可忽略热膨胀应力的全湿式免耐热材料无管流体加热系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年12月22日提交的序列号为62/124,502的美国临时专利申请 W及于2014年12月11日提交的序列号为62/124,235的美国临时专利申请的优先权，运些专 利申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及一种可忽略热膨胀应力的全湿式免耐热材料无管流体加热系统。
【背景技术】
[0004] 例如，流体加热系统被用来提供用于诸如热水、蒸汽和热流体锅炉之类的各种商 业、工业和家庭应用的加热的生产流体。由于对提高能效、紧凑性、可靠性和降低成本的期 望，仍然需要改进的流体加热系统及其改进的制造方法。
【发明内容】
[0005] 公开了一种流体加热系统，该流体加热系统包括:压力容器壳体，该压力容器壳体 包括第一入口和第一出口；无管换热器忍，该无管换热器忍全部设置在压力容器壳体中，无 管换热器忍包括第二入口和第二出口；出口构件，该出口构件穿过压力容器壳体并连接无 管换热器忍的第二出口与压力容器壳体的外侧；W及管道，该管道具有连接至无管换热器 忍的第二入口的第一端W及设置在压力容器壳体的外侧的第二端。
[0006] 还公开了一种传递热量的方法，该方法包括:提供流体加热系统；W及将传热流体 设置在无管换热器忍中并将生产流体设置在压力容器壳体中W将热量从传热流体传递至 生产流体，该流体加热系统包括:压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出 口；无管换热器忍，该无管换热器忍全部设置在压力容器壳体中，无管换热器忍包括第二入 口和第二出口；出口构件，该出口构件穿过压力容器壳体并连接无管换热器忍的第二出口 与压力容器壳体的外侧；W及管道，该管道具有连接至无管换热器忍的第二入口的第一端 W及设置在压力容器壳体的外侧的第二端。
[0007] 还公开了一种制造流体加热系统的方法，该方法包括:提供压力容器壳体，该压力 容器壳体包括第一入口和第一出口；将无管换热器忍全部设置在压力容器壳体中，该无管 换热器忍包括第二入口和第二出口；将无管换热器忍的第二入口连接至管道，管道穿过压 力容器壳体的端部；W及将出口构件的第一端连接至无管换热器忍的第二出口并将出口构 件的相反的第二端设置在压力容器壳体的外侧，W制造流体加热系统。
[000引还公开了一种流体加热系统，该流体加热系统包括:压力容器壳体，该压力容器壳 体包括第一入口和第一出口、筒状壳体、第一顶封头和第一底封头，其中，筒状壳体设置在 第一顶封头与第一底封头之间，并且其中，第一入口和第一出口各自独立地位于筒状壳体、 第一顶封头或第一底封头上;无管换热器忍，该无管换热器忍全部设置在压力容器壳体中， 无管换热器忍包括筒状内壳、筒状外壳、设置在内壳与外壳之间的肋部、第二顶封头、第二 底封头、第二入口和第二出口，其中，筒状内壳被筒状外壳包围，其中，筒状外壳和筒状内壳 两者都位于第二顶封头与第二底封头之间，并且其中，第二入口和第二出口各自独立地位 于筒状外壳、第二顶封头或第二底封头上；出口构件，该出口构件将第二出口连接至设置在 压力容器壳体的外侧的排气烟道;管道，该管道穿过压力容器壳体，其中，管道的第一端连 接至第二入口，并且其中，管道的第二端位于压力容器壳体的外侧;燃烧器，该燃烧器设置 在管道中；W及风机，该风机与管道的第二端流体连通。
【附图说明】
[0009] 本公开的W上及其他优点和特征将通过参照附图对本公开的示例性实施方式进 行更详细的描述而变得更加明显，在附图中：
[0010] 图1为包括无管换热器的流体加热系统的截面图；
[0011] 图2为无管换热器的实施方式的截面图；
[0012] 图3为流体加热系统的实施方式的立体图；
[0013] 图4为流体加热系统的另一实施方式的截面图；W及
[0014] 图5为换热器忍的实施方式的立体图。
【具体实施方式】
[0015] 流体加热系统理想的是热紧凑性的，其提供流体加热系统的热输出与总规格之间 的高比率，并且具有可合理的成本制造的设计。运对于热流体加热系统和使用热水(例 如，液态水）、蒸汽的加热系统而言尤其如此，其中，热流体加热系统旨在提供用于溫度调 节、家用热水或者商业或工业过程应用的加热的生产流体如蒸汽。在流体加热系统中，包括 例如热燃烧气体的传热流体通过燃料的燃烧产生，并且然后利用换热器来将热量从热传递 流体传递至生产流体。
[0016] 管壳式换热器的设计遭受各种弊端。在管壳式换热器中，热量从传热流体穿过许 多薄壁流体管道一一例如，具有小于0.5厘米
[0017] (cm)的壁厚的管一一的壁表面传递至生产流体。运些管刚性地连接至管板。包括 热应力和腐蚀的操作因素在管壳式换热器的管中、管的附接点W及管板中导致不期望的材 料失效。此外，当失效发生时，流体加热系统变得不能工作，并且薄壁换热器管和/或管板的 尤其在现场安装中的维修或更换是困难的且昂贵的。管壳式换热器遭受由加热部件的纵向 热膨胀差一一例如，燃烧器和换热器组件的热膨胀相对于压力容器壳体的热膨胀一一引起 的热应力材料失效。纤细的换热器管和其他结构部件中的材料失效可通过使燃烧器和换热 器组件刚性地附接至压力容器壳体来引发。在实践中用于减小管壳式换热器中的热应力的 可用技术都有缺陷。例如，浮动头组件是复杂的并且位于压力容器壳体内，因而难W维修。 替代性地，包含弧和弯曲的纤细换热器管中添加了顺从性，但增加了制造成本和材料失效 的风险。此外，顺从的元件如压力容器壳体内的波纹管或膨胀节导致了较差的系统和组件 区域的可维修性。
[0018] 还使用无管换热器。无管换热器避免了薄壁管和与管壳式换热器相关联的管板的 使用。然而，用于无管换热器的已知实践设计也具有缺陷。图1中示出了一种无管换热器 100,在该无管换热器100中，压力容器壳体110暴露于热燃烧气体，从而导致压力容器壳体 110的外表面120上具有热表面。如图1所示，风机130迫使空气穿过管道132并进入燃烧器 140中。燃烧器产生热燃烧气体，并且热燃烧气体离开换热器的忍150并然后接触压力容器 壳体110的外表面120和耐热材料层170的内表面160,并且然后通过出口端口 180离开换热 器。耐热材料层170设置在本体罩190上。压力容器壳体中提供有生产流体，该生产流体接触 压力容器壳体110的内表面111和忍150的外表面151。热能从热燃烧气体传递至换热器忍 150并然后传递至生产流体，并且还从热燃烧气体传递至压力容器壳体110并然后传递至生 产流体。因此，压力容器壳体和耐热材料层暴露于燃烧气体并且能够直接接触燃烧气体。该 设计的缺点在于热量和燃烧气体可W通过对流和传导穿过耐热材料层170传递并进入到周 围的环境中。另外，忍150、压力容器壳体110和耐热材料层170各自可W接触燃烧气体，并且 因此压力容器壳体110和耐热材料层170各自期望由在热燃烧气体压力中稳定的材料组成。 运种无管设计遭受耐热退化W及热效率由于一些热量传递到耐热层中的裂缝中且穿过耐 热层中的裂缝传递并最终传递到换热器周围的环境中的损失。另外，可W包括CO的烟道气 体会通过耐热层中的裂缝泄漏并进入到所占用的区域中而不是流动至烟道气体排放烟画， 从而产生健康危害。此外，压力容器壳体的热外表面在传热流体泄漏的情况下存在安全问 题。另外，燃烧气体的流动通道相对较短，从而会导致低于期望的热效率。
[0019] 图2中公开了一种用于流体加热系统的无管换热器200,该无管换热器包括:压力 容器壳体210、无管换热器忍220、出口构件230和管道240,其中，压力容器壳体210包括第一 入口 211和第一出口 212,无管换热器忍220整体设置在压力容器壳体中，无管换热器忍220 包括第二入口 221和第二出口 222，出口构件230穿过压力容器壳体并且连接无管换热器忍 的第二出口 222与压力容器壳体的外侧，管道240具有连接至无管换热器忍的第二入口 221 的第一端W及设置在压力容器壳体的外侧的第二端242。
[0020] 当使用时，压力容器壳体210可W填充有生产流体，并且换热器忍220可W包含传 热流体。生产流体可W从压力容器壳体的第一入口 211被引导至第一出口 212。传热流体可 W从管道240引导穿过第二入口 221并且在通过第二出口 222并继续通过出口构件230离开 换热器忍220之前进入无管换热器忍220的流动通道中。无管换热器忍的流动通道位于换热 器忍220的第二入口 221与第二出口 222之间，并且可W由内壳251、外壳252、顶封头253和底 封头254限定。因此，当生产流体被引导到压力容器壳体中例如填充压力容器壳体时，无管 换热器忍的整个外表面可W被生产流体接触。另外，无管换热器忍的整个流动通道可W全 部设置在压力容器壳体内。还如图2中所示出的，换热器忍的整个外表面例如内壳251、外壳 252、顶封头253和底封头254的外表面被生产流体接触，从而提供换热器忍的被生产流体接 触的增大的表面面积，从而提高了热效率。在实施方式中，换热器忍的外表面的60%至 100%、或70%、80%、或90%至99%、98%、或95%可W被生产流体接触，其中，上述上界和 下界可W独立地组合。替代性地，换热器忍的60 %至100 %、或70%、80 %、或90%至99 %、 98%、或95%包含在压力容器壳体内，其中，上述上界和下界可W独立地组合。在优选的实 施方式中，换热器忍的外表面的100%被生产流体接触，并且整个换热器忍包含在压力容器 壳体内。
[0021] 如图2所示，无管换热器忍的出口构件W及管道的第二端均接近流体加热系统的 第一端201，并且因此压力容器壳体