例中，横向壳体103垂直于壳体101和102取向。横向壳体103包括一对相对的悬臂端部部分103a，每个悬臂端部部分103a侧向向外延伸超过限定相对的端部106的第一壳体和第二壳体。端盖107通过诸如焊接的合适的防漏连接方法附接到每个悬臂端。端盖107可以是任何符合ASME锅炉和压力容器规范(B&PVC)的头部，包括常用的头部类型，例如半球形(“半头部”)、半椭圆形(参见，例如图6)、凸缘形和碟形、平坦形。热交换器100的壳体和其他部分也被构造成产生符合ASME B&PVC的构造。

热交换器100基本上是平面结构或组件，其中壳体101、102和103位于大致相同的平面中。热交换器100可以有利地以任何方位安装在设施中的可用三维空间中，以最符合工厂的建筑和机械需求(管道运行、支撑基础位置、通风和排水管线等)。因此，图1所示的热交换器可以垂直、水平或以其间任何角度安装。尽管在图1中将壳体侧入口和出口喷嘴121、120示出为与壳体101和102共面，但是，在其他实施例中，壳体喷嘴可以根据需要以任何角度旋转和定位，以容纳去往和来自热交换器的管道，而不会降低性能和效率。在其他可能的实施例中，通过旋转在横向壳体103上的纵向壳体101或102之一的位置，纵向壳体101或102中的一个纵向壳体可以与另一纵向壳体取向为非平面的。例如，纵向壳体101可以处于图1所示的水平位置，而其余的纵向壳体102可处于垂直于壳体101的竖直位置或与壳体101成0度至90度之间的任何角度。因此，将管形成为具有与所选壳体101-103的布局和取向互补的构造。

继续参考图1-9，大体上“正方形”的U形管束150设置在纵向和横向壳体101-103中。管束150包括多个正方形的U形管157，其从纵向壳体102的管侧入口管板130连续地延伸穿过壳体侧空间108a，108b和108c到纵向壳体101的管侧出口管板131。图2描绘了单管157，认识到管束150包括彼此平行布置以形成紧密堆积的管束的相似形状的多个管。管157是具有圆形或圆横截面的圆柱形。管157每个包括一对侧向间隔开且平行的直管支腿151和153，以及横向和垂直延伸的直交叉管支腿152，其通过90度弓形弯曲和成圆角的管弯曲部154流体地联接在管支腿150、151之间。管弯曲部154的半径R1优选地等于或大于管直径的2.5倍。交叉管支腿152的长度可以小于两个直管支腿151、153的长度。值得注意的是，管支腿151-153形成持续且连续的管结构和管侧空间。需要注意的是，本发明的结构不同于常规的U形管束，后者具有大的半径为180度的弯管弯曲部以连接每个直管腿。因此，常规构造缺少第三直段和90度的管弯曲部154。

每个管157包括由延伸通过管板130的支腿151限定的第一端155和延伸通过管板131的支腿153限定的第二端156(例如，参见图3)。管板130、131各自包括多个轴向延伸且平行的通孔132，其分别平行于壳体101和102的纵向轴线LA1和LA2取向。管157的末端部分被容纳在通孔132中且完全穿过通孔132，并在通孔内部延伸至管板130、131的外侧表面或面134(图3中示出了管板130的面134的示例)。管板130中的管157的开口端155接收管侧流体TSF。相反，管板131中的管157的另一开口端156排出管侧流体。管板130、131以刚性方式支撑管的末端部分。

管157以密封的防泄漏方式固定地联接到管板130、131，以防止从高压管侧流体TSF泄漏到低压壳体侧流体SSF。对于某些高压加热器，壳体侧和管侧之间的压差可能会非常大，从而增加了管与管板接头泄漏的风险。例如，对于高压给水加热器，管侧设计压力的范围可以从约300psig到超过5000psig，而对于高压加热器，管壳体侧设计压力的范围可以从约50psig到1500psig。在一些实施例中，管157可通过膨胀或膨胀及焊接而刚性地联接至管板130、131；这些技术是本领域公知的，无需进一步阐述。可以使用的扩管工艺包括爆炸、辊压和液压扩管。

管157可以由适当的高强度金属形成，该金属是出于诸如工作温度和压力、管侧和壳体侧流体、传热要求、热交换器尺寸等考虑而选择的。在一些非限制性示例中，管可以由不锈钢、铬镍铁合金、镍合金或通常用于发电热交换器的其他金属形成，这些金属通常排除了缺乏用于此类应用的机械强度的铜。

管板130、131具有圆盘状结构和轴向厚度，适于承受周期性的热应力并为管157提供适当的支撑。如图3所示，每个管板的厚度可以基本上大于其各自的壳体101、102的厚度(例如5倍或更大)。管板130、131包括垂直的外侧表面或面134和内侧表面或面135。管板130、131可以由合适的金属形成，例如包括其合金的钢。在一个实施例中，管板可以由不锈钢形成。

管板130、131的外缘优选地在加工设备的限制内做得尽可能薄(径向地)，使得由于包含通孔132的管板的穿孔区域之间的温度差而导致的径向差热膨胀，坚固的外周边缘不会产生高的界面应力。在可行的情况下，可以对外围边缘进行机械加工以减小边缘的厚度。通常，在某些情况下，边缘的厚度可低至1/4英寸(从最外面的管孔开始测量)。

根据本发明的一个方面，每个纵向壳体101，102优选地通过导入诸如膨胀接头110和111之类的“柔性壳体元件组件”(例如，参见图1、3和4)以柔性方式连接至其管板130、131。与通常更易于失效和泄漏的用于热交换器壳体的波纹管型膨胀接头相比，膨胀接头110、111可以是带凸缘和通道的膨胀接头，其提供结构上坚固的构造和可靠的防漏服务。膨胀接头110、111减轻了壳体和管板之间在其界面处的差热膨胀(径向)所产生的应力水平，这与将壳体直接焊接到无适应差热膨胀挠性的刚性固定的管板排列的管板不同。

参照图3和图4，带凸缘和通道的膨胀接头110，111形成为两半(例如，第一半部分和第二半部分)，每个半部分包括垂直于纵向壳体101、102的纵向轴线LA1或LA2布置的径向延伸的凸缘部分112，以及轴向平行于轴线LA1或LA2延伸的通道部分113。凸缘部分112例如通过焊接固定地连接到通道部分113，或者可以与通道部分作为其整体的整体结构部分一体形成，其由被锻造或弯曲以限定每个半部分的凸缘部分和通道部分的环形工件所制成。两个通道部分113例如通过焊接刚性地连接在一起。膨胀接头110、111围绕壳体周向延伸并且具有环形构造。如图所示，膨胀接头110、111径向向外突出超过壳体101和102的外表面。

膨胀接头110的第一半部分的一个凸缘部分112例如通过焊接而刚性且固定地附接至纵向壳体102的端部105。膨胀接头110的第二半部分的另一个凸缘部分112例如通过焊接而刚性且固定地附接到管板130(参见例如图3和4)。管板130的内侧表面或面135向内面向膨胀接头110。相同的构造和连接方法适用于布置在纵向壳体101上的另一个膨胀接头111。

图3描绘了膨胀接头110、111的一种示例性构造，其中提供了在两个凸缘部分112之间桥接的单个通道部分113。在一个实施例中，单个通道部分可以焊接到每个凸缘部分112。图4描绘了另一示例性构造，其中，中间圆环118被焊接在膨胀接头110的各通道部分113之间。值得注意的是，图3和4任一附图的构造都是可以用于膨胀接头110、111中的一个或两个。然而，其他构造是可能的。膨胀接头110、111的组成部分优选地由适合于所遇到的使用条件的金属形成。作为一些非限制性示例，可用于膨胀接头的金属包括碳钢、不锈钢和镍合金。

如图3所示，膨胀接头130，131的直径较大，提供了将壳体侧流体SSF引入(或抽取)到热交换器100中的理想位置，而没有过高的局部速度和压力损失，该局部速度和压力损失是热交换器壳的壳体侧入口和出口的典型位置所特有的。另外，通过膨胀接头将热的壳体侧流体引入热交换器也是理想的，因为膨胀接头最适合容纳壳体和管束之间的差热膨胀。

在一个实施例中，与壳体侧出口和入口相关联的膨胀接头110、111分别限定了面向外部且纵向延伸的环形喷嘴安装壁117。壁117在轴向上基本是直的并且平行于纵向轴线LA1和LA2，用于安装壳体侧入口喷嘴121和壳体侧出口喷嘴120。壁117当然在径向上是弧形和凸形弯曲的。

膨胀接头110、111各自进一步限定形成在每个膨胀接头内部的环形流动室114。如图所示，流动室114围绕纵向壳体101、102周向延伸，并且沿径向更远地向外定位并超过壳体的外表面。因此，通过膨胀接头110、111的径向向外突出超过壳体101和102的部分形成流动室114。膨胀接头110中的流动室114限定了壳体侧出口流动室，膨胀接头111中的流动室114限定了壳体侧入口流动室。入口和出口壳体侧喷嘴121、120与它们各自的流动室114流体连通。

参照图1、3和4，壳体侧入口喷嘴121固定地并且流体地联接至膨胀接头111的喷嘴安装壁117。类似地，壳体侧出口喷嘴120固定地且流体地联接至膨胀接头111的喷嘴安装壁117。每个喷嘴120、121完全穿透其各自的喷嘴安装壁117，并与在膨胀接头110和111内形成的相关联的流动室114流体连通。在一个实施例中，如图1所示，喷嘴120和121垂直于纵向轴线LA1和LA2取向，以横向地将壳体侧流体引入热交换器100或从热交换器100中抽出流体(注意定向壳体侧流体SSF流动箭头)。壳体侧流体从入口喷嘴121流入膨胀接头111的壳体侧入口流动室114。壳体侧流体从膨胀接头110中的壳体侧出口流动室114流入出口喷嘴120。

为了帮助将壳体侧流体均匀地引入到热交换器100的壳体侧空间108a和108c中，或从壳体侧空间108a和108c中抽取壳体侧流体，提供了穿孔的壳体侧环形入口和出口流量分配套筒115。图3、图4和图9描绘了出口流量分配套筒115的示例，认识到在本实施例中入口流量分配套筒(为简洁起见未单独示出)是相同的。入口流量分配套筒115设置在膨胀接头111内，并且与纵向壳体101同心地对准，与纵向轴线LA1同轴。出口流量分配套筒115设置在膨胀接头110的内部，并且与纵向壳体102同心地对准，与纵向轴线LA2同轴。因此，每个套筒115的轴向中心线C与其相应的纵向轴线重合(参见例如图9)。

入口流量分配套筒115交替设置在壳体侧入口流动室114和延伸到膨胀接头111中的壳体侧空间108a之间。出口流量分配套筒115交替设置在壳体侧出口流动室114和延伸到膨胀接头110中的壳体侧空间108c之间。入口流量分配套筒115与纵向壳体101的壳体侧入口喷嘴121和壳体侧空间108a流体连通。出口流量分配套筒115与纵向侧壳体102的壳体侧出口喷嘴120和壳体侧空间108c流体连通。在壳体侧流体入口侧，流量分配套筒115迫使流体在进入纵向壳101的壳体侧空间108a之前绕壳体侧入口流动室114周向循环(与图9所示的壳体侧定向箭头SSF相反)。在壳体侧流体出口侧，流量分配套筒115迫使流体以围绕套筒的均匀周向流动模式从纵向壳体102的壳体侧空间108c进入壳体侧出口气流室114(如图9所示)。

每个入口和出口流量分配套筒115包括多个孔或穿孔116，用于将壳体侧流体引入其各自的纵向壳体101、102或从其各自的纵向壳体101、102中抽出。流量分配套筒115的直径可以与其相应的壳体的直径基本相同(例如，参见图3或4)。穿孔116可以以任何合适的均匀或不均匀的图案布置并且可以具有任何合适的直径。优选地，穿孔围绕流量分配套筒115的整个圆周分布，以促进壳体侧流体均匀地分配进各自的壳体侧空间108a和108c或流出各自的壳体侧空间108a和108c。套筒115可以由任何合适的金属制成，诸如钢、不锈钢、镍合金或其他。套筒115可以例如通过焊接固定地附接到它们各自的膨胀接头110或111。

参照图1-9，管侧流动路径始于管侧入口喷嘴140，该管侧入口喷嘴140流体地联接至入口管板130，用于将管侧流体TSF引入设置在纵向壳体102中与来自热交换器100的壳体侧流体的出口相关联的管束150部分中。管侧流体从喷嘴140流入管板130中的管157中，并通过管束150到达与纵向壳体101相关联的出口管板131，并且通过壳体侧流体的入口进入热交换器100。管侧出口喷嘴141流体连接至出口管板131，以用于从热交换器排出管侧流体。喷嘴140和141可以焊接到它们各自的管板130、131上以形成防漏流体连接。喷嘴140和141每个都具有自由端，该自由端被配置为例如通过焊接、凸缘和螺栓连接或其他类型的机械流体地联接与外部管道流体连接。作为一些非限制性示例，喷嘴140和141可以由诸如钢及其合金的任何合适的金属制成。在一个实施例中，如果最小化管侧流中的压力损失很重要，则喷嘴140和141可以是如图所示截头圆锥形的。

在一些实施例中，可任选地在喷嘴140和/或喷嘴141内部提供多个同心对准并布置的流动矫直器170，如图7和8中示出了其用于均匀的管侧流动分布(在入口喷嘴140的情况下)或收集(在出口喷嘴141的情况下)的情况。流动矫直器170有利地减小了流体流中的湍流，从而使压力损失最小化。优选地，流动矫直器170被互补地构造成喷嘴140和141的形状。在一个实施例中，喷嘴140、141具有如图所示的截头圆锥形，流动矫直器170每个也具有相似的形状但是具有不同的直径。流动矫直器170沿径向间隔开，从而形成穿过流动矫直器之间的每个喷嘴的多个环形流动通道。在其他可能实施例中，喷嘴140、141可以成为直壁的，以代替截头圆锥形。流动矫直器170类似地可以为直壁的。

热交换器100还包括横向地布置在纵向壳体101、102和横向壳体103内部的多个挡板，其支撑管束150并保持管之间的间隔。在最小化壳体侧压力损失是重要考虑因素的情况下，非分段挡板180(参见例如图1和图5)可以用于将壳体侧的流体流保持在基本轴向的构型(即平行于纵向轴线LA1，LA2和横向轴线TA1)。挡板180包括开放的格子结构，该格子结构由形成如图所示的菱形开口的多个对角相交的带或板形成。模型管(Dummy tube)可用于阻止壳体侧流的任何部分绕过与管的紧密接触和对流作用。选择挡板的数量和间隔，以确保其不受流动引起的破坏性管振动的影响并使其最小化，该振动可能导致管破裂。

在其他实施例中，管束150及其单管157可以通过本领域中公知的非分段的和“分段的”交叉挡板的组合以适当的间隔支撑，而无需过多的阐述。有许多分段的挡板配置可供选择，通常称为单分段、双分段、三分段、盘形和圆环形等。可以选择混合类型的挡板，以应对大部分允许的压力损失，从而最大化壳体侧膜系数，同时确保针对各种破坏性振动模式(如流体弹性涡动和湍流抖振)具有足够的余量。面对并靠近壳体侧出口喷嘴120的管157通常需要附加的侧向支撑，以保护它们免受因局部横向流速度增加而造成的流引起的管振动的风险。

如本文先前所述的流量分配套管115用于壳体侧出口喷嘴120处的膨胀接头110中，该套管有利地用于减小壳体侧流体流的横向流，以最小化流引起的管振动。防止横向流引起的管振动的相同保护措施也适用于膨胀接头111中的壳体侧流体入口流量分配套筒115。

在一些实施例中，如图6中所示，导流板160可选地可以被添加到纵向壳体101、102和横向壳体103之间的区域，以最小化其中流动经历方向改变的湍流和涡流。导流板160在将纵向壳体101、102连接到横向壳体103的接头处靠近横向壳体103的每个端部106布置。这些是壳体侧流进入或离开横向壳体的位置。导流板160优选地布置在横向壳体103的每个端部的第三壳体侧空间108b的内部并且横向于横向壳体延伸。导流板的一端或一侧定位并焊接在纵向壳体101、102的终端104处的横向壳体103上。导流板160的其余侧面全部焊接到横向壳体的其他部分。在一些实施例中，导流板160具有弓形弯曲的圆盘形状(在图6中示出了板160的侧面或边缘)。导流板160可以构造成完全密封横向壳体103的悬臂端部，该悬臂端部侧向延伸超过纵向壳体，从而防止壳体侧流体接触端盖107。因此，导流板160在端盖107和导流板之间的横向壳体103的端部106处形成完全封闭和密封的流体死空间161。导流板160可以由适合于焊接到壳体的任何合适的金属制成，例如但不限于钢及其合金。

如图1所示，热交换器100可以布置成在壳体侧流体SSF和管侧流体TSF之间产生逆流，使传热效率最大化。管侧流体分别在平行于和重合于纵向轴线LA2和LA1的轴向上进入和离开热交换器。壳体侧流体分别在垂直于纵向轴线LA1和LA2的径向方向上进入和离开热交换器。在其他可能的实施例中，可以采用壳体侧和管侧流体沿相同方向流动的共流。

图10描绘了根据本文已经针对热交换器100描述的相同原理和特征构造的热交换器200的替代实施例。然而，热交换器200具有壳体201、203和管束250的L形布置。其他特征与热交换器100相同。通常，热交换器200包括限定内部壳体侧空间208a的单个纵向壳体201和限定与壳体侧空间208a流体连通的壳体侧空间208b的横向壳体203。横向壳体203垂直于壳体201的终端204取向并与之流体地联接。壳体201的另一端流体地联接至膨胀接头110，膨胀接头110包括壳体侧出口喷嘴120。膨胀接头110流体地联接至管侧入口管板130，该管侧入口管板130流体地联接至管侧入口喷嘴140。膨胀接头111流体地联接在横向壳体203的一个末端206与管侧出口管板131之间，管侧出口管板131连接到管侧出口喷嘴141。如图所示，端盖207附接到横向壳体203的剩余端206，该剩余端206形成在壳体203的悬臂端部上，该悬臂端部侧向延伸超过纵向壳体2201。

纵向壳体201可均比横向壳体203长，在一些实施例中，横向壳体203的长度大于纵向壳体的直径，并且在某些情况下，纵向壳体的长度大于纵向壳体的直径的两倍。在一些实施例中，纵向壳体201的长度大于横向壳体203的长度的两倍。

管束250是L形的，包括具有相同构造的多个管257。管257包括在壳体201中的直管支腿251和在壳体203中的直管支腿252。直管支腿251和252通过圆角管弯曲部254流体地联接在一起，以形成用于管板之间的管侧流体的连续管侧流动路径。

关于与本文先前描述的包括流动分配套筒115和流动室114的热交换器100，膨胀接头110和111可以是相同的。管侧入口喷嘴140和出口喷嘴141可以相同，并且可以包括同心流动矫直器170。单个导流板160可设置在横向壳203中与纵向壳体201接合处的端盖207附近的横向壳体103所描述的相同位置处。热交换器200提供与热交换器100相同的益处，包括适应管束和壳体之间的差热膨胀的能力。如图10所示，热交换器200可以布置成在壳体侧流体和管侧流体之间产生逆流，以使传热效率最大化。在其他实施例中，流体可以是共流。

本文公开的热交换器100和200的其他优点包括：紧凑的空间需求；在安装和取向方面具有最大的灵活性；降低了由于热膨胀受到限制而产生的严重压力的风险；增强了承受热和压力瞬变的能力；通过使用非分段挡板，可将气流中的壳体侧压力损失降至最低，从而实现最佳的传热性能。

尽管前面的描述和附图表示本发明的优选或示例性实施例，但是应当理解，可以在不脱离所附权利要求的精神以及等同范围的情况下进行各种添加、修改和替换。特别地，对于本领域技术人员将清楚的是，在不背离精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例、尺寸以及其他要素、材料和部件来实施。另外，在不脱离本发明的精神的情况下，可对本文所述的方法/过程进行多种变化。本领域技术人员将进一步认识到，在不背离本发明原理的前提下，本发明可以在对结构、布置、比例、尺寸、材料和部件进行许多修改，并且可以在特别适合于特定的环境和操作性需求下，在本发明的实践中进行这些修改。因此，当前公开的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，并且不限于前述描述或实施例。而是，所附权利要求应该被广义地解释为包括本发明的其他变型和实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明的等同范围的情况下做出这些变型和实施例。

Claims (22)

1.一种热交换器，包括：

纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线；

纵向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二纵向轴线，所述第二壳体平行于所述第一壳体布置；

横向的第三壳体，其将所述第一壳体和所述第二壳体流体地联接在一起，所述第三壳体在所述第一壳体和所述第二壳体之间侧向延伸，并限定了与所述第一壳体侧空间和所述第二壳体侧空间流体连通的第三壳体侧空间；

管束，包括多个管，每个管限定管侧空间，所述管束延伸穿过所述第一壳体、所述第二壳体和所述第三壳体；

壳体侧入口喷嘴，其流体地联接到所述第一壳体；和

壳体侧出口喷嘴，其与所述第二壳体流体地联接；

其中，壳体侧流体的流动路径是从所述第一壳体侧空间经过所述第三壳体侧空间到所述第二壳体侧空间。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第三壳体垂直于所述第一壳体和所述第二壳体取向。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述第三壳体与所述第一壳体和所述第二壳体中的每一个的第一终端流体地联接。

4.根据权利要求3所述的热交换器，还包括：第一管板，其联接至所述第一壳体的第二终端；以及第二管板，其联接至所述第二壳体的第二终端。

5.根据权利要求4所述的热交换器，还包括：第一膨胀接头，其联接在所述第一管板与所述第一壳体的第一终端之间。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述第一膨胀接头是包括第一半部分和第二半部分的凸缘和通道膨胀接头，所述第一半部分和第二半部分共同限定一对轴向间隔开的第一凸缘部分和第二凸缘部分和一对第一通道部分和第二通道部分，所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部份均垂直于所述第一纵向轴线延伸，所述第一通道部分和第二通道部分均平行于所述第一纵向轴线延伸，所述第一通道部分和第二通道部分焊接在一起。

7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其中，所述壳体侧入口喷嘴与所述第一膨胀接头流体地联接，并且其中所述壳体侧流体在径向上通过所述第一膨胀接头被导入所述第一壳体。

8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，所述第一膨胀接头限定环状的喷嘴安装壁，所述壳体侧入口喷嘴与所述第一膨胀接头的喷嘴安装壁流体地且垂直地联接。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的热交换器，还包括：壳体侧环形入口流量分配套筒，其设置在所述第一膨胀接头内，所述入口流量分配套筒与所述壳体侧入口喷嘴流体连通，并且包括多个穿孔，用于将所述壳体侧流体引入所述第一壳体的第一壳体侧空间。

10.根据权利要求9所述的热交换器，还包括：环形出口流动室，其形成在所述壳体侧入口喷嘴与所述流量分配套筒之间的所述第一膨胀接头的内部，其中，所述壳体侧流体从所述壳体侧入口喷嘴流入并且周向环绕所述环形出口流动室并穿过所述流量分配套筒中的穿孔进入所述第一壳体的第一壳体侧空间。

11.根据权利要求10所述的热交换器，其中，所述第一膨胀接头内的所述环状出口流动室安置在比所述第一壳体的外表面更靠外侧的周向环绕所述第一壳体的径向位置上。

12.根据权利要求5所述的热交换器，还包括：

第二膨胀接头，其联接在所述第二管板与第二壳体的第二终端之间；

环状出口流量分配室，其在所述第二膨胀接头的内部形成；

壳体侧出口流量分配套筒，其设置在所述第二膨胀接头内并包括多个穿孔；

所述壳体侧出口喷嘴与所述第二膨胀接头流体地联接，其中，所述壳体侧流体从所述第二壳体的第二壳体侧空间排出，依次通过所述出口流量分配套筒、所述环形出口流量分配室和所述壳体侧出口喷嘴。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的热交换器，其中，还包括：管侧入口喷嘴，其流体地联接到所述第一管板，用于将管侧流体沿轴向导入所述第一壳体；以及管侧出口喷嘴，其流体地联接到所述第二管板，用于沿轴向从所述第二壳体抽取所述管侧流体。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述壳体侧流体沿与所述管侧流体相反的方向流过所述热交换器。

15.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述管侧入口喷嘴和所述管侧出口喷嘴分别具有截头圆锥形的形状，并且分别与第一纵向轴线和第二纵向轴线同轴地取向。

16.根据权利要求13至17中任一项所述的热交换器，其中，所述管侧入口喷嘴和管侧出口喷嘴中的至少一个包括同心对准的多个内部流动矫直器。

17.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第三壳体包括：一对相对的端部，所述一对相对的端部均侧向向外延伸超过形成悬臂端的所述第一壳体和第二壳体；以及端盖，其附接至每个悬臂端。

18.根据权利要求17所述的热交换器，还包括导流板，所述导流板设置在每个端部的所述第三壳体侧空间内并且横向地延伸到所述第三壳体，所述导流板的一端分别连接到所述第一壳体和所述第二壳体的第一终端，并且配置成防止所述壳体侧流体与所述端盖接触。

19.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述管束的各管呈正方U形，其包括设置在所述第一壳体中的第一直部，设置在所述第二壳体中且平行于所述第一直部的第二直部，以及设置在所述第三壳体中并且垂直于所述第一直部和第二直部的第三直部，所述第一直部通过90度圆角弯曲部分流体地联接到所述第三直部，并且所述第二直部通过90度圆角弯曲部分流体地联接到所述第三直部。

20.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述第一管板和所述第二管板设置成侧向相邻且彼此平行。

21.一种热交换器，包括：

纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线；

纵向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二纵向轴线，所述第二壳体平行于所述第一壳体布置；

第三壳体，其流体地联接到所述第一壳体的第一终端和所述第二壳体的第一终端，所述第三壳体在所述第一壳体和第二壳体之间侧向延伸，所述第三壳体限定横向轴线，第三壳体侧空间与所述第一壳体侧空间和第二壳体侧空间流体连通；

U形管束，其包括多个管，每个管限定管侧空间，所述管束延伸穿过所述第一壳体、所述第二壳体和所述第三壳体；

入口管板和出口第二管板；

管侧入口喷嘴，其流体地联接至所述入口管板；

管侧出口喷嘴，其流体地联接至所述出口管板；

第一膨胀接头，其联接在所述入口管板和所述第一壳体的第二终端之间；

第二膨胀接头，其联接在所述出口管板和所述第二壳体的第二终端之间；

壳体侧入口喷嘴，其与所述第二膨胀接头流体连接，其中，所述壳体侧流体通过所述第二膨胀接头引入所述第一壳体；

壳体侧出口喷嘴，其流体地联接至所述第一膨胀接头，其中，所述壳体侧流体通过所述第一膨胀接头从所述第二壳体中抽出；其中，壳体侧流体的流动路径是从所述第一壳体侧空间经过所述第三壳体侧空间到所述第二壳体侧空间。

22.一种热交换器，包括：

纵向延伸的第一壳体，其限定第一壳体侧空间和第一纵向轴线，所述第一壳体包括第一终端和第二终端；

横向延伸的第二壳体，其限定第二壳体侧空间和第二横向轴线，所述第二壳体包括第一终端和第二终端，所述第二壳体流体地联接至所述第一壳体的第一终端并且垂直于所述第一壳体取向；

L形管束，其包括分别限定管侧空间的多个管，所述管束延伸穿过所述第一壳体和第二壳体；

第一管板和第二管板；

第一膨胀接头，其联接在所述第一管板和第一壳体的第二终端之间；

第二膨胀接头，其联接在所述第二管板和第二壳体的第二终端之间；

壳体侧入口喷嘴，其流体地联接到所述第二膨胀接头，其中，所述壳体侧流体通过所述第二膨胀接头引入所述第二壳体；

壳体侧出口喷嘴，其流体地联接到所述第一膨胀接头，其中，所述壳体侧流体通过所述第一膨胀接头从所述第一壳体中抽出；

其中，壳体侧流体的流动路径是从所述第二壳体侧空间流入所述第一壳体侧空间。

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