管路的制作方法

专利名称：管路的制作方法
技术领域：
本发明涉及携带流体的管路。
背景技术：
已经知道流体可以"凝涡流动"方式流动，并且这种流动在WO 97/28637 中，在涡轮的压头管线和吸入管的方面进行讨论。漩涡流动可通过形成中 心线在三维空间中弯曲的压头管线或吸入管来达到。
漩涡流动比通常的流动有许多优点。通过紊流的压力损失(和能量损失) 可以减小。另外，在管道横截面上的流动速度分布比通常流动更均匀(或更 钝)。结果，以漩涡流动方式流动的流体的作用如同一个柱塞，可清除可能 积累在管壁上的沉积物或碎屑。这在水电站中特別重要。
在WO 02/093063中还讨论了在生产和处理工厂中使用的具有相同的 三维曲线的管路。在这种工厂中，经常需要管道连接该工厂的各种部分， 延伸一定距离并具有许多弯道。形成弯道，使它们具有三维曲线可促进漩 涡流动，并减小能量损失，减小沉积物滞流的危险。
然而，为了诱发漩涡流动，这些先前技术的文件只涉及使用三维曲线 代替已知二维曲线(例如肘管弯头)。它们没有涉及在通常使用基本上的直管 的情况下产生漩涡流动的问题。
在直管中使流动成为漩涡的一种可能的方法为沿着管子的内表面形成 槽或肋。这些槽或肋沿着该管子弯曲(很象枪筒中的来复线)。然而，这有个 缺点是增加管子的湿周长，并且在肋的情况下，减小管子的横截面积。该 槽和肋都可导致流动阻力增大，结果造成压力损失。
另外，实验表明，除非雷诺数非常小，该槽或肋只对在该管壁附近的 流动有影响，并且，为了确认在管子的整个宽度上流动成漩涡，必需提供一个长管。在管子中心的漩涡只有通过动量从管壁处的流动的扩散转移才能达到，而该槽或肋不利于管壁附近的流体与管子中心处的流体之间的混合。

发明内容
根据本发明的第 一个方面，提供了 一种包括一个其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管路，其特征为，该螺旋线的振幅小于或等于该管路内径的一半。
当流体进入这样作成的一个螺旋形部分的一根管路中时，几乎立即建立旋渴流动。已经发现，在几个入口管径内，在该管子的整个宽度上建立旋涡流动。另外，该漩涡流动包括相当大的辅助运动和流体的混合，并且在管壁处的流体和在管子中心处的流体之间进行质量、动量和热的转移。
在这个说明书中，螺旋线的振幅是指从中间位置至侧向末端的移动范围。因此，在具有螺旋形中心线的管道的情况下，该振幅为该螺旋线中心线的全部侧向宽度的一半。沿着该管道长度的该管道的横截面积基本上为常数。
在根据本发明的第一个方面的管路中，沿着该管路的腔有一条"视测线"。它与螺旋线围绕着芯子(实心或一空气芯子中的"虚拟的")有效地巻绕的螺丝起子形状不同。已发现在该视测线上，流动一般都有涡流成分，即使可能沿着 一个直的通道流动。
在这个说明书中，术语螺旋形管路的"相对振幅"定义为该振幅净皮内径除。由于该螺旋形管路的振幅小于或等于管道内径的一半，因此，这表
示该相对振幅小于或等于0.5。最好该相对振幅小于或等于0.45、 0.40、 0.35、0.30、 0.25、 0.20、 0.15、 0.1或0.05。较小的相对振幅可以更好地利用所拥有的横向空间，在该空间中，管路总的不会比横截面积相同的正常直管宽很多。较小的相对振幅还可使该"视测线"较宽，从而可提供更多的空间供沿着该管路插入压力表或其他设备。雷诺数较大时，可以使用较小的相对振幅，以便将凝涡流动诱发至令人满意的程度。 一般这表示，对于给定的内径，流速大时，可以使用小的相对振幅仍可以足够诱发漩涡流动。
当希望横截面积大时，在考虑空间平衡中，螺旋线的角度也是一个相关因素。该螺旋线角小于或等于65。较好，更好是小于或等于55。 、 45° 、35° 、 25° 、 20° 、 15° 、 10°或5° 。与相对振幅相同，该螺旋线角度可根据条件和特别是该管路所携的流体的粘度、密度和速度进行优化。
一般来说，对较大的雷诺数，该螺旋线角度可以较小，仍可达到满意的旋涡流动，而当雷诺数较小时，需要较大的螺旋线角来产生令人满意的漩涡。 一般，对于较快的流动(雷诺数较大)，使用较大的螺旋线角是不希望的，因为这会在壁面附近形成滞流流体的区域。因此，对于一个给定的雷诺数(或一个雷诺数范围)，该螺旋线角最好选择得尽可能小，以产生满意的漩涡。在一些实施例中，该螺旋线角小于20。。
一般，该管路具有多个螺旋线的圈。沿着管路的螺旋线的重复的圈可保证旋涡流动充分发展。
正常情况下，管路的长度可使沿着其长度的相对振幅和螺旋线角基本上相同，但其中的一个或二个因素可以改变。另外，螺旋线部分可以沿着
管路的全长延伸，或可以只沿着其一部分延伸，以便"调整，，该流动和使该管路与其他管子的连接简单。
一般，该管路可以线性地延伸(即，螺旋线转动的轴线可以为一直线)。然而，该轴线可以弯曲，以形成一个基本上弯曲的管子。该轴线的曲线可以是二维的或三维的。如果是三维的，则重要的问题是保证由该三维曲线
形成的漩涡增大由该螺旋线管路形成的漩涡。
根据本发明的第二个方面提供了 一种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管路的方法，所述方法包括下列步骤将一根直的挠性管道部分放在另 一个直的挠性件附近，使该挠性管道部分和该挠性件互相围绕着扭转，处理该挠性管道部分使它保持其形状。
已经发现当用这种方法与另一个挠性件一起扭转时，则如上所述，挠性管路部分的形状成为螺旋线。通过改变该管道部分和该另一个挠性件的直径，可以改变该螺旋线部分的相对振幅。另外，通过改变该部件和该另一个挠性件的组件的末端互相相对扭转的角度，可以改变螺旋线的螺距。
最好，在扭转过程中，防止该挠性管道部分铰结或以不希望的方式变形，并且在一个优选实施例中，在扭转前，将一个密贴配合的螺旋弹簧插入该管道部分中。
可以用许多方法来处理该挠性管道部分，以保持其形状。例如，它可由开始为挠性的，但随着时间推移固化为坚硬的材料制成。然而，在一个优选形式中，它由可用适当的处理保持其形状的材料(例如，热固性塑料，可用紫外线硬化的树脂等)制成。
在一个特别优选的形式中，该挠性的直线件为第二个挠性管道部分。这种方法可同时生产二个螺旋线部分，然后可将该二个螺旋线部分分开，形成二个分开的螺旋线部分。另外，该二个螺旋线部分可以互相巻绕，从而紧密接触，这在各种情况下可能是有利的。
如果管子具有相同的外径，则该二个螺旋线部分相同。然而二个螺旋线部分的振幅比想象的大。因此，最好该管子具有不同的直径，使得由较大的管子制成的螺旋线部分的振幅小于或等于其内径的一半。
根据另 一 个方面，提供了 一种制造包括一其中心线跟随一个基本上为
螺旋形途径的部分的管路的方法，所述方法包括下列步骤提供一个挤出直管的挤出机；在所述挤出机的下游，提供一个成形装置，用于将挤出的管成形为螺旋形的；和由该挤出机挤出直管和利用该成形装置将该管制成螺旋线形状。
这个方法的优点是，直接由原材料生产螺旋线部分，和不需要形成先前形成的直管。它还可以生产螺旋线管的连续长度。
在一个优选形式中，该成形装置包括一个回转件，其回转轴线基本上与挤出轴线平行，该回转件具有一个管子可通过的孔，该孔的位置使其中心与回转轴线偏移，当管子通过时，驱动该回转件转动，以赋予该管螺旋
线形状。
利用这种成形装置可以用几种方法改变管子的几何形状。例如，该挤
出^L的速度可以增加或减小，同样该回转件的回转速度也可以增加或减小。
另外，可以使用孔在不同位置的不同的回转件。
最好，在该回转件中的孔的位置使回转轴线通过该孔，但与该孔的中
心偏移，以形成一个螺旋形部分；其中，该螺旋线的振幅小于或等于管路内径的一半，和沿着该部分的长度相对地固定不变。本发明还涉及实现这种方法的装置。
根据本发明的另 一个方面，提供了 一种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管路的方法，所述方法包括下列步骤提供一个螺旋形心轴；将一根挠性管巻绕在该螺旋形心轴周围，使该管成为螺旋线几何形状；处理该管，使它保持其形状；和从该心轴上取下该螺旋形管。
这个方法可以控制生产的管的形状，并且与上述的"扭转，，方法比较，可以改善可再现性。该螺旋线部分的几何形状由心轴的几何形状和该心轴与该挠性管的相对尺寸确定。
最好，该管比该螺旋线心轴长很多，并且其一端巻绕在该心轴上，沿
着该螺旋形心轴运动，并经过处理使它保持其形状；该管的另一端则从该心轴上松开。这可允许将该方法用在连续过程，而不是上述的分批过程中。
最好，该管的外径比该心轴的内径大，使得所生产的螺旋线管的振幅小于或等于该管的内径的一半。
本发明还涉及在该方法中使用的螺旋形心轴。
根据另一个方面，提供了一种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管路的方法，所述方法包括下列步骤提供多个管子的短部分，每一个短部分具有直的中心线，并且具有不在平行平面中的末端表面，使得侧面部分具有一个最长的边和与该最长的边直径上相对的一个最短的边；将二个短的部分连接在一起，使一个部分的最长边稍微转动，偏离下一个部分的最长边；和连接另一些短的部分，每一个短部分稍微转动，与上一部分偏移相同的量。
先前的方法只限于生产一定材料的管子。相反，这个方法可以用于生产由任何适当材料制成的管子。它特别适合于生产在一些情况下可能需要的金属管(例如，塑料管强度不够时)。


现在参照附图，只利用例子来说明本发明的优选实施列。其中:
图1为在螺旋形部分中的流动的实验中使用的管道的图2为与图1相同，但涉及不同实验的图3A和3B表示制造螺旋形管的第一种方法；
图4表示制造螺旋形管的第二种方法；
图5A 5E表示制造螺旋形管的第三种方法；
图6A 6C表示制造螺旋形管的第4种方法；和
图7表示在螺旋形部分中及其下游发生的平面混合。
具体实施例方式
图1所示的管道IO具有圓形的横截面，外径为DE，内径为Q和壁厚为T。该管道巻成螺旋线，有固定的振幅A(从中间至最外端测量)，固定的
螺距p，固定的螺旋线角e和扫过宽度w。该管道io容纳在一个假想的包
络20中，该包络在纵向延伸，其宽度等于该螺旋线的扫过宽度W。该包络20可以认为具有一条中心纵轴线30,该轴线又称为螺旋转动轴线。该所示的管道10具有直的轴线30，但该轴线也可以具有大的曲率半径(二维或三维的)。该管道具有跟随围绕该中心纵轴线30的螺旋线途径的中心线40。
可以看出，该振幅A小于内径Di的一半。通过使该4展幅在这个尺寸以下，则可以保持该管道所占据的横向空间和该管道的总长度较小，同时，该管道的螺旋形形状可促进沿着该管道的流体的漩涡流动。
为了确定在螺旋形部分中流动的特性，利用具有圓形横截面的聚氯乙烯管道进行了许多实验。
例1
参照图1所示的参数，该管道的外径DE为12mm，内径A为8mm,壁厚T为2mm。该管道巻成螺旋形，其螺距P为45mm,螺旋角6为8° 。将该管道放在二个直的边缘之间，并测量该直的边缘之间的间隔，可以确定振幅A。将外径DE从扫过宽度W减去，可以确定该振幅
2A = W - DE
在这个例子中，扫过宽度W为14mm,因此
A W-DE 14-12 ，
A= -^ = -~ =lmm0
2 2
如上所述，"相对振幅"AR定义为AR = A/DI
在这个例子的情况下，因此，
AR= A =丄=0.125。D！ 8水可以沿着该管通过。为了观察流动特性；利用径向通过该管壁的二支针80和82，将可看见的染料注射入该流动中。注射的地方靠近中心轴线30，即在流动的"核心"处。 一个针80注入红墨水，另一支针82注入蓝墨水。从图1中可看出，墨水细丝84和86缠绕在一起，表示在该核心处有凝涡流动。即有基本上的螺旋形的流动。图1所示的实验是在雷诺数Re=500时进行的。在另二个实验中，分别使用雷诺数为250和100，也观察到核心的旋涡流动。
例2
这个例子的参数与例1相同，除了只设置有二根针80和82，以在管壁附近释放墨水细丝84和86。图2表示二个实验的结果，图中，管壁附近释放墨水细丝，雷诺数分别为Re-500和250。可以看出，在二种情况下，墨水细丝跟随螺旋形管道几何形状，表示管壁附近形成漩涡。
例3
在单独的研究中，将内径为8mm的直管流动与内径为8mm,相对振幅AR为0.45的螺旋形管的流动比较。在二种情况下，雷诺数均为500，并将0.2ml的一团指示剂，通过细管，在上游端注入。流动情况和一个表示注入指示剂后经过的时间的数字钟一起被拍摄。
注入螺旋线部分的指示剂团，限制沿着管子的轴向分散，力图保持凝聚，相反，在直管中，在核心流体中(靠近管的中心)，指示剂很快从该管流出，而在靠近管壁的流体中的指示剂力图保留在管壁上，需要较长的时间从管中流出。另外，在螺旋形管中，指示剂以比在直管中更加紧凑的团行进。所有这些发现说明，在管的横截面上有混合，并且在螺旋形管中，速度分布变钝。
例4
这个例子的实验包括在螺旋形管道中的多相流动与中心线遵循在单一平面中的基本上为正弦途径的管中的流动的比较。在该螺旋形管道(其中心线为三维弯曲的，即3D管道)的情况下，内径为8mm，外径为12mm，扫过宽度为17mm,相对振幅为0.3125。螺距为90mm。在平面波形的管道(其中心为二维弯曲的，即2D管道)的情况下，内径为8mm,外径为12mm，在波形平面中测量的扫过宽度为17mm。节距为80mm，与3D管道的情况差别不大。该2D管道保持其在垂直平面中的基本为正弦的中心线，形成向上凸和凹的U形弯道。
3D和2D管的长度都约为400mm，每一种情况下有4 ~ 5个节距。在二种管中，研究是用水进行的，流量为450和900ml/min(雷诺数分别为1200和2400)。在所有情况下，使用一根针，以3ml/min的流量引入空气流，即在450ml/min的情况下，为水流量的0.65 % ，在900ml/min的情况下为水流量的0.33 % 。空气是从压缩空气管道来的，分别在3D和2D几何形状开始的上游注入管中。
在雷诺数为1200， 3D管道实验的情况下，空气泡的尺寸约为2~3mm，迅速地沿着管子通过。在雷诺数2400下，空气泡较大，约为5 7mm，但仍保持沿着管道运动，没有粘附的趋势。
在雷诺为1200和2400, 2D管道的情况下，空气泡大，大约为3 ~ 5mm，并力图粘附在向上凸的曲线上(从管道外侧看)。
实验表明，在多相流动中，不太裯密的流体沿着3D管道流动，而在等价的2D管道中，不太稠密的流体力图积累在管道的较高部分上。
如上所述，当流体进入一根这样作成螺旋形部分的管路时，很快建立漩涡流动。另外，凝涡流动包括相当大的辅助运动和流体的混合，同时在管壁的流体与在管中心的流体之间进行质量转移。
在螺旋的部分中的这种快速建立旋涡流动可以用来"调整"流动，以便在该螺旋形部分的下游产生有利的作用。
如上所述，使用具有三维曲线的管比使用正常的(二维的)肘管弯道好，因为由三维曲线建立的凝涡流动提供一些好处。然而， 一般不可能简单地用具有三维曲线的管代替肘管弯道，因为通常肘管弯道的入口和出口管在相同的平面上，而在具有三维曲线的管中不是这样。这样，如果要使用具有三维曲线的管代替肘管弯道，可能需要作相当大的改变，来重新确定入口和/或出口管的位置。
然而，如果如上所述，将螺旋形部分安装在正常的肘管弯道的上游，则只需很小的改造就可以达到漩涡流动的好处。漩涡流动迅速地在该螺旋形部分中建立，并且这个漩涡流动在该肘管弯道中继续。
由于螺旋形部分的振幅小，它可以用在使用直管的大部分地方，以"调整"流动，得到漩涡流动的好处。应当指出，螺旋部分的用途不是仅限于肘管弯道，它可以在T或Y接头，阀和任何形式的管附件之前使用。用这种方法调整流动，在一个封闭端之前特别有用。这种封闭端可在T或Y接头中出现，在这种地方，接头的一个分支关闭(例如利用一个阀)。在正常流动中，在关闭分支的前面的一部分中的流体会滞流，它可能导致腐蚀等问题产生。然而，如果在接头以前使流动为凝涡，则旋涡可扩展至封闭端。这可防止滞流和避免上述问题。
使用螺旋形部分，调整流动的另 一个方法为将该螺旋形部分用作重复器。在一些情况下，可能不需要形成螺旋线管的连续长度，而直管可以沿着其长度具有多个短的螺旋形部分。每一个螺旋形部分在通过它的流体中引起旋涡流动，然而，当流体沿着直管通过时，这种漩涡流动消失。提供多个"重复器"可以重新建立漩涡流动，并带来伴随的好处。
可以用许多方法制造这种形式的螺旋线管部分，例如，可将一个直的挠性管巻绕在一个直的刚性件(例如一个杆)周围，将该管作成螺旋形。然后，从该直的刚性件上除去该管，并沿着螺线轴线拉伸。这种拉伸的作用是使螺旋线"弄平"，这样，螺距增大，和振幅减小。然而，这种"弄平"可以使螺旋线扭曲，因此这个方法不是优选的。
在图3A和3B示意性地表示的另一种替换方法中，一根直的挠性管100放在另一根直的挠性件110的旁边(最好横截面为圆形)。该管和该件的末端互相连接，然后扭转其组件，作用是使该管和件遵循一个螺旋形途径。
在扭转过程中，应防止该挠性管铰结，或以不希望的方式变形。这样做的一种方法是在扭转前，将一个密贴配合的螺旋弹簧插入该管中(在图3A中以虚线表示，标号为120)。
塑料，可用紫外线硬化的树脂等)。在这种处理后，将该管和该件互相移开，形成一个作成小振幅螺旋线，可保持其形状的管。
在一个变型中，可将二根这种挠性管并排放置，使其末端互相连接，然后扭转二根管，形成互相巻绕的二根这种管路部分。再将这二部分分开，形成二个分开的螺旋形部分。
作为使一个直管变形，形成一个螺旋形部分的替代方法，可以在挤出管子的过程中，直接形成该螺旋形部分。图4示意性地表示这样做的一个装置。
可以看出，该装置包括一个通常的挤出直管210的管子挤出机200。这种挤出机是众所周知的，不进一步说明。
包括具有一个通孔224的回转件222的装置220放置在该挤出机的出 口的下游。该通孔偏心放置，使得该回转件的回转中心在该通孔内，但不 与该通孔的中心一致。夹紧该回转件，使该通孔的轴线与要挤出的管的轴 线平行，并驱动该回转件转动。这点可通过例如在该回转件的外圆周上与 一个蜗轮226啮合的齿来达到，或利用任何其他适当的驱动系统来达到。
从该挤出机挤出来的管210通过该通孔224。并且，当该管一皮才齐出时， 驱动该回转件222转动。作为这种回转的结果，驱动该通孔的中心描绘一 个圓形途径，该途径再迫使要挤出的管子成为螺旋形状。如上所述，当该 通孔叠置在该回转件的回转中心上面时，将该管作成小振幅的螺旋线230。
在将管作成螺旋线后，可以处理该管以保持其形状。实际上，可以由 热塑性材料简单地挤出制成该管，并且当该管冷却时，它固化成螺旋线形 状。利用喷水或类似方法，可以进4亍冷却。
必需提供某种形式的润滑，以保证该热塑性塑料管不粘附在该通孔中。 特别是，需要润滑来保证当通过该回转件时，该管子不会经受扭矩。
所得到的螺旋形的具体形状取决于几个因素，特别是挤出的速度，该 回转件的回转速度和该通孔的偏心。为了得到螺旋形管的所希望的形状， 这些因素可以改变。
形成螺旋线部分的一个特别优选的方法包括使用一个螺旋形心轴，并 表示在图5A 5E中。
图5A为这种方法使用的螺旋形心轴的示意图。该心轴由作成螺旋形的 一个刚性杆构成。在所示的实施例中，该螺旋线的螺距和振幅沿着该心轴 的长度是固定的，但可以改变。
如图5B所示，为了形成螺旋线部分， 一段外径比该心轴300的内径大 的直的挠性管310巻绕在该心轴300的周围。从图中可看出，因为该管比 该心轴内的空间宽，可迫使该管成为螺旋形形状。
又如图5C和5D所示，在处理使该管保持其螺旋形形状后，可将该管 /人该心轴上取下。
可以看出，该螺旋线部分的螺距与该心轴的螺距相同。该螺旋线部分 的振幅由该管和心轴的直径确定。
以上的说明涉及形成该螺旋形部分的分批式处理方法，但这个方法也可用于连续工作。连续长度的挠性管可以拉通过较短长度的心轴，并且在 拉过时可以处理保持其形状(例如，通过加热由热固性树脂制成的管)。
实验表明，当用这种方法拉时，该管相对于该心轴转动。这样，为了 使过程平稳地进行，需要某种形式的润滑。对于极大的管和心轴，可能希 望在该心轴上用滚子轴承，而不是润滑。
图5E为当拉该管时，通过该管310和心轴300的示意性横截面，在图 中，多沿着轴线从末端看时，该螺旋线心轴好象一个圆，同样，该管(橫截 面为圓形)也象一个圓。可以看出，该心轴在点320与该管的外面接触，这 样，可从下面支承该心轴，不会与4i伸过程干涉。
该心轴可用任何适当的方法制造，并且，制造该心轴的方法在很大程 度上取决于要处理的管的尺寸。对于较小的管，可通过将一根杆巻绕在横 截面为圆形的一个件周围形成该心轴。对于较大的管，可能需要利用CNC 铣床加工该心轴。
上述的方法限于一定的材料(例如，热固性和热塑性材料)。然而，这些 材料的强度低，不适合于用在较严酷的诸如离开海岸一类或必需携带非常 高压的流体的环境中。如果在这种情况下，必需使用小振幅的螺旋管，则 必需用不同的方法制造。
图6A、 6B和6C表示制造用于高压情况的小振幅螺旋线的一种方法。
制造直的高压管的一种已知方法为由大量的短部分形成这种管，每一 个短部分都是一个非常短的管。每一个部分在其上游和下游端有一个法兰， 这些法兰互相配合，将这些部分保持在一起。在先前技术中，该部分的末 端在平行平面中，因此当将这些部分连接一起时，所得到的管是直的。
然而，也可形成末端在稍微倾斜的平面上的部分。如图6A所示，这种 形式的一个部分400的一个边(S。比直径方向相反的一边(Ss)稍长，并可装 配形成弯曲的管和上述的螺旋线管。
为了由短的倾斜末端管部分形成带有二维曲线的管410，将这些部分连 接，使一个部分的较长边与前一个部分的较长边连接，同样使较短的边互 相连接。如图6B所示，这可生产带有二维曲线的管。
为了生产螺旋形管420，用相同的方法将该部分连接在一起，但每一个 部分相对于前一部分稍微转动。这表示在图6C中，图6C表示由这些部分 形成的螺旋形管。在管的左端，表示最初几个部分的较长的边SL,可看出，这些部分之间有相对转动。相对转动的量确定螺旋线的螺距，相对转动小 可产生螺旋线角小和螺距大的螺旋线，和相对转动大可产生螺旋角大和螺 距小的螺旋线。
管的至少一端有点椭圓形，而不是完全的圓形(因为该末端由与圆柱体 的轴线成不是精确的90。角度切割圓柱体的平面相交形成的)。在一个优选 形式中，形成二个末端，使它们为椭圆形，这使得形成二维曲线更容易(因 为该分的每一个末端上的椭圆面可以互相匹配)。
为了使该部分可以装配成螺旋线，末端面上必需有一定的柔顺性，使 得可以适应互相连接的末端表面之间的轻微转动和/或形状改变。这点可通 过以任何适当的方式，例如在末端面上的弹性材料达到。
由在螺旋线部分的漩涡流动产生的作用和更均匀的速度分布与改善的 混合在许多情况下有优点。另外，因为螺旋形部分的总宽度只比相同横截 面积的直管的宽度稍大一点，因此实际上可以在正常使用直管的任何情况 下使用该螺旋线部分。
这种形式的螺旋线管路可以在热交换器中使用。通常其形式为第 一种 流体通过的腔的直径较大。在该腔中安装许多小直径的管，使通常比第一 种流体较冷的第二种流体通过该管。在二种流体之间进行热交换。
由螺旋形管路构成小直径管有许多优点。第一，螺旋形弯曲的管的表 面积比同样长度的直管的表面积稍大一些，因此传热可用面积增大。更主 要的是，在螺旋形弯曲的管中的流体的改善的混合表示被第 一种流体加热 的管壁上的流体连续地被较冷的流体代替。这与直管中的流动相反，在直 管中，管壁上的流体力图停留在管壁附近。该混合作用使在该螺旋形弯曲 的管中的所有流体参加到热交换过程中，因此可以改善效率。
图7中表示该改善的混合。图7中表示螺旋形部分后面为直的下游部 分。在沿着该下游部分的几个点上表示流动。流动的第一个横截面取在该 螺旋线部分的入口处，该管中心处的流体表示得比该管壁附近的流体暗。 当流体沿着螺旋线部分运动时，可以看出，在该螺旋线部分中有相当大的 在平面上的混合，这种混合在螺旋线部分下游的直的部分中继续。
再回到热交换器。如在以上在讨论如何形成这种管状部分时所述，也 可以由许多管子的"扭转对"形成热交换器。热的流体在一根管中流动， 冷的流体在另 一根管中流动。管子的紧密接触使得很容易进行热交换。在多相流动中可以看到旋涡流动的另 一个优点(例如液体和气体的混 合物的流动)。这种形式的多相流动可在许多情况下出现，例如接近其沸点 的液体，或在油井钻探中，油和气体的混合物的流动。多相流动还可以在 不同密度的二种不可混合的流体，例如油和水的流动中，或在这些情况的 综合中出现。在通常的管中，多相流动可产生许多问题，因为气体形成气 泡，考虑气泡的浮力这些气泡积存在该管的较高的部分上。如果积存足够 的气体，则可以形成气锁，将严重影响流动。同样，在二种不可混合的流 体的流动中，密度较大的流体可以积存在管的较低部分上，引起同样的问 题。
在多相流动中气体积存产生的另一个问题是可以导致"迟滞"。当气泡 积聚在管壁上达到完全堵塞流动的程度时，可出现这种现象。接近这种堵 塞的流体可使气体压力升高，当压力达到一定点时，堵塞突然变换。这种 "爆发"造成在管上和在任何下游设备上很大的冲击负荷，可以产生严重 的损坏。因此，原油生产平台要定期地重新建造，以适应这种负荷。
然而，在旋涡流动中，气泡停留在管的中心，而不是积存在管壁上。 这是由于漩涡的离心作用引起的，较稠密的，流动的液体部分趋向管壁， 而密度较小的流动的气体部分趋向管的中心，并由流体带走。诸如气锁一 类的堵塞出现的机会少，因为不同密度的流体凝聚或汇集的机会少。另夕卜， 产生迟滞的机会也很少，因为任何气泡都离开管壁。
另外，如上所述，实验表明，在螺旋形管路中的漩涡流动的气泡比在 直管中的通常流动中小。二种密度不同的不可混合的液体也有同样的效果。
气泡(或任何密度小的部分)趋向螺旋形管的中心在减小流动的气体含 量发明还具有进一步的优点。
在螺旋形管中的气体/液体多相流动中，已经发现气体在管的中心占据 非常小的横截面积。与直管比较，在横截面上的气体浓度降低，这种降低
可达20%或30%。(应当注意，在二种管中，气体流动速度相同，但为了补 偿流动的较小的横截面积，在螺旋形管中，气体的流动比在直管中快)。
对于例如泵，这种气体浓度的降低是非常有利的。通常，泵不是针对 多相流动设计的，并且当气体浓度大时，不能很好工作。利用这种方法通 过使用螺旋形管降低流动中的气体浓度可改善泵的效率。
在用垂直管进行的实验中证明，多相漩涡流动得到的另一个有利作用为压力降减小。与直管中的压力降比较可减小10~20%。压力降减小可以 增加相同压力差的流量，并可减少泵送流体所需的能量大小。
漩涡流动可达到的更均匀的速度分布还有许多优点。管壁附近的流速 比直管的通常流动中大，因此固体材料沉积在管壁上的危险小。如果该管 路用于输送稀浆等，这点特别重要。
在许多采矿和提取过程中，稠密的颗粒状固体在流体悬浮液中(即在稀 浆中)输送，并且典型的流动为50%固体。为了避免固体从悬浮液中沉淀， 必需使雷诺数相当大。如果使用直管则为了避免沉淀，流动速度必需较高， 而这需要使用更多的能量去泵送稀浆。然而，利用螺旋形管路，流动速度 可以降低，而不会增加沉淀的危险，因此能量消耗可以降低。
应当注意，稀浆可以输送很长的距离(可达几公里)，因此，为了提供必 要的流速，管路的直径可达几米。在这种尺寸的管路中，也可获得螺旋形 管路的有利作用。
管壁附近的流速增加还可以阻止极不希望的生物薄膜的建立。还可以 减小滞流区域形成的危险。由于在滞流区域可产生腐蚀，因此腐蚀的危险 也减小。这些有利的作用适用于所有情况，不仅仅是上述的输送稀浆的情况。
另外，因为速度分布更均匀，和管壁附近的流体与管中心处的流体之 间的混合改善，流体在管中的滞留时间均匀得多。如果管中的流体要用某 种方法处理(例如，加热、冷却、照射等)，这是一个很大的优点，因为处理 在流体上的作用更均匀。作为对比，在管中心的流动比在管壁的流动快的 通常的管中，该滞留时间变化(决定于流体本身是在管中心或管壁附近)。这 样，由于滞留的时间较长，管壁附近的流体处理的程度比管中心的流体大。 这点从上面的例3的讨论中可看出。
辅助运动和与螺旋线管中的漩涡流动有关的混合的另一个优点是，可 阻止流动不稳定性和紊流的发展，这点已用实验证明。如果利用相同的管 路输送不同的材料，则更均匀的速度分布的另 一个优点为可减少轴向分散 和接着进行的混合。当在分批处理过程中，用各种成分充满反应器时，这 点可以发生。
轴向分散是一个已知的问题，特别是在层流中。层流时，管中心的流 体流动明显地比管壁附近的流体快。减小轴向分散的一种方法为使流动成为紊流，因为这可使速度分布"变平坦"，并使速度在管的横向更均匀。然 而，这可能产生另外的困难，因为一些流体(例如，大分子的悬浮液)可以被 紊流损坏。
在管路中使用螺旋线部分可使批料的轴向分散减小，并且要达到的峰 值浓度比在通常的管中早许多。在批料尺寸小的情况下，这些特点特别重要。
在食品加工和药品生产中这些作用特别有利。
通常，在食品加工中，食品的批料通过直管输送。然而，由于速度分 布的关系，在管中心的材料，以比在管壁附近的材料高的速度通过该管运 动，因此，批料将沿着管子"散开"。相反，如果使用螺旋线管路，则管中 心附近的材料与管壁附近的材料的混合增强。因此批料保持更"凝聚"。这 可减少批料之间的改变时间，还可减少在批料之间清洗管子所需的时间(以 及减少形成沉积物的危险和提供其他的所述的有利作用)。
药物生产也包括沿着直管输送材料，因此使用螺旋形管路可以得到同 样有利的作用。
该螺旋线部分还可以用在石油化工处理厂中。可以使用螺旋形部分的 一个具体领域为在"裂化器"中。许多裂化过程产生比在原料中所具有的 分子多的分子，并且其产量依赖于低压环境，以防止分子的重新组合。这 可以通过在冷却塔中冷却产品，并且通过该冷却塔使裂化炉之间至裂化的 气体压缩机的压力损失为最小来达到(因为产量与压力损失成反比)。使用螺 旋形部分代替直管可以减少压力损失，因此使产量增加。当然，该螺旋形 部分也可以用在石油化工处理工厂的其他区域中。
另外，由于在该流动中的在平面中的混合的改善，这种形式的螺旋管 也可以用作混合器。第一种流体可以在螺旋形管中输送，第二种流体可以 通过一根支管送入。该支管也可以为螺旋形管，在这种情况下，希望二根 管具有相同的"右旋或左旋的方向"。这种改善的混合与更均匀的滞留时间 综合意味着该螺旋形管可也作为反应器管道。
虽然说明了螺旋形管路的具体应用，但应该理解该管路的使用不是仅 限于这些应用场合，该管路可以用在其具有的优点(更均匀的速度分布，改 善的平面内混合，轴向分散减小，减小滞流等)是有利的任何应用场合。
权利要求
1. 一种制造管路并利用该管路运送包括油和气体的混合物的多相流动的方法，所述管路包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分，所述方法包括下列步骤将一根直的挠性管道部分放在另一个直的挠性件附近，使该挠性管道部分和该挠性件互相围绕着扭转，以及处理该挠性管道部分使它保持其形状。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征为，在扭转过程中，防止该挠性 管道部分铰结，或以不希望的其他方式变形。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征为，在扭转前，将密贴配合的螺 旋弹簧插入该管道部分中。
4. 如权利要求1 ~3中任何一条所述的方法，其特征为，该挠性管道部 分由可以处理使其保持其形状的材料制成，例如热固性塑料，可用紫外线 硬化的树脂等。
5. 如权利要求1 ~4中任何一条所述的方法，其特征为，该直的挠性件 为另一个挠性管道部分。
6. —种制造管5^并利用该管路运送包括油和气体的混合物的多相流动 的方法，所述管路包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分， 所述方法包括下列步骤提供一个挤出直管的挤出机；在所述挤出机的下游，提供一个成形装置，用于将挤出的管成形为螺 ^走形的；和由该挤出机挤出直管和利用该成形装置将该管制成螺旋形状。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征为，该成形装置包括一个回转件， 其回转轴线基本上与挤出轴线平行，该回转件具有一个所述管可通过的孔， 该孔的位置使其中心与回转轴线偏移，当所述管通过时，驱动该回转件转 动，将该管作成螺旋形状。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征为，在该回转件中的孔的位置使 回转轴线通过该孔，但与该孔的中心偏移，以形成一个螺旋形部分；其特 征还在于，该螺旋线的振幅小于或等于管路内径的一半，和沿着该部分的 长度相对地固定不变。
9. 一种实现如权利要求6 8中任何一条所述的方法的装置。
10. —种制造管路并利用该管路运送包括油和气体的混合物的多相流 动的方法，所述管路包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分， 所述方法包括下列步骤提供一个螺旋形心轴；将一根挠性管巻绕在该螺旋形心轴周围，使该管成为螺旋线几何形状； 处理该管，使它保持其形状；和 从该心轴上取下该螺旋形管。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征为，该管比该螺旋线心轴长很 多，并且其一端巻绕在该心轴上，沿着该螺旋形心轴运动，并经过处理使 它保持其形状；该管的另一端则从该心轴上松开。
12. 如权利要求10或11所述的方法，其特征为，该管的外径比该心轴 的内径大，使得所生产的螺旋线管的振幅小于或等于该管的内径的一半。
13. 如权利要求10~ 12中任何一条所述的方法中使用的一种螺旋形心轴。
14. 一种制造管路并利用该管路运送包括油和气体的混合物的多相流 动的方法，所述管路包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分， 所述方法包括下列步骤提供多个管子的短部分，每一个短部分具有直的中心线，并且具有不 在平行平面中的末端表面，使得该部分具有一个最长的边和与该最长的边 直径上相对的一个最短的边；将二个短的部分连接在一起，使一个部分的最长边稍微转动，偏离下 一个部分的最长边；和连接另一些短的部分，每一个短部分稍微转动，与上一部分偏移相同 的量。
15. —种包括一个其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管 路，其中该螺旋线的振幅小于或等于该管路内径的一半。
16. 如权利要求15所述的管路，其特征为，该部分具有多个螺旋形的圈。
17. 如权利要求15或16所述的管路，其特征为，该部分沿着其长度具 有基本上相同的振幅和螺旋角度。
18. 如上述权利要求15 17中任何一条所述的管路，其特征为，该部分 沿着该管路的全长延伸。
19. 如权利要求15-17中任何一条所述的管路，其特征为，该部分只 沿着该管路的 一部分延伸。
20. 如上述权利要求15 19中任何一条所述的管路，其特征为，螺旋线 的回转轴线为一直线。
21. 如权利要求15~ 19中任何一条所述的管路，其特征为，螺旋线的 回转轴线是弯曲的。
22. 如上述权利要求15 21中任何一条所述的管路，其特征为，它用作 混合器。
23. —种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的 管路的方法，所述方法包括下列步骤将一根直的挠性管道部分放在另一 个直的挠性件附近，使该挠性管道部分和该挠性件互相围绕着扭转，处理 该挠性管道部分使它保持其形状。
24. 如权利要求23所述的方法，其特征为，在扭转过程中，要防止该 挠性管道部分铰结，或以不希望的其他方式变形。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征为，在扭转前，将密贴配合的螺旋弹簧插入该管道部分中。
26. 如权利要求23~25中任何一条所述的方法，其特征为，该挠性管 道部分由可以处理使其保持其形状的材料制成，例如热固性塑料，可用紫 外线硬化的树脂等。
27. 如权利要求23~26中任何一条所述的方法，其特征为，该挠性直 的件为第二个挠性管道部分。
28. —种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的 管路的方法，所述方法包括下列步骤提供一个挤出直管的挤出机；在所述挤出机的下游，提供一个成形装置，用于将挤出的管成形为螺 ;旋形的；禾口由该挤出机挤出直管和利用该成形装置将该管制成螺旋形状。
29. 如权利要求28所述的方法，其特征为，该成形装置包括一个回转 件，其回转轴线基本上与挤出轴线平行，该回转件具有一个管子可通过的孔，该孔的位置使其中心与回转轴线偏移，当管子通过时，驱动该回转件 转动，将该管作成螺旋形状。
30. 如权利要求29所述的方法，其特征为，在该回转件中的孔的位置 使回转轴线通过该孔，但与该孔的中心偏移，以形成一个螺旋形部分；其 特征还在于，该螺旋线的振幅小于或等于管路内径的一半，和沿着该部分 的长度相对地固定不变。
31. —种实现如权利要求28 30中任何一条所述的方法的装置。
32. —种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的 管路的方法，所述方法包括下列步骤提供一个螺旋形心轴；将一根挠性管巻绕在该螺旋形心轴周围，使该管成为螺旋线几何形状； 处理该管，使它保持其形状；和 从该心轴上取下该螺旋形管。
33. 如权利要求32所述的方法，其特征为，该管比该螺旋线心轴长很 多，并且其一端巻绕在该心轴上，沿着该螺旋形心轴运动，并经过处理使 它保持其形状；该管的另 一端则从该心轴上松开。
34. 如权利要求32或33所述的方法，其特征为，该管的外径比该心轴 的内径大，使得所生产的螺旋线管的振幅小于或等于该管的内径的一半。
35. 如权利要求32~34中任何一条所述的方法中使用的一种螺旋形心轴。
36. —种制造包括一其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的 管路的方法，所述方法包括下列步骤提供多个管子的短部分，每一个短部分具有直的中心线，并且具有不 在平行平面中的末端表面，使得该部分具有一个最长的边和与该最长的边 直径上相对的一个最短的边；将二个短的部分连接在一起，使一个部分的最长边稍微转动，偏离下一个部分的最长边；和连接另一些短的部分，每一个短部分稍微转动，与上一部分偏移相同的量。
全文摘要
本发明涉及包括一个其中心线跟随一个基本上为螺旋形途径的部分的管路，其中，该螺旋线的振幅小于或等于该管路的内径的一半。当流体在这种管路中流动时，可使流动成为漩涡。它有许多优点，例如改善平面内的流体的混合，提高了滞留时间的均匀性等。本发明还涉及制造这种管路的各种方法。
文档编号B29C47/00GK101545579SQ20091000375
公开日2009年9月30日 申请日期2004年3月18日 优先权日2003年3月18日
发明者尼克拉斯·V·沃特金斯, 科林·G·卡罗 申请人:帝国改革有限公司