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CN101907417A - 火管热交换器 - Google Patents

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CN101907417A
CN101907417A CN2010101978314A CN201010197831A CN101907417A CN 101907417 A CN101907417 A CN 101907417A CN 2010101978314 A CN2010101978314 A CN 2010101978314A CN 201010197831 A CN201010197831 A CN 201010197831A CN 101907417 A CN101907417 A CN 101907417A
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保罗·萨尔基西安
尼古拉斯·特兰奎利
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Rocky Research Corp
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Rocky Research Corp
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Abstract

本发明公开了一种火管热交换器，尤其是一种具有细长圆柱形壳体的火管热交换器，其特征在于，多个成圆形行的细长U形散热片，每个散热片均具有固定至圆柱形壳体的内表面、且优选地根据一定半径弯曲或是扁的底面以及从底面向上延伸的两个扁的平面的且优选地平行的侧面，每行中的散热片均沿着圆柱形壳体的轴线基本平行地对齐。

Description

火管热交换器
技术领域
本发明涉及一种火管热交换器。
背景技术
众所周知，火管热交换器用于将热量从燃烧的热气转移至暴露于火管的外表面的材料(典型地是液体)。美国专利No.5,913,289和No.6,675,746中描述了这种热交换器。这些以及其它之前描述的火管热交换器制造起来相对昂贵或困难。另外，一些火管热交换器在将热量从燃烧的热气经过火管的内部转移至外表面以加热液体方面不太有效。本文描述的设备针对一种改进的、高效的、且相对经济地制造的火管设计。
发明内容
本文描述的火管热交换器的实施方式包括细长的圆柱形壳体，该壳体具有流体入口端、流体出口端以及固定在壳体的内表面上的散热片组件。散热片组件包括多个成圆形行的细长U形散热片，每个散热片均具有固定至壳体的内表面的底面以及从底部散热片表面向上延伸的两个基本扁的平面侧面。每行中的散热片均沿着圆柱形壳体的轴线基本平行地对齐，并且一行或多行散热片中的散热片可与相邻一行散热片中的散热片成角度地偏移。在一些实施方式中，散热片的扁的平面侧面基本平行，并且，每行散热片中的散热片在散热片高度、长度和宽度上分别基本相同。在其它实施方式中，至少两行中的散热片的尺寸在高度和/或宽度和/或长度上不同。在又一实施方式中，在火管热交换器内使用三种或更多种不同的散热片高度。下文中将描述在散热片的设计和实施方式以及火管热交换器设计上的这些以及其它变型。
附图说明
图1是火管的一个实施方式的等距视图，示出了半透明圆柱形管壳。
图2是沿着火管的一个实施方式的线2-2剖开的横截面等距视图，其示出了内部散热片布置和设计。
图3是散热片的端视图并示出了三种不同的散热片高度。
图4是图3所示的散热片的侧视图，同样示出了三种不同的散热片高度标记。
图5是安装有内部陶瓷堵头的图2的剖开火管的横截面图。
具体实施方式
一个实施方式是包括外壳的火管热交换器。沿着壳体的内表面设置的是散热片组件，该散热片组件具有多个成圆形行的细长U形散热片。在一个实施方式中，每个散热片均具有固定至所述圆柱形壳体的内表面的底面。每个散热片还可具有从所述底面向上延伸并限定细长的内部通道的两个侧面。这些侧面可以是平面的且扁的。另外，在一个实施方式中，每行中的散热片均可沿着圆柱形壳体的轴线基本平行地对齐。在一个实施方式中，不同行中的散热片的侧面具有不同的高度。
在图1中，火管热交换器组件10被示出为具有圆柱形壳体11，为了观察内部散热片，该圆柱形壳体被示出为半透明的。并且参考图2的横截面图，其中，圆柱形壳体被切开，以示出散热片组件的更具体的特征。
如所示出的，散热片组件围绕圆柱形壳体的内表面周向地固定，并且包括多个成圆形行的细长U形散热片。在所示实施方式中，每行中的散热片分别基本相同，并且将三种不同高度的散热片用在散热片的不同行中。最靠近壳体11的流体入口端13的第一行散热片包括基本相同的散热片12，第二行包括基本相同的散热片14，第三行和剩余行由基本相同的散热片16组成。在此实施方式中，散热片12、14与16之间的不同在于其向上延伸的侧面的高度。在此实施方式中，散热片侧面在气体温度最热的火管的前部较低。
虽然不同行中可以使用不同的散热片长度，但是所有行的散热片的长度都可以相同。然而，在任何单行中的所有散热片都可以具有基本相同的长度。类似地，虽然可以使用不同的散热片宽度，但是任何行中的散热片的宽度都可以相同。然而，在一些实施方式中，一行中的所有散热片都具有基本相同的宽度。在其它实施方式中，火管的所有行中的所有散热片都具有基本相同的宽度。
图3和图4进一步示出了不同行的散热片的侧面的高度差异。散热片20的相对侧面22和24的高度是相同的。然而，第一行散热片中的所有散热片12的上边缘21都比行14和16中的散热片的侧面的高度短。特别地，所有第二行散热片14的侧面22、24的上边缘23都比行12中的散热片的高度长、且比第三行散热片16和所有具有上边缘25的剩余多行散热片中的散热片的高度短。
在一个实施方式中，散热片的高度相差10％至50％。在另一实施方式中，散热片的高度相差15％至35％。在又一实施方式中，散热片的高度相差20％至30％。在一个实施方式中，一行散热片是0.5英寸高，第二行散热片是5/8英寸高，而第三行和剩余多行中的散热片是0.75英寸高。在一个实施方式中，从第一行至第三行的每行散热片比前一行高25％。
如前所述，并且具体如图3所示，所有散热片都具有基本相同的宽度，并且是具有底面26的U形。底部散热片表面是基本扁的或者优选地以一定半径(辐射式的)弯成弓形或弯曲，以更好地匹配位于底部散热片表面下方的壳体的内圆柱形表面的半径或曲率。这种辐射式底面也将有利于散热片和圆柱形表面的铜焊(brazing)。这种扁的或弯曲的底部还为在装配火管热交换器的过程中将每个散热片平头焊接或点焊在适当位置提供了表面。
在另一实施方式中，相对的散热片侧面是平行的，并且从底面基本垂直地(正交地)向上延伸。然而，相对的侧面也可与底面略成钝角或锐角。这种角度可根据每行中的散热片的期望数量以及每行中的散热片的期望间隔来选择。还应理解，每行中的散热片的具体数量将取决于散热片的宽度和圆柱形壳体的径向尺寸或周长。
在此实施方式中，各行中的散热片以它们向上延伸的侧面沿着圆柱形壳体的轴线基本平行地对齐的方式纵向地对齐。如前面所指出的，各行散热片中的最短散热片或散热片位于火管的入口端处，并且，后续行中的散热片具有更高的侧面。可选择火管中不同高度的散热片的具体种数，但是，可使用至少两种不同的高度。在另一实施方式中，使用至少三种不同高度的散热片，但是在不背离本发明的前提下也可使用更多不同的高度。在所示实施方式中，使用三种不同的高度，如前所述并在图1至图4中示出。
相邻多行散热片中的散热片可沿着火管的长度成角度地对齐，或者相邻多行散热片中的散热片可彼此角度地偏移。当然，如果相邻多行散热片中的散热片具有不同的宽度，那么相邻多行中的散热片的向上延伸的侧面沿着火管的长度从入口到出口将存在散热片侧面的偏移。在一个实施方式中，由于散热片具有基本相同的宽度，所以散热片可没有偏移地成角度地对齐，或者这些散热片可以达到散热片宽度的一半的方式成角度地偏移。
散热片的行的具体数量将取决于火管的长度以及不同行散热片中的散热片的长度。散热片的行数优选地在2行至大约20行之间，更优选的是大约4行至大约12行的散热片，更少的散热片导致沿着火管更大的热应力。以实例的方式，图中示出了，对于大约2英尺长的火管，具有10行散热片，每行中的散热片均具有相等的散热片长度。
向上延伸的散热片的上边缘限定细长的内部通道，该内部通道中固定有通常被称作堵头(core plug)的耐热插入件，并且，该耐热插入件典型地由耐热陶瓷材料制成。插入件的长度可在从入口端起的第二行散热片与位于出口端的最后多行散热片之间延伸，如图5所示。插入件的形状使得直径从最靠近火管的流体入口的前端逐渐增加，对于插入件的长度的一部分，插入件的表面与散热片侧面的上边缘之间留有空间，并且于是沿着火管长度的相继部分接触散热片边缘。本领域技术人员能很好地理解插入件的这种形状、其尺寸和布置。
在另一实施方式中，火管热交换器组件包括在各行散热片与火管表面之间延伸的铜环。这些铜环可以每个环与火管的表面的内部及相邻多行中的散热片的端部接触的方式安装在所有行散热片之间。至少一个环可安装在最后一行散热片的端部处。在另一实施方式中，多个铜环安装在最后一行散热片的端部处。在图2中，示出了铜环30、31、32、33、34、35。以实例的方式并且为了简明起见，仅示出了每隔一行散热片之间的铜环，但是，此外，每行散热片之间可设置有环。这些铜环可使用真空铜焊或氢炉中的铜焊来安装，或者通过本领域技术人员已知的其他铜焊技术来安装。
在一个实施方式中，这些环包括高纯度(98％以上)铜，因为这种铜的延展性和导热性。然而，不排除使用铜和另一种导热金属(例如，镍)的混合物。应理解，当铜焊铜环时，该铜环将熔化并流向两行散热片和管子内表面，在其间形成导热的且有延展性的结合物。由于将要铜焊铜环，所以这些铜环在铜焊之前的横截面形状不是关键的。
本文描述的火管热交换器在任何用于将热量从燃烧的热气沿着火管的内部引导以加热与火管的外表面接触的液体的热交换设备中都是有用的。本火管在锅炉或例如GAX吸收系统(诸如美国专利No.6,487,875、No.6,427,478、No.6,718,792、No.6,735,963和No.6,748,752中描述的)的氨水吸收系统的发生器的提馏段(strippingsection)中尤其有用。与现有技术中使用并已知的其它火管相比，本文描述的火管热交换器具有制造起来节省成本、可靠且有效的优点。

Claims (45)

1.一种火管热交换器，包括：
细长的圆柱形壳体，具有入口端和出口端；以及
散热片组件，固定在所述壳体的内表面上，所述散热片组件包括多个成圆形行的细长U形散热片，每个散热片均具有固定至所述圆柱形壳体的内表面的底面以及从所述底面向上延伸并限定细长的内部通道的两个扁的平面侧面，
其中，每行中的所述散热片均沿着所述圆柱形壳体的轴线基本平行地对齐。
2.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的底面均包括基本扁的平面表面。
3.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，所述散热片的底面以一定半径弯曲。
4.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，每行散热片中的散热片分别是基本相同的。
5.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，邻近入口的第一行散热片中的散热片的高度比其它行散热片中的散热片的高度低。
6.根据权利要求5所述的火管热交换器，包括三行或更多行散热片，并且其中，从所述入口端起的第二行散热片中的散热片的高度比所述第一行散热片中的散热片高且比后续的一行或多行散热片中的散热片的高度低。
7.根据权利要求5所述的火管热交换器，包括2至20行的散热片。
8.根据权利要求5所述的火管热交换器，包括4至12行的散热片。
9.根据权利要求6所述的火管热交换器，包括4至12行的散热片。
10.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，一行或多行散热片中的散热片与相邻一行散热片中的散热片成角度地偏移。
11.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
12.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的宽度都是相等的。
13.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，所有散热片的宽度都是相等的。
14.根据权利要求11所述的火管热交换器，其中，所有散热片的宽度都是相等的。
15.根据权利要求10所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
16.根据权利要求10所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的宽度都是相等的。
17.根据权利要求10所述的火管热交换器，其中，所有散热片的宽度都是相等的。
18.根据权利要求13所述的火管热交换器，其中，相邻多行散热片中的散热片以达到所述散热片宽度的一半的方式成角度地偏移。
19.根据权利要求18所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
20.根据权利要求18所述的火管热交换器，其中，邻近流体入口的第一行散热片中的散热片的高度比其它行散热片中的散热片的高度低。
21.根据权利要求20所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
22.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的长度都是相等的。
23.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，一行中的所有散热片的长度都是相等的，而不同的两行或更多行中的散热片的长度是不同的。
24.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，所有散热片的长度是都相等的。
25.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
26.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的宽度都是相等的。
27.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，所有散热片的宽度都是相等的。
28.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，相邻多行散热片中的散热片以达到所述散热片宽度的一半的方式成角度地偏移。
29.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，一行散热片中的所有散热片的侧面的高度都是相等的。
30.根据权利要求24所述的火管热交换器，其中，邻近流体入口的第一行散热片中的散热片的高度比其它行散热片中的散热片的高度低。
31.根据权利要求4所述的火管热交换器，其中，邻近流体入口的第一行散热片中的散热片的高度比其它行散热片中的散热片的高度低。
32.根据权利要求31所述的火管热交换器，包括4至20行的散热片，并且其中，第3行和后续多行散热片中的散热片的高度是相等的。
33.根据权利要求32所述的火管热交换器，其中，一行或多行散热片中的散热片与相邻一行散热片中的散热片成角度地偏移。
34.根据权利要求32所述的火管热交换器，其中，相邻多行散热片中的散热片以达到所述散热片宽度的一半的方式成角度地偏移。
35.根据权利要求1所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的两个侧面是基本平行的。
36.根据权利要求2所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的两个侧面是基本平行的且垂直于所述底面。
37.根据权利要求2所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的两个侧面以锐角或钝角从所述底面向上延伸。
38.根据权利要求3所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的两个侧面是基本平行的。
39.根据权利要求3所述的火管热交换器，其中，每个所述散热片的两个侧面以锐角或钝角从所述底面向上延伸。
40.根据权利要求1所述的火管热交换器，进一步包括沿着所述内部通道的长度的一部分同心地设置的耐热插入件。
41.根据权利要求1所述的火管热交换器，进一步包括多个铜焊的导热环，所述导热环在所述圆柱形壳体的内表面与相邻多行的所述散热片之间形成导热的且有延展性的结合物。
42.根据权利要求41所述的火管热交换器，包括介于所有相邻多行的所述散热片之间的所述铜焊的导热环。
43.根据权利要求41所述的火管热交换器，包括沿着所述圆柱形壳体的内表面且介于最后一行散热片与所述流体出口端之间一个或多个铜焊的导热环。
44.一种火管热交换器，包括：
细长的壳体，具有入口端和出口端；以及
散热片组件，固定在所述壳体的内表面上，所述散热片组件包括第一行和第二行U形细长散热片，每个散热片均具有从所述内表面向上延伸并限定细长的内部通道的至少一个平面侧面，
其中，所述第一行散热片与所述入口端相邻，并且其中，所述第二行散热片比所述第一行散热片高。
45.根据权利要求44所述的火管热交换器，其中，每行细长散热片均沿着所述圆柱形壳体的中心轴线基本平行地对齐。
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