火管加热器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月23日提交的题为“火管加热器”的美国临时专利申请号62/107,062的优先权，并且其公开内容明确地并入本文。

本发明总体涉及流体加热设备，有时一般被称为锅炉或热水器，并且更具体地涉及这样一种火管加热器组件：该火管加热器组件在热燃烧气流和被加热的流体流之间保持分离或隔离，同时适应在加热器组件操作期间与火管的热收缩和膨胀相关联的在火管加热器组件操作期间火管在纵向长度上的变化。

背景技术：

诸如锅炉和/或热水器的火管加热器组件一般用于将热量从诸如燃烧气体或加热流体的热流体传递到诸如水的相对较冷的流体或被加热流体。传统的热交换器，特别是火管热交换器，使用由多个管组成的管束，每个管均在各自的管入口端和各自的管出口端之间延伸。在加热设备的操作期间，这些管的物理形状响应于形成各个管的材料的热属性以及与使用加热组件相关联的操作参数而变化。产生期望的热交换通常需要多个管以及管的间隔，管的间隔支撑与火焰或燃烧气体和待被加热的周围的流体(诸如水)相关联的有效的热交换。

多个管的大致细长形状和与之相关联的热交换需要考虑关于管的替换端的安装和/或管的构造，用于以下列方式适应管的伸长：保持在与加热流体流相关联的通道(例如燃烧过程)之间，以及在与穿过组件的被加热的流体流的通道相关联的通道之间的密封的相互作用。可以理解，在整个热交换过程中，燃烧气体流体流和被加热的流体流必须保持彼此隔开。在热交换器的与加热流体接触的那些部件以及与加热过程相关联的较冷气体和/或与被加热的流体相关联的液体接触的那些部件之间可能存在显著的温度差异。还应当理解，在整个加热过程和/或各自的或期望的加热条件和/或与使用或操作火管加热器组件相关联的需求下，能够发生显著的温度变化。这些温度差可能导致火管加热器管道的热膨胀和/或收缩以及在加热组件的各个部分和与其相关联的加热和被加热的流体流的离散部分相关联的各个部分之间的温度梯度。这些温度差和梯度造成了各种部件之间的接头中和部件本身的应力。如果没有被解决或被调节，这些应力可能会减损火管加热器组件的有效操作和/或火管加热器组件的期望的流体可操作性的过早失效。

火管加热器组件通常包括封闭被加热的流体路径的壳体以及容纳在壳体内或相反穿过壳体的多个火管。火管被支撑并且分布在壳体的容积内，以实现加热流体或燃烧气体流与通常围绕多个火管的被加热的流体材料或流之间的有效的热交换。火管布置在壳体中以实现相应流体之间的有效的热交换，并且以保持相应的加热与被加热的流体流之间流体隔开的方式被支撑。在火管组件的操作期间，火管一般比火管加热器组件的周围外壳或壳体热得多，并且可以经受各种不同的操作温度以及温度偏差和温度变化率。也就是说，与火管加热器组件的操作相关联的各种需求影响多个火管的相对温度。火管的相对温度影响离散的火管的纵向长度。换句话说，由于在火管加热器组件的操作期间火管的热膨胀和收缩，火管的纵向长度在火管加热器组件的操作期间一般改变。或者，如果火管相对于下面的火管加热器组件被如此刚性地支撑，则由于与火管加热器组件的操作相关联的加热和冷却循环，离散的火管的替换端可能受到不期望的应力。

认识到这种问题，其他人已经提供了这样的火管加热器组件和/或热交换器设备，其中多个管被构造成响应于下面的加热设备的操作状态而适应离散的管的纵向长度的变化。这样的配置一般提供可滑动的集管布置，诸如类似于在美国专利号7,220,392和美国专利申请公布号2014/0000845中所公开的那些布置，其中多个加热管的一端刚性地固定到集管布置，并且多个管的另一端由和与加热器或热交换器组件相关联的下部壳体可滑动地协作的集管布置支撑。还有一些，诸如美国专利号8,844,471，提供了包括可变形管组件的布置，所述可变形管组件在离散管的伸长和/或收缩期间通过适应离散管的横向偏转来适应离散管的纵向热膨胀和收缩。每个方法都包括各自的缺点。

首先，在支撑多个管的集管和与加热器组件相关联的下部壳体之间提供可滑动的但密封的连接，使得壳体和加热器组件的结构复杂化并且增加了加热装置的流体故障的可能性。也就是说，集管相对于壳体的重复振荡增加了与集管组件和壳体之间的可移动密封相互作用相关联的系统泄漏形成的可能性。虽然可横向变形的管组件消除了这种考虑，但是这种布置为了适应与多个管相关联的各种横向偏转而使得离散管的制造变得复杂化并且使与管布局相关联的考量复杂化。此外，由于在离散管的热膨胀和收缩期间管相对彼此的各种位置以及周围的流体，这种布置易受到减损的热效率和与离散流体之间的热交换相关联的更大的热梯度的影响。也就是说，在不同的操作条件和/或温度期间，部分离散管可以实现不同的相对定向，使得不均匀的间隔出现在离散管的离散部分之间，从而影响与周围被加热流体相关联的流体交换。此外，这种方法可能导致在离散管的伸长和收缩期间与管应力有关联的不期望的浓度和方向。

因此，需要一种火管加热器组件，其以保持离散的流体流之间的隔离并且不会不期望地影响热效率或生成与结果火管加热器组件的操作相关联的不期望的热梯度的方式适应多个火管的热膨胀和收缩。

技术实现要素：

本发明公开了一种火管加热器组件，其克服了以上讨论的一个或多个缺点。公开了一种火管加热器组件，有时称为锅炉和/或热水器，以及适应与这种加热设备相关联的火管的伸长的方法。火管加热器组件包括多个火管，所述多个火管配置并且定向为以实现加热流体(一般为气体燃烧产物)和被加热的流体之间的有效的热交换。多个管的至少一端由管支撑件支撑。管支撑件包括波纹管或者其它可变形的结构，所述可变性结构在第一火管加热器组件的操作期间并且以保持加热和被加热的流体流之间的隔离的方式适应与火管的热膨胀和收缩相关联的在纵向长度上的变化。

包括可用的或可以与上述方面组合的一个或多个特征或方面的本发明的另一方面公开了一种具有壳体和设置在壳体内的多个管的火管加热器组件。所述组件包括管支撑件，所述管支撑件构造成支撑所述多个管中的至少两个并且保持设置在壳体内的燃烧气流与流体之间的隔离并且实现所述燃烧气体流与所述流体之间的热交换。管支撑件包括波纹管区段，其构造成适应由对于火管加热器的操作的热响应造成的多个管中的至少两个在长度上的变化。

包括可与上述特征和方面组合的一个或多个特征或方面的本发明的另一方面公开了一种在火管加热器操作期间适应火管加热器管的伸长的方法。该方法包括使用管支撑件结构支撑多个火管，所述管支撑件结构是可变形的，以在火管组件操作期间同时适应一个以上的火管的在纵向长度上的变化。

包括可与上述特征和方面组合的一个或多个特征或方面的本发明的又一方面公开了一种锅炉管支撑组件。锅炉管支撑组件包括配置成与多个火管的端部密封地协作的主体。波纹管区段沿与多个火管的纵向轴线对准的向外方向延伸，并且设置在主体的第一部分和主体的第二部分之间。主体的第一部分相对于围绕多个火管设置的壳体在位置上固定，并且主体的第二部分可以响应于多个火管在温度上的变化而相对于主体的第一部分沿着纵向轴线移动。

本发明的这些和其他方面、特征和优点将在以下详细的描述和附图中变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前预期用于实施本发明的优选实施例。在图中:

图1是根据本发明的火管加热器组件或装置的正视横截面图；

图2是图1所示的火管加热器组件的火管安装结构的俯视图；

图3是图2所示的火管安装结构的正视截面图；

图4是图3所示视图的立体图；

图5是图1所示的火管加热器组件的靠近图2至4所示的火管安装结构的部分的正视截面图；以及

图6是示出与图1所示的火管加热器组件的操作相关联的作为被加热的流体入口流的温度的函数的效率的曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的热水器、水加热装置、锅炉或火管加热器组件10的截面图。火管加热器组件10包括壳体12，壳体12通常限定设备的竖直定向的覆盖区。燃烧器14与燃烧室16相关联，燃烧室16被配置成产生燃烧气体流18，燃烧气体流18与产生热交换相关联，产生热交换与火管加热器组件10的操作相关联。应当理解，燃烧器14的操作可以被配置和/或被操纵以满足与期望的容积、生产量和参数相关联的各种需求，期望的容积、生产量和参数与和使用火管加热器组件10相关联的预期需求相关联。

火管加热器组件10包括多个火管或仅仅管20、22，管20、22在壳体12的范围内沿纵向方向(箭头24所示)延伸。火管加热器组件10包括第一或顶部管板或上部管支撑件28以及第二或底部或下部管支撑件30。可理解地，术语顶部、底部、上部和下部表示具有总体竖直的操作取向的加热器组件，但是应当理解，本发明可应用于其他加热器配置，并且可以以另选定向来提供与这些术语相关联的功能。

管支撑件28、30设置在管20和/或管22的通常相反的纵向端部，并且被构造成提供多个管20、22的相对于通常围绕的壳体12的期望定向。被加热流体空腔34形成为通常环绕与管20、22相关联的表面区域，以实现在管20、22和围绕它们的流体(诸如水)之间的有效热交换。

尽管在下文中被描述为水和/或燃烧气体流体通道和/或其部分，但是应当理解，火管加热器组件10可用于实现各种流体流之间的热交换，其中期望保持各个流体流之间的流体隔开，而不管离散流体流的组成或构成。为简洁起见，在下文中，将与燃烧气体流体路径相关联的流体流通道称为加热流体流路径和特征，而与替代流体相关联的流体路径(无论用水或其它流体提供)都被称为被加热流体流路径和/或特征。应当理解，在需求或“on”条件下，在火管加热器组件的操作期间，这种名称或命名法被用来表示与各个流体流之间的热交换方向相关联的火管加热器组件10的离散特征。当用作水加热设施时，火管加热器组件10包括与被加热的流体流动通过火管加热器组件10相关联的被加热的流体入口或水入口36以及被加热的流体出口或出水口38。应当理解的是，在需求条件下，由于与被引导在与燃烧气体流相关联的管20、22上方并且围绕管20、22的水流体流的热相互作用相关联的热交换，与被加热的流体入口36处的流体流相关联的温度小于与被加热的流体出口38处的流体流相关联的温度。

在操作期间，被加热的燃烧气体沿大致向下的方向(由箭头40所示)行进通过管20，穿过下部管支撑件30，被朝向多个径向向外定向的管22引导，并且在通风管道46处离开火管加热器组件10。这种流动方法仅是与本发明相关联的一个示例性流动方法。在与被加热的流体进行热交换期间，在火管加热器组件10的加热流体侧上产生的任何冷凝物可以经由设置在火管加热器组件10的下部中的冷凝物收集器和/或排放口47从系统中去除。

在操作期间，诸如在与火管加热器组件10的载荷或需求相关联的启动、关闭以及偏差中，管20、22中的一个或多个的纵向长度响应于在与由管20、22限定的内部容积相关联的燃烧气体和围绕管20、22的被加热流体流之间的热交换而变化。也就是说，由于管20、22的热属性并且响应于火管加热器组件10的热操作的偏差，随着燃烧过程的热输出增加和/或减少，输入水的温度增加和/或减少，和/或需求增加和/或减少，则管20、22的纵向长度而增加和减少。

参考图1至5，下部管支撑件30由主体100限定，主体100包括第一部分102和第二部分104，第一部分102和第二部分104在大致轴向方向上相对彼此是可移动的，该大致轴向方向与管20、22中的一个或多个的纵向轴线24对准。主体100的外壁106从下部管支撑件30的第一部分102延伸，以便在其后部限定空腔110。下部管支撑板30的第一部分102和第二部分104由波纹管结构、波纹管组件或仅仅波纹管120支撑，波纹管120适应管20、22中的一个或多个的纵向长度的偏差，该偏差响应于管20、22的作为火管加热器组件10的热性能的函数的纵向长度的变化。尽管波纹管120在下文中被公开为适应管20的纵向长度的变化(其与和被加热的流体之间的主要热交换相关联)，但是应当理解，火管加热器组件10可以被配置成使得所有管20、22与下部管支撑件30的可移动部分相关联。

波纹管120由第一部分122限定，第一部分122从下部管支撑件30的第一部分102沿大致向下和圆周方向延伸。波纹管120的第二部分124从波纹管120的第一部分122的自由或悬臂端沿圆周和纵向方向朝向下部管支撑件30的第二部分104延伸。与波纹管120的第二部分124相关联的上部圆周边缘密封地固定到下部管支撑件30的第二部分104。波纹管120的第二部分124具有大致蛇形的截面形状，然而波纹管120的第一部分122具有大致平坦的管状形状。在火管加热器组件10的操作期间当管20的热膨胀和收缩时，波纹管120的第一部分122的大致蛇形的截面形状适应下部管支撑件30的第二部分104相对于下部管支撑件30的第一部分102在与管20、22的纵向轴线24对准的方向上的平移。

以另一种方式表达并参照图3和图4。与管20的热膨胀和收缩相关联的作用在下部管支撑件30的第二部分104上的纵向指向的力导致波纹管120的第二部分124的压缩，从而将波纹管120的第二部分124相对于波纹管120的第一部分122在大致向上或向下的轴向方向上平移。尽管下部管支撑件20的第一部分102和第二部分104被显示为通常包含在大致横向于与轴线24相关联的纵向方向定向的公共平面中，但应当理解，下部管支撑件30的第一部分102和第二部分104的其它相对定向是可预期的。应当理解，在火管加热器组件10的操作期间，管20的伸长或收缩或轴向长度的变化在结构上通过下部管支撑件30的第二部分104相对于下部管支撑件30的第一部分102的运动以及与波纹管120的第二部分124相关联的压缩/膨胀来适应。还应当理解，与管20、22和下部管支撑件30的相应的第一部分102和第二部分104的相互作用相关联的大致横向定向在多个管20、22和下部管支撑件30之间以保持与流体流相关联的相对流体隔开或隔离的方式提供了牢固密封的相互作用，所述流体流诸如为与管20、22的内部容积相关联的燃烧气体流以及大致围绕壳体12内的管20、22的细长表面的工作流体或被加热的流体流。

下部管支撑件30包括形成在下部管支撑件30的第一部分102和第二部分104之间的大致圆周的凹槽130，使得在火管加热器组件10的操作期间形成在波纹管120的第一部分122和第二部分124之间的容积132可以由被加热的流体流占据，从而保持与火管加热器组件10的加压侧相关联的期望的操作压力。通常位于下部管支撑件30的第二部分104下方的容积140适应燃烧气体或与管20的内部通道相关联的加热流体流，由下部管支撑件30的第二部分104支撑在管20之间，围绕挡板120，并且朝向径向向外定向的管22。

参考图2和4，与下部管支撑件30的第一部分102和第二部分104中的相应一个相关联的多个细长狭槽150、152中的每一个被构造成适应与火管加热器组件10相关联的各个相应管20、22的安全密封的机械协作。优选地，管20、22中的每一个焊接到下部管支撑件30的第一部分102和第二部分104中的相应一个，使得与每个相应管20、22相关联的通道通过与下部管支撑件30相关联的相应开口或狭槽150、152流体连接到与下部管支撑件30的相对侧面相关联的容积。应当理解，尽管管20具有大致细长的截面形状并且相对于火管加热器10的纵向轴线以通常径向均匀的模式定向，且管22以径向交错的模式定向，并且使得每个管22的纵向截面被定向为相对于与最近的径向向内管20的截面相关联的纵向轴线的交叉方向，如由狭缝150所示(图2)，但其仅是管20、22的定向的一个示例性布置。

不管管20相对于管22的离散定向如何，并且反之亦然，从图1中应该理解与加热流体流相关联的温度随着它沿着与管20相关联的向下相对方向和与管22相关联的向上相对方向通过而减少，因为与其相关联的热能转移到工作或被加热的流体。还应当理解，被加热的流体的温度将随着工作或被加热的流体沿着与多个管20、22相关联的径向向内方向和/或相反的纵向方向通过并且经历与各个管20、22的外表面的热交换且与各个挡板120、121相互作用而增加，所述挡板120、121与引导穿过其的工作或被加热的流体流穿过火管加热器组件10相关联。

下部管支撑件30的第二部分104相对于下部管支撑件30的第一部分102的可移动关联适应响应于与由相应的管20和/或22的热膨胀造成的操作载荷相关联的偏差而固定到其上的管20的纵向长度的变化。应当理解，下部管支撑板30的第二部分104适应与火管加热器组件10的操作相关联的多个管20的伸长。也就是说，并不是提供单独地定制和构造以适应与之相关联的热伸长和/或收缩的离散的管，或者在壳体12的离散分离部分之间提供可滑动关联，而是可变形的下部管支撑件30有助于牢固且安全的管安装结构，使得与下部管支撑件30相关联的主体100适应在纵向长度上的偏差，该偏差与火管加热器组件10的多个管20、22相关联并由与其相关联的热载荷的变化造成，同时保持与火管加热器组件10的操作相关联的在燃烧气体或加热流体侧或通道和水或被加热的流体侧或通道之间的所期望的流体隔开。

参考图6，与火管加热器组件10的操作相关联的效率可以受到被加热的流体入口流速和温度的影响。在被加热流体入口流温度在约摄氏4.4度(约华氏40度)下，在各种被加热的流体流速期间，可以实现约96.5％至约99.3％的效率。火管加热器组件10的操作效率以及与最小入口被加热流体流(由趋势a表示)和最大入口被加热流体流(由趋势b表示)相关联的效率之间的差异随着入口被加热流体流温度升高而逐渐减小。如图6所示，随着入口被加热流体流温度在较低的输入被加热流和较高的输入被加热流体流之间变化并且从约摄氏4.4度变化至约摄氏76.7度(约华氏170度)，与火管加热器组件10的操作相关联的效率可以在约88.6％至99.5％的范围内变化，并且从而在类似的火管加热器组件的整个操作范围内提供改进的操作效率。火管加热器组件10构造成适应从约100％的被加热流体通量到约4％的被加热流体的通量的范围，与火管加热器组件10相关联的效率的偏差可忽略不计。换言之，在组件10的点火或按需操作中与火管加热器组件10的操作相关联的效率被保持。

本领域技术人员将理解，可以从与火管加热器组件10相关联的操作参数实现其它优点和特征，这仅是本发明的具体实施方式的示例。虽然已经为了本公开的目的示出和描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员可以对部件的布置和构造进行改变，并且这些变化被包含在如由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。已经根据优选实施例描述了本发明，这里公开的实施例针对如附图中大体示出的组件。应当认识到，除了明确陈述内容之外，所概述的实施例或附图所示的实施例的等同物、替代方案和修改是可行的并且在所附的权利要求的范围内。所附的权利要求涵盖所有这些替代品和等同物。