壳和管式换热器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种换热器，且其包括在相对管板之间延伸的壳，以界定内部；耦接到所述壳的喷嘴，第一流体通过所述喷嘴与所述内部连通；和管体，其在所述相对管板之间延伸以将第二流体传输通过所述内部，由此沿着从所述相对管板的相对面的各自平面界定的所述管体的热传递部分而在所述第一流体与第二流体之间发生热传递，所述热传递部分分别在其第一段和第二段处具有至少第一拓扑结构和第二拓扑结构，所述第一段和第二段分别安置在接近所述相对管板的相对面的各自平面。
【专利说明】壳和管式换热器
[0001]发明背景
[0002]本文中公开的标的涉及换热器，且更特定而言涉及壳和管式换热器。
[0003]加热和冷却系统，如HVAC和制冷系统通常利用各种类型的换热器来调节加热和冷却。这些换热器通常包括壳和管式或管中管式换热器或冷凝器。在每种情况中，通常在被引导来接近彼此而流动的流体之间发生热传递。
[0004]例如，在壳和管式换热器中，壳形成容器的外表面，制冷剂蒸汽被引入到所述容器中。接着将水引导通过延伸通过容器的水管，使得在制冷剂与水之间发生热传递。
[0005]壳和管式换热器通常代表水冷式制冷机的成本的约50%，且其通常至少部分确定系统将需要的制冷剂的量，以及单元的大小，这两者将趋于响应于提高能源效率需求(通常增加壳和管式换热器的大小和成本)而随时间增加。鉴于这种趋势，迄今的壳和管式换热器的设计改进已利用由供应商提供的改进的管表面。不幸的是，新型管表面无法完全优化，因为管被设计用于非常宽的操作范围。
发明概要
[0006]根据本发明的一方面，提供一种换热器，且其包括在相对管板之间延伸的壳，以界定内部；耦接到壳的喷嘴，第一流体通过所述壳与内部连通；和管体，其在相对管板之间延伸以将第二流体传输通过内部，由此沿着从相对管板的相对面的各自平面界定的管体的热传递部分而在第一流体与第二流体之间发生热传递，热传递部分分别在其第一段和第二段处具有至少第一拓扑结构和第二拓扑结构，所述第一段和第二段分别安置在接近相对管板的相对面的各自平面。
[0007]根据本发明的另一方面，提供一种换热器，且其包括在相对管板之间延伸的壳，以界定内部；耦接到壳的喷嘴，第一流体通过所述喷嘴而与内部连通；和至少第一流体连通的管体和第二流体连通的管体，其在相对管板之间延伸以将第二流体传输通过内部，由此沿着从相对管板的相对面的各自平面界定的至少第一管体和第二管体的各自热传递部分而在第一流体与第二流体之间发生热传递，至少第一管体和第二管体的各自热传递部分具有至少第一拓扑结构和第二拓扑结构。
[0008]根据本发明的又另一方面，提供一种换热器，且其包括界定第一内部的壳；在第一内部中界定第二内部的子冷却器；耦接到壳喷嘴，第一流体通过所述喷嘴与第一内部和第二内部连通；第一管体和第二管体，以将第二流体传输通过第一内部，由此沿着其各自的热传递部分而在第一流体与第二流体之间发生热传递；和第三管体，以将第二流体传输通过第二内部，由此沿着其热传递部分在第一流体与第二流体之间发生热传递，所述第二管体的热传递部分对比于第一管体和第三管体的热传递部分具有不同的拓扑结构。
[0009]根据本发明的又另一方面，提供一种换热器，且其包括界定内部的壳；耦接到壳的喷嘴，第一流体通过所述喷嘴与内部连通；和第一管体和第二管体，以将第二流体分别传输通过内部的上方高度段和下方高度段，由此沿着其各自的热传递部分而在第一流体与第二流体之间发生热传递，所述第二管体的热传递部分对比于第一管体的热传递部分具有不同的拓扑结构。
[0010]这些和其它优点和特征将结合附图从下文的描述变得更显而易见。
[0011]附图简述
[0012]在本说明书结论处的权利要求中特定地指出且明确要求被认为是本发明的标的。本发明的前述特征和其它特征和优点将结合附图从下文详细的描述显而易见，其中:
[0013]图1是壳和管式换热器的平面图；
[0014]图2、图3和图4是图1的壳和管式换热器的示意图；
[0015]图5是具有多通道的壳和管式换热器的平面图；
[0016]图6是根据额外实施方案的壳和管式换热器的平面图；和
[0017]图7是根据还有额外的实施方案的壳和管式换热器的平面图。
[0018]详细的描述以举例方式参考附图而解释本发明的实施方案，以及优点和特征。
【具体实施方式】
[0019]在壳和管式换热器中，例如，在制冷剂的温度与壳的冷却剂入口处的冷却剂温度之间通常具有较高热通量。结果，制冷剂与冷却剂之间的较大程度的热传递发生在冷却剂入口处或靠近冷却剂入口处。然而，随着冷却剂前进通过壳，热通量随着制冷剂与冷却剂的温度彼此接近而减小。根据本发明的方面，示例性壳和管式换热器中的管表面使用策略性地布置的许多管表面。这些管表面考虑减小跨壳的热通量，并通过使管表面具有(例如)增加的热传递表面积的方式而补偿热通量。
[0020]在示例性实施方案中，在浸没式蒸发器中，如现今的实践，可代替仅一个共同表面使用三个管表面。在进入通道的第一半个中，换热器将使用对于换热器的所述段中的高热通量而优化的管表面。在进入通道的第二半个中，管表面将对于换热器的这个段中的中等热通量而优化。最后，在第二通道中，管表面将同样对于换热器的这个段中的低热通量而优化。
[0021]本概念的这些和/或其它实施方案可独立或组合使用，且相同换热器中包括不同的管直径以更加优化外部表面积和对于换热器的所述段中的水流的横截面流动面积的量；壳和管配置的上半部和下半部中的不同管表面，其中上半部使用对于这个区域中较少量的液体制冷剂冷凝物而优化的管，且下半部使用较少受到这个区域中的重质液体制冷剂冷凝物的影响的不同表面；冷凝器中的子冷却器管，其使用与冷凝器的主要段不同的表面，且其对于子冷却器特别优化；降膜束，其中所述束中的不同区域中使用不同的管表面，因为膜厚度在冷凝物的流动方向上改变；和降膜束，其中所述束的上部区域使用对于膜蒸发优化的管，且下部区域使用对于浸在制冷剂中的管处的池式沸腾而优化的管。
[0022]参考图1和图2，提供一种换热器，虽然应理解，换热器的整体形式可改变，且不需要限于壳和管式构造，但是例如提供壳和管式换热器10。换热器包括在实质上平坦的相对管板21、22之间延伸的管壳20，以界定壳内部25，和喷嘴30，其耦接到壳20。喷嘴30允许并调节第一流体(如制冷剂蒸汽)与壳内部25的连通。
[0023]换热器还包括在相对管板21、22之间延伸的管体40或多个管体40，以将第二流体(如水)传输通过壳内部25，由此沿着管体40的热传递部分41在第一流体与第二流体之间发生热传递。在第一组实施方案中，管体40将第二流体在单方向上传输通过壳内部25，如同单通道换热器。管体40的热传递部分41是预期将发生热传递的实质部分的管体部分，且其沿着从相对管板21、22的相对面211、221的各自平面的管体40外表面而界定。
[0024]特定而言，应理解，管体40将在其相对端形成，具有实质上平滑的配接表面42、43。这些配接表面42、43可例如通过焊接、钎焊或冶金结合而与相对管板21、22的对应配接表面接合，以在管体40与管板21、22之间形成紧密密封。以这种方式，壳内部25从其外部密封，但是第一流体经由喷嘴30进入。配接表面42、43—般从管体40的远端延伸，且末端轴向地接近相对面211、221的平面。
[0025]管体40的热传递部分41分别在其第一段501和第二段511处具有至少第一拓扑结构50和第二拓扑结构51，如例如图2中所示。第一段501和第二段511分别安置在接近相对管板21、22的相对面211、221的各自平面，且轴向地在相反方向上延伸。即，第一段501和热传递部分41的第一拓扑结构50在第一轴向方向上从面211的平面延伸，且第二段511和第二拓扑结构51在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上从面221的平面延伸。
[0026]根据实施方案，第一段501和第一拓扑结构50可从面211形成到热传递部分41的中间段，而第二段511和第二拓扑结构可从热传递部分41的中间段形成到面221。根据额外实施方案，中间段可界定在管体40的中间点，其可在沿着管体40的任何处，使得第一拓扑结构50和第二拓扑结构51分别沿着各自部分延伸，或在一些情况中，沿着热传递部分41的半部延伸。根据还有额外的实施方案，热传递部分41可包括内插在第一段501与第二段511之间的其它段。在这些情况中，热传递部分41包括三个或多个段和三个或多个拓扑结构。
[0027]在任何情况中，如果假设第一拓扑结构50与热通量最大处的壳内部25的冷却剂入口相关，且第二拓扑结构与热通量最低处的冷却剂出口相关，那么第二拓扑结构51将例如具有比第一拓扑结构50更大的热传递表面积。在每个拓扑结构特征为在管体40的外表面上添加翅片时，这意味着第二拓扑结构51的翅片将比第一拓扑结构50的翅片更大和/或更集中。因而，尽管热通量减小，然而从冷却剂入口到冷却剂出口的热传递程度实质上将被维持。此外，因为第一拓扑结构50不包括第二拓扑结构51的更大和/或更集中的翅片，所以管体40整体的成本将降低。对于具有许多管体40 (见下文)的壳和管式换热器，成本降低可导致成倍的节省。
[0028]对于单通道换热器，一般而言，管体40可以是复数个，其中每个管体40在壳20内一起配置成束，以将第二流体传输通过壳内部25。根据各种实施方案，每复数个管体40的第一拓扑结构50和第二拓扑结构51可实质上类似或彼此是唯一的(即，不同)。即，每复数个管体40可具有与其它复数个管体40实质上类似的构造，或每个可以是唯一的或不同于彼此。例如，在束的外围可提供复数个管体40，其具有不同于束内部的复数个管体40的拓扑结构的第一拓扑结构50和第二拓扑结构51。以类似方式，为了考虑在高度方向上通过壳内部25的制冷剂压力梯度，在壳内部25的下部的复数个管体40的第一拓扑结构50和第二拓扑结构51可不同于在壳内部25的上部的复数个管体40的第一拓扑结构50和第二拓扑结构51。举例而言，在壳内部25的下部的复数个管体40的拓扑结构可被构造来与重质液体制冷剂冷凝物接合，且在壳内部25的上部的复数个管体40的拓扑结构可被构造来与轻质液体制冷剂冷凝物接合。
[0029]复数个管体40从入口流体喷嘴60接收第二流体并将第二流体递送到分别在第一段501和第二段511的出口流体喷嘴61。入口流体喷嘴60和出口流体喷嘴61可因此耦接到管板21、22和/或复数个管体40。复数个管体40的束可保持在一起并由管支撑件70在壳20内支撑，所述支撑件在可能的多个轴向和圆周位置处结构地支撑复数个管体40。
[0030]参考图2、图3和图4,第一拓扑结构50和第二拓扑结构51可包括不同的管直径，混杂的内部几何形状，混杂的外部几何形状，不同的横截面流动直径，混杂的膛线，混杂的凹陷，混杂的翅片配置，混杂的凹槽配置，混杂的挡板配置，混杂的表面凸起和/或其组合。
[0031]例如，如图2中所示且如上文所描述，第一拓扑结构50沿着第一段501形成，且特征为管体40的外表面的第一膛线，而第二拓扑结构51沿着第二段511形成且特征类似地为第二膛线。然而因为第二膛线的集中度大于第一膛线的集中度，所以沿着第二段511的膛线凹槽区的数量大于沿着第一段501的膛线凹槽区的数量。因而，热传递表面积在第二段511处比第一段501处更普遍，且由第二拓扑结构51促进的热传递程度大于第一拓扑结构50的热传递程度。因此，如果第二流体从第一段501移动通过管体40到第二段511，且在第一段501处比第二段511处具有更大的热通量，那么在第一段501处比在第二段511处对较高膛线度具有更少需求，其由图2的混杂膛线所提供。
[0032]图3和图4图示本发明的额外实施方案，其中图3图示管体40可具有分别沿着第一段501和第二段511的不同的管直径Dl和D2，而图4图示管体40的表面可具有沿着第一段501的第一集中度/尺寸的表面凸起，和沿着第二段511的第二集中度/尺寸的表面凸起。然而应理解，本文中讨论的和图中提供的实施方案仅是示例，且其它构造和配置是可行的。特定而言，应理解，从第一拓扑结构50到第二拓扑结构51的改变可以是逐渐的，且实际上可沿着管体40的轴向长度而发生，其之间没有界定特定的边界。
[0033]还应理解，在管体40由管支撑件70的支腿71支撑之处，可使管体40的外表面平滑以与管支撑腿71的对应表面配接。这在图2中示意地示出，其中管支撑腿71在沿着第二段511的位置处接触管体40的相对平滑部分，所述位置被第二拓扑结构51的特征所包围。如所示，平滑表面轴向地且可能圆周地位于管支撑腿71的位置，且在管体40是成束的情况中，一般将仅在实际上接触管支撑腿71的那些最外部管体40上找到平滑表面。
[0034]参考图5，且根据本发明的另一方面，第二流体可在至少两个通道中传输通过壳
20。在这种情况中，换热器10包括至少第一流体连通的管体401和第二流体连通的管体402，其可各为复数个，以将第二流体在至少两个通道中传输通过壳内部25，由此沿着各自热传递部分411在第一流体与第二流体之间发生热传递。即，如图5中所示，第一管体40从入口喷嘴60接收第二流体，且将第二流体在朝马蹄形管体62的第一方向上传输通过壳内部25。第二管体40将第二流体在第二方向上从马蹄形管体62传输通过壳内部25，所示第二方向可实质上与第一方向相反，朝向出口流体喷嘴61。此外，应理解，额外通道配置是可行的，在这种情况中将对于类似效应利用额外管体40。
[0035]第一管体401的热传递部分411具有至少第一拓扑结构50且第二管体402的热传递部分411具有至少第三拓扑结构52。更特定而言，如图5中所示，第一管体401的热传递部分411具有以与上文讨论的管体40的构造类似构造的第一拓扑结构50和第二拓扑结构51，而第二管体402的热传递部分411具有第三拓扑结构52和第四拓扑结构53。以这种方式，在第一管体401安置在低于第二管体402的情况下，第一管体401的第一拓扑结构50可适于冷却剂入口处的较高热通量以及壳内部25的下段中的较高制冷剂压力，且第一管体401的第二拓扑结构51可适于冷却剂马蹄形转弯处的低热通量以及壳内部25的下段中的较高制冷剂压力。相比之下，第二管体402的第三拓扑结构52可适于冷却剂马蹄形转弯处的较低热通量以及壳内部25的上段中的较低制冷剂压力，且第二管体402的第四拓扑结构53可适于冷却剂入口处(现在是冷却剂出口)的较高热通量以及壳内部25的上段中的较低制冷剂压力。
[0036]根据本发明的又另一方面，且参考图6，壳和管式换热器被提供为冷凝器600。冷凝器600包括界定第一内部611的壳610，和在第一内部611的下方高度段中界定第二内部621的子冷却器620。上喷嘴630和下喷嘴631耦接到壳610使得第一流体(如制冷剂蒸汽)从上高度位置朝下高度位置与第一内部611和第二内部621连通。
[0037]第一管体640和第二管体641将第二流体(如水)传输通过第一内部611，由此沿着第一管体640的热传递部分650和第二管体641的热传递部分651在第一流体与第二流体之间发生热传递。第一管体640安置在第一内部611的上方高度段内，且第二管体641安置在第一内部611内的第一管体640下方。因而,随着第一流体与第一内部611连通,第一流体可作为蒸汽传递到第一管体640，此处第一流体接触第一管体640并冷凝形成液体。这个液体接着朝第二管体641下落，且干涉剩余的第一流体蒸汽与第二管体641之间的接触。
[0038]第三管体642安置在接近第一内部611的下方高度段且在子冷却器620内。SP，第二管体641在高度上内插于第一管体640与第三管体642之间。在这个位置中，第三管体642将第二流体传输通过第二内部621且沿着第三管体642的热传递部分652在第一流体与第二流体之间发生热传递。因为根据已知的子冷却方法，第一流体大部分作为蒸汽而与第二内部621连通，所以可避免第一流体与第三管体642之间的液体干涉问题。
[0039]根据实施方案，第二管体641的热传递部分651至少对比于第一管体640和第三管体642的各自热传递部分650、652的拓扑结构具有唯一或不同的拓扑结构。这个唯一的拓扑结构可例如包括排水凹槽660和/或促进从第二管体641的热传递部分651移除液相第一流体的其它类似特征。第一管体640和第三管体642的各自热传递部分650、652的拓扑结构可彼此类似。
[0040]根据本发明的又另一方面，且参考图7，壳和管式换热器被提供为冷凝器700。冷凝器700包括界定内部711的壳710。上喷嘴730和下喷嘴731耦接到壳710使得第一流体(如制冷剂蒸汽)从上方高度位置朝下方高度位置与内部711连通。
[0041]第一管体740和第二管体741将第二流体(如水)传输通过内部711，由此沿着第一管体740的热传递部分750和第二管体741的热传递部分751在第一流体与第二流体之间发生热传递。第一管体740安置在内部711的上方闻度段内，且第二管体741安置在内部711的下方高度段内的第一管体740下方。因而，因为第一流体与内部711连通，所以第一流体可作为蒸汽传递到第一管体740，此处第一流体接触第一管体740并冷凝形成液体。这个液体接着朝第二管体741下落并干涉剩余的第一流体蒸汽与第二管体741之间的接触。
[0042]根据实施方案，第一管体740提供为低性能管，而第二管体提供为高性能管。即，第二管体741的热传递部分751至少对比于第一管体740的热传递部分750的拓扑结构具有唯一或不同的拓扑结构。这个唯一的拓扑结构可例如包括排水凹槽760和/或促进从第二管体741的热传递部分751移除液相第一流体或另外增加跨第二管体741的热传递部分751所允许的热传递程度的其它类似特征。相比之下，第一管体740的热传递部分750的拓扑结构的特征可例如为均匀的管表面。以这种方式，通过在高性能管体最有效的位置中使用一些高性能管体，且在高性能效用有限的位置中使用一些低性能管体，可限制冷凝器700的成本。
[0043]虽然已结合仅有限数量的实施方案而详细描述本发明，但是应容易理解，本发明不限于这种公开的实施方案。相反，本发明可被修改以并入迄今尚未描述但是符合本发明的精神和范畴的任何数量的变动、变更、替换或等效配置。另外，虽然已描述本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的方面可包含仅一些所描述的实施方案。因而，本发明不被看作由前文的描述所限制，而是仅受随附权利要求的范畴所限制。
【权利要求】
1.一种换热器,其包括: 壳，其在相对管板之间延伸以界定内部； 喷嘴，其耦接到所述壳，第一流体通过所述喷嘴与所述内部连通；和 管体，其在所述相对管板之间延伸以将第二流体传输通过所述内部，由此沿着从所述相对管板的相对面的各自平面界定的所述管体的热传递部分而在所述第一流体与第二流体之间发生热传递， 所述热传递部分分别在其第一段和第二段具有至少第一拓扑结构和第二拓扑结构，所述第一段和第二段分别安置在接近所述相对管板的相对面的各自平面。
2.根据权利要求1所述的换热器，其中所述管体是复数个。
3.根据权利要求2所述的换热器，其中所述第一拓扑结构和第二拓扑结构对于每复数个管体是实质上类似的。
4.根据权利要求2所述的换热器，其中所述至少第一拓扑结构和第二拓扑结构对于每复数个管体是彼此不同的。
5.根据权利要求1所述的换热器，其中所述第一段实质上从所述热传递部分的第一端延伸到其中间段，且所述第二段实质上从所述中间段延伸到所述热传递部分的第二端。
6.根据权利要求1所述的换热器，其还包括: 流体喷嘴，以将所述第二流体递送到所述管体；和 管支撑件，以结构地支撑所述管体。
7.根据权利要求1所述的换热器，其中所述至少第一拓扑结构和第二拓扑结构包括不同的管直径，混杂的内部几何形状和/或混杂的外部几何形状。
8.—种换热器,其包括: 壳，其在相对管板之间延伸以界定内部； 喷嘴，其耦接到所述壳，第一流体通过所述喷嘴而与所述内部连通；和 至少第一流体连通的管体和第二流体连通的管体，其在所述相对管板之间延伸以将第二流体传输通过所述内部，由此沿着从所述相对管板的相对面的各自平面界定的所述至少第一管体和第二管体的各自热传递部分而在所述第一流体与第二流体之间发生热传递， 所述至少第一管体和第二管体的所述各自热传递部分具有至少第一拓扑结构和第二拓扑结构。
9.根据权利要求8所述的换热器，其中所述第一管体和第二管体各为复数个。
10.根据权利要求9所述的换热器，其中所述至少第一拓扑结构对于每复数个第一管体是实质上类似的，且所述至少第二拓扑结构对于每复数个第二管体是实质上类似的。
11.根据权利要求9所述的换热器，其中所述至少第一拓扑结构对于每复数个第一管体彼此不同，且所述至少第二拓扑结构对于每复数个第二管体彼此不同。
12.根据权利要求8所述的换热器，其中所述第一管体和第二管体分别安置在所述内部的下段和上段中，其中所述第二管体是在所述第一管体的下游。
13.根据权利要求12所述的换热器，其中所述第一管体的所述各自热传递部分具有一个或多个拓扑结构。
14.根据权利要求12所述的换热器，其中所述第二管体的所述各自热传递部分具有一个或多个拓扑结构。
15.根据权利要求8所述的换热器，其还包括: 流体喷嘴，以将所述第二流体递送到所述管体； 管支撑件，以结构地支撑所述管体；和 马蹄形管体，以将所述第一管体和第二管体流体地耦接到彼此。
16.根据权利要求8所述的换热器，其中所述至少第一拓扑结构和第二拓扑结构包括不同的管直径，混杂的内部几何形状和/或混杂的外部几何形状。
17.—种换热器,其包括: 壳，其界定第一内部； 子冷却器，其在所述第一内部中界定第二内部； 喷嘴，其耦接到所述壳，第一流体通过所述喷嘴与所述第一内部和第二内部连通； 第一管体和第二管体，以将第二流体传输通过所述第一内部，由此沿着其各自热传递部分在所述第一流体与第二流体之间发生热传递；和 第三管体，以将所述第二流体传输通过所述第二内部，由此沿着其热传递部分在所述第一流体与第二流体之间发生热传递， 所述第二管体的所述热传递部分对比于所述第一管体和第三管体的拓扑结构具有不同的拓扑结构。
18.根据权利要求17所述的换热`器，其中所述第二管体在高度上内插于所述第一管体与第三管体之间。
19.根据权利要求17所述的换热器，其中所述第一管体和第三管体的所述热传递部分具有类似拓扑结构。
20.根据权利要求17所述的换热器，其中所述第二管体的所述热传递部分的所述拓扑结构促进液体排水。
21.—种换热器,其包括: 冗I，其界定内部； 喷嘴，其耦接到所述壳，第一流体通过所述喷嘴而与所述内部连通；和第一管体和第二管体，以将第二流体分别传输通过所述内部的上方高度段和下方高度段，由此沿着其各自热传递部分在所述第一流体与第二流体之间发生热传递， 所述第二管体的热传递部分，其对比于所述第一管体的拓扑结构具有不同的拓扑结构。
22.根据权利要求21所述的换热器，其中所述第二管体包括高性能管体。
23.根据权利要求22所述的换热器，其中所述第一管体包括低性能管体。
24.根据权利要求21所述的换热器，其中所述第二管体的所述热传递部分的所述拓扑结构促进液体排水。
【文档编号】F28F1/02GK103502764SQ201280021094
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年4月29日
【发明者】J.L.埃斯富姆斯, V.M.西什特拉 申请人:开利公司