CN1337001A - 盘旋热交换器和制造该盘旋热交换器的方法 - Google Patents

Abstract

热交换器包括一对彼此相连的起波纹的板材(a,b),使得它们各自波纹(25,26)的峰顶相接触。对应于盘旋板材(a,b)形成的圆筒形核心体(1)的诸表面的板材(a,b)的边缘(7,7’)被弯曲和连接,使得在两板材(a,b)之间形成基本连续的平的壁(80)。壁(80)的一部分(85)被交替的切出开口、留下完整无缺和弄平,以在核心体(1)的表面上形成三个不同的扇形部(100,200,300)。这些扇形部分别包括使一热传递流体通过的切口扇形部(100)、可将管箱装置(8)安装在其上的平台扇形部(200)和形成间隙(90)使一热传递流体通过的压平壁扇形部(300)。

Description

盘旋热交换器和制造该盘旋热交换器的方法

发明领域

本发明涉及具有螺旋结构的盘旋热交换器。在这类热交换器中，传递热量的流体沿大体上平行于盘旋圈的纵向轴线相向地进入、循环和排出热交换器。

发明背景

尽管有许多应用场合采用盘旋热交换器，但燃汽轮机换热室是最需要这种热交换器的一个。在任何应用场合，尤其是当用作燃汽轮机换热室时，热交换器应该是小巧的、高效的、可靠的，而且制造成本应该比较低。通过将主要热传递表面设计成具有小的水力直径和热传递流体的相向循环，热交换器可以做得相当紧凑和有效。此外，为热交换器提供较大的流体流动截面，可以减少负荷损失。在盘旋热交换器中要获得大的流动截面必需沿轴向循环热传递流体而不是切向循环。另外，将热交换器的零件数量降到最少，形成和盘旋成连续工作的热交换器，可以使生产成本下降。在设计中，另外一个要考虑的问题是，尤其是用作燃汽轮机换热室时，还包括对热冲击的抵抗。大的热负荷往往来自于燃汽轮机的瞬变的操作。因此，为了确保可靠的性能和操作，热交换器应该对热量冲击有较高的抵抗能力。

许多已有的热交换器是通过盘旋一对板材制成的，热传递流体沿基本上平行于盘旋圈的纵向轴线在这对板材之间相向循环。例如，美国专利5,797,449揭示了由一对焊接在一起和盘旋的板材所形成的环形热交换器，板材上形成开口以让热传递流体通过。

德国专利DE1121090和DE3234878描述了流体轴向循环流动的螺旋形热交换器，在该热交换器中，流体通过交替的扇形(angular sector)进出。在DE1121090中，循环热传递流体的扇形是通过在闭合一对盘旋形成热交换器的板材边缘的边界割出诸均匀间隔的开口形成的。边界被切割之后，将两板材盘旋形成热交换器。DE1121090还公开了具有外部管箱装置(external header)的螺旋式热交换器的制造。

在DE3234878中，在盘旋的热交换器的两表面上粘合模块化片断来形成诸扇形。

最后，在法国专利文本FR-A-2319868中，边界通过相邻板材的直接焊接而被封闭。

在具有盘旋结构的热交换器中的一个特别难的地方是要将单一的输入流分配到无数的小的热传递通道中，并在热传递进行之后将它们收集成单一的输出流。最好是，这种分配和收集不会导致过量的压头损失，或不应由于大的热梯度而引起机械应力。另一困难之处起因于用于热交换器的某些结构所导致的存在于核心体表面上的热传递流体的阻塞。例如，在一已知的例子中，将板材构造和切割成一个板材仅有用于一个流体的诸开口，另一板材仅有用于另一流体的诸开口，这会导致相当多的流体被阻塞在核心体表面，从而减少了气流通道和热交换器的总效率。

层叠板热交换器往往包括切割在板中的用于分配和收集热传递流体的诸开口。这些开口的边缘在组装热交换器时不是被铜焊就是被焊接在一起(例如在美国专利4,073,340中)，或者装有垫圈(例如在Alfa-Laval的板热交换器中)。其它的层叠板热交换器不包括这样的开口(见SAE851254：“初级表面燃汽轮机换热室的发展、制造和应用)”，E.L Parsons)，但板的侧边必须设有密封条。

在构造一盘旋热交换器的还有一重要之处是外部管箱装置与核心体的连接。管箱装置至核心体的连接必须被密封，以防止进入热交换器核心体的热传递流体的渗漏。还有，管箱装置应该具有某种强度，即能够抵抗由于流体集中和分配时要经受的较大的压力和支承核心体重量所导致的惯性力而要将它们拉离核心体的力。此外，在核心体和管箱装置之间会由于在热传递流体之一中的突然的瞬变温度加上核心体和诸管箱装置的相对热的惯性而产生温度梯度。这样的梯度可能在诸管箱装置上形成热膨胀力。因此，热交换器的结构还需要考虑这些现象。

发明概要

本发明的优点和目的部分将在下面说明，部分从说明中可以清楚地看出，或可从本发明的实践中得到了解。本发明的优点和目的可通过尤其在所附的权利要求书指出的各个元件和组合而得以实现。

为了实现本发明的优点和目的，如在此所具体化的和非限制性地描述的，本发明包括一通过盘旋一对板材形成的热交换器。热交换器包括一具有边缘的第一板材和一具有边缘的第二板材。第一和第二板材沿它们各自的边缘彼此相连，使得这些边缘形成一基本平的壁。连接第一和第二板材边缘形成的壁包括一组通过切割壁形成的第一组开口和通过压平壁形成的第二组开口。

本发明的另一方面包括一用于形成盘旋热交换器的方法。该方法包括提供一第一板材和一第二板材，还包括沿这些板材的边缘将这些板材彼此相连，使得这些边缘在板材表面之间形成基本平的壁。方法还包括沿被连接的板材的长度周期性的间隔地减少壁的厚度。然后盘旋这些板材形成圆筒形核心体，其中核心体具有一由壁形成的表面。最后，方法中包括去掉核心体表面上的部分壁。

附图简要说明

在此示出的和构成本说明书一部分的附图示出了本发明的较佳实施例，并与说明一起，用于解释本发明的原理。在附图中，

图1是本发明一实施例的热交换器的立体图，其中箭头表示输入和输出的热传递流体的流动；

图2是沿垂直于纵向轴线的平面截取的热交换器的一部分的剖视图，它示出了盘旋本发明一实施例的热交换器的两板材a和b形成的层叠圈；

图3是根据本发明一实施例的具有分配总管(管箱装置)的空气输入扇形部的立体图；

图4是盘旋之前的板材之一(板材a)的局部平面图，板材a具有起波纹的表面，这些波纹平行于热交换器核心体的纵向轴线延伸；

图5是盘旋之前的板材之一(板材b)的局部平面图，板材b具有起波纹的表面，这些波纹垂直于热交换器核心体的纵向轴线延伸；

图6是一对组合在一起的板材的径向剖视图，该对板材形成本发明一实施例的热交换器；

图7是一局部平面图，它示出了在一对板材之间的从热交换器的一面到另一面的空气和气体通道；

图8是本发明热交换器另一实施例的核心体表面局部前视图，它示出了若干盘旋层叠和三个切口、平台和压平的形成间隙的扇形部；

图9是沿图8的线9-9截取的剖视图，它示出了平台区域，其中管箱装置的边缘固定于平台上的核心体表面；

图10是沿图8的线10-10截取的剖视图，它示出了用于热传递流体通过核心体表面之一流进和/或流出热交换器的诸开口；

图11是沿图8的线11-11截取的剖视图，它示出了连接的板材对的压平部分，这些压平部分形成间隙，使热传递流体通过核心体表面之一流入和/或流出热交换器；以及

图12是形成本发明热交换器核心体的总的加工和盘旋系统的一实施例的示意性视图。

较佳实施例的详细说明

本发明涉及一种盘旋一对板材形成的热交换器。这些热传递流体基本上平行于盘旋圈的纵向轴线沿彼此相向的方向流动。流体在盘旋板材而形成的圆筒的相对的表面进出热交换器。通过流体以这种方式进和出，诸分配开口不需要设置在热交换器内侧。由于省略了这些分配开口，应力的集中、焊接问题、检查和热交换器内的接合线的修理的难度都大大降低。此外，分配装置的尺寸和形状可以根据特定应用的需要而改变，因为它们全部在热交换器核心体的外面，即盘旋板材形成的圆筒的外面。

本发明的盘旋热交换器也不需要提供密封条，因为没有开口的边缘。用下面将要描述的盘旋技术便于形成热传递流体的进出通道。此外，用于形成盘旋热交换器核心体的两板的创造性连接使流体在核心体表面具有高的流过速度，改进了外部管箱装置与核心体表面的连接。

如图1所示，本发明的热交换器形成一具有圆筒结构的核心体1。将一对板材a和b盘旋在一起形成热交换器核心体1，这将在下面描述。外部管箱装置8连接于核心体1的第一表面20，如图3所示。

在核心体的第二表面21，一诸如空气的第一热传递流体通过扇形部5流入，这些扇形部5与扇形部6交替且匀间隔地设置在第二表面21上。扇形部6将一热传递气体通过核心体1的第二表面21排出。在第一表面20，扇形部3和4分别对应于扇形部5和6。扇形部3从核心体1的第一表面20排出空气，而扇形部4通过核心体1吸入气体。

形成热交换器核心体1的板材a和b具有如图4和5所示的表面。即，板材a包括诸波纹25，这些波纹基本上在板材的横向延伸，板材盘旋之后，这些波纹大体上平行于热交换器核心体的纵向轴线(或盘旋轴线)即图4和5中的z轴。波纹25形成三个区域，区域II和IV沿板材a的边缘，区域III在板材a的中心区。在区域II和IV的波纹相对而言间隔较密，从板材a的各个边缘7’延伸一相对短的距离(长度)。另一方面，在区域III中的波纹其间的间隔较大，并从区域II延伸至区域IV之间的整个部分。事实上，如图4所示，这些波纹可与区域II和区域IV中部分波纹对齐以在区域III与区域II和IV之间分别形成平滑的过渡。板材a上的区域I和V没有波纹，形成板材的边缘7’。

如图5所示，板材b包括诸波纹26，这些波纹基本上在板材的纵向延伸，并在板材盘旋形成核心体之后大体上垂直于盘旋轴线。板材b的波纹还设置在对应于板材a的诸区域的区域II至IV，使得当两板重叠放置时各个区域对齐。波纹26在板材b的整个长度上延伸。形成板材b的边缘7的区域I和V沿平行于波纹26的方向交替地凹陷和凸起。当板材b与板材a放置在一起时，如图2所示，这些交替的凸起和凹部区形成流体进出的开口。因此，板材b的凸起和凹陷边缘7在盘旋时紧邻板材a的边缘7’。通过盘旋板材a和b形成整个热交换器核心体之后，边缘7和7’铜焊在一起。

板材b的凸起和凹陷交替的边缘7的成形最好在盘旋两板材时完成。为了形成尺寸合适的扇形部，边缘7的凸起和凹陷应该与盘旋工艺保持同步，使得所形成的输入口和输出口在每一盘旋圈之后长度增加，彼此处于应有的角相位。

板材a和b上的波纹25和26的高度总和在区域II至IV保持不变。总高度应该等于板材b在区域I和V中的高度的变化，使得该对板的厚度保持不变，如图6所示。由于保持了不变的厚度，就可避免由盘旋板材a和b引起的径向变形。

板材a和b沿波纹25和26的峰顶连接在一起并在点11接触，如图6所示。接触点11基本上在波纹峰顶线交叉点形成交叉划线图案。连接该对板材的使压力较大的流体在其间循环的部分局部抑制了流体的超压力。这就不必采用压力容器。这种连接最好通过铜焊完成，但其它合适的类似连接技术也可采用。

在两板材a和b的区域II和IV中的波纹25和26具有相似的高度。这些波纹如结合图6所解释的那样在它们的顶峰彼此接触，并基本上彼此垂直。由于波纹25和26的相对布局和取向，区域II和IV能够使热传递流体例如空气和气体沿轴向和切向通过，如图7所示。因此区域II和IV基本上作为分配或收集区域，开始是分配、最后收集流过热交换器核心体1的流体。如图7中的箭头所示，区域II和IV基本上为循环经过热交换器的两热传递流体提供交叉流动。

在区域II和IV分配之后，流体流到区域III。由于在板材a上相对较大的轴向方向的波纹25和在板材b上的相对较小的切向波纹26，以及波纹之间的相对间隔，流体基本上是平行于核心体1的盘旋轴线流动。热传递流体流动时由于它们各自在核心体相对的表面进入而彼此相向流动，如结合图1所述。

用上述的盘旋工艺形成核心体1之后，管箱装置8可固定于核心体诸表面。这些管箱装置8与扇形部对齐，如图3所示，它们的边缘9固定于形成扇形部的边缘10。将管箱装置铜焊到核心体的表面上是一种可以采用的将管箱装置固定到核心体上的技术，但其它合适的连接技术也可以采用。

图8-12示出了本发明热交换器的另一实施例。该实施例的一个方面包括沿板材a和b的各个边缘7’和7形成侧壁和连接这些侧壁，使得盘旋的一对板材a和b形成在流过热交换器扇形部的两热传递流体之间没有渗漏的密封通道。该实施例的另一方面包括在核心体1的面上形成表面，所形成的表面为管箱装置8与核心体1提供牢固和稳定的连接。除下面要描述的板材a和b沿各自的边缘7’和7的连接之外，板材a和b的构造和连接基本上与结合图1-7所讨论的相同。即，板材a和b包括波纹25和26在每一组波纹的顶峰的接触点连接。但是，图8-12中的波纹没有示出。

在图8-11中，根据本发明的一实施例示出了板材a和b沿边缘7’和7的连接。板材a的平边缘7’不是与板材b的凸起和凹陷交替的边缘7相连，而是边缘7和7’(形成核心体1的两个表面)以图9所示的方式一个在另一个上弯曲和折叠。然后弯曲的边缘7和7’最好通过缝焊或其它合适的连接技术彼此在70处固定地相连，以形成基本平的和连续的侧壁80。尽管图8-11示出了通过盘旋一对板形成核心体1而形成的层叠圈，但以这种方法沿板材a和b的边缘7’和7的连接是在盘旋板材之前进行的。

如图8-11所示，三种交替扇形部的结构的这种图案是通过提供交替切割、保持完整无缺及压平的侧壁80的区域而出现在核心体1的诸表面上的。图9-11示出了沿图8的线9-9、10-10和11-11截取的剖视图，其中只示出了两对相邻对的板材a和b(称为盘旋圈的层叠)40和50。参阅图8和10，在一区域100中，侧壁80切割出一开口85。这种切割基本上去掉了如图10中的虚线所示的板材a和b的弯曲部分。由切割掉侧壁80而形成的开口85形成一扇形部，该扇形部用作在核心体1的诸表面上的输入口和/或输出口，使一热传递流体进入和/或流出热交换器。尽管在该实施例中，所示的流过热交换器的开口85的是空气，但也可采用其它的热传递流体。

在从图1中核心体表面顶部视图看到的和沿图8的线9-9截取的剖视图示出的区域200中，通过边缘7和7’的弯曲、折叠和连接形成的侧壁80保持完整无缺。通过留下侧壁80完整无缺，盘旋层叠形成一扇形部，提供了一适合连接外部管箱装置8的连续的平的表面。图8中的虚线和图9中的边缘壁示出了管箱装置8的诸边缘。

最后，在图8和11所示的区域300中，侧壁80压平。图11示出了侧壁80压平，以及盘旋层叠40和50形成之后板材a和b的结构。侧壁80的压平形成一间隙90，这些相邻的间隙为进出热交换器的第二热传递流体形成一通道。在所示的该实施例中，第二热传递流体是一种气体，但是，任何热传递流体均被考虑在本发明范围内。缝焊和压平的边缘形成一能有效密封气体或其它热传递流体以防止泄漏的通道。

切割、保持完整无缺和压平导致了有切口、平台和压平侧壁扇形部的交替。各个扇形部在热交换器核心体1的径向对齐。在区域100和200中，相邻的盘旋层叠在60处连接在一起，如图9和10所示。最好用缝焊连接层叠，但是，任何其它合适的连接机构也可采用，只要能够承受热交换器内的压力即可。在区域300，盘旋层叠不连接在一起。

图12示出了本发明热交换器核心体1的总的形成和盘旋工艺的实施例。首先，形成层叠的一对板材的每一板材a和b从各个送料器31和32传送过来。来自送料器31和32的板材a和b在起皱辊33上形成波纹。在区域II-IV形成的波纹如结合图4和5所述。即，波纹沿其长度形成在板材a的横向，而沿其长度形成在板材b的纵向。来自起皱辊33的板材a和b经过一使板材对齐的以沿它们的边缘缝焊的辊轮34，如果必要，在焊接工位35对它们的接触点11进行点焊。最后连接在一起的该对板材a和b继续到弯曲辊轮36，在这里，边缘7和7’弯曲形成侧壁80。侧壁80形成之后，成对的板材继续到压平辊轮37，在这里，该对板材的侧壁对应于气体通道的部分被压平。当需要压平的每一部分通过压平辊轮37时，受到压平的侧壁80的长度增加，使得在盘旋板材a和b时形成适当的扇形部。

来自压平辊轮37的板材对卷绕在旋转心轴41上，在该处设置一焊接工位38以在对应于切口和平台区域的区域将相邻的盘旋层叠焊接在一起。最后，旋转心轴41盘旋成对的板材a和b以形成热交换器核心体1之后，一切割工件39在合适的扇形部切下侧壁80以形成用于一热传递流体的开口，如上所述。热交换器核心体形成之后在侧壁80切出诸开口，基本上消除了构成开口的边缘的翘曲。在盘旋板材之前切割开口时，这种翘曲普遍存在。也可以在完成热交换器核心体的盘旋之后通过例如铣削或电腐蚀或其它类似合适的技术切割开口。

本领域的技术人员要从在此公开的本发明的说明书和从本发明的实践中将知道，还可对本发明的盘旋热交换器的实施例进行种种改变和变化。例如，尽管公开了用空气和气体作为用于热交换器的热传递流体，但其它热传递流体也可以用于热交换器，因此也在本发明的范围之内。此外，热交换器的各个零件的连接，诸如管箱装置与核心体的连接、板材a和b的连接以及相邻盘旋层叠的连接，可用焊接或铜焊之外的其它手段完成。重要的一点是，连接要能够经受住在热交换器工作时的各种条件，诸如温度和压力，但是，本领域的技术人员显然知道哪些是合适的方法。

因此，本发明的范围不限于图中所示的和说明书中描述的具体细节和示意性的例子。应该指出，在不脱离以下的权利要求书和它们的等效物所阐述的本发明的基本精神或范围的情况下，是完全可对这些具体细节进行变化和改变的。

Claims (28)

1.一种通过盘旋一对板材形成的热交换器，它包括：

一具有一边缘的第一板材；以及

一具有一边缘的第二板材，沿它们各自的边缘使所述第二板材连接于所述第一板材，使得所述这些边缘形成一基本平的壁，连接第一和第二板材边缘形成的所述壁包括一通过切割壁形成的第一组开口和通过压平壁形成的第二组开口。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述壁还包括通过一组留下部分壁完整无缺而形成的平台。

3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第一和第二板材盘旋以形成大致是圆筒形的核心体，其中两个壁是通过连接板材的边缘形成，所述两个壁形成核心体的表面。

4.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述第一组开口和所述第二组开口沿核心体的表面形成诸扇形部。

5.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述壁还包括一组保持壁完整无缺而形成的平台。

6.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述第一组开口、所述第二组开口和所述平台组形成围绕核心体纵向轴线的交替的扇形部的式样。

7.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于，管箱装置构造成设置在诸平台上。

8.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一和第二组开口构造成接纳各自的第一和第二热传递流体。

9.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，板材盘旋形成一圆筒形核心体，核心体形成之后在诸侧壁切出第一组开口。

10.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第一板材包括沿基本平行于热交换器纵向轴线的方向延伸的诸波纹。

11.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第二板材包括沿基本垂直于热交换器纵向轴线的方向延伸的诸波纹。

12.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，诸波纹设置在第一和第二板材的表面上，当这些板材连接在一起时这些表面彼此相邻，所述波纹构造成形成一接近板材诸边缘的分配区域和一在边缘之间的纵向流动区域。

13.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，流过热交换器的热传递流体以交叉流动的形式在分配区域内流动，以相向流动的形式在纵向流动区域中流动。

14.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第一和第二板材盘旋形成一圆筒形核心体，在核心体的包括切口壁的一区域和在核心体的包括平台的一区域将核心体的相邻盘旋圈焊接在一起。

15.一种形成盘旋热交换器的方法，它包括：

提供一第一板材和一第二板材；

沿这些板材的边缘将这些板材彼此相连，使得这些边缘在板材表面之间形成基本平的壁；

沿被连接的板材的长度间隔地减少壁的厚度；

盘旋这些板材形成一核心体，所述核心体具有一由壁形成的表面；以及

去掉核心体表面上的部分壁。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括沿连接的板材的长度留下部分壁完整无缺，使得在核心体的表面上形成诸平台。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，去掉、留下完整无缺的和减少部分壁的厚度包括在核心体表面上形成切口扇形部、平台扇形部和具有间隙的扇形部交替的诸扇形部。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接诸边缘以形成壁包括弯曲这些边缘。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，减少壁的厚度在相邻盘旋圈之间形成间隙。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，减少壁的厚度包括压平壁。

21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，去掉部分壁包括切割壁。

22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，被去掉的壁部分和厚度减少的壁部分各在盘旋核心体的表面上形成扇形部，所述扇形部构造成热传递流体可以从中通过。

23.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在第一和第二板材上提供诸波纹和连接这些板材，使得各板材上的波纹的峰顶彼此接触。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，第一板材上的波纹基本上平行于核心体的纵向轴线延伸，第二板材上的波纹基本上垂直于核心体的纵向轴线延伸。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，这些波纹是在连接板材之前使每一板材波纹化而形成的。

26.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在对应于去掉的壁部分和完整无缺的壁部分的区域固定地连接相邻盘旋圈，这些圈是通过盘旋第一和第二板材形成的。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，固定地连接相邻盘旋圈包括缝焊相邻盘旋圈。

28.如权利要求15所述的方法，其特征在于，盘旋板材形成所述核心体包括形成一圆筒形的核心体。

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