CN1882816A - 制造螺旋热交换器中的多管的方法 - Google Patents

Abstract

一种热交换器，具有用于传输流体的第一热导管和用于传输流体的第二热导管。第一热导管形成第一匝而第二热导管形成第二匝。第一匝邻近第二匝。

Description

制造螺旋热交换器中的多管的方法

技术领域

本发明涉及一种热交换器。

背景技术

热交换器通常用于制冷、冷却和加热应用。对于这些应用，热交换器不使流体混合而将热量从一种流体传输到另一种流体。流体可以是气体或液体。对于包括CO₂气体的特定的高压应用，制造商对热交换器使用了管中管的设计。基本上，热交换器是一个容纳一种流体的管被容纳着其它流体的另一个较大的管所包围。例如，当CO₂气体在内部管中循环的同时，水可在其周围的管中循环。通过内部管的表面交换热量。

对于高压应用，管直径必须保持为很小(小于3/8英寸)以维持合理的壁厚。对于大容量系统，这些管是有问题的，因为热交换器需要许多平行的回路。结果，热交换器的长度会非常长。

另外，在热交换器中使用的水可接着用于消耗或者用于清洁工序。关键的是，水在热交换过程中不能被污染。因为用于一种流体，假设为水，的管围绕着另一种热交换流体的管，所以常规的管内管设计存在水被污染的危险。因此，在较大管内的内部管破裂会造成在较大管中的水被污染。

提出的一种解决方案是将一种热交换流体的管子盘绕在具有另一流体的直管周围。然而，由于管的几何结构不同，两管可具有的彼此物理接触的区域有限。因此，热交换不是非常有效。

这种独特的热交换器的制造同样是一种挑战。特别的是，在过去，制造商通过将单根管绕夹具盘绕而生产螺旋管。在一些情况中，制造商也可将单根管绕其自身盘绕以生成多层的盘绕管以增加热交换器每直线长度的表面积。然而，前述技术未能将一个以上的热交换器管盘绕成紧密的螺旋形盘管以更好的适合于最佳热交换器。

因此需要一种热交换器和制造该热交换器的方法，其可避免前述不足并提高热交换器的效率。

发明内容

本发明包括至少第一热导管和第二热导管。每一管可传输在热交换过程中使用的流体。与此相比的另一设计中，本发明设计将第一管与第二管盘绕在一起从而使得一个管的匝与另一个管的匝相邻近。这样，热交换器极大地增加了管的每一线性长度的用于热交换的表面积量，从而可以获得更紧凑的设计。另外，螺旋盘绕在一起的管导致管内的流体湍流而增强热交换。螺旋盘绕在一起的管还确保管之间的紧密物理接触以提高热交换。不同流体可流经各管并且可一起用于热交换。因为各流体容纳在其各自的管中，因此在热交换期间流体不会混合。由于这些管没有共享公共的壁，实际上每一管都有其自身的壁从而使得在这些管的每一根中的流体受到保护而不交叉混合。当其中一个壁突然破裂时，流体会泄漏出但是不会与其他管中的流体混合。

第一和第二管的匝可绕相同轴线盘绕并且进一步地沿着通常相对于该轴线相同的角度进行盘绕。多管也可用这种方式互相盘绕。绕制的管也可装入一套管中。该套管可以是用于第三流体的具有流体入口和流体出口的另一管。

另外，这些管可以这样绕制，使得在管的圈内产生容积。另一热交换元件可布置在该容积中以增加热交换。该附加热交换元件可以与上述匝的螺旋相反的方向螺旋盘绕而进一步改善热交换。

本发明进一步包括制造多管热交换器的方法。与已有制造方法相比，本技术将第一热交换管与至少一个第二热交换管绕着相同的轴线盘绕。第一交换管和第二交换管都可具有自由移动部分，在热交换管的其他部分被固定而不旋转时，所述自由移动部分以螺旋的方式绕着共同的旋转轴线盘绕。这样，多管可盘绕到一起并在管的旋转自由部分和固定部分之间互相盘绕。因此，本发明的技术可以利用第一热交换管与第二热交换管的互相盘绕而生成紧密的螺旋。

导向件可防止管的固定部分绕旋转轴线盘绕。导向件可沿着轴线移动从而改变管的固定部分的位置。这样，管的各部分可互相盘绕并随后导向件从管的互相盘绕部分移开以使管的其余部分互相盘绕。该导向件允许管均匀地盘绕到一边。另一导向件也可用于将管的固定部分保持在适当位置。

各管可绕沿着旋转轴线延伸的杆盘绕。该杆可限定螺旋圈的直径。另外，该杆也可具有螺旋形图案从而确保管以螺旋的方式盘绕。该杆随后可以被去除并由第三热交换元件替换以形成用于热交换的附加层。

附图说明

通过当前优选实施例的下列详细说明，本领域技术人员将会清楚本发明的各种特征和优点。详细说明的附图以下将简要的描述：

图1示出了本发明的多管加热器的侧剖视图。

图2示出了一个管相对于另一管的初始盘绕。

图3示出了用于形成多管热交换器的临近匝的多管的盘绕。

图4示出了用于构造多管螺旋热交换器的装置。

图5A示出了用于盘绕多管的夹具的前视图。

图5B示出了图5A的夹具的透视图。

图6示出了用于盘绕多管的第一导向件。

图7示出了用于盘绕多管的第二导向件。

图8示出了具有用本发明的方法盘绕的多管的另一热交换器。

图9示出了若干连接的热交换器。

图10示出了具有导热元件的热交换器。

图11示出了具有四根管的热交换器。

图12示出了具有三根管的热交换器。

具体实施方式

图1图示了多管热交换器14的侧剖视图。多管热交换器14具有被夹具50盖住的中空管圆柱16以在圆柱16内建立流体容积17。圆柱16具有第一流体入口200和第一流体出口204。布置在流体容积17内的是沿着轴线X互相盘绕的第一导热热交换管18和第二热交换管34使得第一热交换管18形成第一匝22，该第一匝22临近并优选接触沿着轴线X的第二热交换管34的第二匝38。在第一热交换管18和第二热交换管中的流体之间的热交换不仅通过管18，34之间的接触而增强而且由于它们的螺旋形盘绕而改善，所述螺旋形盘绕增强了流体湍流并因此增强热交换。

如图2中所示，为了建立第一热交换管18和第二热交换管34的互相盘绕形状，开始均为直的第一热交换管18和第二热交换管34插入穿过夹具50的孔78中。优选的是，第一热交换管18和第二热交换管34可以是类似于铜的有延展性金属以利于加工，如以下所解释的。孔的数目指示了可互相盘绕的管的数量。另外，插入夹具50中的第一热交换管18相对于第二热交换管34以及其它管之间的间隙指示了螺旋的紧密度。

第一热交换管18具有插过第一导向件54的孔98的第一固定部分30以及第二热交换管34具有插过导向件54的孔98的第二固定部分46。孔98优选成斜角以致管84可以角度θ被馈入，通过该角度第一热交换管18和第二热交换管34相对于X轴线布置在夹具50和导向件54之间。螺旋的紧密度在某种程度上可通过角度θ指示。

夹具50可沿着箭头A的方向自由旋转，假定为顺时针方向，以致第一旋转自由部分26和第二旋转自由部分42以相同方向旋转。第一固定部分30和第二固定部分46被第一导向件54固定以阻止沿着箭头A的方向旋转。结果，当第一旋转自由部分26和第二旋转自由部分42绕轴线X盘绕时，第一热交换管18和第二热交换管34形成弯曲24。

如图3中所示，当第一热交换管18和第二热交换管34继续绕轴线X盘绕时，形成第一热交换管18的第一匝22并且形成第二热交换管34的第二匝38。第一匝22和第二匝38沿着X轴线相邻并优选彼此接触。当第一热交换管18和第二热交换管34继续旋转并绕轴线X盘绕时，以螺旋方式形成附加匝。这些匝会盘绕形成内容积222或紧密地盘绕将容积222的尺寸最小化。

当另外的匝产生时，可沿X轴线任意移动的第一导向件54沿着箭头Y的方向从位置H(参见图2)移到位置I(参见图3)。为了保持匝的均匀性，重要的是，当越来越多的第一热交换管18和第二热交换管34被盘绕时能保持导向件54和所述匝38之间的间距相同。

图4示出了用于产生多管热交换器14的装置。这里，六根管84安装在夹具50上并插入镟床74内以互相盘绕。如图5A和5B中所示，夹具50具有足够的孔78以容纳每一管84。每一孔78具有足够大的直径以接收每一管84。另外，夹具50具有预定的穿孔图案，这指示了管之间的间隔。

图5A中所示，夹具50具有以大约等距间隔开的六个孔78以形成间隔82。另外，如图4和5A中所示，轴向导向件66设在间隔66内部以使镟床74沿着轴线X以箭头A的方向旋转时管84可绕轴向导向件66盘绕。轴线导向件66可具有如图4中所示的预定螺旋形图案以使管84可绕轴线导向件66盘绕而与该螺旋形图案一致，假定为任何特定应用所要求的图案。

如图4所示，管84穿过第一导向件54。如图6中所示，第一导向件54具有六个容纳每一管84的孔98和一接收轴向导向件66的孔100。第一导向件54的孔98优选成椭圆形，边缘光滑且大于固定件50的孔78以利于管84通过导向件54。

如图4中所示，第二导向件62与第一导向件54间隔开。如图7所示，第二导向件62具有足够数量和尺寸的用于接收管84的孔104和接收轴向导向件66的孔106。第二导向件62象第一导向件54那样防止管84沿着箭头A的方向随着镟床74一起旋转。管84另外具有在该方向摆动的趋势。另外，第二导向件62象第一导向件54那样沿着X轴线可移动。

这样，镟床74在箭头A的方向旋转夹具50和管84以将管84绕轴向导向件66盘绕。所述管在夹具50和第一导向件54之间的第一管段88被扭绞。然而，第一导向件54和第二导向件62防止管84绕轴向导向件66盘绕。因此，第二管片段92不绕轴向导向件66盘绕。因而，在第一管片段88的管的盘绕更加均匀。当管84被互相盘绕时，第一导向件54和第二导向件62随后沿着X轴线在箭头Y的方向移动。优选的是，第一导向件54与端夹具50和第一导向件54之间所形成的匝的位置保持一预定距离，在图4中用距离Z示出。

一旦管84完全盘绕，轴向导向件66随后从盘绕的管84移去。如图8中所示，轴向导向件66可随后被另一管热交换器——管96所代替，该管96被插入先前被轴向导向件所占据的空间。管96可以是另一扭绞的多管热交换器或传输另一流体的单根圆柱。管84和管96然后被插入圆筒16，该圆筒然后被另一固定装置50盖住。

现在详细解释热交换器和它们的运行。参考图1，热交换器14具有绕轴线X成螺旋形互相盘绕的第一热交换管18和第二热交换管34以使第一热交换管18的第一匝与第二热交换管34的第二匝38接触。由于这些管螺旋形盘绕在一起，第一匝22非常紧的接触第二匝38而促进热交换。在图1中进一步示出，第一匝22相对于轴线X具有角度β而第二匝具有角度α。角度α通常与角度β相同以进一步确保第一热交换管18与第二热交换管34之间的紧密配合。另外，在第一匝22和第二匝38内形成容积222。容积222可接收另一热交换元件以进一步改善热交换。

热交换以下列方式完成。如水之类的第一流体208穿过第一流体入口200进入并经过流体容积17从第一流体出口204流出，如所示。另外，第二流体212和第三流体218分别经过第一热交换管18和第二热交换管34。实际上，第二流体212和第三流体218可以是相同或不同的流体。如所示，第二流体212从热交换管18的一端进入经过另一端出去。对于第三热交换流体218和第三热交换管34同样如此。当流体208，212和218彼此经过时，它们进行热交换。因为第一热交换管18和第二热交换管34是两个不同的管，两流体212，218彼此分开但仍足够接近来进行热交换。此外，如图1中进一步所示，第二流体212和第三流体218的方向与第一流体208的方向相反。该技术增强了流体湍流使得当流体208，212和218彼此经过时，它们能更有效地热交换。

此外，端盖50起到将流体212和218与流体208隔开的作用。特别的是，流体212和218可经过端盖而流体208不经过端盖，因为端盖50起到当流体208从入口200到出口204经过容积17时将流体容纳在容积17中的作用。这样，流体208，212和218可被隔开。

如图9所示，热交换器14可互连至类似结构的热交换器。热交换器14互连至类似结构的热交换器13和热交换器15。类似于水的流体流过第一流体入口200从热交换器13流到热交换器14。然后水流过热交换器14的整个长度，从第一流体出口204(如图1所示)流出，经过第二流体入口288流到热交换器15，所述第二流体入口288与热交换器14的第一流体出口204连通。然后水通过热交换器15的第二套管280内部的第二流体容积284而流过热交换器15的第二套管280并最终流出第二流体出口292。这样，流体可经过平行或串联回路内的多个热交换器从而与罩在每一热交换器中的管圈无流体混合地进行热交换。

如图10中所示，为了增强热交换，导热元件226设在如上所述形成的容积222中。导热元件226包括一片金属件，例如铜，其具有沿着F₁方向的第一螺旋230。第一热交换管18和第二热交换管34在箭头F₂的方向螺旋盘绕，该方向与箭头F₁的方向相反。通过将导热元件226布置在容积222中并且该元件以这种方式螺旋盘绕，促进了在套管16内的流体的湍流从而改善了流体套管16与在第一热交换管18和第二热交换管34中的流体的热交换。

如图8，11和12中所示多管，所述如图12中所示的三管，如图11中所示的四管，和如图8中所示的六管可被互相盘绕从而在各管内流体彼此不混合的情况下允许多种流体的热交换。在图8，11和12中示出的每一热交换器可通过前述方式加工。如图8中所示，这些多管可互相盘绕使得第一热交换管18的第一匝22与第二热交换管34的第二匝38邻近，第二匝38邻近于第三管240的第三匝244，第三匝244邻近于第四管248的第四匝252，第四匝252邻近于第五管256的第五匝258，第五匝258最后邻近于第六管260的第六匝264。如所知的，可以调节螺旋的紧密度，管的长度，管的数量，管的直径还有这些管的螺旋的角度来实现所给出的热交换任务的特定需求。

因此，前述说明在于示例而不是限制。可根据上述教导对本发明作出许多修改和变化。本发明的优选实施例已经公开。然而，本领域技术人员可以认识到某些修改可在本发明的范围内。因此，在附加的权利要求的范围内，本发明可以与具体描述的不一样的方式实践。为此必须研究下列权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1、一种热交换器，包括：

用于输送流体的第一热导管；

用于输送流体的第二热导管；并且

其中所述第一热导管形成第一匝而所述第二热导管形成第二匝，所述第一匝邻近所述第二匝。

2、如权利要求1所述的热交换器，其中所述第一匝接触所述第二匝。

3、如权利要求1所述的热交换器，其中所述第一匝和所述第二匝绕着相同轴线盘绕。

4、如权利要求2所述的热交换器，其中所述第一匝和所述第二匝绕着所述相同轴线沿着相对所述相同轴线的大致相同的角度进行盘绕。

5、如权利要求1所述的热交换器，包括具有第三匝的第三热导管，所述第三匝与所述第一匝和第二匝中的至少一个邻近。

6、如权利要求5所述的热交换器，其中所述第三匝绕着与所述第一匝和第二匝相同的轴线以大致相同的角度进行盘绕。

7、如权利要求1所述的热交换器，包括将所述第一匝和第二匝罩住的套管。

8、如权利要求7所述的热交换器，其中套管包括第三管，所述套管具有流体入口和流体出口。

9、如权利要求1所述的热交换器，其中在所述第一匝和第二匝之内形成容积。

10、如权利要求9所述的热交换器，包括设在所述容积中的导热元件。

11、如权利要求10所述的热交换器，其中所述导热元件具有第一螺旋并且所述第一匝和所述第二匝形成第二螺旋，所述第一螺旋在第一方向螺旋盘绕而所述第二螺旋在与所述第一方向相反的第二方向螺旋盘绕。

12、一种热交换器包括：

用于输送流体的第一热导管，所述第一热导管形成第一匝；

用于输送流体的第二热导管，所述第二热导管形成第二匝；

其中所述第一匝邻近所述第二匝，所述第一匝与所述第二匝绕着相同的轴线盘绕；以及

用于将所述第一匝和所述第二匝罩住的套管，所述套管绕着所述第一匝和所述第二匝形成流体容积。

13、如权利要求12所述的热交换器，其中所述套管具有第一流体入口和第一流体出口。

14、如权利要求13所述的热交换器，包括具有第二流体容积的第二套管，所述第二套管具有第二流体入口和第二流体出口，其中所述第一流体出口与所述第二流体入口流体连通。

15、一种制造多管热交换器的方法，包括有步骤：

a)绕轴线盘绕第一热交换管形成第一匝；

b)绕轴线盘绕第二热交换管形成第二匝；以及

c)将第一热交换管与第二热交换管互相盘绕，使得第一匝沿着轴线邻近第二匝。

16、如权利要求15所述的制造多管热交换器的方法，其中第一热交换管具有第一旋转自由部分和第一固定部分，并且第二热交换管具有第二旋转自由部分和第二固定部分，第一旋转自由部分和第二旋转自由部分绕着轴线自由盘绕而第一固定部分和第二固定部分被固定而不绕轴线盘绕。

17、如权利要求16所述的制造多管热交换器的方法，包括有步骤：

d)将第一旋转自由部分和第二旋转自由部分紧固到夹具上；以及

e)旋转夹具从而将第一热交换管与第二热交换管互相盘绕。

18、如权利要求15所述的制造多管热交换器的方法，包括下述步骤：

f)沿着轴向导向件盘绕第一热交换管和第二热交换管，该轴向导向件沿着轴线延伸。

19、如权利要求18所述的制造多管热交换器的方法，包括下述步骤：

g)去除轴向导向件并用第三热交换管替换轴向导向件。

20、如权利要求18所述的制造多管热交换器的方法，其中轴向导向件具有螺旋外形，第一热交换管的第一匝和第二热交换管的第二匝盘绕在该导向件上。

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