TWI442809B - 用於泄漏敏感應用之雙壁軸流電熱器 - Google Patents

Description

用於泄漏敏感應用之雙壁軸流電熱器

本發明大體上係關於電加熱流體之領域及更具體係關於一種用於泄漏敏感應用之雙壁軸流電熱器。

習知氣體及液體係藉由殼管式熱交換器予以加熱，其中穿過管之熱液體或氣體提供熱量，熱量通過管壁以加熱管外部穿過熱交換器之物質。殼含有經加熱之液體或氣體且其通常係圓柱形以提供良好壓力障壁。圓柱體末端之壓力障壁係藉由其中鍛造有中空管之管板提供。然而，許多不同設計皆可行。當應用係泄漏敏感時，交換器經常配備有管板間具有間隙之雙管板以使可自管至殼或反之自殼至管防止泄漏且可觀察泄漏以使於出現重大泄漏之前進行維修。作為替代方法，可將加熱流體引入殼中而欲加熱之流體可穿過管之內部。

當要求比可由用作穿過管之熱傳流體之蒸氣(諸如水蒸汽)或液體獲得者更高之溫度時，則使用電熱器替代管。然而，電熱器相較殼管式熱交換器呈現某些限制。使用至少兩個基本設計：熔爐設計(其中流體流經位於電加熱爐內之管)或直接浸漬設計(其中流體流過直接插入某類型導管中之加熱棒)。

熔爐設計之一實例係稱為輻射線圈爐(參見Wellman設計)，其中藉由爐壁包含熱量之電加熱元件加熱含氣體之盤管。熔爐通常具有蓋板或端板，管突起穿過該等板以與製程之其他部份連接。當加熱其等時，管膨脹並移動。熔爐通常不是氣密的或額定壓力以允許管移動及降低成本。

第二實例使用諸如US 7,318,735中所示之浸漬加熱器，其係凸緣形設計，其中多個U形加熱元件係焊接於凸緣，且連接於電熱器之線係延伸超出凸緣中之孔之。加熱元件束係置於空管內且受熱液體係自管側邊進入及離去。

在管中出現泄漏之情況下，兩種類型之設計均將物質釋放於大氣中，且須停機維修。對於腐蝕性物質，泄漏之可能性增加：許多腐蝕性物質亦具毒性，從而提供嚴重健康危害。儘管有此泄漏可能性，但通常並不提供泄漏檢測系統以警告操作者。腐蝕隨溫度快速增加，故管上之任何熱點將更快腐蝕。對於熔爐設計，亦遮蔽部份管，故一些部份較另一些熱。對於浸漬設計，一些區域具有較差之流動性且如此無法移走熱量並成為熱點。此特別係更難加熱之腐蝕性氣體之情況。

自US 7,318,735之圖1可看出：流體自側面進入且因此必須轉至向下流並流出出口。此方向改變在自橫向流至軸流之過渡中形成低流量區域，其可能產生熱點。在'735專利中，並無有利於此過渡之機制。同樣地，此係每單位長度所放出熱量為恒定之電熱器之特徵；因此，若此熱量無法自加熱器之整個區域均勻移走，則會發展為「熱點」。由於低熱傳區域不僅僅傳遞熱量，因此熱點問題並不十分嚴重，故殼管式熱交換器並不出現此情況。由於一般橫向流擋板會造成熱點，故不可使用利用電熱量之標準殼管式設計。亦可看出：一個加熱管或線故障需移除整個組合件以維修故障。如US 7,318,735中所述，此增加了操作成本。然而，本文所呈現之溶液亦具有單元必須停機並拆除以焊接於加熱板上之問題。

腐蝕性物質之另一問題係其等一般具有不應超過之上限溫度。接著此限制在加熱器熱端可使用之通量。然而，由於加熱器一般具有單通量，故此意指在冷端亦具有低流量且如此總加熱器係更大的。對此之一解決方案係可變通量率，其中通量在冷端係比熱端高，但此等加熱器的製造更昂貴且無法輕易購得。另一缺點係缺乏量測加熱器溫度之方法並因此須察覺加熱器是否過熱。雖可使分開的熱電偶套管穿過頂板，但此需要更大空間及板之額外穿透孔且每一熱電偶套管僅量測其所接觸之加熱器上之點。

為達本發明之目的，以下闡述某些術語之定義。

「加熱棒」係插入防護管內之鍛造金屬夾套中之組合加熱器。該組合加熱器包含三個區域，即具有低熱輸出自冷接點向外延伸之引線區域，具有高熱輸出包含加熱器本體(heater proper)之第二區域，及具有低熱輸出包含冷前緣之第三區域。

「連接桿」包含用於將擋板組合件緊固在一起之多個長金屬棒。連接桿之一端係螺旋連接於管板中及另一端係(例如)藉由螺母固定。擋板中具有配合連接桿位置並避開連接桿且利用介於擋板間之分隔物縱向放置之孔。

「分隔物」係用於分離與連接桿連接之擋板的裝置。分隔物通常係直徑大於擋板中之孔的管，穿過擋板安裝有連接桿。連接桿壓緊擋板與分隔物之組合件以原位固定該組合件及防止震颤。由於分隔物係抵靠著擋板或管板壓於兩端上，故極少流體向下流入分隔物內部。因此，分隔物可用於排除熱交換器之某些區域中之流體。在本文所述之此實施例中，分隔物係用於此目的以及用於擋板分離。因此，分隔物之截面形狀可與一般使用管不同以為流動區域中之流體提供所需形狀。

「防護管」係插入加熱器殼中以分離加熱棒與殼中流體之管。

「圍板」係位於加熱棒周圍藉由迫使流體以高長對間隙比向下流過間隙而拉直流體之裝置。

「引線」係自加熱器外部導電至產生大多數熱量的加熱器本體的金屬線。

「冷接點」係介於引線與加熱器本體中之加熱線圈間之接點。

「加熱器本體」係指經設計為熱量之主要來源且通常由高電阻加熱線或線圈組成之加熱器區段。其位於冷前緣及冷接點間。

「冷前緣」係自熱引線分隔之區段，其中產熱線圈係藉由低電阻線之U形部件彼此連接。此區段遠冷於加熱器本體。

「熱膨脹間隙」係經提供以允許防護管內之加熱棒的差異熱膨脹之間隙。

本發明實施例之目的包括(但不限於)藉由降低泄漏之風險及藉由預釋放泄漏檢測提供改善之安全性、低成本之所有權、沿加熱器長度之可變通量、增加腐蝕速度之熱點的減少及加熱器過熱的減少或消除。

連同附圖，自以下說明書當明瞭本發明之其他目標及優點，其中經由例示及舉例方式揭示本發明之實施例。

根據本發明之較佳實施例，揭示一種用於泄漏敏感應用之雙壁軸流電熱器，其包括：一殼體，含有欲經加熱之泄漏敏感流體，該殼體具有一管板之至少一末端連接，及流體入口或出口之至少一第一及第二連接，其可係側面或末端連接，一一級及二級管板，其中該一級管板係連接於該殼體之末端連接件且該二級管板係直接或經由一導管連接於該一級管板，在一卡口防護管內之至少一加熱棒，其中該防護管一端係封閉的且因此可自由膨脹而另一末端係密封於該一級管板，該加熱棒係密封於該二級管板，及位於流體入口後或流體出口前之至少一流動轉向擋板。

其他泄漏防護包括介於該一級管板與二級管板間之一導管，其經設計以承受製程壓力並提供壓力傳送器及警報以便包括經由防護管之泄漏與提供已出現泄漏之警告兩者。然後如以殼管式熱交換器進行之標準實踐般，藉由移除加熱棒並堵塞泄漏防護管進行緊急維修時，可暫時將單元停工。另外較佳係每一個加熱棒可分別壓力密封於二級管板以使若加熱棒故障，則可於使用期間移走及替換之且防護管之內部及加熱棒之外部具有高發射率塗層以增強介於其等間之輻射轉移。藉由利用在與第一束相反端插入第二管束可獲得成本進一步減少。藉由增加或改變防護管之直徑可達成可變通量之額外設計靈活性。熱電偶套管可插入加熱棒或防護管之中心以直接量測各位點之加熱器溫度。

圖構成本專利說明書之一部份且包括本發明之例示性實施例，其可以各種形式具體實施。應瞭解在一些實例中，可誇張或放大顯示本發明之各種態樣以便於理解本發明。

雖然本文提供較佳實施例之說明，但應瞭解本發明可以各種形式具體實施。因此，本文所揭示之具體細節不應視為限制，而係作為專利申請範圍之基礎及作為教示技術熟練者之代表性基礎以實質上任何適宜詳細系統、結構或方法應用本發明。

圖1係本發明基本實施例之觀念概要圖。上部包括類似於習知殼管式熱交換器中使用之雙管板的一雙管板裝置。為避免介於熱交換流體與受熱流體間之交叉污染，由於僅有一種流體受熱，故管板構成雙壁之頂部。二級防護係由介於一級管板101間之充氣室135組成，該一級管板101係藉由凸緣導管103連接於二級管板102，該凸緣導管103因此係焊接於二級管板102並以亦固定組合件於殼體100之的螺栓104固定於一級管板101。為通向泄漏檢測器106與填充及淨化連接件107之導管134提供穿透孔105，該泄漏檢測器106可係諸如壓力或溫度傳送器、傳導性或密度檢測器或氣相層析之各種裝置中之一者。在具有雙管板之習知殼管式熱交換器中，穿透孔105僅係一泄漏孔且泄漏檢測係藉由操作者注意到液體自該孔滴出方式完成，此無法為泄漏敏感應用所接受。藉由一級管板101、防護管108及管板對管之密封件128可提供一級防護。較佳地，利用標準熱交換器製造技術可將防護管108擴入一級管板101中且防護管108較佳亦係密封焊接於一級管板101以進一步降低泄漏風險。電熱棒109係以其等間具一餘隙空間110地插入防護管108中，其中餘隙空間110係至少足以允許製造公差，不同熱膨脹及因腐蝕而可能的厚度增加。加熱棒109穿過隔熱塊112中之孔111，穿過二級管板102中之孔113，並穿過經由短管115焊接於二級管板102之個別壓力密封件114。所示壓力密封件係諸如由Swagelok或Parker製造之標準鑽孔低泄漏率壓縮配件並根據製造商的指示以套圈116密封於加熱棒。其他壓力密封件亦係可行的，諸如凸緣及o環密封件。加熱棒109可具有焊接於實際加熱棒上之標準尺寸管的延伸件117以改良進行密封位點之適合度。由於低泄漏率及較小足印，故壓縮密封件係特別有利的，其等可基於檢測目的可打開及再製造數次且可在更替舊加熱棒後，將新加熱棒直接穿過壓力密封件插入。加熱棒109之頂端具有密封件118、導管120及延伸至接合箱121之一束絕緣線119。就工業應用而言，需實踐將線封於為剛性或撓性的導管120中。當該束線119亦包括熱電偶線時，其等應經屏蔽以防電源線所產生之電磁場。接合箱係位於側面以使具有防護管束108之個別加熱棒109及整個一級管板101及二級管板102可輕易地移除。

填充及淨化連接件107係用以加壓介於一級管板101與二級管板102間之絕緣填充充氣室135並以對構造材料及製程流體123為惰性之氣體122填充圍繞管之餘隙空間110。在需打開熱交換器頂部之泄漏的情況下，氣體122亦可用於擺動清除充氣室135及餘隙空間110中之製程氣體123。製程流體123經由側面入口131進入並衝擊防護管108之側面。流動箭頭124顯示製程流體轉向向上流及圍繞殼體之頂部，然後轉向向下以流入轉向擋板126之圍板部件125中。圍板125的功能係在殼體之頂部中湍急橫向流後使流體流變直。介於圍板及防護管間之間隙132提供一有助於平均分配流量之壓降。擋板126係如殼管式熱交換器中之標準實踐般藉由一級管板之分隔物(未顯示)及分隔棒(未顯示)支撐。為具有極開放結構之管支撐擋板的額外蛛狀擋板127(諸如圖7所示)係位於許多位置以減少防護管之振動並使流動擾動降至最低。流體流動箭頭124進一步顯示製程流體123之軸流向下流過交換器，穿過加熱器及防護管之末端133，然後流出中心出口129，受熱製程流體130繼續流入另一導管(未顯示)。替代方案係提供一側面出口，但此需要另一轉向擋板126以將流體轉至流出側面出口而無造成軸流之上游擾動。該實施例的優點係加熱棒109與防護管108均係卡口類型(即在下端不受限)，此意指其等底部可自由膨脹且因此其等之熱膨脹無施加應變於管板對管密封件128上，而此處已知為習知殼管式交換器中最可能泄漏的區域。

圖2顯示第一及第二加熱器組合件201、202之簡化概要圖，其中每一者係更詳細地顯示在圖1中，其中底部加熱器組合件202與上部加熱器組合件201為倒置關係。在此實施例中，流體210係經由頂側面入口203進入頂部加熱器組合件201並經由中心出口204(其亦係底部加熱器組合件202之中心入口)離開。在此實施例中，底殼206具有比頂殼207更大之直徑，其允許底部防護管208具有比頂部防護管209更大之直徑。對於相同瓦數/線性英吋，較大直徑防護管208具有比較小直徑管209更低之熱通量(以瓦數/平方英吋計)。因此，此係底部加熱器具有較低通量之兩階段加熱器之實例。基於標準化目的，特佳係在兩個防護管208、209中使用相同尺寸之加熱棒211。亦可藉由將側面出口205連接至另一加熱器之入口(未顯示)以串聯連接額外加熱器。

圖3、4及5顯示簡化之流動示意圖以說明軸流對藉由電加熱之殼管式交換器的好處。圖3顯示經典殼管式熱交換器301。熱流302流經入口管板303，沿管304向下並流出底部管板305。冷流306流入側面入口307，穿過管304並藉由擋板308轉向以反複穿過管304，然後經由側面出口309離開。在藉由擋板308之攔阻作用使流體反向之位置310處，流速極低且因此熱傳極低。不利作用係熱流在此位置未經冷卻，但未交換之熱量係藉由流體帶至進行交換之位置。因此，低流量點之存在造成熱傳之損失。在此類型之交換器中，泄漏311之主要來源係在介於管板303、305與管304間之連接件312處，因為其等受熱並膨脹。

在圖4中，藉由插入之加熱棒320替代圖3之熱流302，不需要底部管板305且藉由管帽327封端防護管322，其允許管322自由膨脹，因此降低在介於管322與頂部管板321間之連接件326處泄漏之風險。低流量位置323係在與圖3之低流量位置310相同之位置處，但現在未經轉移之電熱量無法沿著防護管322向下帶走，因為無熱流體可攜帶之。因此，可在防護管322上之低流量位置323處形成熱點324。由於熱點可能引起防護管322之腐蝕增多，或殼側流體325之分解，故其等為非所欲。因此，此等改變減少管板處泄漏之風險，但增加因熱點引起之泄漏風險。

在圖5中，藉由對殼側流動路徑341及加熱棒342之改變減少或消去因熱點所引起之泄漏風險。冷流體343進入側面入口344流入藉由殼體346、頂部管板347及轉向擋板348形成之室345中。轉向擋板348導致流體343如流動箭頭349所示由起始橫向流改變其流動路徑341為軸流。轉向擋板348上方存在一些低流量350之區域，但修改加熱棒以使藉由使「冷接點」351位於轉向擋板頂部352下方而使未經加熱之區域存在於轉向擋板上方。冷接點351係在介於加熱器引線353與加熱器本體354間之接點處。

類似低流量區域350係存在於底部轉向擋板355之下方，且加熱棒342係經設計以使具有低熱輸出之冷前緣356始於轉向擋板357底部上方。熱膨脹間隙360係在介於加熱棒358之末端與防護管359之末端間，供以當加熱棒342於加熱期間膨脹時防止其觸碰防護管359。

圖6係顯示插入熱交換器401之殼體406中之轉向擋板408的放大截面流動概要圖。冷流體403進入側面入口404，流入由殼體406、頂部管板407及轉向擋板408所形成之室405中。轉向擋板408具有兩個元件，即實質上阻擋沿交換器流下之流體的擋板409，及圍繞防護管402並迫使流體403經由圍繞每一防護管402之間隙414平均分配並使流體變直以使其變為軸向。圍板410亦可保護防護管402以防入口流體403之橫管流，其減少管402上可造成振動之力。擋板409係位於側面入口404底部下方以確保密封。圍板410自擋板409向上延伸較佳至側面入口404高度之約50%之位置。冷接點411係位於開始軸流之圍板頂部下方且存在良好熱傳。因此，長圍板之好處係可獲得更多加熱長度。另一方面，圍板頂部越接近頂部管板407，則供引起壓降及分配失常之流體轉向之空間就越少。利用電腦經由有限元素分析模擬流動可有助於優化既定流動條件。就良好流動分配及低振動而言，入口直徑412較佳係約與殼體直徑413相同。

圖7顯示管支撐裝置之單孔502中之蛛狀擋板127的詳細截面概要圖，彼等擋板為如圖1中示為蛛狀擋板127者的典型。藉由三個突耳503將防護管501支撐於孔502之中心。突耳503之支撐防止管502過度移動及振動。突耳503之較小尺寸提供用於流體流動之較大開放區域504並因此提供低壓降。

圖8、9、10及11顯示防護管及縱流擋板之若干替代裝置的截面概要圖。為達明晰目的，未個別顯示內部具有加熱棒之防護管，該組合係藉由交叉影線圓圈表示。在圖8中，防護管601係以三角形圖案佈置，其中該三角形圖案於沿著防護管之空間不充足之外圓周的一些位置具有相對均等之中心間隙602及較大間隙603。此等較大間隙603經填充不同形狀之縱向擋板604，故間隙的尺寸更均一。藉由附接至管板與擋板之分隔物605將擋板固定位。

在圖9中，防護管611亦可以具有相對均等中心間隙612之較大三角形圖案佈置。在沿著無法提供防護管足夠空間的外圓周之一些位置處有較大間隙613。此等間隙亦可充滿一些形狀之縱向擋板614，故間隙更均一。藉由附接管板及擋板之分隔物615同樣可將擋板614固定於原位。額外分隔物616亦係經提供以使防護管611間之間隙更均一且提供延伸之表面區域。熱防護管611輻射至分隔物616，其接著亦藉由傳導及對流加熱流體617。

在圖10中，位於中心之較大管621係經較小管622之環所包圍。如在圖8及圖9中，在圓周處之較大間隙623係充滿一些形狀之縱向擋板624，而使間隙更均一。藉由附接管板及擋板之分隔物625將擋板固定於原位。在介於管621、622間之間隙中提供額外分隔物626以進一步減少間隙空間並提供延伸之表面區域。熱防護管621、622輻射至分隔物626，然後藉由傳導及對流加熱流體628。作為另一變體，可將多於一個加熱棒置於較大防護管621中。

在圖11中，將防護管631以管間具有均一間隙632之方形圖案佈置於熱交換器之中心。方形陣列外之較大空區域633係藉由單一大擋板634封鎖，該單一大擋板634係由截面擋板637與完全包圍管631並用作額外熱傳區域之縱向擋板636所組成。此擋板634係經封閉以防止流經之且如先前所述係藉由間隔物635支撐。

圖12顯示用於評估藉由擋板701與分隔物702所提供之延伸表面區域的好處之輻射熱傳網路的實例。派形區段703表示圓形截面類似於圖10之加熱器之對稱區段且係用以減少計算整個截面之熱傳的時間。中心加熱器704與外部加熱器705封閉將熱量輻射至擋板701與分隔物702的電熱棒。藉由垂直流至加熱器之流體706冷卻全部表面；因此分隔物702與擋板701係用作額外表面區域並提高總熱傳。

圖13圖示如何改變防護管801之直徑可改變通量而不改變加熱棒802本身之線性熱輸出。棒802之直徑係小於防護管801之頂部直徑804。由於來自加熱棒802之所有能量經由防護管801流出，故在防護管801表面807處之熱通量，即每單位面積之熱量係與兩個直徑之比成比例。在膨脹區段805之後，由於底部806之防護管的直徑較大，故防護管801表面807處之通量較低。

圖14係焊接於支撐板902之先前技術單一加熱器901之截面，其顯示先前技術電熱器在用於加壓應用時防止泄漏方面之一些缺點。欲經加熱之流體903包圍加熱器且藉由薄金屬護套904與加熱器901之內部隔離，該薄金屬護套之厚度係藉由用於製造加熱器之鍛造技術決定。在加熱器內部之線905係藉由自介於顆粒間之間隙獲得大部份絕緣性質的細微礦物質氧化物粉末906而絕緣。線係延伸穿過封裝材料907之填料至加熱器組合件之外部。一旦孔909在護套中擴大，則在護套外之流體903可流經孔909及與填料907隔離之間隙，因填料非壓力密封件且最後在加壓下將失效而導致釋放至環境中及可能嚴重之健康及安全問題。由於加熱器護套904係焊接於支撐板902，故當泄漏擴大時，必須移除整個支撐板，切掉加熱器並將新加熱器焊接於組合件中。由於此需要許多勞動工作，利用此先前技術加熱器裝置者傾向忍受小泄漏而希望其等在工廠停工時間之前不會變得更差。雖然此態度係可理解的，但此可導致災難性故障及極大毒性物質釋放。

與併入本發明特徵之圖15所示之組合件相比，其顯示防護管1002內單一加熱器1001之截面，其中防護管1002先擴大伸入管板1004之孔1003中，然後密封焊接之。利用焊接於支撐板1005之鑽孔壓縮配件1012(諸如藉由Swagelok所製造之彼等者)將加熱器1001密封於個別支撐板1005中。介於加熱器1001與防護管1002間之間隙1010可充滿壓力低於外部流體1007的流體1006。在形成孔1008之情況下，外部流體1007流入間隙中且增加內部流體1006之壓力，其可藉由壓力傳送器1009可立即檢測得。因此，操作者可得知有孔存在，但在泄漏至外部之前尚有一些時間，此係因加熱器之護套1011係備用壓力障壁之故。操作者可如殼管式交換器之標準實踐般停機並沖洗掉流體1007，安全地打開加熱器，抬出加熱器支撐板1005及附接加熱器1001，找到泄漏防護管並堵塞之，因此密封泄漏。然後藉由打開壓縮配件1012，以標準管帽(未顯示)密封配件1012，再附接支撐板1005及加熱器1001，如此將熱交換器放回操作(雖因少一個加熱器存在，但可在略微較低之電源下操作)中可移除已放入故障防護管1002中之加熱器1001。此遠快於移除支撐板、磨去故障加熱器並再焊接於新加熱器中且皆可在熱交換器之位置處完成而不需要可能引起火災或爆炸且係受高度管制之焊接設備。較有可能的故障係在加熱棒1001自身內之接地短路且此等故障可藉由測試外部引線而輕易偵測得到。由於操作者已知防護管1002係完整的，由於壓力傳送器1009顯示低壓，故可輕易釋出壓縮配件1012，移除舊加熱器1001並以新加熱器替換，然後再密封配件1012。

圖16-18圖示所述實施例之特別有利態樣，因其在加熱器中之多個點提供直接量測加熱器溫度之能力。圖17係具有六個加熱線圈1106之加熱棒之末端視圖1101及圖18係其縱向截面1102，該等加熱線圈1106包圍中空熱電偶套管1104，其中可插入熱電偶或熱電偶1105束或其他溫度檢測裝置並將其封於多室加熱器護套1107中。針對使用三相電源之大工業加熱器，使用六個線圈係特別有利，因每一對加熱器線圈可為一完整單相電路並因此每個多室加熱器係藉由自動平衡之三相電源直流供電且可自系統移除加熱器而不使其他加熱器上之負載失衡。熱電偶束具有不同長度1109之熱電偶，每一者量測其尖端1108之溫度，此對應於熱電偶套管1104中之不同深度。

因此，本發明藉由提供具有外壁及壁間具有泄漏檢測機構之雙壁結構降低泄漏之風險。此外，避免可能導致腐蝕增加之熱點增加操作性且藉由提供有關加熱器溫度之資訊可提高加熱器壽命。又另外，藉由提供加熱棒之個別更替可改良維修度。

雖然已結合較佳實施例描述本發明，但此不意欲將本發明範圍限於所闡述之特定形式，但與之相反，其係意欲涵蓋此等替代物、改良及等效物如包含於藉由隨附專利申請範圍所界定之本發明精神及範圍內般。

100．．．殼體

101．．．一級管板

102．．．二級管板

103．．．凸緣導管

104．．．螺栓

105．．．穿透孔

106．．．泄漏檢測器

107．．．填充及淨化連接件

108．．．防護管

109．．．電熱棒

110．．．餘隙空間

111．．．孔

112．．．隔熱塊

113．．．孔

114．．．壓力密封件

115．．．短管

116．．．套圈

117．．．延伸件

118．．．密封件

119．．．絕緣線

120．．．導管

121．．．接合箱

122．．．氣體

123．．．製程氣體

124．．．流動箭頭

125．．．圍板

126．．．轉向擋板

127．．．蛛狀擋板

128．．．管板對管密封件

129．．．中心出口

130．．．受熱製程流體

131．．．入口

132．．．間隙

133．．．末端

134．．．導管

135．．．充氣室

201．．．上部加熱器組合件

202．．．底部加熱器組合件

203．．．頂側面入口

204．．．中心出口

205．．．側面出口

206．．．底殼

207．．．頂殼

208．．．底部防護管

209．．．頂部防護管

210．．．流體

211．．．加熱棒

301．．．殼管式熱交換器

302．．．熱流

303．．．入口管板

304．．．管

305．．．底部管板

306．．．冷流

307．．．側面入口

308．．．擋板

309．．．側面出口

310．．．位置

311．．．泄漏

312．．．連接件

320．．．加熱棒

321．．．頂部管板

322．．．防護管

323．．．低流量位置

324．．．熱點

325．．．殼側流體

326．．．連接件

327．．．管帽

341．．．殼側流動路徑

342．．．加熱棒

343．．．冷流體

344．．．側面入口

345．．．室

346．．．殼體

347．．．頂部管板

348．．．轉向擋板

349．．．流動箭頭

350．．．低流量區域

351．．．冷接點

352．．．轉向擋板頂部

353．．．加熱器引線

354．．．加熱器本體(heater proper)

355．．．底部轉向擋板

356．．．冷前緣

357．．．轉向擋板

358．．．加熱棒

359．．．防護管

360．．．熱膨脹間隙

401．．．熱交換器

402．．．防護管

403．．．冷流體

404．．．側面入口

405．．．室

406．．．殼體

407．．．頂部管板

408．．．轉向擋板

409．．．擋板

410．．．圍板

411．．．冷接點

412．．．入口直徑

413．．．殼體直徑

414．．．間隙

501．．．防護管

502．．．孔

503．．．突耳

504．．．較大開放區域

601．．．防護管

602．．．中心間隙

603．．．較大間隙

604．．．縱向擋板

605．．．分隔物

611．．．防護管

612．．．中心間隙

613．．．較大間隙

614．．．縱向擋板

615．．．分隔物

616．．．額外分隔物

617．．．流體

621．．．大管

622．．．較小管

623．．．較大間隙

624．．．縱向擋板

625．．．分隔物

626．．．額外分隔物

628．．．流體

631．．．防護管

632．．．間隙

633．．．較大空區域

634．．．單一大擋板

635．．．分隔物

636．．．縱向擋板

637．．．截面擋板

701．．．擋板

702．．．分隔物

703．．．派形區段

704．．．中心加熱器

705．．．外部加熱器

706．．．流體

801．．．防護管

802．．．加熱棒

803．．．直徑

804．．．頂部直徑

805．．．膨脹區段

806．．．底部

807．．．表面

901．．．先前技術單一加熱器

902．．．支撐板

903．．．流體

904．．．金屬護套

905．．．線

906．．．礦物氧化物粉末

907．．．封裝材料

909．．．孔

1001．．．單一加熱器

1002．．．防護管

1003．．．孔

1004．．．管板

1005．．．支撐板

1006．．．流體

1007．．．外部流體

1008．．．孔

1009．．．壓力傳送器

1010．．．間隙

1011．．．護套

1012．．．壓縮配件

1101．．．端視圖

1102．．．縱向截面

1104．．．熱電偶套管

1105．．．熱電偶

1106．．．加熱器線圈

1107．．．多室加熱器護套

1108．．．尖端

1109．．．長度

圖1係併入本發明特徵之基本熱交換單元之概要剖視圖，該單元具有一管束，一側面入口及一末端出口；

圖2係具有兩個管束、一側面入口及一出口之擴展實施例的概要剖視圖；

圖3係圖示通過一標準殼管式熱交換器的流體之流動路徑之概要剖視圖；

圖4係圖示由通過一標準殼管式熱交換器的流體之流動路徑所造成之熱點的概要剖視圖，其中管已經由電熱器替代；

圖5係圖示軸流避免具有電熱器之殼管式熱交換器中之低流量區域及熱點之概要截面圖；

圖6係併入本發明特徵包括一轉向擋板之一熱交換器之截面圖；

圖7係支撐一防護管之一蛛狀擋板之截面圖；

圖8係顯示軸流擋板及分隔物之一防護管佈置之截面圖；

圖9係顯示軸流擋板及分隔物並將分隔物用作延伸表面區域之一防護管佈置的截面圖；

圖10係包括用作一軸流擋板之一大中心管之一防護管佈置之截面圖；

圖11係顯示使用藉由一軸流擋板包圍之方形傾斜管之防護管佈置之截面圖；

圖12係顯示一熱交換器之一部份之概要圖，其圖示藉將輻射用於分隔物及擋板提供一延伸熱傳區域；

圖13係圖示藉由改變防護管直徑而提供可變通量之概要圖；

圖14係圖示將薄護套加熱棒焊接於一支撐板的先前技術用途之截面圖；

圖15係顯示將一加熱棒及一防護管密封於分隔板之截面圖；

圖16係可插入之溫度感應器之側視圖；及

圖17及18係具有由加熱線圈包圍之中心熱電偶套管的加熱棒之末端及縱向視圖。

100．．．殼體

101．．．一級管板

102．．．二級管板

103．．．凸緣導管

104．．．螺栓

105．．．穿透孔

106．．．泄漏檢測器

107．．．填充及淨化連接件

108．．．防護管

109．．．電熱棒

110．．．餘隙空間

111．．．孔

112．．．隔熱塊

113．．．孔

114．．．壓力密封件

115．．．短管

116．．．套圈

117．．．延伸件

118．．．密封件

119．．．絕緣線

120．．．導管

121．．．接合箱

122．．．氣體

123．．．製程氣體

124．．．流動箭頭

125．．．圍板

126．．．轉向擋板

127．．．蛛狀擋板

128．．．管板對管密封件

129．．．中心出口

130．．．受熱製程流體

131．．．入口

132．．．間隙

133．．．末端

134．．．導管

135．．．充氣室

Claims (24)

1. 一種軸流電加熱流體熱交換器，其包括：一拉長熱交換器殼體，該殼體具有一一級管板，而該一級管板具有貫穿該一級管板延伸進入該殼體之內部空間中之一或多個電熱器，且在該殼體側面中之一第一口及在該殼體之側面或末端中之一或多個額外口，該等口為進料至該一級管板下方之該殼體中的內部空間但在位於該內部空間內之電熱器外部之流體提供流入及離開該殼體之入口及出口，一二級管板，其位於該一級管板上方且其間以一充氣空間分隔其兩者，該一級管板、該二級管板及該充氣空間包括一第一組管板，該一或多個電熱器包括防護管，至少一加熱棒位在每一防護管內，該一或多個防護管在密封於該一級管板之第一末端處具有外表面且與該一級管板分隔之第二末端具有一封閉末端以形成一其中封閉一或多個該加熱棒之無流體空間，該無流體空間係開放至充氣空間，及至少一流動轉向擋板，其位於該第一組管板下方之該內部空間中且介於為殼體內部空間提供流體入口之該等口中之一者與自該殼體內部空間提供流體出口之該等口中之一者之間。
2. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括：藉由一充氣空間分隔之至少一第二組一級管板與二級 管板，該第二組一級管板與二級管板沿該殼體之長度與該第一組管板軸向分隔，一第二組電熱器自該第二組一級管板與二級管板延伸，該第二組電熱器之防護管係連接於該第二組一級管板，該第一組管板及第二組管板之二級管板的分隔距離係遠於該第一組管板及第二組管板之一級管板與位於該內部空間內之至少一額外流動轉向擋板間之距離，其中該內部空間係介於該第一組管板及第二組管板之該等一級管板間。
3. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其中自其離開之流體係進料至與其串聯連接之一或多個額外電加熱流體熱交換器。
4. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其中自其離開之流體係進料至與其串聯連接之一或多個額外電加熱流體熱交換器。
5. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括位於該一級管板下方之一或多個軸流擋板。
6. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括每一加熱棒穿過該二級管板處之壓力密封。
7. 如請求項6之軸流電加熱流體熱交換器，其中該壓力密封係藉由一壓縮配件、一凸緣或一金屬或彈性體O-環密封裝置所提供。
8. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其中不同直徑之多個防護管密封於該一級管板。
9. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括 經放置以吸收自該等防護管所輻射之熱量的一或多個未經加熱之分隔物或擋板，該等分隔物或擋板係藉由流體冷卻。
10. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其中至少一防護管具有其直徑不同之至少兩個部份。
11. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括自介於該一級管板與二級管板間之充氣空間延伸之一導管及位於該導管中用於檢測經由一或多個防護管流入其中之無流體空間的泄漏之一泄漏檢測器，該泄漏檢測器包括一或多個壓力感應器、溫度感應器、密度感應器、熱傳導性感應器、液體檢測器或氣相層析入口進料口。
12. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括該充氣空間中之熱絕緣。
13. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括軸向貫穿該一或多個電熱器中心之熱電偶套管，各熱電偶套管具有位於其中之一或多個溫度量測裝置。
14. 如請求項1之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括共軸設置於該一或多個防護管上之一或多個蛛狀擋板。
15. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括位於該等一級管板間之一或多個軸流擋板。
16. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括在各加熱棒穿過該等二級管板之位置處之壓力密封。
17. 如請求項16之軸流電加熱流體熱交換器，其中該壓力密封係藉由一壓縮配件、一凸緣或一金屬或彈性體O環密 封裝置所提供。
18. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其中不同直徑之多個防護管密封於該等一級管板。
19. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括經放置以吸收自該等防護管所輻射之熱量的一或多個未經加熱之分隔物或擋板，該等分隔物或擋板係藉由流體冷卻。
20. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其中至少一防護管具有其不同直徑之至少兩個部份。
21. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括自介於各組一級管板與二級管板間之充氣空間延伸之一或多個導管及位於該一或多個導管中用於檢測經由一或多個防護管流入其中之無流體空間的泄漏之一泄漏檢測器，該泄漏檢測器包括一或多個壓力感應器、溫度感應器、密度感應器、熱傳導性感應器、液體檢測器或氣相層析入口進料口。
22. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括該充氣空間中之熱絕緣。
23. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括軸向貫穿該一或多個電熱器中心之熱電偶套管，各熱電偶套管具有位於其中之一或多個溫度量測裝置。
24. 如請求項2之軸流電加熱流體熱交換器，其進一步包括共軸設置於該一或多個防護管上之一或多個蛛狀擋板。