專利名稱：用于管束裝置的支撐系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管束裝置，例如熱交換器、冷凝器或例如核反應(yīng)堆堆芯、電熱器裝置中的其它管集合，或有流體流過它們的平行圓柱形的任何集合，并且更具體地，本發(fā)明涉及用于熱交換器裝置內(nèi)部的熱交換器管的支撐結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
許多年以前研制出熱交換器，并且它們在許多需要熱傳遞的應(yīng)用仍然非常有用。雖然已經(jīng)對基本設(shè)計做出許多改進(jìn)，但仍然存在與工業(yè)化生產(chǎn)過程內(nèi)包含熱交換器有關(guān)的折衷和設(shè)計問題。
與使用熱交換器有關(guān)的一個問題是污垢趨勢。污垢是指由于工藝流體流動和熱傳遞而在熱交換器表面上形成多種沉積和覆蓋層。存在各種類型的污垢，包括侵蝕、礦物質(zhì)沉積、聚合、結(jié)晶、焦化、沉淀和生物的。在侵蝕的情況下，由于工藝流體和熱交換器結(jié)構(gòu)中使用的材料之間的相互作用，可能侵蝕熱交換器的表面。因為多種污垢類型可以相互作用產(chǎn)生更多污垢，因而情況變得更糟。污垢可以導(dǎo)致并且確實導(dǎo)致對熱傳遞的附加阻力，從而降低傳熱性能。污垢也可以產(chǎn)生與在交換器內(nèi)部的流體流動相關(guān)的增大的壓降。
通常用于工業(yè)設(shè)備的一類熱交換器為管殼式熱交換器，其中一種流體在管內(nèi)部流動，同時另一種液體在管外被強迫通過殼體。通常，放置折流板以支撐管并強迫流體以希望的方式穿過管束。
通過使用較高流體速度可以減少污垢。實際上，一個研究表明兩倍的流體速度可以減少超過50％的污垢。雖然使用較高流體速度可以顯著減少或甚至消除污垢問題，令人遺憾地，由于折流板在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的過大的壓降，因而在傳統(tǒng)殼管式熱交換器的殼側(cè)通常難以達(dá)到較高流體速度。與使用熱交換器有關(guān)的經(jīng)常出現(xiàn)的另一問題是管的振動損傷。，在流體流垂直于管的交叉流實施方式中，管振動最劇烈且損傷最可能發(fā)生，盡管具有高流體速度的非交叉流(即軸向)實施方式中也可能出現(xiàn)管的振動損傷。
今天使用中的許多熱交換器包含折流板。在流體路徑中插入折流板，以向管提供支撐，并保證管外流體相對于管按所需方向流動。然而令人遺憾地，折流板可增加污垢，這是因為它們在交換器的殼側(cè)上流動很小或甚至不存在的區(qū)域產(chǎn)生死區(qū)。在裝有折流板的熱交換器中遭遇的另一個問題是由于流激振動，交叉流可能導(dǎo)致對管的潛在損害。在該損傷情況下，通常必須中斷或關(guān)閉操作，以修理設(shè)備。
通常使用多種類型的折流板。一種類型(扇形折流板)對于在我們的共同待決的申請中描述的低污垢熱交換器是無法接受，這是因為它們產(chǎn)生許多低速度流動或甚至沒有流動的區(qū)域，從而總是增加產(chǎn)生污垢的可能性。其它類型(包括桿、帶、扭曲管的多種類型)可以在交換器的中央?yún)^(qū)域產(chǎn)生縱向流，但是這些技術(shù)缺乏盤管支撐結(jié)構(gòu)的固有強度和撓性，該盤管支撐結(jié)構(gòu)示出于我們在2002年7月31日提交的名稱為“Heat Exchanger Flow-Through Tube Supports”的共同待決的美國專利申請No.10/209126(公開號20030178187A1，相應(yīng)于EP 1347258)所示，該申請描述了具有盤管支撐的以允許交換器殼側(cè)上的高速度的熱交換器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是盤管支撐系統(tǒng)的發(fā)展，該支撐系統(tǒng)直接適用于三角形管布置，此外允許設(shè)計更緊湊和廉價的交換器。
申請No.10/209126中描述的具有盤管支撐的管支撐系統(tǒng)通常適用于成行的管布置，盡管如申請中所述，它也可以與三角形的管布置一起使用。在申請No.10/209126中，支撐結(jié)構(gòu)使用間隔線材卷，該線材卷圍繞管束中的每個管。例如，對于三角形的管布置，線材卷圍繞管束中的全部管，相鄰管上的線材卷以相反的方向(順時針方向和逆時針方向)纏繞，使得它們在管之間的區(qū)域內(nèi)重疊，并可以焊接在一起形成組合的整體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的管殼式熱交換器采用成螺旋形的盤卷線材，以形成用于在熱交換器殼體內(nèi)布置成三角形結(jié)構(gòu)的管的間隔和支撐結(jié)構(gòu)。纏繞在管束中交替的管的周圍的線材卷的線材具有基本上等于熱交換器的管的間距的徑向厚度(對于圓形線材為直徑)。除線材卷包圍的管之外，交換器優(yōu)選使用特定結(jié)構(gòu)的密封裝置，以獲得所需流動型式。對于該結(jié)構(gòu)的交換器，死區(qū)的可能性減小，并且高速度軸向流導(dǎo)致基本上消除污垢問題，并明顯減少可能導(dǎo)致管損傷的流動誘發(fā)的管振動。
本發(fā)明提供了更容易的生產(chǎn)和以高速度運行殼側(cè)所需的健壯設(shè)計。該設(shè)計必須使用三角形的管布局。該管布局是最合適的，因為它在指定殼體直徑內(nèi)提供了最大管數(shù)。該交換器可以具有比獲得管束機械完整性所必需的連接桿數(shù)量更多的連接桿數(shù)量，該交換器也提供撓性，以通過最小化流動旁路而實現(xiàn)所需殼側(cè)速度。


圖1是假想熱交換器的簡化橫截面，該熱交換器引入與密封裝置一起的線材卷包圍的管和連接桿結(jié)構(gòu)；圖2是假想熱交換器的簡化橫截面，該熱交換器引入具有兩種可選布置的線材卷包圍的管，用于增強管束。
具體實施例方式
圖1中展示了熱交換器的殼體部分，以圖解管束結(jié)構(gòu)。雖然圖1展示了優(yōu)選的單程形式的管殼式熱交換器，原則上本發(fā)明適用于其它形式的管殼式熱交換器，例如兩個或更多個管程、U形管、可拆卸管束設(shè)計，以及已知為多管套管的交換器，盡管可能需要更復(fù)雜的布置，以填充這些其它結(jié)構(gòu)中的附加空隙空間。
圖1的熱交換器10包括殼體11和殼體中的管束12。管束12包括三角形布置的多根平行管。這些管以傳統(tǒng)的方式保持在位于管束每端的管板(沒有展示)中，通過焊接和/或通過使管膨脹進(jìn)入管板而固定于管板內(nèi)的孔。交替的管布置有用來間隔和支撐的線材卷15，該線材卷包圍管束中的管。線材卷以和美國專利申請No.10/209126中描述和展示相同的方法螺旋形地纏繞在所選管上，使用該參考文獻(xiàn)說明完整的和部分的管線材卷支撐。然而，在本系統(tǒng)中，僅將線材卷施加至所選交替管，盡管如下所述，可以將線材卷施加至管的全部長度或僅施加至管的一部分長度。
對于以三角形方式布置的管，最中心的管16布置有在它全部或部分長度上包圍它的線材卷。線材卷材料的徑向厚度嚴(yán)密地接近兩個相鄰管之間的間隔。相對于纏繞線材卷的管的周圍的管，徑向地確定該徑向厚度；當(dāng)然該徑向厚度將是通常的圓形線材的直徑。然而，線材卷的線材不需要是圓形截面；它可以具有多種可選擇的橫截面，例如正方形、橢圓形、矩形、多邊形或其它合適的幾何形狀，因此即使以桿、帶、管或條的形式，也可認(rèn)為是線材。在此情況下，徑向厚度取為線材卷的垂直于其長度的橫向尺寸。如果需要，線材卷可以是中空的。用于線材卷的線材材料優(yōu)選地由耐腐蝕/侵蝕材料組成，該耐腐蝕/侵蝕材料例如不銹鋼、鈦或具有類似冶金學(xué)特性的其它材料。
每個線材卷應(yīng)該具有兩個或更多在管周圍的完整的圈，并固定到該管上(例如，或者焊接或等效方法，該等效方法優(yōu)選地不產(chǎn)生或留下任何易于產(chǎn)生的尖銳邊緣)。以類似方式將類似的線材卷連接至群系中的其它管。線材卷放置在管束中的交替的管上；如圖1所示，這提供所需管間隔，并且因為線材卷通過與管外表面接觸向管提供相互支持和支撐，因而該線材卷能夠減少管振動。具有包圍的間距和支撐線材卷的管束中的交替的管是指具有包圍的線材卷的每個管僅接觸不具有包圍的支撐線材卷，并且相反地，沒有包圍的支撐線材卷的每根管僅接觸具有包圍的支撐線材卷的管。在管束的外緣，一些管將不具有在所有側(cè)面包圍它們的其它管(乃至連接桿)但在管束內(nèi)，交替關(guān)系保持良好。
可以沿著管連續(xù)布置線材卷，但是通常優(yōu)選地以和申請No.10/209126(公開No.20030178187A1，對應(yīng)于EP 1347258)的圖1中所示相同的方法，沿著管的軸向長度以間隔開的間距定位線材卷支撐。通常，支撐線材卷在每個相隔大約100-150cm間隔的位置約為50-80cm長。如果使用該布置，優(yōu)選地可以在第一位置沒有容納線材卷的管上的第二軸向位置提供線材卷，該順序在整個管長度上交替。即使該交替排列不是必要的，它為殼側(cè)流動提供一定對稱性，盡管處于將來不可以更換管的不利情況。如果僅在圖1所示所選管上提供線材卷，則可以更換剩余管。
通過在相同軸向位置以及不同軸向位置的替換的左旋和右旋線材卷，可以為殼側(cè)液體提供附加混合。
可以用例如圖1中的連接桿20的連接桿替代一些朝著管束外部周邊的管。在這種情況下，為簡單起見僅展示一個桿，并允許該圖示出優(yōu)選地與線材卷支撐管一起使用的交換器結(jié)構(gòu)中的其它特征。實際交換器中，根據(jù)需要連接桿可對稱地位于管束周圍，為管束提供強度。這些連接桿優(yōu)選地具有比管外徑更小的直徑，并且將優(yōu)選地以和管相同的方式也布置有線材卷21。應(yīng)該選擇連接桿的直徑和包圍的線材卷的厚度，使得線材卷包圍的桿對如所示的至少兩個相鄰的管提供支撐。在構(gòu)造交換器期間，從殼側(cè)將連接桿穿入第一管板。這些連接桿可以設(shè)計成部分進(jìn)入第二管板，以容納滑動膨脹連接；替代地，這些連接桿可以在到達(dá)第二管板之前結(jié)束于加強件，類似于頻繁用于傳統(tǒng)熱交換器構(gòu)造的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，(該圖為清楚起見省略重復(fù)的大部分附圖標(biāo)記)優(yōu)選地在管束周圍每100-150cm左右提供加強件(30，31)，以保證充分地將管束保持在一起。應(yīng)當(dāng)加入這些加強件部件，該加強件部件從連接桿穩(wěn)固地連接至管板的端部附近開始。該加強件部件可以由彎曲件(31)(從管中切出的部件)或扁平的條材(30)構(gòu)成。每種類型的一個加強件以不完整的方式展示在圖2中；實際結(jié)構(gòu)中，加強件必須包圍管束，以保持管束剛性地保持在一起。在加強件是平板的情況下，如圖2中30所示，管束被約束到其六角形或十二邊形形狀，但是如果使用例如31的彎曲加強件，則管束可以符合更圓的截面。在任一情況下，加強件都可以固定于管或連接桿或兩者。平板連接桿30焊在卷繞管束最外層兩個管35，36的線材卷33，34上，管35，36位于限定管束外側(cè)的六角形的兩個頂點上。以類似方式，將彎曲加強件31焊在管36和37上的線材卷34和39。任選地，也可以焊在連接桿20或圍繞桿20的線材卷21上。
加強件的深度(與管的軸線平行)通?？梢詾?至4cm，并且如上所述，它們通常沿著管束長度每隔100-150cm布置。加強件焊在連接桿或卷繞管或連接桿的線材。
在其內(nèi)部周邊中包圍管的線材卷用來向管束中的管提供間隔和支撐。間隔和支撐線材卷可以沿著管從管板延伸到管板，獲得結(jié)構(gòu)剛度的相應(yīng)增加，但是在大多數(shù)情況下，具有較短的線材卷就足夠了，該線材卷沿著布置在兩個或更多個位置的管的長度僅延伸短的距離，例如約20-50cm長的線材卷間隔開大約50-150cm，優(yōu)選地60-100cm。例如，線材卷結(jié)構(gòu)可以從離一個管板約30cm處開始，然后延伸大約20cm。隨后可以為大約60cm的縫隙，隨后是另一長度的線材卷結(jié)構(gòu)等。無論線材卷沿著管全程盤繞或間歇布置，線材卷應(yīng)該優(yōu)選地在管長度上有至少兩個完整的圈，以提供充分的支撐和適當(dāng)?shù)墓荛g隔。
裝配管束中，可以根據(jù)指定的直徑、管心距和線材卷節(jié)距要求預(yù)先生產(chǎn)線材卷。該預(yù)制線材卷通?？蓮木€材卷制造商得到。然后將單個線材卷放置在管和桿的周圍，并連接至它們。(例如可以使用電弧焊接)。
矩形密封帶22布置成靠近線材卷包圍的連接桿(用20表示該類型連接桿)并橫向地相對于所述管(以及軸向流動方向)，以將流體流引導(dǎo)進(jìn)入管周圍的區(qū)域，以發(fā)生高效的熱傳遞。也可以在管束周邊的其它區(qū)域中放置較大的橫向密封帶23，以便以正確、希望的方式引導(dǎo)并保持流體流。可以按傳統(tǒng)的方式將密封帶固定至連接桿或管束的任何其它合適部分。全部密封帶必須在密封帶端部和管板(一個或多個)之間留下適當(dāng)?shù)拈g隙，以便不中斷來自和流向流體入口和出口的流動，該流體入口和出口通常位于交換器殼體側(cè)面。
在直接圍繞管的區(qū)域中，也可以使用縱向密封帶來保持軸向流體流，即防止流體流出進(jìn)入管束周邊外部的熱交換效率較低的區(qū)域。因為管束輪廓是多邊形的，六角形或?qū)τ谳^大管束為12邊形，這些區(qū)域通?？杀环殖煞指畹膮^(qū)域(segmental regions)，在數(shù)量上為6個或12個，在交換器殼體內(nèi)側(cè)和管束的直的周圍邊界之間。這里可以使用向內(nèi)凸出彎曲形密封帶，如圖中25所示。除了在管束末端，這些密封帶沿著管束的長度延伸，以允許這些端部區(qū)域中的自由流體流到達(dá)流體入口和出口。彎曲帶材25可以通過連接桿和利用布置在管束周圍的加強件固定至管束，如圖2所示。如果在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，該類帶材也可以為管提供支撐，因此有助于抑制運行狀態(tài)下的振動。為此目的，該帶材優(yōu)選地制成弧形，在表面上有整體的增強線材26，以與支撐線材卷順著其包圍的管的方式相同的方式，該整體的增強線材26按照螺旋形軌跡沿著并橫過分割部分的表面?？梢园聪铝蟹绞缴a(chǎn)這些支撐首先，將線材纏繞在例如管(例如管束中的一根管或?qū)τ诿芊饣蛑文康挠行У牧硪粋€合適尺寸的管，例如5cm直徑管或?qū)Ч?的周圍；其次，使用電阻焊接等將圍繞的線材固定至管，使得它仿佛是管束的一個管，最后將管縱向分成幾個相同部分(例如4個)。可以將線材沿帶材的全長，或可選地在選定的區(qū)域盤繞到帶材上，如果管沒有從頭到尾完全被包圍入線材卷，那些選定區(qū)域適當(dāng)?shù)貙?yīng)于具有間隔/支撐線材的管的區(qū)域。然而，具有其連接的線材的彎曲部分可以有效地起作用以便為相鄰的一個或多個管提供支撐，也保持流體流緊密地圍繞管(一個或多個)的周圍，以便有效的熱傳遞，而同時為管(一個或多個)提供支撐，以抑制振動?；⌒沃?密封帶通常可以通過使用圍繞管束布置的加強件固定在適當(dāng)位置上。沒有間隔線材的類似帶材27可以用作替換物(圖1中僅示出一個；然而實際交換器中，它們應(yīng)該在管束邊緣和殼體之間的6個或更多分割的區(qū)域內(nèi)均勻地布置在管束周圍)。然而，由于線材表面的帶材將傾向于產(chǎn)生靠近管的死區(qū)，因而該選擇方案不如線材表面的帶材更優(yōu)選。
在到達(dá)熱交換器之前，通常應(yīng)在工藝線路中某些點處使用某些形式的過濾器。這是重要的，以免任何碎屑在熱交換器的管中或殼側(cè)陷入在本發(fā)明的熱交換器內(nèi)。如果足夠大尺寸或足夠大數(shù)量的碎屑將進(jìn)入本發(fā)明的熱交換器(或?qū)嶋H上任何目前存在的熱交換器)，流體速度可減低到使熱交換器失效的程度。過濾器的優(yōu)選形式被描述于美國專利申請No.10/643377。
本類型管束優(yōu)選地用于熱交換器和其它管束裝置，例如冷凝器、核反應(yīng)堆堆芯、電熱器或其它具有流體流通過它們的平行圓柱形的集合?？梢允褂帽竟苁臒峤粨Q器的優(yōu)選類型描述于美國專利申請Nos.10/209082，相應(yīng)于EP 1347261(Improved Heat Exchanger withReduced Fouling)；10/209126，相應(yīng)于EP 1347258(Heat Exchanger FlowThrough Tube Supports)；10/414731，相應(yīng)于EP 1357344(Improved HeatExchanger with Floating Head)。
使用中，軸向流動結(jié)構(gòu)優(yōu)選地用于交換器的殼側(cè)流體。此外，同樣優(yōu)選的是，逆向流動布置用于兩種不同的流體之間，盡管也可實施非逆流(即順流)流動或順流和逆向流動的組合。
權(quán)利要求
1.一種管束裝置，包括三角形布置的多個平行管，在該三角形布置中，管鄰近六根周圍的管并從這些管間隔開；具有線材間隔/支撐部件的管束中的管，該線材間隔/支撐部件包括螺旋形地纏繞的材料的間隔/支撐線材卷，其中具有間隔/支撐部件的每根管的至少一部分長度被包容在間隔/支撐線材卷的內(nèi)部圓周內(nèi)，其中具有間隔/支撐線材卷的每根管僅接觸不具有間隔/支撐線材卷的管，并且沒有間隔/支撐線材卷的每根管僅接觸具有間隔/支撐線材卷的管。
2.權(quán)利要求1的管束裝置與管殼式熱交換器結(jié)合，其中該殼管式熱交換器包括殼體；和殼體中包含的管束裝置，其中所述多個平行管從第一管板延伸到第二管板，其中所述線材卷材料的徑向厚度接近相鄰的管之間的間隔，以用大約該線材卷材料的徑向厚度的距離隔開管束中的管。
3.權(quán)利要求1的管束裝置，其中所述線材卷材料的所述徑向厚度接近兩個相鄰的管之間的間隔，以用大約所述線材卷材料的所述徑向厚度的距離隔開所述管束中的管。
4.前述權(quán)利要求中任一項的管束裝置，其中所述線材卷具有兩個或更多個圍繞它所包圍的管的完整的圈。
5.前述權(quán)利要求中任一項的管束裝置，其中在所述管上沿著所述管的長度在多個軸向間隔開的位置處布置所述線材卷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的管束裝置，其中所述間隔/支撐線材卷在一個軸向位置螺旋形地順時針纏繞在所述管上，并在相鄰軸向位置螺旋形地逆時針纏繞在所述管上。
7.權(quán)利要求1至5中任一項的管束裝置，其中一些所述管具有螺旋形地順時針纏繞在所述管上的間隔/支撐線材卷，其上纏繞有間隔/支撐線材卷的管的剩余部分具有螺旋形地逆時針纏繞的線材卷。
8.前述權(quán)利要求中任一項的管束裝置，還包括用于從第一管板延伸到第二管板的所述管束的連接桿。
9.權(quán)利要求8的管束裝置，其中所述連接桿包含具有線材表面間隔/支撐部件的桿，該間隔/支撐部件包括圍繞至少一部分桿長度的螺旋形地纏繞的材料，其中圍繞所述桿的所述線材卷材料的徑向厚度接近每個連接桿與所述管束的至少一個管之間的間隔，以大約所述線材卷材料的所述徑向厚度的距離使所述桿從所述管間隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的管束裝置，其中所述連接桿與該連接桿相鄰的管接觸。
11.前述權(quán)利要求中任一項的管束裝置，在所述管束圓周周圍的分割的區(qū)域內(nèi)還包含橫向密封帶，以保持流體流入所述管束沿著該管束的長度離開該分割的區(qū)域。
12.前述權(quán)利要求中任一項的管束裝置，在所述管束圓周周圍的分割的區(qū)域內(nèi)還包含縱向密封帶，以保持流體流入所述管束沿著該管束的長度離開該分割的區(qū)域。
13.權(quán)利要求12的管束裝置，其中所述縱向密封帶包含具有間隔/支撐部件的管狀部分，該間隔/支撐部件包含圍繞帶至少一部分的長度、螺旋形地纏繞的材料。
14.權(quán)利要求13的管束裝置，其中圍繞所述縱向帶螺旋形地纏繞的材料的徑向厚度接近每個帶與所述管束的至少一個管之間的間隔，以用大約所述線材卷材料的所述徑向厚度的距離使所述帶從所述管間隔開。
15.權(quán)利要求2的管束裝置，在所述管束周邊與殼體之間的分割的區(qū)域內(nèi)還包含橫向密封帶，以保持流體流入所述管束沿著所述管束長度離開該分割的區(qū)域。
16.權(quán)利要求2的管束裝置，在所述管束周邊與殼體之間的分割的區(qū)域內(nèi)還包含縱向密封帶，以保持流體流入所述管束沿著所述管束長度離開該分割的區(qū)域。
全文摘要
一種例如換熱器或冷凝器的管束裝置，該管束裝置具有三角形布置的平行管，在該三角形布置中，管與六根周圍的管鄰近并間隔開。管束中的管具有線材間隔/支撐部件，該線材間隔/支撐部件包括螺旋形地纏繞的材料，該材料包圍每個管長度的至少一部分；具有間隔/支撐線材卷的每根管僅接觸不具有間隔/支撐線材卷的管，并且沒有間隔/支撐線材卷的每根管僅接觸具有間隔/支撐線材卷的管。
文檔編號F28D7/16GK101040164SQ200580034897
公開日2007年9月19日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月12日
發(fā)明者阿馬爾·S·萬尼, 托馬斯·M·魯?shù)? 馬西亞諾·M·卡拉諾格 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>