CN112166286A - 适用于流化床锅炉的同轴传热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种同轴传热管(100)，包括：第一内部传热管(110)，具有直线部分(111、113、115、117)和弯曲部分(112、114、116)；第一外部传热管(120)，具有直线部分(121、123、125、127)和弯曲部分(122、124、126)。第一外部传热管(120)至少在第一初级直线部分(121)和第一初级弯曲部分(122)内径向围绕第一内部传热管(110)。在第一外部传热管(120)的弯曲部分(122)与第一内部传热管(110)的弯曲部分(112)之间设置有绝热材料(530)。第一外部传热管(120)的直线部分(121)和弯曲部分(122)都不包括纵向接缝。一种用于制作同轴传热管(100)的方法。

Description

适用于流化床锅炉的同轴传热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及制造热交换器管的方法。本发明涉及用于热交换器的传热管，其特别适用于流化床锅炉。本发明涉及用于热交换器的传热管，其适用于循环流化床锅炉。本发明涉及流化床热交换器。本发明涉及用于循环流化床锅炉的返料装置(loopseal)的热交换器。本发明涉及颗粒冷却器。
背景技术
从US3,351,361和US5,881,802中已知受保护的传热管。从美国专利9,371,987中已知一种具有受保护的传热管的流化床热交换器。流化床热交换器可以被布置成与锅炉(即蒸汽发生器)连接，以从流化床的床料中回收热量。通常在这种热交换器中，蒸汽变得过热，由此这种流化床热交换器可称为流化床过热器。在鼓泡流化床锅炉中，流化床热交换器可以被布置在炉子的流化床中。在循环流化床锅炉中，流化床热交换器可以被布置在返料装置中。在这种情况下，热交换器可以被称为返料装置热交换器或返料装置过热器。
从上述出版物中已知在腐蚀环境中保护热交换器的传热管。现有技术的传热管包括直线部分。在直线部分中，内部传热管已经被外部耐火物质保护。然而，当管被弯曲时，在管的弯曲部分中使用不同的保护。例如，在US9,371,987(图4)中，通过将弯曲部分布置在与流化床隔离的空间中来保护弯曲部分。在这种布置中，从流化床到热交换器管内的热交换介质的传热不是最佳的，因为热量不会通过管的弯曲部分传递。由多个部分形成的护罩也可用于为弯曲部分提供护罩。然而，这种护罩将由若干部件形成，这些部件必须彼此附接。这种附接使制造过程复杂化。作为护罩由两部分制成的证据，这种护罩包括两个纵向接缝。
发明内容
为了解决这些问题，已经发现内部传热管的弯曲部分可以通过外管或随后焊接在一起的外管件来保护，其中外管(或多个件)仅由一个管状材料制成。相应地，外管没有纵向接缝。当以这种方式被保护时，外部传热管的弯曲部分也可以被布置成与管外部的传热材料、特别是床料接触。已经发现这可以改善热交换器的传热。
这种管(即同轴管)，可以通过将内管布置到外管中并弯曲管来制造。但是，为了适当地用作过热器，内管与外管之间的距离应当是合适的。为了在弯曲管(即由管形成的同轴管)期间也控制该距离，将可硬化的绝热材料注入管之间并在弯曲管之前硬化。在硬化后，已硬化的绝热材料在弯曲期间也将管之间的距离保持在适当的范围。相应地，同轴管包括位于内管和外管之间的硬化的绝热材料。
在一个实施例中，提供了间隔装置以使管相对于彼此居中。考虑到环境的腐蚀，这有助于将外管表面的温度保持在合适的温度水平。优选地，间隔装置包括在外管的内表面上的突起。
本发明更具体地在独立权利要求中公开。从属权利要求和以下描述公开了一些实施例，其中一些是优选的。
附图说明
图1a以侧视图示出了循环流化床锅炉，
图1b以侧视图示出了鼓泡流化床锅炉，
图2a示出了包括内部传热管和外部传热管的第一同轴传热管，
图2b示出了图2a的同轴传热管的内部传热管，
图2c示出了图2a的同轴传热管的外部传热管，
图3a示出了图2a的同轴传热管的剖视图IIIa-IIIa，
图3b示出了图2a的同轴传热管的剖视图IIIb-IIIb，
图3c示出了内部传热管和外部传热管之间的间隔装置的一部分，
图3d示出了内部传热管和外部传热管之间的间隔装置的一部分，
图3e示出了内部传热管和外部传热管之间的间隔装置的一部分，
图4a示出了第一同轴传热管和第二同轴传热管，它们都包括内部传热管和外部传热管，
图4b示出了图4a的同轴传热管的内部传热管，
图4c示出了图4a的同轴传热管的外部传热管，
图5a示出了第一同轴传热管、第二同轴传热管和第三同轴传热管，
图5b示出了第一同轴传热管、第二同轴传热管、第三同轴传热管和第四同轴传热管，
图5c示出了同轴传热管，其中弯曲部分的曲率半径不是恒定的，
图5d示出了同轴传热管，
图6a示出了图4a的同轴传热管的截面图VIa-VIa，以及
图6b示出了图4a的同轴传热管的截面图VIb-VIb。
为了说明实施例的不同视图，在图中指示了三个正交方向Sx、Sy和Sz。在使用中，方向Sz大体上是竖直且向上的。这样，方向Sz大体上与重力相反。
具体实施方式
图1a以侧视图示出了循环流化床锅炉1。循环流化床锅炉1包括：炉子50；旋流器40，该旋流器为用于从烟气中分离床料的装置40；以及返料装置5，该返料装置5被构造成从旋流器40接收床料。在图1a中，烟气通道用附图标记20表示。烟气从炉子50经由烟气通道20排出。图1b以侧视图示出了鼓泡流化床锅炉1。鼓泡流化床锅炉1包括炉子50和烟气通道20。
通常，流化床锅炉1(鼓泡或循环)包括烟气通道20内的烟气热交换器26、28。烟气热交换器26、28被构造成从烟气中回收热量。一些烟气热交换器可以是过热器26，该过热器被构造成通过从烟气中回收热量来使蒸汽过热。一些热交换器可以是节热器28，其被构造成通过从烟气中回收热量来加热和/或煮沸水。
在循环流化床锅炉(图1a)中，床料从炉子50的上部被输送到旋流器40，以便将床料与气体分离。床料从旋流器40通过通道60落到返料装置5中。在返料装置5中，形成一层床料。床料经由管道15从返料装置5返回炉子50，该管道被构造成将床料从返料装置5输送到炉子50。在返料装置5中，返料装置5的壁51限定了体积V，循环床料的流化床被设置在该体积中。在鼓泡流化床锅炉(图1b)中，床料在炉子50中流化。因此，炉子50的壁51限定了体积V，床料的流化床被布置在该体积中。
通常，流化床锅炉1包括用于传热介质的管路。在使用中，传热介质在管路中循环并由热交换器、特别是烟气热交换器26、28和流化床热交换器10加热。管路形成用于传热介质的循环。在该循环中，相同的传热介质可以在烟气热交换器26、28和流化床热交换器10之间流动。通常形成循环，使得传热介质首先在节热器28中被加热，其后在过热器26中被加热。此外，在过热器26之后，传热介质在流化床热交换器10中被加热。之后，传热介质(例如，过热蒸汽)通常被输送到蒸汽轮机。
本发明特别涉及同轴传热管的结构，以及制造这种同轴管的方法。在使用中，同轴传热管可以被布置为热交换器的一部分。在优选使用中，热交换器被布置在流化床中，例如在循环流化床锅炉的返料装置5中或鼓泡流化床锅炉的炉子中。通常，热交换器包括多个管，其中第一传热介质(例如水和/或蒸汽)被构造成流动的。在管外部，第二传热介质(例如床料)被构造成流动的，由此热量通过管的壁从第二传热介质传递到第一传热介质。热交换器10当安装在流化床中时形成流化床热交换器10，该热交换器可以被制造成一部分锅炉或用于锅炉的备件。另外，同轴传热管100可以被制造为热交换器10的备件或热交换器10的一部分。流化床热交换器10可以通过将若干同轴传热管100组装在一起而制造。因此，一个实施例涉及同轴传热管100。此外，一个实施例涉及热交换器10。此外，一个实施例涉及流化床锅炉1。
在本说明书中，使用以下术语：
“传热管”是指管。传热管可以仅由一种大体上均质的材料(例如，金属，如钢)制成。当考虑可行性时，传热管可称为“普通(plain)传热管”，以区别于“同轴传热管”。普通传热管可以由某种金属构成，因为金属通常导热良好。
“同轴传热管”是指多个管的布置，其中外部传热管径向地围绕内部传热管。同轴传热管是多个管(通常仅两个管)的布置，它们是相互同轴的(见图2a、图3a和图3b)。
“直线部分”是指传热管(普通管或同轴管)的这样的部分：已经从管制造商处获得，并且尚未弯曲。通常，管制造商提供直的刚性管。在曲率半径方面，直线部分的中心线的曲率半径rs(参见图2b)至少为1米(1m)。直线部分的曲率半径rs可以是无限的或大体上无限的。
“弯曲部分”是指传热管(普通管或同轴管)的已经弯曲的部分。在曲率半径方面，弯曲部分的中心线的曲率半径rc(参见图2b或图2c)小于1米(1m)。优选地，弯曲部分的曲率半径rc是传热管(普通或同轴)的直径的至少三倍。特别地，弯的同轴管的普通管的曲率半径是相同的，因为弯曲部分的中心线限定了曲率半径。
图2a以侧视图示出了根据本发明的实施例的同轴传热管100，即第一同轴传热管100。如图2a所示，第一同轴传热管100包括第一初级直线部分101、第一初级弯曲部分102、第一次级直线部分103、第一次级弯曲部分104、第一三级直线部分105，并且还有另一个(即三级)弯曲部分106和另一个(即四级)直线部分107。这种管100可以形成热交换器10的一部分。在图2a中，第一初级直线部分101中的管内的流体传输介质的流动方向与第一次级直线部分103中的管内的流体传输介质的流动方向相反。第一次级直线部分中的管内的流体传输介质的流动方向也与第一三级直线部分105中的管内的流体传输介质的流动方向相反。
参考图2b和图3a，第一同轴传热管100包括第一内部传热管110。第一内部传热管110包括第一初级直线部分111、第一初级弯曲部分112、第一次级直线部分113、第一次级弯曲部分114、第一三级直线部分115、以及另一弯曲部分116和另一直线部分117。
参考图2c和图3a，第一同轴传热管100包括第一外部传热管120。第一外部传热管120包括第一初级直线部分121、第一初级弯曲部分122、第一次级直线部分123、第一次级弯曲部分124、第一三级直线部分125、以及另一弯曲部分126和另一直线部分127。
第一外部传热管120径向地围绕第一内部传热管110的至少一部分。第一外部传热管120在所有径向方向上径向地围绕第一内部传热管110的至少一部分。因此，第一内部传热管110的至少一部分在所有径向方向上受到保护。而且，如结合制造这种管100的方法所详细描述的，第一外部传热管120由管(例如，普通管)的一个或若干管状件形成。因此，第一外部传热管120不包括纵向接缝。纵向接缝指的是在第一外部传热管120的纵向de120(即，延伸方向，图2c)上延伸的接缝。相应地，纵向接缝不完全围绕第一外部传热管120沿管120的切向延伸，该切向垂直于纵向。因此，第一外部传热管120的至少第一初级弯曲部分121没有(即，不包括)纵向接缝。如果外管120通过在纵向上将管状部件焊接在一起而制成，则外管120可包括一个横向接缝或若干横向接缝。然而，从制造的角度来看，这不是优选的。因此，在一个实施例中，第一外部传热管120不包括接缝；既不包括纵向也不包括横向。在一个实施例中，第一内部传热管110不包括接缝，即，第一内部传热管110是无缝的。
在使用时，第一外部传热管120至少在空间V内径向围绕第一内部传热管110。但是，如图2c所示，在空间V外，内部传热管110不需要由外部传热管120保护。
图3a示出了图2a的剖视图IIIa-IIIa。如其中所示，第一外部传热管120、特别是第一外部传热管120的第一初级直线部分121径向地围绕第一内部传热管110的第一初级直线部分111的至少一部分。图3b示出了图2a的剖视图IIIb-IIIb。如其中所示，第一外部传热管120、特别是第一外部传热管120的第一初级弯曲部分122径向地围绕第一内部传热管110的第一初级弯曲部分112。
这种布置具有的技术效果是：不需要进一步保护弯曲部分112、212、114、214、116、216免受流化床料的影响。因此，也可以在弯曲部分中从流化床料中回收热量。而且，如结合制造方法所示，这种同轴管相对容易制造。
如从现有技术中已知的，外部传热管120的外表面的温度应保持相对(reasonably，相当)高，以避免过度腐蚀。因此，内部传热管110的内表面和外部传热管120的外表面之间的热阻应该是合理的，并且优选地在整个同轴传热管100中基本恒定。换言之，至少在间隔装置(131、132)外，外部传热管120的内表面与内部传热管110的外表面之间的距离d(参见图3c)应该是基本恒定的。此外，一些绝热材料530被布置在管110、120之间以控制热传递。然而，在实践中，弯曲同轴管以形成弯的部分具有这样的效果：在整个同轴管中间距通常不是精确恒定的。间距可以在弯曲部分的外侧上稍微减小。管110、120之间的绝热材料530的另一个功能是帮助管110、120的弯曲，使得即使在弯曲期间弯曲部分中的距离d也不会改变很多。
在一个实施例中，距离d在直线部分(101、103、105)和外部间隔装置(131、132)内是恒定的。因此，在一个实施例中，除了一个间隔装置或多个间隔装置(131、132)(如果存在的话)之外，无论直线部分内的观察点如何，距离d都是相同的。距离d可以是例如从0.3mm到5mm，例如从1mm到4mm，优选地从1mm到2mm。除了一个间隔装置或多个间隔装置之外，直线部分处的距离d可以是恒定的，例如，从0.5mm到5mm，例如从1mm到4mm，优选地从1mm到2mm。由于同轴管100的管110、120是同轴的，因此距离d在同轴管的横截面内是恒定的。另外，在弯曲部分102内，管之间的距离d也可以是，例如从0.3mm到5mm，例如从1mm到4mm，优选地从1mm到2mm。
第一内部传热管110应该承受相对高的温度和高压。为了量化这一点，第一内部传热管110应该在500℃的温度下承受管110的内表面与外表面之间100巴的压力差。更优选地，第一内部传热管110应该在600℃的温度下承受管110的内表面与外表面之间150巴的压力差。由于这些原因，在一个实施例中，第一内部传热管110包括钢，优选地为铁素体钢或奥氏体钢。在一个实施例中，第一内部传热管110的壁的厚度为至少3mm，例如从3mm至10mm。
第一外部传热管120不需要承受这样的高压。因此，在一个实施例中，第一内部传热管110的壁的厚度大于第一外部传热管120的壁的厚度。然而，因为管之间的热绝缘体530；第一外部传热管120需要承受比第一内部传热管110更高的温度。因此，在一个实施例中，第一外部传热管120包括钢，优选地奥氏体钢。此外，由于使用中的管110、120的热膨胀，优选地，第一外部传热管120和第一内部传热管110由相同的材料制成，例如，奥氏体钢。
参考图3a和图3b，固体(例如硬化的)绝热材料530已经被布置在第一内部传热管110与第一外部传热管120之间。材料530已经布置在[i]第一内管110的第一初级直线部分111与第一外管120的第一初级直线部分121之间，以及[ii]第一内管110的第一初级弯曲部分112与第一外管120的第一初级弯曲部分122之间。
关于直线部分和弯曲部分，绝热材料530的导热率应该足够高以通过同轴管100回收热量。此外，导热率应该足够低以保持同轴管的外表面的温度在使用中足够高。优选地，绝热材料530的导热率在20℃为1W/mK至10W/mK。而且，绝热材料530应该耐热以便承受高的工作温度。因此，在一个实施例中，绝热材料530的耐热性至少高达1000℃。关于一个或多个弯曲部分，绝热材料530的功能是在同轴管100弯曲期间用作机械支撑。因此，当硬化时，绝热材料530应具有相对高的杨氏模量，以便不被压缩。在一个实施例中，同轴管100的绝热材料530的杨氏模量在20℃的温度下至少为1GPa。在一个实施例中，同轴管100的绝热材料530的杨氏模量在20℃的温度下至少为5GPa。
可以通过将内管110的至少一部分插入外管120中使得外管120径向围绕内管110的一部分来制造同轴传热管100。此外，内管110至少延伸通过外管120而从外管120的一端120a到外管120的另一端120b(参考图2a到图2c)。以这种方式，形成直的同轴传热管。此后，绝热材料530被布置在管110、120之间。在一个实施例中，绝热材料530是可硬化的并且在硬化之前也是可注射的。因此，在一个实施例中，将绝热材料530注入管110、120之间。此后，绝热材料530可以被硬化(例如干燥)以使材料足够硬以使其充当机械支撑，如上所述。硬化可以在100℃至400℃的温度下进行。最后，将直的同轴传热管在合适的位置处弯曲成合适的曲率半径。优选地，直的同轴管在如下的温度被弯曲：管110、120的温度低于300℃、例如低于200℃。直管弯曲的温度可以是至少-50℃，例如0℃至50℃，例如大体上室温。
由于所述弯曲，内管110和外管120(即普通管)应由可弯曲材料，即延性材料制成。合适的材料包括多种金属，特别是钢，例如铁素体钢或奥氏体钢。
已经发现，同轴传热管100的弯的(bent)(即，弯曲(curved))部分的曲率半径rc与第一同轴传热管100的外径d120的比率rc/d120优选地为至少3。这具有如下效果：管110、120之间的距离在弯曲期间保持基本恒定。更优选地，比率rc/d120至少为3.3，例如至少为3.5。
还发现，同轴传热管100的弯的(即，弯曲)部分的曲率半径rc与第一内部传热管110的外径d110的比率rc/d110优选地为至少3。这具有如下效果：内部传热管110承受高压的能力在弯曲同轴管100期间基本保持不变。更优选地，比率rc/d110至少为3.3，例如至少为3.5。将内部传热管110弯曲成小的(或更小的)曲率半径将使得同轴传热管100的弯曲后热处理(PBHT)成为必须，并且这样使制造过程复杂化。因此，具有相对大的曲率半径导致更简单的制造过程。
绝热材料530可以从外部传热管120的端部(120a、120b)供给到管110、120之间。另外或者可选地，孔口135(参见图3a)可以形成到外部传热管120，绝热材料530可以经由该孔口注入管110、120之间。稍后可以关闭孔口。因此，在一个实施例中，第一外部传热管120包括孔口135，该孔口可以是封闭的，绝热材料530已经通过该孔口被供给(例如注入)到第一内部传热管110和第一外部传热管120之间。通过孔口135注入具有的有益效果是可以使用更高的注射压力，从而可以更快地进行注射。
已经发现，管110、120的居中可能是困难的，因为它们都不是天然无限直的。已经发现，通过使用至少一个间隔装置131，管110、120可以相对于彼此居中。间隔装置131由不同于绝热材料530的固体材料制成。因此，已经发现通过包括至少一个间隔元件(119、129)的第一间隔装置131，可以使弯曲前的管之间的距离d基本恒定。第一间隔装置131被构造成在管100的直线部分(101、111、121、103、113、123)的位置处在第一外部传热管120的内表面与第一内部传热管110的外表面之间限定恒定距离d。实际上，第一间隔装置131被构造成使内管110与外管120以平行且同轴的方式对齐。参考图3c，第一外部传热管120的内表面上的突起129可以用作间隔装置的间隔元件之一。在一个实施例中，第一外部传热管120的内表面上的突起129用作间隔装置的(至少一些)间隔元件。
另外或可替代地，在第一内部传热管110的外表面上的突起119(参见图3c)可以用作间隔装置的间隔元件之一。这种突起可以是例如焊接在第一内部传热管110的外表面上。在一个实施例中，第一内部传热管110的外表面上的突起119用作间隔装置的(至少一些)间隔元件。然而，由于内部传热管110需要在高温下承受高压，优选地，第一内部传热管110的外表面没有突起119。因此，优选地，间隔装置131由第一外部传热管120的内表面上的突起129构成。
参考图3c，第一间隔装置131包括至少三个突起129。优选地，第一间隔装置131包括至多十个突起129。更优选地，第一间隔装置131包括四到八个突起129。突起129不需要处于管100的相同纵向位置处。突起可以被布置在第一间隔装置131的长度内，其中第一间隔装置131的长度可以是例如最多100mm。
在一个实施例中，第一同轴传热管100包括第二间隔装置132。与第一间隔装置131组合的第二间隔装置132也被构造成使内管110和外管120以平行和同轴的方式对齐。第二间隔装置也由除绝热材料530之外的固体材料制成。参考图2c，优选地，第一间隔装置131与第二间隔装置132之间的距离d131沿着第一同轴传热管100为从100mm至2000mm。距离d131不应太大，以使管110、120相对于彼此居中。此外，距离d131不应太小，以在管110、120之间具有合适的绝热性能。优选地，距离d131为300mm至1000mm。
突起129可以例如通过将盲孔128冲压到外部传热管120的外表面上而在外部传热管120的内表面上制成，由此外部传热管120将局部地弯曲以在外管120的内表面上形成突起129，如图3d所示。这种弯曲至少在外部传热管120包括金属时发生，该金属例如为延性金属，例如钢，诸如奥氏体钢。通常，适合于该目的的金属具有至少1000℃的熔点。因此，在一个实施例中，外部传热管120包括这些材料中的一种。在一个实施例中，第一外部传热管120(以及可选地还有第二外部传热管220)在其外表面上包括盲孔128。特别地，参考图3d和图2c，这种盲孔128和相应的突起129(即第一间隔装置131)沿第一外部传热管120的延伸方向de120被布置在第一外部传热管120的第一端120a和第一外部传热管120的第二端120b之间。第一间隔装置131(例如，对应于突起129的盲孔128)可以被布置为与第一外部传热管120的两个端部120a、120b分隔至少50mm或至少150mm。因此，该方法的一个实施例包括将盲孔128冲压到外部传热管120的外表面上，使得突起129形成在外管120的内表面上。这种突起129形成第一间隔装置131。优选地，[i]在将内管110的至少一部分布置到外管120内之后以及[ii]在将绝热材料530布置(例如，注入)到管110、120之间之前，盲孔128被冲压。在将内管110布置到外管120中之前，可以设置外管120的突起129和/或内管110的突起119。
已经注意到，如果在弯曲的管100的这样一部分处使用间隔装置131、132，则间隔装置131、132在弯曲期间将容易劣化内管110的机械性能。因此，优选地，在同轴管100的弯曲部分中不设置间隔装置131、132。因此，在一个实施例中，同轴传热管100的这种弯曲部分(其中心轴线的曲率半径小于1m)不包括间隔装置(131、132)。然而，如上所述，绝热材料530在管110、120之间限定了空间；且材料530也用在弯曲部分内。因此，优选地，除了绝热材料530之外，同轴传热管100的弯曲部分不包括间隔装置，该间隔装置(131、132)被构造成至少在管100的直线部分(101、103)处，在第一外部传热管120的内表面和第一内部传热管110的外表面之间限定距离d。因此，盲孔128可以仅被冲压到管100的在所述弯曲之后将仍然为直线的部分。相应地，实施例仅包括弯曲管100的一个或多个没有间隔装置的部分。此外，在一个实施例中，第一同轴传热管100包括盲孔128，但仅在同轴管100的一个或多个直线部分处包括盲孔128。
热交换器10(例如，流化床热交换器10)包括第一同轴传热管100。此外，流化床热交换器10的至少一部分在优选的使用中被布置在空间V中，流化床被构造成在使用中形成到该空间中。在一个实施例中，[i]第一外部传热管120的第一初级弯曲部分122和[ii]第一外部传热管120的第一初级直线部分121均被构造成在使用中接触流化床的床料。
具有内管110和与内管110同轴的外管120的同轴传热管100具有若干有益效果，例如在美国专利9,371,987中示出的。不具有用于同轴传热管的弯曲部分的单独保护容器改善了到内部传热管110中的热传递。
参考图2b，并且根据上面给出的定义，在一个实施例中，第一内部传热管110的第一初级直线部分111的中心线的曲率半径rs至少为1m。另外或可选地，第一内部传热管110的第一初级弯曲部分112的中心线的曲率半径rc小于1m。参考图2a，上文给出的定义也可以应用于包括内管110和外管120的第一同轴传热管100。
参考图2b，在一个实施例中，管100以如下方式弯曲：第一同轴传热管100的至少直线部分被布置成在平面P内延伸。在一个实施例中，第一初级直线部分101和第一次级直线部分103在平面P内延伸。此外，在第一同轴传热管100包括第一三级直线部分105的实施例中，第一三级直线部分105也在平面P内延伸。这也适用于内管110和外管120以及它们的部分111、113、115和121、123、125，如图2和图2c所示。
参考图2a，在一个实施例中，热交换器10(和/或流化床锅炉1)包括：第一同轴传热管100；分配器头510，其被构造成将传热介质供给到第一同轴传热管100，特别是其内部传热管110；收集器头520，被构造成从第一同轴传热管100，特别是其内部传热管110收集传热介质。如上面和图2a所示，第一同轴传热管100(特别是其内部传热管110)从分配器头510延伸到收集器头520。外管120不需要从分配器头510延伸到收集器头520，如图2c所示。
如果仅使用一个具有直线部分和弯曲部分的同轴传热管100，为了在相对小的体积内具有相对大的传热表面，管100应该在若干位置处弯曲到相对小的曲率半径。具有小的曲率半径将使直线部分101、103彼此靠近(参见图2a)。然而，如上所述，由于制造原因，优选地，弯曲部分的曲率半径不会太小。因此，同轴管的两个直线部分(例如图2a的部分101、103)之间的距离实际上相对大。为了减小传热管之间的距离，并且以这种方式增加体积内的传热表面，已经发现可以使用在这样的平面内并排的至少两个同轴管，使得第二同轴管的一部分留在第一同轴管的两个部分之间。特别是，参考图4a，直线部分201和101之间的距离可以根据需要做得尽可能小，即使由于适当的曲率半径，直线部分103和101之间的距离需要相对大。以这种方式，由图4a的同轴管可获得的每体积的传热表面比图2a的同轴管大得多。
还发现，并排布置的同轴传热管的最佳数量为至少两个，例如两个(图4a)、三个(图5a)、四个(图5b)、五个(未示出)、或六个(未示出)，即使数量可为只有一个(图2a)。
如图2a和图4a所示，第一初级弯曲部分(第一同轴管100及其普通管110、120的第一初级弯曲部分102、112和122)将第一初级直线部分(分别为101、111和121)连接到第一次级直线部分(分别为103、113和123)。因此，第一初级弯曲部分(分别为102、112和122)沿着第一(同轴或普通)传热管(分别为100、110和120)布置在第一初级直线部分(分别为101、111和121)与第一次级直线部分(分别为103、113和123)之间。此处术语“沿着”指的是传热介质被配置成在第一(同轴或普通)传热管(100、110和120)中流动所沿的方向。
参考图4a、图6a和图6b，在一个实施例中，热交换器10还包括第二同轴传热管200，其具有第二内部传热管210和第二外部传热管220。第二同轴传热管200从分配器头510延伸到收集器头520。此外，参考图6a和图6b，第二同轴传热管200包括：
-第二初级直线部分201，具有第二内管210的第二初级直线部分211和第二外管220的第二初级直线部分221，
-第二次级直线部分203，具有第二内管210的第二次级直线部分213和第二外管220的第二次级直线部分223，以及
-第二初级弯曲部分202，具有第二内管210的第二初级弯曲部分212和第二外管220的第二初级弯曲部分222。
如图4a所示，第二初级弯曲部分(第二同轴管200及其普通管210、220的第二初级弯曲部分202、212和222)将第二初级直线部分(分别为201、211和221)连接到第二次级直线部分(分别为203、213和223)。因此，第二初级弯曲部分(分别为202、212和222)沿着第二(同轴或平面)传热管(200、210和220)被布置在第二初级直线部分(分别为201、211和221)与第二次级直线部分(分别为203、213和223)之间。此处术语“沿着”指的是传热介质被构造成在第二(同轴或普通)传热管(200、210和220)中流动所沿的方向。
上面已经定义了弯曲部分和直线部分的限定的曲率半径。这适用于第一同轴管100和第二同轴管200两者。
参考图4a，在一个实施例中，第一同轴传热管100和第二同轴传热管200相对于彼此布置，使得第一初级直线部分101被布置在第二初级直线部分201与第二次级直线部分203之间。这也适用于内管(110、120)的直线部分111、211和213以及外管(120、220)的直线部分121、221和223，如图4a至图4c所示。如上所述，这具有如下技术效果：同轴传热管的相对高的传热表面可以设置在相对小的空间V中，而不使用过度弯曲的管(即，具有小曲率半径的弯曲部分)。这简化了同轴管(100、200)的制造。
如上所述，术语“同轴传热管”是指被同轴地布置的管的布置。因此，在这种情况下，不同的同轴传热管(100、200)不是相互同轴的。因此，在一个实施例中，第一同轴传热管100的任何部分都不与第二同轴传热管200的一部分同轴。应注意的是，两个传热管的类似布置可用于需要小体积内的高面积的其它应用中，无论该应用的传热管是同轴还是普通。
分配器头510被构造成将传热介质供给到第一同轴传热管100(特别是第一内管110)和第二同轴传热管200(特别是第二内管210)。以类似的方式，收集器头520被构造成从第一同轴传热管100(特别是内管110)和第二同轴传热管200(特别是第二内管210)收集传热介质。显而易见，当传热介质通过同轴传热管100、200从分配器头510流到收集器头520时，传热介质被加热。
参考图2a，在一个实施例中，在同一平面P内从分配器头510延伸到收集器头520的同轴传热管的数量Ntube可以只有一个，因为仅存在第一同轴管100。然而，参考图4a，在一个实施例中，在同一平面P内从分配器头510延伸到收集器头520的同轴传热管的数量Ntube可以是两个，因为还存在第二同轴管200。参考图5a，热交换器10可包括第三同轴传热管300，该第三同轴传热管300在同一平面P内从分配器头510延伸到收集器头520。因此，数量Ntube可以是三个。参考图5b，热交换器10可包括第四同轴传热管400，该第四同轴传热管400在同一平面P内从分配器头510延伸到收集器头520。因此，数量Ntube可以是四个。即使未示出，数量Ntube可以是五个、六个或多于六个。参考图5a，如果需要，同轴管100、200、300可以用结合件540粘合在一起。结合件540改善了热交换器10的机械稳定性。优选地，在同一平面P的内部延伸的同轴传热管的数量Ntube为至少两个或至少三个。
在一个实施例中，流化床锅炉1或流化床锅炉的流化床热交换器10包括Ntube个这种同轴传热管(100、200、300、400)，这些同轴传热管[i]从分配器头510延伸到收集器头520以及[ii]至少包括初级直线部分(101、201、301)、次级直线部分(103、203、303)和初级弯曲部分(102、202、302)，该初级弯曲部分将所讨论的管的初级直线部分连接到所讨论的管的次级直线部分。
参考图5a，在一个实施例中，数量Ntube是三。如上所述，这种实施例包括第一和第二同轴传热管100、200。此外，在该实施例中，流化床锅炉1或适用于锅炉1的流化床的热交换器10包括从分配器头510延伸到收集器头520的第三同轴传热管300。第三同轴传热管300包括如上所述的用于第一和第二管100、200的部分。在一个实施例中，第三同轴传热管300包括内部传热管和外部传热管，如上面与第一同轴传热管100和/或第二同轴传热管200一起讨论的。
参考图5a，第三同轴传热管300包括第三初级直线部分301和第三次级直线部分303。第二同轴传热管200和第三同轴传热管300相对于彼此布置，使得第二初级直线部分201被布置在第三初级直线部分301与第三次级直线部分303之间。应用了上述关于第一和第二同轴传热管(100、200)的相对布置的内容。如上所述，在一个实施例中，第一初级直线部分101、第二初级直线部分201和第二次级直线部分203在平面P内延伸。当存在第三同轴传热管时，在一个实施例中，第三初级直线部分301和第三次级直线部分303也在平面P内延伸。
参考图5b，在一个实施例中，数量Ntube是四。该实施例包括如上所述的第一、第二和第三同轴传热管100、200、300。此外，在该实施例中，流化床锅炉1或适用于锅炉1的流化床的热交换器10包括从分配器头510延伸到收集器头520的第四同轴传热管400。
参考图4a，在一个实施例中，同轴传热管100、200具有更多的弯曲部分。这具有这样的效果：分配器头510和收集器头520之间的距离可以相对地大，同时仍然使管100、200的直线部分彼此靠近。具有彼此靠近的管100、200的直线部分增加了传热面积，这改善了热回收。优选地，管的直线部分被布置在同一平面P中。
如图所示，弯曲部分优选地是这样的弯曲部分：管内的传热介质的传播方向在弯曲部分内改变30度至180度。例如图2a和图4a示出了弯曲部分102、202，其将流动方向改变180度。例如，图5d示出了将流动方向改变90度的弯曲部分302和将流动方向改变另外90度的另一弯曲部分306。以类似的方式，通过使用由直线部分彼此分开的更多弯曲部分，可以形成180度的转弯。参考图5c，弯曲部分的曲率半径不需要是恒定的。
优选地，如上所述的流化床热交换器10用在循环流化床锅炉的返料装置5中。因此，在一个实施例中，流化床锅炉1包括用于将床料与烟气分离的装置40。参考图1a，在一个实施例中，流化床锅炉1包括用于从烟气中分离床料的旋流器40。流化床锅炉包括返料装置5，该返料装置被构造成从用于从烟气中分离床料的装置40(例如从旋流器)接收床料。此外，流化床热交换器10的至少一部分被布置在返料装置5中。例如，参考图2b和图2c，分配器头510和收集器头520可以布置在返料装置外部。然而，如上所述，同轴传热管(100、200)的至少大部分被布置在返料装置中。例如，在一个实施例中，如上所述，流化床热交换器10的同轴传热管(100、200)的(如纵向测量的)至少90％被布置在返料装置5中。

Claims (16)

1.一种同轴传热管(100)，包括：
-第一内部传热管(110)，具有第一初级直线部分(111)和第一初级弯曲部分(112)，
-第一外部传热管(120)，具有第一初级直线部分(121)，其中
-所述第一外部传热管(120)的第一初级直线部分(121)径向围绕所述第一内部传热管(110)的第一初级直线部分(111)的至少一部分，以及
-所述第一外部传热管(120)的第一初级直线部分(121)不包括纵向接缝，
其特征在于
-所述第一外部传热管(120)还具有第一初级弯曲部分(122)，其中
-所述第一外部传热管(120)的第一初级弯曲部分(122)径向围绕所述第一内部传热管(110)的第一初级弯曲部分(112)，
-所述第一外部传热管(120)的第一初级弯曲部分(122)不包括纵向接缝；所述同轴传热管(100)包括：
-在所述第一外部传热管(120)的第一初级弯曲部分(122)和所述第一内部传热管(110)的第一初级弯曲部分(112)之间的绝热材料(530)，其中
-所述绝热材料(530)的导热率在20℃的温度下为1W/mK至10W/mK。
2.根据权利要求1所述的同轴传热管(100)，包括：
-第一间隔装置(131)，其包括至少一个间隔元件(119、129)，所述第一间隔装置(131)被构造成限定所述第一外部传热管(120)的内表面与第一内部传热管(110)的外表面之间的距离(d)，其中
-所述第一间隔装置(131)沿所述第一外部传热管(120)的延伸方向(de120)被布置在所述第一外部传热管(120)的第一端(120a)与所述第一外部传热管(120)的第二端(120b)之间；
优选地，
-所述第一间隔装置(131)的至少一个间隔元件(129)形成为所述第一外部传热管(120)的内表面上的突起(129)，和/或所述第一间隔装置(131)的至少一个间隔元件(119)形成为所述第一内部传热管(110)的外表面上的突起(119)；
更优选地，
-所述第一外部传热管(120)的外表面包括在所述第一外部传热管(120)的内表面上的突起(129)的位置处的盲孔(128)；
甚至更优选地，
-所述第一外部传热管(120)的外表面仅在所述第一外部传热管(120)的一个或多个直线部分(121、123、125、127)处包括盲孔(128)。
3.根据权利要求1或2所述的同轴传热管(100)，其中
-所述绝热材料(530)的杨氏模量在20℃的温度下为至少1GPa或至少5GPa，以及
-所述绝热材料(530)的耐热性至少高达1000℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的同轴传热管(100)，其中
-所述第一外部传热管(120)包括孔口(135)或封闭孔口(135)，至少一些所述绝热材料(530)已经通过该孔口被供给到所述第一内部传热管(110)和所述第一外部传热管(120)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的同轴传热管(100)，其中
-所述同轴传热管(100)的弯曲部分的中心轴线的曲率半径小于1m，所述弯曲部分不包括除了所述绝热材料(530)之外的间隔装置，该间隔装置将被构造成限定所述第一外部传热管(120)的内表面与所述第一内部传热管(110)的外表面之间的距离(d)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的同轴传热管(100)，包括：
-第二间隔装置(132)，包括至少一个间隔元件(119、129)，所述第二间隔装置(132)被构造成限定所述第一外部传热管(120)的内表面与所述第一内部传热管(110)的外表面之间的距离(d)，其中
-所述第二间隔装置(132)沿所述第一外部传热管(120)的延伸方向(de120)被布置在所述第一外部传热管(120)的第一端(120a)与所述第一外部传热管(120)的第二端(120b)之间，以及
-所述第一间隔装置(131)与所述第二间隔装置(132)之间的距离为从100mm至2000mm；优选地，从300mm到1000mm；其沿着所述第一外部传热管(120)的延伸方向(de120)测量；
优选地，
-所述第二间隔装置(132)未被设置在所述同轴传热管(100)的弯曲部分(102、104、106)处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的同轴传热管(100)，其中
-在所述第一内部传热管(110)的外表面与所述第一外部传热管(120)的内表面之间留有距离(d)，其中
-所述距离(d)至少为0.3mm，并且最多为5mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的同轴传热管(100)，其中
-所述第一内部传热管(110)的第一初级直线部分(111)的中心线的曲率半径(rs)至少为1m，以及
-所述第一内部传热管(110)的第一初级弯曲部分(112)的中心线的曲率半径(rc)小于1m；
优选地，
-所述第一内部外部传热管(110)的第一初级弯曲部(112)的中心线的曲率半径(rc)与所述第一内部传热管(110)的外径(d110)的比率(rc/d110)至少为3，优选至少为3.3。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的同轴传热管(100)，其中
-所述第一内部传热管(110)的壁的厚度大于所述第一外部传热管(120)的壁的厚度，和/或
-所述第一外部传热管(120)包括钢，例如奥氏体钢，和/或
-所述第一内部传热管(110)包括钢，例如奥氏体钢或铁素体钢；
优选地
-所述第一外部传热管(120)和所述第一内部传热管(110)由相同材料制成。
10.一种热交换器(10)，包括：
-根据权利要求1至9中任一项所述的第一同轴传热管(100)，
-分配器头(510)，被构造成将传热介质供给到所述第一内部传热管(110)，以及
-收集器头(520)，被构造成从所述第一内部传热管(110)收集传热介质，其中所述热交换器(10)包括：
-第二同轴传热管(200)，具有
·第二内部传热管(210)，具有第二初级直线部分(211)和第二初级弯曲部分(212)，
·第二外部传热管(220)，具有第一初级直线部分(221)和第二初级弯曲部分(222)，其中
-所述第一内部传热管(110)从所述分配器头(510)延伸到所述收集器头(520)并且具有第一次级直线部分(113)，所述第一初级弯曲部分(112)将所述第一次级直线部分(113)连接到所述第一初级直线部分(111)，
-所述第二内部传热管(210)从所述分配器头(510)延伸到所述收集器头(520)并且具有第二次级直线部分(213)，所述第二初级弯曲部分(212)将所述第二次级直线部分(213)连接到所述第二初级直线部分(211)，以及
-所述第一内部传热管(110)和所述第二内部传热管(210)相对于彼此被布置成使得
-所述第一初级直线部分(111)被布置在所述第二初级直线部分(211)和所述第二次级直线部分(213)之间；
优选地，
-所述第一初级直线部分(111)与所述第一次级直线部分(113)平行地延伸，
-所述第二初级直线部分(211)与所述第二次级直线部分(213)平行地延伸，以及
-所述第一初级直线部分(111)与所述第二初级直线部分(211)平行地延伸。
11.根据权利要求10所述的热交换器(10)，包括：
-一定数量(Ntube)的同轴传热管(100、200、300、400)，从所述分配器头(510)延伸到所述收集器头(520)，并且至少具有初级直线部分、次级直线部分和初级弯曲部分，其中
-所述同轴传热管中没有一个与所述同轴传热管中的另一个同轴，
-所述同轴传热管的直线部分在一平面(P)中延伸，以及
-所述同轴传热管的数量(Ntube)为一个、二个、三个、四个、五个或六个；优选地为至少两个，更优选地为至少三个，例如恰好三个。
12.一种流化床锅炉(1)，包括
-炉子(50)，
-烟气热交换器(26、28)，被构造成从所述炉子(50)排出的烟气中回收热量，
-壁(51)，限定空间(V)，所述流化床被构造成在所述流化床锅炉的使用中形成到该空间中，以及
-根据权利要求1至9中任一项所述的同轴传热管(100)或根据权利要求10至11中任一项所述的热交换器，其中
-所述同轴传热管(100)或所述热交换器(10)的同轴传热管(100)的至少一部分被布置在所述空间(V)中。
13.根据权利要求12所述的流化床锅炉(1)，包括：
-装置(40)，用于将床料与烟气分离，以及
-返料装置(5)，被构造成从用于将所述床料与所述烟气分离的装置(40)接收所述床料，其中
-所述同轴传热管(100)或所述热交换器(10)的同轴传热管(100)的至少一部分被布置在所述返料装置(5)中。
14.一种制造同轴传热管(100)的方法，所述方法包括：
-布置可用的内部传热管(110)和外部传热管(120)，
-将所述内部传热管(110)的至少一部分插入所述外管(120)中，使得所述内部传热管(110)至少延伸通过所述外部传热管(120)以形成直的同轴传热管(100)，以及
-在所述内部传热管(110)与所述外部传热管(120)之间布置绝热材料(530)，
其特征在于
-将所述绝热材料(530)硬化，以及
-在将所述绝热材料(530)硬化之后，弯曲所述直的同轴传热管(100)以形成所述同轴传热管(100)的第一初级弯曲部分(102)，其中
-在所述硬化之后，所述绝热材料(530)的导热率在20℃的温度下为1W/mK至10W/mK。
15.根据权利要求14所述的方法，包括
-在所述弯曲之前，例如通过将盲孔(128)冲压到所述外部传热管(120)的外表面上，在所述外部传热管(120)的内表面和/或所述内部传热管(110)的外表面上形成第一突起(131、129、119)；
优选地，所述方法包括
-在所述弯曲所述直的同轴传热管(100)之前，还在所述外部传热管(120)的内表面或所述内部传热管(110)的外表面上形成第二突起(132、129、119)，使得所述第一突起(131)与所述第二突起(132)之间的距离为从100mm至2000mm；优选地，从300mm至1000mm。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中
-在所述硬化之前，将所述绝热材料(530)注入所述内部传热管与所述外部传热管(110、120)之间，以及
-在所述硬化之后，
·所述绝热材料(530)的杨氏模量在20℃的温度下为至少1GPa或至少5GPa，以及
·所述绝热材料(530)的耐热性至少高达1000℃。
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