CN118140108A - 带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器 - Google Patents

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M·格林
J·韦伯利
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Abstract

提供了带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器。热交换器可以包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每一个包括至少一个围绕其长度扭绞的管或至少一对围绕彼此扭绞或缠绕的管。当前公开的带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器可以特别适合于使用聚合物管具有优势的应用(比如在酸溶液、食品和饮料流体的情况下)，以及适合于其中使用金属热交换器破坏用于捕获的胺的碳捕获应用。

Description

带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2021年10月12日提交的名称为“POLYMERIC TUBE-IN-SHELLHEAT EXCHANGER WITH TWISTED TUBES(带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器)”的美国专利申请No.63/262,403号在35U.S.C.§119(e)下的权益，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开广义上涉及管束热交换器，特别是扭绞管热交换器。
背景技术
管束热交换器被用于许多应用中，并且已经被广泛用于汽车应用中。这样的热交换器通常包括封装在外壳或壳体中的一束间隔开的平行管。第一热交换流体流动通过管，而第二热交换流体流动通过外壳并且穿过管的外表面之间的间隙空间。
在管束热交换器的典型结构中，圆形横截面的平行管在其端部处通过穿孔的集管板(也称为管片材)保持在适当位置处。除了保持管之外，集管板还提供密封以防止管内部与外壳内部之间的流动连通。
发明内容
在一个方面中，提供了一种带有扭绞管的聚合物壳中管式(polymeric tube-in-shell)热交换器。热交换器可以包括一个或多个聚合物管束。所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括一组或多组围绕一个或多个管扭绞或缠绕的两个或更多个管，每个管包括管状壁和被构造成用于使第一流体流动通过的通路，热交换器被构造成用于使第二流体通过扭绞管之间的空间。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一组或多组的所述两个或更多个管具有固定的长度。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括多对围绕彼此扭绞或缠绕的管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕彼此扭绞或缠绕的管的多个三元组或者围绕彼此扭绞或缠绕的多个管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括多个非圆形管，每个管围绕其各自的长度扭绞。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的卵形/椭圆形管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花生形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的多边形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花瓣形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的叶状扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述两个或更多个聚合物管包括从所述两个或更多个管的外表面向外延伸的一个或多个外部肋，每个管围绕其各自的长度扭绞。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述两个或更多个管包括从所述一个或多个管的内表面向外或向内延伸的一个或多个内部通道或内部肋，每个管围绕其各自的长度扭绞。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
在另一方面中，提供了一种带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器。热交换器可以包括一个或多个聚合物管束。所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括多个聚合物管。每个管包括管状壁和被构造成用于使第一流体流动通过的通路。热交换器被构造成用于使第二流体通过扭绞管之间的空间。所述多个聚合物管中的至少一个包括从围绕其长度扭绞的管状壁延伸的一个或多个肋。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述多个聚合物管具有固定的长度。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括多个非圆形管，每个管围绕其各自的长度扭绞。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的卵形或椭圆形管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花生形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的多边形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花瓣形扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的叶状扭绞管。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述两个或更多个管中的至少一个包括从围绕其各自的长度扭绞的所述一个或多个管的内表面向外或向内延伸的一个或多个内部通道或内部肋。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个外部肋从管状壁的外表面向外延伸。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个外部肋从管状壁的内表面向内延伸。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
在另一方面中，提供了一种带有管的聚合物管中管式交换器。热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括一个或多个聚合物双管结构，每个聚合物双管结构包括内管、外管、从外管的内表面延伸至内管的外表面的多个肋，所述多个肋沿着聚合物双管结构的纵向轴线扭绞。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，聚合物双管结构的外管沿着其各自的长度是直的。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，内管包括第一管状壁和被构造成用于使第一流体通过的通路，外管包括第二管状壁。外管的第二管状壁的内表面与内管的第一管状壁的外表面之间的空间被构造成用于使第二流体通过。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，所述一个或多个聚合物双管结构具有固定的长度。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，热交换器还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
在可以与每一个公开的示例组合的一些示例中，提供了一种用于制造一个或多个聚合物管束的方法。该方法可以包括由聚合物通过挤压形成聚合物管。该方法还可以包括使一个或多个聚合物管扭绞以形成扭绞管或两个或更多个扭绞管的子组。该方法还可以包括由扭绞管或所述两个或更多个扭绞管的子组形成扭绞管束。
附图说明
为了描述可以获得本公开的优点和特征的方式，参考附图中示出的本公开实施例。应当理解，这些附图仅描绘了本公开的示例性实施例，因此不应当被认为是对其范围的限制，这里的原理通过使用附图以额外的特异性和细节来描述和解释说明，其中：
图1描绘根据本公开的示例性实施例的常规管壳式热交换器的流动模式的图解视图；
图2A描绘根据本公开的示例性实施例的常规扭绞管金属热交换器的图形表示；
图2B描绘图2A的根据本公开的示例性实施例的常规扭绞管金属热交换器的放大视图；
图3描绘根据本公开的示例性实施例的扭绞对热交换器束的立体图；
图4描绘根据本公开的示例性实施例的卵形/椭圆形管的立体图；
图5描绘根据本公开的示例性实施例的花生形扭绞管的立体图；
图6描绘根据本公开的示例性实施例的三边形扭绞管的立体图；
图7描绘根据本公开的示例性实施例的花瓣形扭绞管的立体图；
图8描绘根据本公开的示例性实施例的五叶状扭绞管的立体图；
图9描绘根据本公开的示例性实施例的带有扭绞翅片/肋的管的立体图；
图10描绘根据本公开的示例性实施例的五叶状扭绞管的束的立体图；
图11描绘根据本公开的示例性实施例的带有扭绞肋的管的束的立体图；
图12示出根据本公开的示例性实施例的应用于外壳内的管束的外包裹物的横截面视图；
图13示出根据本公开的示例性实施例的应用于外壳内的带有肋的管的束的外包裹物的横截面视图；
图14示出根据本公开的示例性实施例的在带有内部通道的管内具有膛线的管的立体图；
图15示出根据本公开的示例性实施例的在带有内部肋的管内具有膛线的管的立体图；
图16A示出根据本公开的示例性实施例的管中管构造的立体图；
图16B示出根据本公开的示例性实施例的管中管构造的端部横截面视图；
图17A是根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的立体图；
图17B是图17A的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的侧视截面视图；
图17C是图17A的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的端视图；和
图17D是图17B的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的一部分的放大侧视截面视图。
具体实施方式
图1描绘根据本公开的示例性实施例的常规管壳式热交换器的流动模式的图解视图。在管壳式热交换器100中，来自管入口108A的第一流体104通过管102A-102D内部并且从管出口108B离开，而来自壳体入口110A的第二流体106围绕并且沿着管102通过壳体103内并且从壳体出口110B离开。第一流体104也被称为在管102A-102D内流动的内部流体，而第二流体也被称为在管102A-102D外流动的外部流体。壳体入口110A在第一端部112A处定位在管出口108B附近，而管入口108A在与第一端部112A相反的第二端部112B处定位在壳体出口110B附近。在热交换器的壳体侧，第二流体106沿着管102流动，并且管束可以提供沿着箭头113所指的路径的流动通路，以使第二流体106从径向方向107进入管102束/向径向方向107离开管102束。以这种方式，管102A-102D束引导靠近管102A-102D的第二流体106的外部流动并且减少旁路。挡板112被用作管102A-102D的额外支撑件。挡板112还有助于改善壳体内的流体流的分布。热交换器100还可以包括位于管102A-102D的端部处的管片材或穿孔的集管板114，用于在具有圆形横截面的平行管102A-102D的端部处将该平行管保持在适当位置处。
管壳式热交换器100有利于高温和高压，但是管102A-102D之间的大间距导致大量的旁路流动和不良的流动分布，这使得管壳式热交换器100的效率较低。
图2A描绘根据本公开的示例性实施例的常规扭绞管金属热交换器的图形表示。扭绞管热交换器200包括多个扭绞管202，它们被封装在封装件204内。
图2B描绘图2A的根据本公开的示例性实施例的常规扭绞管金属热交换器的放大视图。如图2B中所示，单个金属管202被扭绞成沿着其长度具有波浪形图案。波浪形图案包括围绕与管202的纵向轴线垂直的轴线的曲线部。扭绞管金属热交换器200消除了挡板和损坏性的管振动。形状独特的管以三角形图案布置，当流体在旁边自由地打旋时该三角形图案可以提供相邻的支撑。管202之间的间隙使得容易在壳体侧进行清洁。
常规金属热交换器有几个问题。首先，常规金属热交换器可能破坏用于碳捕获应用的胺。另外的应用包括其中金属热交换器的成本太高而无法提供回报的所有废热应用，以及针对存在不同粘度的流体流(比如水或油加热器)的应用。其它应用包括食品和饮料应用以及酸溶液应用，其中金属热交换器存在耐化学性问题。
为了解决常规扭绞管金属热交换器的问题，本公开提供了一种带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器。在图3中示出了该方面的非限制性示例。在图4至11中提供了非圆形管的示例。
图3描绘根据本公开的示例性实施例的扭绞对热交换器束的立体图。如所示出的，扭绞对热交换器束300包括多对管302A和302B，例如七对扭绞管。每对管302A和302B沿着其长度围绕纵向轴线L扭绞。每对扭绞管与其相邻的扭绞管对接触。每个管可以具有圆形横截面304。
多对圆形管302A和302B提供支撑并且容许用于使流体从轴向或径向方向进入和/或离开束的流动通路。多对管之间的开放空间可以沿着管的长度引导外部流体以进行有效的热交换。另外，扭绞管对可以沿着流动路径产生流动方向变化，这通过在管外部的外部流体中产生额外的混合和湍流来增强热交换。外部流体的粘度可能影响热交换。此外，管可以具有小的直径以增加热交换表面并改善管的表面处的热传递。此外，可以选择流体输入和输出位置以提供并流或逆流流动。
本领域技术人员将理解，在热交换器束中扭绞管对的数量可以变化。
流体可以从管端部流动至扭绞管中，并且提供比常规壳管式热交换器100和200更有效和可靠的性能。扭绞管热交换器300中的束构造可以增大热传递并减少压降，同时增大热传递表面面积并消除损坏性的振动。死点可以被消除。死点是污垢会积聚并减小有效热传递表面面积的地方。污垢是不需要的物质在固体表面上的积聚。此外，管可以被构造成使得管尺寸和管间间距可以根据具体应用来定制，以控制管内外的流体的压降。
根据本公开的第一方面，提供了一种带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器。热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每一个包括至少一个围绕其长度扭绞的管或至少一对围绕彼此扭绞或缠绕的管。
根据本公开的第二方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每一个由多对或其它多组围绕彼此缠绕的管制成。
根据本公开的第三方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每一个包括多个围绕其各自的长度扭绞的非圆形管。在这种情况下，围绕其长度扭绞的非圆形管的使用提供了与扭绞对实施例类似的能力，但是没有扭绞对，因此简化了组装过程。管外部的壳体侧流体或外部流体可以被布置成具有轴向或径向通路以进入和离开束。扭绞管之间的空隙容许沿着管的通路，该通路紧邻容纳内部流体的管引导壳体侧流体，用于壳体侧流体与管内的内部流体之间的有效热交换。另外，非圆形扭绞管充当支撑件和挡板。它们产生额外的湍流，从而增强热传递。没有额外的支撑件、挡板等产生热交换器的紧密包装、紧凑的尺寸以及低重量，并且降低单元的总成本。在图4至图11中提供了非圆形管的示例。
图4描绘根据本公开的示例性实施例的卵形或椭圆形扭绞管的立体图。如所示出的，扭绞管400可以具有卵形或椭圆形横截面404。管400沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。扭绞管400具有包括扭绞标记406的外表面402，该扭绞标记是被压缩到未扭绞管的圆柱形表面中的压缩部。
图5描绘根据本公开的示例性实施例的花生形扭绞管的立体图。如所示出的，花生形扭绞管500包括沿着其纵向轴线L连接的第一扭绞管部段502A和第二扭绞管部段502B。花生形扭绞管500具有沿着纵向轴线L变化的花生形横截面504。此外，管500具有由第一扭绞管部段502A的一部分和第二扭绞管部段502B的一部分形成的外表面506。在外表面506内部的是中空部分505以容许流体通过。
图6描绘根据本公开的示例性实施例的三边形扭绞管的立体图。三边形管600可以具有沿着其纵向轴线L变化的三边形横截面604。三边形管600沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。扭绞管600具有包括扭绞标记606的外表面602，该扭绞标记是被压缩到未扭绞管的三边形表面中的压缩部。
本领域技术人员将理解，扭绞管可以具有任何多边形的横截面。
图7描绘根据本公开的示例性实施例的花瓣形扭绞管的立体图。花瓣形扭绞管700包括四个管702A-702D，这四个管的外部部分连接而内部部分被去除以形成单个管。花瓣形扭绞管700沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。花瓣形扭绞管700包括外部壳体706，该外部壳体具有沿着纵向轴线L变化的花瓣状横截面。在壳体706内的是中空部分704以容许流体通过。
图8描绘根据本公开的示例性实施例的五叶状扭绞管的立体图。五叶状扭绞管800包括五个半管802A-802E，这五个半管的外部部分连接而内部部分被去除以形成单个管。五叶状扭绞管800沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。五叶状扭绞管800包括壳体806，该壳体具有沿着纵向轴线L变化的五叶状横截面804。在壳体806内的是中空部分805以容许流体通过。
图9描绘根据本公开的示例性实施例的带有扭绞翅片/肋的管的立体图。如所示出的，第一扭绞管902A沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。第一扭绞管902A包括三个肋或翅片906A-906C，这三个肋或翅片向外延伸超过圆形壳体908并且增大用于热交换的表面面积。用于热交换的表面面积随着肋或翅片的高度而增大。肋906A-906C可以沿着圆形横截面904均等地间隔开。此外，第二扭绞管902B沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。第二扭绞管902B包括一个肋906D。进一步，第三扭绞管902C沿着其长度围绕其纵向轴线L扭绞。第三扭绞管902C包括从圆形横截面904的中心彼此相对的两个肋906E-906F。对于不同的扭绞管，翅片或肋902之间沿着纵向轴线的间距914可以变化。除了提供额外的热传递表面面积之外，扭绞肋使得管能够在管束内自支撑，并且控制管间间距，以改善沿着管的外部通过壳体908的外部流体的流动分配，并且改善热传递。
图10描绘根据本公开的示例性实施例的五叶状扭绞管的束的立体图。扭绞管的束1000包括多个五叶状扭绞管800。每个五叶状扭绞管800接触其相邻的五叶状扭绞管800。
图11描绘根据本公开的示例性实施例的带有扭绞肋的管的束的立体图。扭绞管的束1100包括多个带有扭绞肋的管。每个带有肋的管900与其相邻的带有肋的管900接触。外部肋或翅片的使用通过提供额外的表面面积而有助于改善热传递。在一些变型中，管可以具有内部肋或翅片，其也通过提供额外的表面面积而有助于改善热传递。除了提供额外的热传递表面面积之外，扭绞肋使得管能够在管束内自支撑，并且控制管间间距，以改善沿着管的外部通过壳体908的外部流体的流动分配，并且改善热传递。
可以定制管的形状和尺寸，以控制适用于具有各种粘度和热导率的流体的横截面面积比，从而改善热交换并控制压降。
扭绞管的束还提供控制间隙空间均匀性的能力，以产生良好的流动分配和旁路控制。
图12示出根据本公开的示例性实施例的应用于外壳内的管束的外包裹物的横截面视图。聚合物热交换器1200包括外壳1202以及围绕管1206束缠绕以收紧该束的外包裹物1204。具有外包裹物的管1206束被放置在外壳1202内。外包裹物1204为管束提供压缩以使管相互接触并因此有助于消除沿着壳体内表面的旁通路径。外包裹物还有助于控制管束内的管之间的流动旁路。由于管道的尺寸变化，在管束与外壳1202之间可能存在空间。外包裹物有助于填充管1206束的外表面与外壳1202之间的空间并由此控制流动旁路。尽管大多数管1206可以彼此接触，但是在管1206之间仍然可能存在空间1208。
图13示出根据本公开的示例性实施例的应用于外壳内的带有肋的管的束的外包裹物的横截面视图。聚合物热交换器1300包括外壳1302和围绕带有肋108的管1306束缠绕以收紧该束的外包裹物1304。具有外包裹物1304的管1306束被放置在外壳1302内。外包裹物1304为管束提供压缩，以使管1306相互接触并由此有助于消除沿着壳体内表面的旁通路径。尽管大多数管1306可以彼此接触，但是在管1306之间仍然可能存在空间1310。
在一些变型中，外包裹物可以由可拉伸的编织织物形成。
在一些变型中，外壳可以是刚性的塑料管道，比如PVC或聚丙烯。
在一些变型中，外壳可以是玻璃纤维增强塑料管道。
在一些变型中，管可以在外部具有肋。
图14示出根据本公开的示例性实施例的在带有内部通道的管内具有膛线的管的立体图。如所示出的，聚合物管1400包括从沿着纵向轴线L围绕其各自的长度扭绞的管状壁1404的内表面1406向外延伸的三个通道1402。通道的数量可以变化。如虚线所示出的，当从一端观察时，内部通道1402看起来像螺旋形曲线。内部通道1402可以改善表面暴露和/或湍流以改善热交换。
图15示出根据本公开的示例性实施例的在带有内部肋的管内具有膛线(rifling)的管的立体图。如所示出的，聚合物管1500包括从沿着纵向轴线L围绕其各自的长度扭绞的管状壁1504的内表面1506向外延伸的三个内部肋1502。肋的数量可以变化。如虚线所示出的，当从一端观察时，内部肋1502看起来像螺旋形曲线。内部肋1502可以改善表面暴露和/或湍流以改善热交换。
图16A示出根据本公开的示例性实施例的管中管构造的立体图。图16B示出根据本公开的示例性实施例的管中管构造的端部横截面视图。如所示出的，聚合物双管结构1600包括外管1602和内管1604。双管结构1600还包括在外管1602与内管1604之间的肋1606，以支撑和控制内管的位置。肋1606从外管1602的内表面1608延伸至内管1604的外表面1610。例如，肋的尺寸控制内管与外管之间的空间。双管结构的肋1606沿着纵向轴线L围绕其各自的长度扭绞。双管结构1600容许在内管与外管之间的空间1612中具有第一流体的环形流动。双管结构1600容许在内管的中空部分1614内具有第二流体流。管1600的表面(例如，外管1602的外表面1609和内表面1608、内管1604的内表面1611和外表面1610)和肋1606可以是直的或扭绞的。双管结构1600可以形成其中双管结构1600彼此接触的管束。
图17A是根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的立体图。图17B是图17A的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的侧视截面视图。图17C是图17A的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的端视图。图17D是图17B的根据本公开的示例性实施例的聚合物壳中管式热交换器的一部分的放大侧视截面视图。如所示出的，聚合物壳中管式热交换器1700包括外壳1712、入口外壳1702A和出口外壳1702B，用于使壳体流体1703流入外壳1712中以及在管1708之间流动。聚合物壳中管式热交换器1700还包括入口1704A和出口1704B，用于使管流体1706流动通过管1708。用于壳体流体1703的出口外壳1702B靠近用于管流体1706的入口1704A，而用于壳体流体1703的入口外壳1702A靠近用于管流体1706的出口1704B，以使得壳体流体1703是管流体1706的逆向流，以提供热交换效率。此外，管1708彼此接触。如图3至图15中所示出的，管或管内的肋可以扭绞。壳体流体1703可以填充管之间的空间。
聚合物壳中管式热交换器1700还包括外包裹物层1710，该外包裹物层包括填充管1708周围的空间并且密封在管1708和外壳1712的内壁上的灌封材料，比如环氧树脂、聚氨酯或任何其它合适的材料。入口1704A包括被构造成装配在外壳1712外部的连接件1714。类似地，出口1704B包括被构造成装配在外壳1712外部的连接件1714。入口外壳1702A和出口外壳1702B也包括被构造成装配在外壳1712外部的连接件1716。
制造聚合物扭绞管的方法
聚合物管或塑料管可以通过挤压制成。聚合物管可以被制成具有肋或翅片。然后，聚合物管可以被扭绞。
在一些变型中，聚合物管可以在挤压之后当聚合物管仍然柔软且易于被扭绞时被立即扭绞。
在一些变型中，聚合物管可以由供应商提供。聚合物管可以被加热至足够软而不会失去其形状而不能被扭绞。
在一些变型中，聚合物管可以在不扭绞的情况下被挤压成具有如图3至图15和16A至图16B中所示的形状。扭绞由挤压提供，而没有任何后续的扭绞过程。
在一些变型中，两个或更多个聚合物管被沿着其长度相互扭绞。然后，多对扭绞的聚合物管或者其它多个聚合物管可以被捆束在一起。
在一些变型中，带有翅片或肋的单个聚合物管可以被沿着其长度扭绞。然后，扭绞的聚合物管可以被捆束在一起。
扭绞管热交换器的实验研究
由聚醚醚酮(PEEK)管组装包括60个扭绞管的扭绞管塑料热交换器。PEEK管的外径为1.5mm，内径为1.3mm，并且带有螺旋肋，如图9中所示。60个管中的每一对被围绕彼此扭绞55次。水被从箱进给至热交换器。冷水在与热水相反的方向上被进给至热交换器，以在热交换器中具有逆向流动。用竖直管测量压降。使用热电偶测量温度。
在210mL/min的流速下，冷侧(或壳体侧)产生0.08psi的压降，热侧(管)产生0.21psi的压降。冷侧水被从16℃加热至76℃。热水被从79℃冷却至21℃。针对热交换的两侧计算热传递系数。
表1列出所公开的密集封装的聚合物壳中管式热交换器和金属管壳式热交换器的比较。如表1中所示，所公开的密集封装的聚合物壳中管式热交换器比金属管壳式热交换器更有效，例如效率约为80％。
此外，对于具有横流(cross-flow)的典型管壳式热交换器，比如金属管壳式热交换器，热的壳体流体比冷流体热得多。流速也较高，因此温度变化低于冷流体。这导致不存在温度的“交换(cross-over)”，即热流体出口温度高于冷流体出口温度。其结果是高的对数平均温差(LMTD)。对于热回收热交换器，希望尽可能多地回收热量并且保持LMTD最小，这容许冷流体出口温度高于热流体出口温度。所公开的具有逆向流动的聚合物热交换器可以实现低的LMTD。
此外，所公开的密集封装的聚合物壳中管式热交换器的表面面积封装密度显著高于金属管壳式热交换器，并且成本低于金属管壳式热交换器。
表1：两种热交换器的比较
与片材/板式热交换器相比，管的管状形状提供了更好的结构强度。另外，通过挤压制造管是经济的。聚合物管具有薄壁以获得低的热阻。进一步，两侧、即壳体侧(在管外侧)和管侧(在管内侧)的小直径和低水力直径在管的表面处提供高的热传递。光滑的聚合物管的使用可以使交换器的压力损失低、污垢少并且易于清洁。另外，聚合材料的使用提供很好的耐化学性。
此外，扭绞管束没有额外的支撑件，比如挡板等，从而使得扭绞管束产生热交换器的紧密封装、紧凑的尺寸、低重量并降低总成本。
根据本公开的第四方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括围绕其各自的长度扭绞的多个卵形或椭圆形管。
根据本公开的第五方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括围绕其各自的长度扭绞的多个花生形扭绞管。
根据本公开的第六方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括围绕其各自的长度扭绞的多个三边形或其它多边形扭绞管。
根据本公开的第七方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括围绕其各自的长度扭绞的多个花瓣形扭绞管。
根据本公开的第八方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括围绕其各自的长度扭绞的多个五叶状扭绞管。
根据本公开的第九方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括多个带有扭绞翅片/肋的管。
根据本公开的第十方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括多个五叶状扭绞管。
根据本公开的第十一方面，热交换器包括一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的每个管束包括多个扭绞肋管。
由于金属热交换器破坏用于碳捕获的胺，所以当前公开的带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器可以特别适合于碳捕获应用。另外的应用包括其中金属热交换器的成本太高而无法提供回报的所有废热应用，以及针对存在不同粘度的流体流(比如水或油加热器)的应用。其它应用包括食品和饮料应用以及酸溶液应用，其中使用聚合物管比金属热交换器更有优势。

Claims (34)

1.一种带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器，热交换器包括：
一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括一组或多组围绕一个或多个管扭绞或缠绕的两个或更多个管，每个管包括管状壁和被构造成用于使第一流体流动通过的通路，热交换器被构造成用于使第二流体通过扭绞管之间的空间。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述一组或多组的两个或更多个管具有固定的长度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括多对围绕彼此扭绞或缠绕的管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕彼此扭绞或缠绕的管的多个三元组、或者围绕彼此扭绞或缠绕的多个管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括多个非圆形管，每个管围绕其各自的长度扭绞。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的椭圆形管。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花生形扭绞管。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的多边形扭绞管。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花瓣形扭绞管。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的叶状扭绞管。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述两个或更多个聚合物管包括从所述两个或更多个管的外表面向外延伸的一个或多个外部肋，每个管围绕其各自的长度扭绞。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述两个或更多个管包括从围绕其各自的长度扭绞的所述一个或多个管的内表面向外或向内延伸的一个或多个内部通道或内部肋。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小所述外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
15.一种带有扭绞管的聚合物壳中管式热交换器，热交换器包括：
一个或多个聚合物管束，所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括多个聚合物管，
每个管包括管状壁和被构造成用于使第一流体流动通过的通路，热交换器被构造成用于使第二流体通过扭绞管之间的空间，其中所述多个聚合物管中的至少一个包括从围绕其长度扭绞的所述管状壁延伸的一个或多个肋。
16.根据权利要求15所述的热交换器，其中，所述多个聚合物管具有固定的长度。
17.根据权利要求15-16所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括多个非圆形管，每个管围绕其各自的长度扭绞。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的椭圆形管。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花生形扭绞管。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的多边形扭绞管。
21.根据权利要求15-20中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的花瓣形扭绞管。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物管束包括围绕其各自的长度扭绞的叶状扭绞管。
23.根据权利要求15-22中任一项所述的热交换器，其中，所述两个或更多个管中的至少一个包括从围绕其各自的长度扭绞的所述一个或多个管的内表面向外或向内延伸的一个或多个内部通道或内部肋。
24.根据权利要求15-23中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个外部肋从所述管状壁的外表面向外延伸。
25.根据权利要求15-24中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个肋从所述管状壁的内表面向内延伸。
26.根据权利要求15-25中任一项所述的热交换器，还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
27.根据权利要求15-26中任一项所述的热交换器，还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小所述外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
28.一种带有管的聚合物管中管式热交换器，热交换器包括：
一个或多个聚合物管束，其中所述一个或多个聚合物管束中的至少一个包括一个或多个聚合物双管结构，每个聚合物双管结构包括内管、外管、从所述外管的内表面延伸至所述内管的外表面的多个肋，所述多个肋沿着聚合物双管结构的纵向轴线扭绞。
29.根据权利要求28所述的热交换器，其中，聚合物双管结构的外管沿着其各自的长度是直的。
30.根据权利要求28-29中任一项所述的热交换器，其中，所述内管包括第一管状壁和被构造成用于使第一流体通过的通路，所述外管包括第二管状壁，所述外管的第二管状壁的内表面与所述内管的第一管状壁的外表面之间的空间被构造成用于使第二流体通过。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多个聚合物双管结构具有固定的长度。
32.根据权利要求28-31中任一项所述的热交换器，还包括设置在所述一个或多个聚合物管束外部的外壳。
33.根据权利要求28-32中任一项所述的热交换器，还包括围绕所述一个或多个聚合物管束设置的外包裹物，外包裹物被构造成收紧所述一个或多个聚合物管束，使得管构造能够在管之间提供均匀的间距和/或减小所述外壳与所述一个或多个聚合物管束之间的空间。
34.一种制造前述权利要求中任一项所述的一个或多个聚合物管束的方法，所述方法包括：
由聚合物通过挤压形成聚合物管；
使一个或多个聚合物管扭绞以形成扭绞管或两个或更多个扭绞管的子组；以及
由扭绞管或两个或更多个扭绞管的子组形成扭绞管束。
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