用于管束装置的支撑系统的制作方法

专利名称：用于管束装置的支撑系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及管束装置，例如热交换器、冷凝器或例如核反应堆堆芯、电热器装置中的其它管集合，或有流体流过它们的平行圆柱形的任何集合，并且更具体地，本发明涉及用于热交换器装置内部的热交换器管的支撑结构。
背景技术：
许多年以前研制出热交换器，并且它们在许多需要热传递的应用仍然非常有用。虽然已经对基本设计做出许多改进，但仍然存在与工业化生产过程内包含热交换器有关的折衷和设计问题。
与使用热交换器有关的一个问题是污垢趋势。污垢是指由于工艺流体流动和热传递而在热交换器表面上形成多种沉积和覆盖层。存在各种类型的污垢，包括侵蚀、矿物质沉积、聚合、结晶、焦化、沉淀和生物的。在侵蚀的情况下，由于工艺流体和热交换器结构中使用的材料之间的相互作用，可能侵蚀热交换器的表面。因为多种污垢类型可以相互作用产生更多污垢，因而情况变得更糟。污垢可以导致并且确实导致对热传递的附加阻力，从而降低传热性能。污垢也可以产生与在交换器内部的流体流动相关的增大的压降。
通常用于工业设备的一类热交换器为管壳式热交换器，其中一种流体在管内部流动，同时另一种液体在管外被强迫通过壳体。通常，放置折流板以支撑管并强迫流体以希望的方式穿过管束。
通过使用较高流体速度可以减少污垢。实际上，一个研究表明两倍的流体速度可以减少超过50％的污垢。虽然使用较高流体速度可以显著减少或甚至消除污垢问题，令人遗憾地，由于折流板在系统内产生的过大的压降，因而在传统壳管式热交换器的壳侧通常难以达到较高流体速度。与使用热交换器有关的经常出现的另一问题是管的振动损伤。，在流体流垂直于管的交叉流实施方式中，管振动最剧烈且损伤最可能发生，尽管具有高流体速度的非交叉流(即轴向)实施方式中也可能出现管的振动损伤。
今天使用中的许多热交换器包含折流板。在流体路径中插入折流板，以向管提供支撑，并保证管外流体相对于管按所需方向流动。然而令人遗憾地，折流板可增加污垢，这是因为它们在交换器的壳侧上流动很小或甚至不存在的区域产生死区。在装有折流板的热交换器中遭遇的另一个问题是由于流激振动，交叉流可能导致对管的潜在损害。在该损伤情况下，通常必须中断或关闭操作，以修理设备。
通常使用多种类型的折流板。一种类型(扇形折流板)对于在我们的共同待决的申请中描述的低污垢热交换器是无法接受，这是因为它们产生许多低速度流动或甚至没有流动的区域，从而总是增加产生污垢的可能性。其它类型(包括杆、带、扭曲管的多种类型)可以在交换器的中央区域产生纵向流，但是这些技术缺乏盘管支撑结构的固有强度和挠性，该盘管支撑结构示出于我们在2002年7月31日提交的名称为“Heat Exchanger Flow-Through Tube Supports”的共同待决的美国专利申请No.10/209126(公开号20030178187A1，相应于EP 1347258)所示，该申请描述了具有盘管支撑的以允许交换器壳侧上的高速度的热交换器结构。本发明是盘管支撑系统的发展，该支撑系统直接适用于三角形管布置，此外允许设计更紧凑和廉价的交换器。
申请No.10/209126中描述的具有盘管支撑的管支撑系统通常适用于成行的管布置，尽管如申请中所述，它也可以与三角形的管布置一起使用。在申请No.10/209126中，支撑结构使用间隔线材卷，该线材卷围绕管束中的每个管。例如，对于三角形的管布置，线材卷围绕管束中的全部管，相邻管上的线材卷以相反的方向(顺时针方向和逆时针方向)缠绕，使得它们在管之间的区域内重叠，并可以焊接在一起形成组合的整体结构。
本发明的管壳式热交换器采用成螺旋形的盘卷线材，以形成用于在热交换器壳体内布置成三角形结构的管的间隔和支撑结构。缠绕在管束中交替的管的周围的线材卷的线材具有基本上等于热交换器的管的间距的径向厚度(对于圆形线材为直径)。除线材卷包围的管之外，交换器优选使用特定结构的密封装置，以获得所需流动型式。对于该结构的交换器，死区的可能性减小，并且高速度轴向流导致基本上消除污垢问题，并明显减少可能导致管损伤的流动诱发的管振动。
本发明提供了更容易的生产和以高速度运行壳侧所需的健壮设计。该设计必须使用三角形的管布局。该管布局是最合适的，因为它在指定壳体直径内提供了最大管数。该交换器可以具有比获得管束机械完整性所必需的连接杆数量更多的连接杆数量，该交换器也提供挠性，以通过最小化流动旁路而实现所需壳侧速度。


图1是假想热交换器的简化横截面，该热交换器引入与密封装置一起的线材卷包围的管和连接杆结构；图2是假想热交换器的简化横截面，该热交换器引入具有两种可选布置的线材卷包围的管，用于增强管束。
具体实施例方式
图1中展示了热交换器的壳体部分，以图解管束结构。虽然图1展示了优选的单程形式的管壳式热交换器，原则上本发明适用于其它形式的管壳式热交换器，例如两个或更多个管程、U形管、可拆卸管束设计，以及已知为多管套管的交换器，尽管可能需要更复杂的布置，以填充这些其它结构中的附加空隙空间。
图1的热交换器10包括壳体11和壳体中的管束12。管束12包括三角形布置的多根平行管。这些管以传统的方式保持在位于管束每端的管板(没有展示)中，通过焊接和/或通过使管膨胀进入管板而固定于管板内的孔。交替的管布置有用来间隔和支撑的线材卷15，该线材卷包围管束中的管。线材卷以和美国专利申请No.10/209126中描述和展示相同的方法螺旋形地缠绕在所选管上，使用该参考文献说明完整的和部分的管线材卷支撑。然而，在本系统中，仅将线材卷施加至所选交替管，尽管如下所述，可以将线材卷施加至管的全部长度或仅施加至管的一部分长度。
对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长度上包围它的线材卷。线材卷材料的径向厚度严密地接近两个相邻管之间的间隔。相对于缠绕线材卷的管的周围的管，径向地确定该径向厚度；当然该径向厚度将是通常的圆形线材的直径。然而，线材卷的线材不需要是圆形截面；它可以具有多种可选择的横截面，例如正方形、椭圆形、矩形、多边形或其它合适的几何形状，因此即使以杆、带、管或条的形式，也可认为是线材。在此情况下，径向厚度取为线材卷的垂直于其长度的横向尺寸。如果需要，线材卷可以是中空的。用于线材卷的线材材料优选地由耐腐蚀/侵蚀材料组成，该耐腐蚀/侵蚀材料例如不锈钢、钛或具有类似冶金学特性的其它材料。
每个线材卷应该具有两个或更多在管周围的完整的圈，并固定到该管上(例如，或者焊接或等效方法，该等效方法优选地不产生或留下任何易于产生的尖锐边缘)。以类似方式将类似的线材卷连接至群系中的其它管。线材卷放置在管束中的交替的管上；如图1所示，这提供所需管间隔，并且因为线材卷通过与管外表面接触向管提供相互支持和支撑，因而该线材卷能够减少管振动。具有包围的间距和支撑线材卷的管束中的交替的管是指具有包围的线材卷的每个管仅接触不具有包围的支撑线材卷，并且相反地，没有包围的支撑线材卷的每根管仅接触具有包围的支撑线材卷的管。在管束的外缘，一些管将不具有在所有侧面包围它们的其它管(乃至连接杆)但在管束内，交替关系保持良好。
可以沿着管连续布置线材卷，但是通常优选地以和申请No.10/209126(公开No.20030178187A1，对应于EP 1347258)的图1中所示相同的方法，沿着管的轴向长度以间隔开的间距定位线材卷支撑。通常，支撑线材卷在每个相隔大约100-150cm间隔的位置约为50-80cm长。如果使用该布置，优选地可以在第一位置没有容纳线材卷的管上的第二轴向位置提供线材卷，该顺序在整个管长度上交替。即使该交替排列不是必要的，它为壳侧流动提供一定对称性，尽管处于将来不可以更换管的不利情况。如果仅在图1所示所选管上提供线材卷，则可以更换剩余管。
通过在相同轴向位置以及不同轴向位置的替换的左旋和右旋线材卷，可以为壳侧液体提供附加混合。
可以用例如图1中的连接杆20的连接杆替代一些朝着管束外部周边的管。在这种情况下，为简单起见仅展示一个杆，并允许该图示出优选地与线材卷支撑管一起使用的交换器结构中的其它特征。实际交换器中，根据需要连接杆可对称地位于管束周围，为管束提供强度。这些连接杆优选地具有比管外径更小的直径，并且将优选地以和管相同的方式也布置有线材卷21。应该选择连接杆的直径和包围的线材卷的厚度，使得线材卷包围的杆对如所示的至少两个相邻的管提供支撑。在构造交换器期间，从壳侧将连接杆穿入第一管板。这些连接杆可以设计成部分进入第二管板，以容纳滑动膨胀连接；替代地，这些连接杆可以在到达第二管板之前结束于加强件，类似于频繁用于传统热交换器构造的结构。
如图2所示，(该图为清楚起见省略重复的大部分附图标记)优选地在管束周围每100-150cm左右提供加强件(30，31)，以保证充分地将管束保持在一起。应当加入这些加强件部件，该加强件部件从连接杆稳固地连接至管板的端部附近开始。该加强件部件可以由弯曲件(31)(从管中切出的部件)或扁平的条材(30)构成。每种类型的一个加强件以不完整的方式展示在图2中；实际结构中，加强件必须包围管束，以保持管束刚性地保持在一起。在加强件是平板的情况下，如图2中30所示，管束被约束到其六角形或十二边形形状，但是如果使用例如31的弯曲加强件，则管束可以符合更圆的截面。在任一情况下，加强件都可以固定于管或连接杆或两者。平板连接杆30焊在卷绕管束最外层两个管35，36的线材卷33，34上，管35，36位于限定管束外侧的六角形的两个顶点上。以类似方式，将弯曲加强件31焊在管36和37上的线材卷34和39。任选地，也可以焊在连接杆20或围绕杆20的线材卷21上。
加强件的深度(与管的轴线平行)通常可以为2至4cm，并且如上所述，它们通常沿着管束长度每隔100-150cm布置。加强件焊在连接杆或卷绕管或连接杆的线材。
在其内部周边中包围管的线材卷用来向管束中的管提供间隔和支撑。间隔和支撑线材卷可以沿着管从管板延伸到管板，获得结构刚度的相应增加，但是在大多数情况下，具有较短的线材卷就足够了，该线材卷沿着布置在两个或更多个位置的管的长度仅延伸短的距离，例如约20-50cm长的线材卷间隔开大约50-150cm，优选地60-100cm。例如，线材卷结构可以从离一个管板约30cm处开始，然后延伸大约20cm。随后可以为大约60cm的缝隙，随后是另一长度的线材卷结构等。无论线材卷沿着管全程盘绕或间歇布置，线材卷应该优选地在管长度上有至少两个完整的圈，以提供充分的支撑和适当的管间隔。
装配管束中，可以根据指定的直径、管心距和线材卷节距要求预先生产线材卷。该预制线材卷通常可从线材卷制造商得到。然后将单个线材卷放置在管和杆的周围，并连接至它们。(例如可以使用电弧焊接)。
矩形密封带22布置成靠近线材卷包围的连接杆(用20表示该类型连接杆)并横向地相对于所述管(以及轴向流动方向)，以将流体流引导进入管周围的区域，以发生高效的热传递。也可以在管束周边的其它区域中放置较大的横向密封带23，以便以正确、希望的方式引导并保持流体流。可以按传统的方式将密封带固定至连接杆或管束的任何其它合适部分。全部密封带必须在密封带端部和管板(一个或多个)之间留下适当的间隙，以便不中断来自和流向流体入口和出口的流动，该流体入口和出口通常位于交换器壳体侧面。
在直接围绕管的区域中，也可以使用纵向密封带来保持轴向流体流，即防止流体流出进入管束周边外部的热交换效率较低的区域。因为管束轮廓是多边形的，六角形或对于较大管束为12边形，这些区域通常可被分成分割的区域(segmental regions)，在数量上为6个或12个，在交换器壳体内侧和管束的直的周围边界之间。这里可以使用向内凸出弯曲形密封带，如图中25所示。除了在管束末端，这些密封带沿着管束的长度延伸，以允许这些端部区域中的自由流体流到达流体入口和出口。弯曲带材25可以通过连接杆和利用布置在管束周围的加强件固定至管束，如图2所示。如果在适当的区域，该类带材也可以为管提供支撑，因此有助于抑制运行状态下的振动。为此目的，该带材优选地制成弧形，在表面上有整体的增强线材26，以与支撑线材卷顺着其包围的管的方式相同的方式，该整体的增强线材26按照螺旋形轨迹沿着并横过分割部分的表面。可以按下列方式生产这些支撑首先，将线材缠绕在例如管(例如管束中的一根管或对于密封或支撑目的有效的另一个合适尺寸的管，例如5cm直径管或导管)的周围；其次，使用电阻焊接等将围绕的线材固定至管，使得它仿佛是管束的一个管，最后将管纵向分成几个相同部分(例如4个)。可以将线材沿带材的全长，或可选地在选定的区域盘绕到带材上，如果管没有从头到尾完全被包围入线材卷，那些选定区域适当地对应于具有间隔/支撑线材的管的区域。然而，具有其连接的线材的弯曲部分可以有效地起作用以便为相邻的一个或多个管提供支撑，也保持流体流紧密地围绕管(一个或多个)的周围，以便有效的热传递，而同时为管(一个或多个)提供支撑，以抑制振动。弧形支撑/密封带通常可以通过使用围绕管束布置的加强件固定在适当位置上。没有间隔线材的类似带材27可以用作替换物(图1中仅示出一个；然而实际交换器中，它们应该在管束边缘和壳体之间的6个或更多分割的区域内均匀地布置在管束周围)。然而，由于线材表面的带材将倾向于产生靠近管的死区，因而该选择方案不如线材表面的带材更优选。
在到达热交换器之前，通常应在工艺线路中某些点处使用某些形式的过滤器。这是重要的，以免任何碎屑在热交换器的管中或壳侧陷入在本发明的热交换器内。如果足够大尺寸或足够大数量的碎屑将进入本发明的热交换器(或实际上任何目前存在的热交换器)，流体速度可减低到使热交换器失效的程度。过滤器的优选形式被描述于美国专利申请No.10/643377。
本类型管束优选地用于热交换器和其它管束装置，例如冷凝器、核反应堆堆芯、电热器或其它具有流体流通过它们的平行圆柱形的集合。可以使用本管束的热交换器的优选类型描述于美国专利申请Nos.10/209082，相应于EP 1347261(Improved Heat Exchanger withReduced Fouling)；10/209126，相应于EP 1347258(Heat Exchanger FlowThrough Tube Supports)；10/414731，相应于EP 1357344(Improved HeatExchanger with Floating Head)。
使用中，轴向流动结构优选地用于交换器的壳侧流体。此外，同样优选的是，逆向流动布置用于两种不同的流体之间，尽管也可实施非逆流(即顺流)流动或顺流和逆向流动的组合。
权利要求
1.一种管束装置，包括三角形布置的多个平行管，在该三角形布置中，管邻近六根周围的管并从这些管间隔开；具有线材间隔/支撑部件的管束中的管，该线材间隔/支撑部件包括螺旋形地缠绕的材料的间隔/支撑线材卷，其中具有间隔/支撑部件的每根管的至少一部分长度被包容在间隔/支撑线材卷的内部圆周内，其中具有间隔/支撑线材卷的每根管仅接触不具有间隔/支撑线材卷的管，并且没有间隔/支撑线材卷的每根管仅接触具有间隔/支撑线材卷的管。
2.权利要求1的管束装置与管壳式热交换器结合，其中该壳管式热交换器包括壳体；和壳体中包含的管束装置，其中所述多个平行管从第一管板延伸到第二管板，其中所述线材卷材料的径向厚度接近相邻的管之间的间隔，以用大约该线材卷材料的径向厚度的距离隔开管束中的管。
3.权利要求1的管束装置，其中所述线材卷材料的所述径向厚度接近两个相邻的管之间的间隔，以用大约所述线材卷材料的所述径向厚度的距离隔开所述管束中的管。
4.前述权利要求中任一项的管束装置，其中所述线材卷具有两个或更多个围绕它所包围的管的完整的圈。
5.前述权利要求中任一项的管束装置，其中在所述管上沿着所述管的长度在多个轴向间隔开的位置处布置所述线材卷。
6.根据权利要求5的管束装置，其中所述间隔/支撑线材卷在一个轴向位置螺旋形地顺时针缠绕在所述管上，并在相邻轴向位置螺旋形地逆时针缠绕在所述管上。
7.权利要求1至5中任一项的管束装置，其中一些所述管具有螺旋形地顺时针缠绕在所述管上的间隔/支撑线材卷，其上缠绕有间隔/支撑线材卷的管的剩余部分具有螺旋形地逆时针缠绕的线材卷。
8.前述权利要求中任一项的管束装置，还包括用于从第一管板延伸到第二管板的所述管束的连接杆。
9.权利要求8的管束装置，其中所述连接杆包含具有线材表面间隔/支撑部件的杆，该间隔/支撑部件包括围绕至少一部分杆长度的螺旋形地缠绕的材料，其中围绕所述杆的所述线材卷材料的径向厚度接近每个连接杆与所述管束的至少一个管之间的间隔，以大约所述线材卷材料的所述径向厚度的距离使所述杆从所述管间隔开。
10.根据权利要求8的管束装置，其中所述连接杆与该连接杆相邻的管接触。
11.前述权利要求中任一项的管束装置，在所述管束圆周周围的分割的区域内还包含横向密封带，以保持流体流入所述管束沿着该管束的长度离开该分割的区域。
12.前述权利要求中任一项的管束装置，在所述管束圆周周围的分割的区域内还包含纵向密封带，以保持流体流入所述管束沿着该管束的长度离开该分割的区域。
13.权利要求12的管束装置，其中所述纵向密封带包含具有间隔/支撑部件的管状部分，该间隔/支撑部件包含围绕带至少一部分的长度、螺旋形地缠绕的材料。
14.权利要求13的管束装置，其中围绕所述纵向带螺旋形地缠绕的材料的径向厚度接近每个带与所述管束的至少一个管之间的间隔，以用大约所述线材卷材料的所述径向厚度的距离使所述带从所述管间隔开。
15.权利要求2的管束装置，在所述管束周边与壳体之间的分割的区域内还包含横向密封带，以保持流体流入所述管束沿着所述管束长度离开该分割的区域。
16.权利要求2的管束装置，在所述管束周边与壳体之间的分割的区域内还包含纵向密封带，以保持流体流入所述管束沿着所述管束长度离开该分割的区域。
全文摘要
一种例如换热器或冷凝器的管束装置，该管束装置具有三角形布置的平行管，在该三角形布置中，管与六根周围的管邻近并间隔开。管束中的管具有线材间隔/支撑部件，该线材间隔/支撑部件包括螺旋形地缠绕的材料，该材料包围每个管长度的至少一部分；具有间隔/支撑线材卷的每根管仅接触不具有间隔/支撑线材卷的管，并且没有间隔/支撑线材卷的每根管仅接触具有间隔/支撑线材卷的管。
文档编号F28D7/16GK101040164SQ200580034897
公开日2007年9月19日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年10月12日
发明者阿马尔·S·万尼, 托马斯·M·鲁迪, 马西亚诺·M·卡拉诺格 申请人:埃克森美孚研究工程公司