CN1827286A - 制造板型热交换器的方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

一种制造板型热交换器(10)的方法，包括以下操作步骤：并置一对金属板(12，14)，至少沿周边相互焊接所述并置的板(12，14)，确定所述金属板(12，14)之间的内腔(16)，意欲使工作的换热流体经过所述内腔，并置板(12，14)的所述操作的焊接步骤通过向每一个所述金属板(12，14)直接供热来执行。

Description

制造板型热交换器的方法及相关设备
技术领域
本发明在其最基本的方面涉及制造所谓板型热交换器的方法，换言之，是呈盒形平行六面体的扁平体组成的热交换器，该扁平体由两个并置的矩形板形成，这两个矩形板以适当的间隔关系相互连接从而确定了内腔，意欲使工作的换热流体穿过。
前述类型的热交换器用于形成化学反应器的换热单元是有利的，这些换热单元对于最佳地完成放热或吸热化学反应是必要的：例如，在氨、甲醇、甲醛或苯乙烯的各自合成反应中，从/向反应环境(一般是催化床)分别除热或供热，从而将其温度控制在预先计算好的理论值附近的很窄的范围内。
本发明尤其涉及制造板型热交换器的方法，该方法包括以下操作步骤：
-并置一对金属板，
-至少沿周边相互焊接所述并置板，
-确定所述金属板之间的内腔，意欲使工作的换热流体穿过所述内腔。
本发明还涉及用于执行前述所提板型热交换器的制作方法的设备，以及利用所述方法获得的热交换器。
背景技术
在化学反应器领域中，以及在许多其它工业应用中，使用包括多个热交换器，尤其是所谓板型热交换器的换热单元是公知的。
为了制造这种板型热交换器，必须沿预定周边相互焊接一对并置的金属板；在一些情况下，为了使热交换器变得坚硬，除了周边焊以外，还需要执行点焊以使金属板在位于板本身的周边范围以内的区域中相互接合，这些区域优选地沿所述金属板的平坦表面规则地分布。
之后，在所述金属板之间确定内腔，意欲使工作的换热流体穿过该内腔。
内腔通过所谓膨胀步骤，即在所述板之间引入加压流体的步骤，而被形成，在这种情况下，所述金属板被焊接以形成抗加压流体的密封。一般地，气动作用可获得大约40-50巴以下的膨胀压，而液压作用可获得更大的压强。
此外，内腔通过所述工作流体的入口和出口与热交换器的外部流体连通。这种开口一般在膨胀步骤之后、并且已经沿金属板的整个周边完成了周边焊接之后而被形成。
加压流体通过小口注入，该小口可以适当放大并配有合适的门，该小口能够变换为前述入口或出口。
此外，一般在内腔中确定了通道以便工作的换热流体穿过。
一般地，对于这样的制造过程，使用自动焊接设备来执行气焊，换句话说通过熔化组成它们的金属来实现两板之间的结合，而不使用填料。
根据现有技术的惯有教导，通过以直接方式向一个所述金属板供热来形成焊接。
一种广泛采用的设备包括承载激光束光源的头部。通过定向在前述板的外表面上的激光束来进行焊接：这样这一对金属板通过传导而加热，直到它们在该对金属板的预定接触区被熔化。
尽管从各种观点来看比较有利，但已经认识到根据上述已概略描述过的制造板型热交换器的方法是有缺陷的。
主要的一个缺陷是焊接操作过程中由于收缩张力导致的金属板的逐渐变形和/或扭曲，该收缩张力是在焊缝本身的冷却过程中，即热金属区的冷却过程中出现的。
所要制造的热交换器的尺寸(长度和/或宽度)越大且将要被焊接的并置板的厚度越大，这种始终存在的现象就越明显。例如，在板型热交换器用于化学反应器内部的情况下，对于激光焊接需要相当大的尺寸和常常接近技术极限的厚度；例如，在用于氨合成的反应器的情况下，由于过程流体的浸入(渗氮现象)必须选择很大的厚度(例如，2-2.5mm)，或者在用于甲醇合成的反应器的情况下，板型热交换器受到板型热交换器本身的内部与外部之间的高的压差的影响，因为在板型热交换器内部循环流动的冷却流体的压力不同于过程流体的压力。
基本上，对于长的板，板型热交换器的逐渐变形和/或扭曲还能导致平面度的变化达到一百毫米量级。
这种情况使得即使不是完全不可能、但也很难在反应器中装配多个板型热交换器来组成换热单元，且无论如何会导致板型热交换器的间距不均匀，还伴有工艺水平的负面后果(例如，在反应器的性能方面，在供应于反应器中的催化物质的内部产生热点，等等)。
为此，必须提供更进一步的处理，以便在板型热交换器安装运转之前使它们的平面度处在预定值以下。
一般地这样来操作，在热交换器本身的板之间引入加压流体的步骤中向板型热交换器施加一些约束，从而抵消焊接过程中产生的张力。这种操作非常复杂且无疑会显著减慢板型热交换器的制造。
发明内容
本发明针对的根本技术问题是设计和提供一种制造板型热交换器的方法，该方法能够以简单有效的方式克服针对现有技术提出的缺陷。
根据本发明，基于申请人为与现有技术的惯有教导进行强烈对比而完成的实验，该问题通过一种制造前述类型的板型热交换器的方法而被解决，其特征在于，并置板的所述操作的焊接步骤通过直接向每一个所述金属板供热而被执行。
通过以下参考附图对优选实施例的描述，根据本发明的制造热交换器的方法的其他特征和优点将变得清晰，其中对优选实施例的描述只是为了进行简要的说明而不是进行限制。
附图说明
图1示意性地表示通过根据本发明所述方法获得的板型热交换器的透视剖面图。
图2示意性地表示经受根据本发明所述方法的操作焊接步骤的一对金属板的透视图。
图3示意性地表示根据本方法第一实施例的图2所示一对金属板的一部分的放大横截面图。
图4示意性地表示根据本方法另一实施例的图2所示一对金属板的一部分的放大横截面图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的板型热交换器总体上以10表示。
热交换器10由盒形平行六面体状扁平体11组成。
热交换器10由两个矩形金属板、优选地具有相同厚度的上板12和下板14制成。
该方法包括以下操作步骤：
-并置所述一对金属板12和14，
-至少沿周边相互焊接所述并置的板12，14，
-确定所述金属板12，14之间的内腔16，意欲使工作的换热流体穿过所述内腔。
当然，单独的板12，14可通过相互靠近地放置两个或更多个小尺寸的板(未示出)并使它们接合起来(例如通过焊接)而获得。
该内腔16的确定可通过使板相互焊接以形成抗加压流体的密封以及在所述板之间引入加压流体而实现。
两板12和14之间的焊缝是周边焊缝17，沿该两板12和14的至少一部分周边形成。
实践中，在制造过程结束时，两板12和14沿周边彼此连接并处于恰当的间隔关系，从而确定了所述内腔16。
该腔16通过所述工作流体的入口18和出口20与热交换器的外部流体连通。
在一些情况下，如在图2所示的例子中，除了周边焊缝17，在加压流体的操作引入步骤之前，还形成点焊焊点22，点焊焊点使得金属板12和14也在板12和14本身的周边范围以内的区域中相互接合，这些区域优选地沿所述金属板12和14的平面规则地分布。
根据本发明的一个方面，所述操作的焊接步骤通过以直接方式向每一个所述金属板12和14供热而被执行。所述以直接方式供热是通过至少一个热源来实现，该热源面对每一个所述并置的金属板12和14。
在图2所示的例子中，提供了两个热源，每一个面对一个金属板。
因此，在图2中部分地示出了用于执行前述方法的设备110。设备110包括：用于所述一对并置金属板12和14的基本上平坦的支撑结构(优选地水平布置)，该支撑结构实质上是常规的因而未示出；移动装置，所述移动装置使一对金属板12和14在承载热源(比如激光束光源)的头部140以下移动，该移动装置实质上也是常规的因而未示出，所述热源布置在预定的位置处。例如，这种移动装置可包括用于所述板12和14的接缝夹具，所述夹具能够在导轨上滑动。
可选地，可设有多个承载热源的所述头部140。
根据本发明的一个方面，这种设备包括承载热源(比如激光束光源)的另一头部150，该热源在支撑结构下面，面对另一金属板并布置在预定位置处，在所述支撑结构中设有面对所述另一头部150的通孔。可选地，可设置多个所述另一头部150，同时面对超过一个的通孔。
下面详细说明根据本发明的设备的操作。
一对金属板12和14设置在设备的支撑结构上，一个板并置在另一个板上。
一对金属板12和14通过移动装置在所述支撑结构上以这样的方式移动：即由头部14所配备的光源发射的激光束击中上板12，从而沿板12和14的周边形成周边焊缝17以及可能地形成点焊焊点22。
根据本发明，通过移动装置，一对金属板12和14在所述支撑结构上移动，从而由另一头部150发射的激光束穿过所述支撑结构的通孔击中下板14，以便沿板12和14的周边形成周边焊缝17以及可能地形成点焊焊点22。
更确切地以及更优选地，如图3所示，分别来自所述头部140和来自所述另一头部150的两个激光束击中热交换器10的彼此相对的区域，从而基本上均等地把热供应到将要执行焊接的两个部分上(同样地，如果有多个头部140的话，多个另一头部150与它们彼此相对地设置)。
这样，获得了所制造的热交换器10的最佳平面度。特别地，图3表示根据本发明的焊缝具有对称的焊珠170，焊珠170是指在焊接过程中已达到熔化温度的金属材料区域。
可选地，如图4所示，周边焊缝17和可能的点焊焊点22中每一个都通过交替使用头部140和150来获得：这样，已经注意到，获得了焊接变形的补偿，这使得热交换器10的平面度保持在预定值的范围以内。特别地，图4表示根据本发明的焊缝具有相互交替的焊珠170。
基本上，周边焊缝17通过使由头部140和由另一头部150分别产生的焊接部分联合起来而形成：由头部140产生的焊接部分邻近由另一头部150产生的焊接部分，即，换句话说，在由头部140产生的部分和由另一头部150产生的部分之间存在交替变化。优选地，确保周边焊缝17是连续的，从而形成了抗加压流体的密封，焊接部分的末端焊缝与邻近的各焊接部分的末端重叠。
同样地，至于有关的点焊焊点22，由头部140产生的焊点与由另一头部150产生的点焊焊点22交替排列。
应该指出，在本发明中，术语交替按其最广泛的理解来解释，即，例如在一行点焊焊点的情况下，由头部完成的一个焊点和由另一头部完成的一个焊点彼此相随，或者由头部完成的两个焊点和由另一头部完成的两个焊点彼此相随，等等。
基本上，利用前述方法获得的板型热交换器的特征在于，无论是在对称焊珠(图3)的情况下，还是在交替焊珠的情况下(图4)，它们的焊点具有经过平衡的收缩张力。
应该指出的是，所述的设备110具有相对于支撑结构处于预定位置的焊接头部140和150，移动装置使一对金属板12和14在所述支撑结构上移动(即，一般地，前进)。
可选地，可设置用于焊接头部140和150的移动装置，从而它们是可相对于支撑结构移动的，一对金属板12和14布置在所述支撑结构上的预定位置处。
通过前面的说明可清楚地了解，根据本发明的制造板型热交换器的方法解决了技术问题并获得了众多优点，这些优点首先在于这样的事实：即获得了具有不同寻常的平面度的热交换器，以及在于这样的情形：即热交换器可具有很大的厚度和/或很大的长度和/或宽度。
另一优点在于，所获得的热交换器易于安装在例如化学反应器中。
另一优点是，所获得的热交换器确保了反应器的最优性能，因为板型热交换器的最佳平面度使得它们之间的间距很均匀，从而更优地获得了良好的换热效率。
另一优点是，所获得的热交换器在结构方面尤其坚固，因为在根据本发明的焊接中产生的张力被良好地平衡了。
当然，为了满足特定的以及可能的要求，本领域熟练技术人员能够对上述制造板型热交换器的方法做出众多修改和变更，所有这些修改和变更都被以下权利要求所确定的本发明的保护范围所覆盖。

Claims (8)

1.一种制造板型热交换器(10)的方法，包括以下操作步骤：
-并置一对金属板(12，14)，
-至少沿周边相互焊接所述并置的板(12，14)，
-确定所述金属板(12，14)之间的内腔(16)，意欲使工作的换热流体经过所述内腔，
其特征在于，并置板(12，14)的所述操作的焊接步骤通过向每一个所述金属板(12，14)以直接方式供热来执行。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述板(12，14)之间的所述焊接沿所述板(12，14)的周边的至少一部分执行。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述板(12，14)之间的所述焊接还采取点焊(22)的形式，该点焊使得金属板(12，14)在位于板(12，14)的周边范围以内的区域中相互接合。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述以直接方式供热是通过至少一个热源(140，150)来实现，该至少一个热源面对每一个所述并置金属板(12，14)。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，通过以分别面对两个金属板(12，14)的方式彼此相对地布置所述至少一个热源(140，150)、从而以基本上均等的方式将热供应到将要执行焊接的两侧上，而获得所述焊接。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述以直接方式供热是利用激光束光源来实现的。
7.一种用于制造板型热交换器(10)的设备(110)，这种设备包括：用于相互并列的一对金属板(12，14)的基本上平的支撑结构；使所述一对金属板(12，14)在承载热源的至少一个头部(140)以下移动的移动装置，所述热源面对一个所述金属板布置在预定位置处，其特征在于，它包括至少一个另一头部(150)，该另一头部承载面对另一金属板的热源，在所述支撑结构中设置面对所述至少一个另一头部(150)的至少一个通孔。
8.一种板型热交换器(10)，由盒形平行六面体状扁平体(11)组成，该扁平体由相互接合并具有适当间隔关系、从而确定内腔的两个板(12，14)形成，该内腔通过工作的换热流体的入口(18)和出口(20)与热交换器的外部流体连通，其特征在于，它具有收缩张力被平衡的焊接。
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