专利名称：快速响应的电热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换器，特别是一种流体热交换器。更具体地，本发明涉及一种能快速加热流经该热交换器的两根管之间的流体的流体热交换器。
背景技术：
通常，流体加热系统由被称作加热元件的、缠在中空管外侧的金属电阻线圈组成。流体流经该管并且被该加热元件加热；然而这种结构有若干缺点。现有技术的加热系统加热流体的效率不高，特别是在流体流速低的情况下。另外，这样的加热系统不易形成紧凑的形状，并且需要额外的时间来把流体加热到流体加热系统中使用的预定温度。
从Rezabek的美国专利No5590240中找到现有技术的一种改进，它公开了一种流体加热系统，其包括容纳纵向前进的高效管状热交换器的隔热外壳。这些管状热交换器有内部和外部螺旋状通道以及沿着螺旋通道的纵向轴前进的返回通道，所述通道彼此流体连通。例如超纯水的热传递流体在流过返回通道之前连续地流经每个螺旋通道。该内部螺旋通道有间断地缠绕在其外表面的电阻线圈，用来加热该热传导流体。然而，该Rezabek加热系统需要该热传导流体沿着该外壳的长度至少流动三次来得到更大的流体加热效率。另外，由于在管道之间需要的空间，该Rezabek系统没有紧凑的结构，也不容易制造。因而，在本技术领域出现了对如下流体加热系统的需求该加热系统具有紧凑的结构，易于制造，并能够以有效的方式把流体温度快速提升到需要的温度水平。
发明内容
本发明的目的、特征和优点在于提供一种流体热交换器，其比已知现有技术更有效地加热流体。
本发明的另一个特征在于提供一种流体热交换器，其能够把流体快速加热到流体加热系统中使用的温度水平。
本发明的另一个特征在于提供一种结构紧凑的流体热交换器。
本发明的附加特征在于提供一种容易制造的流体热交换器。
本发明的又一个特征在于提供一种流体热交换器，其几乎可以形成任何形状。
本发明的又一个特征在于提供一种流体热交换器，其能够把流体保持在超临界状态。
本发明的上述和其他目的通过本发明的优选实施例实现，对本发明的实施例通过示例而非限制的方式进行描述，本发明的实施例提出了一种流体热交换器，其具有新颖的布局，以便通过使流体流经被加热的管和环绕外管之间而加热该流体。
简言之，本发明通过提供一种流体加热系统中使用的流体热交换器克服并且基本消除了现有技术的不足，其中，所述流体热交换器包括容纳主体的外壳，该主体包括被中空外管围绕的可快速加热内管。流体流经该内管和外管之间以便在该流体加热系统中循环，其中该内管被快速加热，从而使流体几乎被立刻加热到该流体加热系统中使用的预设温度。
采用一个温度控制系统将流体温度调节在预设温度范围内。该温度控制系统包括至少一个沿着流体热交换器放置的传感器，以感测流过流体的温度。如果该流体温度水平低于该温度控制系统所设置的预设温度范围，该温度控制系统有选择地将来自电源的电能施加到内管的相对端。由于该内管由电阻材料组成，施加电能为该内管通电而加热内管，从而升高流经该内管和外管之间的流体的温度。当流体的温度达到预设的温度范围内，该温度控制系统断开内管的相对端的电能而使该内管断电，并使内管变冷。温度控制系统持续监控流体温度并且有选择地为内管通电，使流体温度保持在预设的温度范围内。
在该流体热交换器的一个实施例中，该流体可能达到在该液体加热系统中使用的超临界状态。
本发明的其他目的、优点和新颖特征将在随后的描述中阐明，并且，通过对下文中更加详细的描述以及附图的阅读，上述目的、优点和特征对本领域技术人员是显然的，附图中的相似元件通篇用相似的附图标记表示。
图1是根据本发明的流体热交换器的局部分解透视图；图2是根据本发明的流体热交换器的局部剖面透视图；图3A是根据本发明的流体热交换器的备选实施例的截面视图；图3B是根据本发明的流体热交换器的备选实施例的截面视图；图3C是根据本发明的流体热交换器的另一备选实施例的截面视图；图4是根据本发明的流体加热系统的透视图；图5是根据本发明的接头配件(fitting)在图4中沿线5-5的截面视图；图6是示出根据本发明的流体加热系统的内部组成的透明透视图；图7是示出本发明的温度控制系统的工作的示意图；图8是示出本发明的温度控制系统工作的附加示意图；图9是现有技术的循环热交换器的透视图；图9A是插入现有技术的循环加热器的加热元件部分的透视图；图10是现有技术的铸入(cast-in)式热交换器的透视图；图11是曲线图，示出在时间间隔测量到的温度水平读数，用来比较若干种热交换器结构之间的热交换器响应；图12是曲线图，示出在更短的时间间隔内测量到的温度水平读数，用来比较现有技术的循环热交换器和根据本发明的流体热交换器之间的热交换器的响应读数；图13是根据本发明的流体加热系统不带绝热层时的透视图；图14是根据本发明的内管和外管在图13中沿线14-14的截面视图；图15是现有技术的铸入(cast-in)式热交换器的侧视图；图16是现有技术的铸入(cast-in)式热交换器的端视图；以及图17是示出在500psig气压下在不同温度水平的不同流体参数值的表。
在附图的若干视图中，相应的附图标记指代相应的元件。
具体实施例方式
参照附图，本发明的流体加热系统的优选实施例在图4中示出并且基本用10指代。流体加热系统10包括容纳主体17的外壳13，该主体17限定出细长的上部分25和下部分26，其具有设置于其中的流体热交换器12，提供把流体18加热到预设温度的加热装置。流体18从流体加热系统10的返回侧22进入上部分25，在沿着上部分25和下部分26流动的过程中被加热。然后被加热的流体18从下部分26流出并流入进口侧24，并且穿过流体加热系统10的其余部分。一旦循环，流体18流经返回侧22，这样上述过程被重复。通过温度控制系统20保持流体18的温度水平。
参照图1和4，流体热交换器12包括细长的、具有远端76和近端78的可快速加热的内管30，同样细长的外管42围绕内管30，以便加热从远端76和近端78流入的、流经内外管之间的流体18。流体热交换器12与上接头配件14连接，用以从返回侧22接收流体18，并且与下接头配件15连接，用以把流体18传送到流体加热系统10的进口侧24。在接头配件14和15之间的基本围绕封闭外管42的是隔热层16。可快速加热的内管30包括冷部分32，它从内管30的远端76和近端78向外伸出，以便与电源(没有示出)连接。线圈热部分(coiledhot portion)34在结合部(splice)33与每个冷部分32的一端附连。优选地，线圈热部分34由电阻材料构成，这样热部分34响应施加到两个冷部分32上的电流而产生热量。施加电流使流体热交换器12“通电”，随后，断开电流使流体热交换器12“断电”。围绕线圈热部分34并且部分地围绕每个冷部分32的是热传导填充材料36，例如氧化镁。外鞘38围绕填充材料36，限定出与流体接触的外表面40。优选地，外管42与外鞘38的外表面40同心地间隔开，并且靠近地围绕着外表面40；外管42包括内表面44和外表面46。外表面40与内表面44一同限定出最好具有较小环形截面积的通道48，以便液体18流过，当为每个冷部分32施加电能时，流经通道48的流体18被线圈热部分34加热。
参照图2，在制造过程中，将金属线50在内管30插入外管42之前沿着内管30的外表面40螺旋缠绕。优选地，金属线50的直径尺寸使得外管42刚好可以滑过内管30。当流体热交换器12形成特殊用途所需要的所需形状时，金属线50在内管30和外管42之间的线圈布局基本保持了内管30和外管42之间的同心度。另外，金属线50为流动在通道48内的流体18限定出螺旋状的路径，从而当流体18被内管加热时能够提高流体加热效率。
参照图3A，可以用一种备选布局来保持内管30和外管42之间的同心度。取代金属线50，该备选实施例限定出从内管30的外表面40向外径向延伸的许多凸起部分52。为了使内管30能够插入外管42内，沿着内管30的、包括对置凸起部分52在内的外径应该比内表面44的内径略小。从而在制造过程中，当流体热交换器12形成特殊用途所要求的形状时，内管30和外管42之间可以保持充分的同心度。同样，图3B和图3C公开了图3A所示结构的备选实施例。在图3B中，除了从外表面30延伸的凸起部分52外，在内表面44上也形成从外管42向内径向延伸的凸出部分54。在图3C中，仅有凸起部分54从外管42的内表面44延伸。无论如何，在每种实例中，内管30和外管42之间都能够达到充分的同心度。
参照图4和图5，下接口配件15提供了将主体17的下部分26与入口侧24联接(couple)的装置，下接口配件15包括用以接收流体热交换器12的远端76的主体60。主体60延伸至套筒66，用以固定带凸缘72的连接器70，连接器70与该流体加热系统10的相应入口侧24连接。主体60还限定出延伸为缩小孔63的孔62。还限定出与孔62相交的另一个孔65，这样穿过主体60形成了L形的通道64。优选地，流体热交换器12的远端76通过去掉一部分外管42而适于与主体60配合，这样内管30从主体60内向外伸出。在装配中，内管30的露出端沿着孔62的方向得到引导并且穿过缩小孔63，直到外管42接触主体60。然后，优选地通过焊接操作在外管42和主体60之间以及主体60与内管30之间设置流体密封74，以保持流体密封。
正如进一步示出的，中空套筒66从孔65外延伸并且包括用以固定连接器70的凸缘68。套筒66与连接器70沿凸缘68与72共同形成流体密封。因此，在流体热交换器12内流经通道48的流体18经过L状通道64、套筒66、连接器70并经过入口侧24到达该流体加热系统10的返回侧22。虽然没有表示出，显然，在图5中示出的下接口配件15与图4中示出的上接口配件14之间操作的仅有的不同之处是流体18流向相反。
参照图6和图7，该温度控制系统20提供了控制流体18温度的装置。优选地，温度控制系统20包括多个用以得到流体18的温度读数的传感器56。如图7所示，传感器56可以放置在流体18流中、沿着流体热交换器12上的任何位置。传感器56可以是热电偶、电阻温度检测器(RTDs)或者热敏电阻，提供通过连接传感器56与温度控制系统20的电导线57的电信号。当用来检测流体18流的温度时，传感器56放置在限定出沿外管42的凸起部分61的热井(thermowell)58中。热井58的尺寸取决于在被监测的液体18流中的要求的位置。优选地，传感器56基本放置在流体18流中，但是并不与内管30接触。可以将热井58配置成使电导线57延伸穿过外管42而与温度控制系统20连接。为了提高传感器56的精度和敏感度，将一种热混合物59，最好是液态的氧化镁，放置成与每个传感器56接触，以便把热量从流过的流体18导向传感器56。将填塞材料67应用到和传感器56相反的一侧，以防止热混合物59从热井58中泄漏。
除了放置到流体18流中的传感器56以外，本发明还设想传感器56可以放置到内管30中，例如在Juliano的U.S.专利No6104011中公开的传感器设置，该专利文件被在此引用作为参考。流体加热系统10可以采用这些传感器56的任何组合。在这种流体加热系统10中，该温度控制系统20控制施加到冷部分32的电能水平，以准确控制流体18的温度。在操作中，流体热交换器12被完全打开或关闭，但如果需要的话，为了对流体温度保持精确的控制，其可以快速地在这些开和关设定中每秒几次地切换。
参照图8，优选地，温度控制系统20是已知结构，包括基于微处理器的控制器21，以便实现所希望的流体温度控制。传感器56产生电信号27来响应来自控制器21的采样查询信号28。控制器21根据温度控制要求的程度可以每秒给传感器56发送成百甚至上千个信号28。在控制器21信号之间流过的时间量称为感应间隔。如果来自传感器56的信号27对应的流体温度水平低于温度控制系统20预设的水平，控制系统20沿着导线57将电能提供到冷部分32的相对端，其沿着流体热交换器12的长度向外径向产生热量。相应地，沿着接近流体热交换器12的通道48的部分流动的流体18被加热。一旦控制器21从传感器56接收到信号27且与该信号对应的流体温度水平在该温度控制系统20预设的水平中，该温度控制系统20使导线57断电，这样流体热交换器12便不再产生热量。由于这种流体热交换器12提供了高度集中的单位长度的对流热量，被称为热流量密度，流体温度可以在千分之一秒内被提高到所需的温度范围内，这由流体的速度和热特性决定。另外由于这种流体热交换器12是完全打开或关闭，因此最好给流体热交换器12施加短脉冲形式的电能。
在流体热交换器12通电之前，可能需要放大和/或校正电信号27，之后温度控制系统20才能正确地评价信号27。基于电阻测量计算温度值的电阻温度探测器、或其他适合的温度传感器、T/C热敏电阻为了补偿导线57的长度通常需要对该电阻测量进行校正计算。热敏电阻是对温度波动敏感的半导体片，其通常要求对信号27进行放大。因此，优选热电偶，这是因为信号27不需要放大或校正，除非该导线57的长度超过一定的长度。另外，在流体加热系统10中采用热电偶更便宜。
参照图1、4、7和8，在操作中，流经流体加热系统10的流体18通过上接口配件14进入返回侧22，并且沿着流体热交换器12的通道48流动。当流体温度18下降到低于预设的水平，传感器56接收来自控制器21的采样查询信号28并作为响应产生电信号27，温度控制系统20沿着导线57将电流施加到冷部分32，从而使热部分34产生热量。由于通道48提供有限的横截面积以及从内管30向外径向辐射出的高密度对流热，流体18的温度几乎瞬间达到要求的温度。一旦达到需要温度，温度控制系统20使冷部分断电。然后，温度控制系统20继续监测并且选择性地为冷部分32通电，使从流体加热系统10的入口侧24流经通道48的流体18保持在需要的温度水平。
特别参照图4，本发明的优选结构使用外径为0.260英寸的内管30和外径为0.5英寸的外管42，然而，也允许有任何合适的尺寸变化。这种结构允许外管42即使在接近5000psig的应用中具有最小厚度。在一种高压应用的实施例中，流体18由二氧化碳组成，该二氧化碳被加压、加热到超临界状态，供在半导体制造应用中使用。另外，可以对外表面40和内表面44进行电抛光，使沿表面40和44积陷颗粒的问题最小化。在这种应用中，大多数零件由不锈钢构成，虽然本发明可以采用更低的温度、压力和流体成分，例如在食品工业中，最好使用要求更低温度和压力的铜管。
对本领域技术人员显然的是，金属线50沿着流体热交换器12长度方向的单位长度内的线圈数可以有相当大的变化，这取决于流体热交换器12的弯曲量、弯曲半径和所用的材料。另外，也显然的是，沿流体热交换器12的长度方向缠绕的可以有不止一根金属线50。
虽然沿相对应的表面40、44的外围的凸起部分52、54在图示中呈对称分布，但它们并不必对称，部分52、54也不必沿着管中心线的纵向延伸。换句话说，凸起部分52、54可以以与金属线50路径类似的螺旋方式延伸。另外，虽然凸起部分52、54在图示中为梯形，但它们可以有很多不同的外形并且都在本发明的范围之内。
比较测试将本发明的快速响应流体加热系统与传统循环热交换器100(图9)和铸入式循环热交换器200(图10)进行比较测试，每一种交换器都由Watlow Electric Manufacturing Company设计，其中，去掉本发明的流体加热系统的隔热层16以提供保守的结果。
参照图9和图9A，现有技术的循环热交换器100限定出中空的圆柱状主体102，在该主体中插入加热元件部分104，加热元件部分104具有多个从端盖105延伸的加热元件106，以加热流体112。流体112通过进口管108进入主体102，在流经主体102的过程中被加热元件106加热，然后通过出口管110流出主体102。为了提高循环加热器100的效率，隔热层114围绕主体102。
参照图10，现有技术的铸入式循环热交换器200限定出圆柱状主体202。流体208通过入口管206进入主体202，沿着主体202的长度流动，然后通过出口204流出。当流体208流经主体202时加热流体208的加热元件(没有示出)形成在主体202的壁内。
各加热结构共同的测试参数如下1)入水的温度为57.5华氏度；2)出水温度为90华氏度；3)水流速为3升/分钟；4)热交换器的瓦特密度为60瓦/平方英寸；5)热交换器运行功率为4千瓦；6)传感装置每秒检测水温一次；以及7)电源提供的交流电压以+/-1伏递增。
瓦特密度可以通过该热交换器的额定功率除以加热元件的长度值(加热长度；HL)与该加热元件的直径(D)和pi(π)的乘积计算得到
瓦特密度＝Watt/(π·D·HL)为确保共同的测试条件，每个热交换器都设计成用对应同样功率的同样电压通电。该热交换器操作时的瓦特或功率量将指示加热水的加热元件的温度。瓦特密度将指示该热交换器在长度方向的每平方英寸发散的功率值，或者该热交换器元件作出的响应。
如果给每个热交换器通电而使瓦特密度相同，那么响应时间的不同、确切的说就是把水从初始温度加热到要求温度所需的时间仅仅受该热交换器结构的影响。
参照图11，图中示出每种热交换器结构把水从57.5华氏度加热到90华氏度的响应时间。测试1对应的是本发明的快速响应热交换器，测试2对应的是循环热交换器，测试3对应的是铸入式热交换器。很容易看出，该快速响应热交换器的响应时间(10秒)明显少于其他热交换器的响应时间(分别为30秒和371秒)。
参照图12，图中更清楚地示出该快速响应热交换器(测试1)和该循环热交换器(测试2)之间响应时间的不同。表明现有技术的循环热交换器把水加热到要求温度所需的时间是本发明的快速响应热交换器所需的三倍。此外，在该快速响应热交换器把水加热到要求温度的时间内，温度升高了32.5华氏度，而现有技术的循环热交换器在上述时间内仅把水温升高了大约3.5华氏度，或者大约是该快速响应热交换器的百分之十。另外，不同于该循环热交换器所显示的在记录时间周期内加热水不稳定的加热趋势，该快速响应热交换器主要以线性趋势快速把水加热，从而提供一个更加平稳的加热配置。最后，由该快速响应热交换器所显示的在响应时间上显著的改进是在该外管周围没有围绕隔热层16(图4)的情况下实现的。该循环热交换器100(图9)设置有隔热层114。由此可以估计出，把该快速响应热交换器10加上隔热层16后，能把响应时间缩短百分之十或更多。
因此，显然，本发明的快速响应热交换器的响应时间显著改善、特别是在流体流速比较低的情况下，并且本发明的快速响应热交换器具有均匀的加热剖面，上述优点很大程度上取决于其有效、紧凑的设计。本发明把内加热管产生的热量直接集中到流经该内加热管和该外管之间的流体上，这样只有很少部分的热量用来加热该流体热交换器的其他元件。
进一步的比较测试为了进一步说明该快速响应加热器的热效率，可以使用对流膜系数(convective film coefficient)。
对流膜系数(hc)是利用对流作为热量交换的主要手段的热交换系统效率的一种尺度。沿着与在热交换系统中循环的工作流体接触的加热元件外侧表面测量该系数。此处，该对流膜系数由Dittus-Boelter等式的变量获得NuD＝0.023*ReD0.8*Prn其中，NuD代表作为局部热传递系数的努塞尔特数；ReD代表雷诺数，其为相对于流体中的粘性力的惯性力大小的测量值；Pr代表普朗特数，其定义为动粘滞率与热扩散率的比值。每一个值都是无量纲的。如果用来加热，等式中常数“n”等于0.4，如果用来冷却，“n”等于0.3。
普朗特数可以表达为Pr＝μ*Cp/K其中，μ代表绝对粘度，并且可以表达为(lb/ft-hr)；Cp代表热容量，并且可以表达为(BTU/lb-°F)；K代表热传导率，表示为(BTU/ft-hr-°F)。
雷诺数可以表达为ReD＝G*De/μ其中，G代表质量流速率，表示为(lb/ft2-hr)；De代表液压或等同的直径，表示为(ft)，μ代表绝对粘度。
代入ReD和Pr得出hchc＝0.023*G0.8*Cp0.33*K0.67/(De0.2*μ0.47)本发明(图13、14)的快速响应流体加热系统10与传统的铸入式循环热交换器(图15、16)一同测试，其都由Watlow ElectricManufacturing Company设计，比较各自的对流膜系数。
参照图13和14，本发明的快速响应加热系统10限定出线圈状细长的主体17，该主体具有与下接头配件15连接的远端76以及与上接头配件14连接的相反近端78。主体17限定出直径为80的可快速加热的内管30，该内管用来加热流体18，内径为82的中空外管42围绕内管。流体18进入上接头配件14，流经内管30和外管42之间限定的通道48。随着流体18流经通道48，其在达到下接头配件15并且流出主体17之前被加热。
参照图15和16，现有技术的铸入式循环热交换器限定出圆柱形主体402，其具有有效自由横截面积(AF)412。流体408通过入口管406进入主体402，沿着主体402的长度410流动，然后通过出口404流出。加热元件(没有示出)形成在主体402的壁内，当流体408流经主体402时加热流体408。术语“被加热长度”代表需要用来加热流体的该加热元件的总长度。
每个加热结构的共同的测试参数如下1)流体18，408为空气；2)入口空气温度(Tin)为68°F；3)出口气体温度(Tout)为500°F；4)体积的流体流速(FR)为100立方英尺每分钟(CFM)。CFM在标准温度和压力条件(STP)下测得，可以表示为(SCFM)；5)每种热交换器结构的总能量(Q)相同；6)加热元件鞘的温度(Ts)保持在1000°F；以及7)将流体(空气)加压到500psig。
为这次对比所做的假设包括1)现有技术的热交换器的所有管、加热元件以及主体402的横断面都为圆形；2)参照图17，此表列出了空气在500psig下不同温度的热容量Cp、热传导率K、绝对粘度μ以及密度ρ的值，该表在下文提供了这些信息。
计算各自的加热系统对空气所需的总能量(Q)Q＝M*Cp*ΔT其中，M代表在STP下空气的质量流速；Cp代表热容量；ΔT代表温差。
M＝FR*ρ＝(100ft3/min)*(60min/hr)*(0.075lb/ft3)＝450lb/hr具体热容量通过对平均温差(ΔTLM)求对数计算，过程如下ΔTLM＝(Tout-Tin)/ln(Tout-Tin)＝(500-68°F)/ln(500-68°F)＝216°F从而可以计算出总能量Q＝M*Cp*ΔT＝((450lb/hr)*(0.243BTU/(lb-°F)*(500-68°F)/(3412BTU/hr/1kW))＝13.84kW-hr参照图15、16，通过选取有效截面积412(AF)为0.044ft2，液压直径(De)为0.17ft，可以计算出现有技术的铸入式循环热交换器的对流膜系数(hc)。要完成上面的计算，首先要计算出质量流速(G)和雷诺数(ReD)。
G＝M/AF＝450lb/hr/0.044ft2＝10,227lb/ft2-hrReD＝G*De/μ＝(10,227lb/ft2-hr)*(0.17ft)/0.0977lb/ft-hr＝17,795由于上面计算得出的雷诺数大于2,300，认为流动很剧烈，并且允许应用对流热膜系数的公式。
hc＝0.023*G0.8*Cp0.33*K0.67/(De0.2*μ0.47)＝(0.023)*(10,227lb/ft2-hr)0.8*(0.264BTU/lb-°F)0.33*(0.0180 BTU/ft-hr-°F)0.67/((0.017ft)0.2*(0.0977lb/ft-hr)0.47)＝6.89BTU/ft2-hr-°F一旦计算出该现有技术的热交换器的对流热膜系数，就可以计算出来最大热通量，其也称作瓦特密度，通常用watts/in2(WSI)度量。然后考虑到该加热元件的直径(DIA)，在这种情况下为0.475英寸，该加热元件的加热长度(HL)也可以计算得出。
Heat fluxmax＝(hc)*(Ts-Tout)＝(6.89 BTU/ft2-hr-°F)*(1000-500°F)/((3.412BTU/hr/1W)*(144in2/1Ft2))＝7.01WSIHL＝Q/(DIA)*II*Heat fluxmax＝13,840W/((0.475inch)*(II)*(7.01WSI)＝1,323.04in参照图13、14，一旦计算出有效横截面积(AF)，就可以计算出本发明的快速反应流体加热系统的对流热膜系数(hc)，其他的参数也都需要这个信息。有效横截面积由通道48限定，选定加热管30的直径80(D1)为0.26英寸，外管42的内径82(D2)为0.495英寸，可以计算出有效横截面积。
AF＝II/4*((D2)2-(D1)2)＝(0.7854)*((0.495in)2-(0.260in)2/144in2/1ft2＝9.64E-04ft2De＝D2-D1＝0.495in-0.260in＝0.235in＝0.0195ftG＝M/AF＝450lb/hr/9.64E-04ft2＝466,805lb/ft2-hrRe＝(466,805lb/ft2-hr)*(0.0195ft)/0.0977lb/Ft-hr＝93,169hc＝0.023*G0.8*Cp0.33*K0.67/(De0.2*μ0.47)＝(0.023)*(466,805lb/ft2-hr)0.8*(0.264BTU/lb-°F)0.33*(0.0180BTU/ft-hr-°F)0.67/((0.0195ft)0.2*(0.0977lb/ft-hr)0.47)＝226.05BTU/ft2-hr-°F一旦计算出该对流热膜系数，就可以计算出该加热元件的最大热通量和加热长度(HL)。
Heat fluxmax＝(hc)*(Ts-Tout)＝(226.05 BTU/ft2-hr-°F)*(1000-500°F)/((3.412BTU/hr/1W)*(144in2/1ft2))＝230.05WSIHL＝Q/(D1)*II*Heat fluxmax＝13,840W/((0.260inch)*(II)*(230.05WSI)＝73.65in正如这些测试条件所指示的，本发明的快速响应加热系统所需要的加热长度比现有技术的铸入式加热器所需要的长度少大约18倍。因此，在类似的低流速条件下，该快速响应加热器相比现有技术的热交换器具有显著改善的、稳定的响应时间。然而，由于极大减少了加热长度，除了可以使管形成几乎任何形状之外，该快速响应加热器在节省空间方面同样实现了显著的意料外的改进。
从实用目的来说，为这里所述的“低流体流速”定义一个精确的意思是不可能的，这是因为每一种应用都要考虑到加热系统的几何形状、加热参数、以及工作流体类型，它们都是独特的。然而，当流体流速加大并且该通道48(图4)的横截面积增大，特别是与该可加热内管30的有效长度相比，本发明的快速反应加热器开始与现有技术的结构类似。此时，关于尺寸和整体效率的大部分优点显著减少。
从上述应当理解，尽管已经描述和示出了本发明的具体实施例，但是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，还可以进行各种修改。因此，说明书不用于限定本发明；相反，本发明的范围仅由附加的权利要求所限制。
权利要求
1.一种在流体加热系统(10)中使用的流体热交换器(12)，包括可快速加热的内管(30)；围绕所述内管(30)的中空外管(42)；流经所述内管(30)和所述外管(42)之间的流体(18)，在所述流体加热系统(10)内循环；其中，所述内管(30)被快速加热，以便把所述流体(18)快速加热到所述流体加热系统(10)中使用的预定温度。
2.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述外管(42)是薄壁的。
3.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述内管(30)和外管(42)具有各自的圆形截面。
4.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述外管(42)同心地围绕所述内管(30)。
5.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，还包括围绕所述外管(42)的绝热层(16)。
6.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述内管(30)还包括在所述内管(30)内纵向延伸的可快速加热的热部分(34)。
7.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述外管(42)限定出内表面(44)，所述内管(30)限定出外表面(40)，所述内表面(30)和所述外表面(40)被电抛光。
8.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述流体(18)可以被所述可快速加热的内管(30)加热到超临界状态。
9.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，其中，所述流体热交换器(12)结构紧凑。
10.根据权利要求1所述的流体热交换器(12)，还包括温度控制系统(20)，其具有至少一个沿着所述流体热交换器(12)设置的传感器(56)，该传感器可感测地和所述流体(18)连通，所述温度控制系统(20)通过基于由所述温度控制系统(20)所得到的流体(18)的温度读数将所述流体(18)的温度调节在预设的范围内，从而控制所述可快速加热的内管(30)的操作；其中，所述内管(30)被所述温度控制系统(20)快速加热，这样所述流体(18)被快速加热到所述流体加热系统(10)中使用的所述预定范围内。
11.根据权利要求4所述的流体热交换器(12)，还包括至少一根置于所述内管(30)与所述外管(42)之间的线圈状金属线，用以保持所述内管(30)和外管(42)之间的同心度。
12.根据权利要求4所述的流体热交换器，其中，所述内管(30)限定出具有纵向间隔的凸起部分(52)的外表面(40)，所述凸起部分从该外表面(40)向外延伸，以便保持所述内管(30)和所述外管(42)之间的同心度。
13.根据权利要求6所述的流体热交换器(12)，其中，所述热部分(34)在所述内管(30)内纵向缠绕。
14.根据权利要求8所述的流体热交换器(12)，其中，所述流体(18)包括二氧化碳。
15.根据权利要求12所述的流体热交换器(12)，其中，所述凸起部分(52)沿着所述外管(42)螺旋前进。
16.根据权利要求12所述的流体热交换器(12)，其中，所述外管(42)限定出具有纵向间隔的凸起部分(54)的内表面(44)，所述凸起部分从所述内表面(44)向内延伸，以便保持所述内管(30)和所述外管(42)之间的同心度。
17.根据权利要求13所述的流体热交换器(12)，其中，所述内管(30)还包括具有相对的近端(76)和远端(78)的冷部分(32)，所述冷部分(32)的所述远端(78)从所述内管(30)的相对端向外延伸，所述热部分(34)置于所述冷部分(32)之间，分别与在所述内管(30)内的所述冷部分(32)的相应所述近端(76)相连；其中，所述冷部分(32)接收来自电源的电能，以快速加热的所述内管(30)。
18.根据权利要求16所述的流体热交换器(12)，其中，所述凸起部分(52)沿着所述外管(42)螺旋前进。
19.一种流体加热系统(10)，包括流体热交换器(12)，限定出可快速加热的内管(30)；围绕所述内管(30)的中空外管；流经所述内管(30)和所述外管(42)之间的流体(18)，其在所述流体加热系统(10)内循环；具有至少一个沿着所述流体热交换器(12)设置的传感器(56)的温度控制系统(20)，所述传感器感测地和所述流体(18)连通，所述温度控制系统(20)通过基于由所述温度控制系统(20)得到的流体(18)的温度读数将所述流体(18)的温度调节在预设的范围内，来控制所述可加热内管(30)的操作；其中，所述内管(30)被所述温度控制系统(20)快速加热，从而把所述流体(18)快速加热到所述流体加热系统(10)中使用的所述预设范围之内。
20.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)定位在流体流中。
21.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)设置在所述内管(30)内。
22.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述温度控制系统(20)还包括基于微处理器的控制器。
23.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)可以被设置到该流体流中和所述内管(30)中。
24.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)包括热敏电阻。
25.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)包括电阻温度探测器。
26.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)包括热电偶。
27.根据权利要求19所述的流体加热系统(10)，其中，所述流体加热系统(10)在单位时间内使所述流体(18)的温度水平基本以线性趋势升高。
28.根据权利要求20所述的该流体加热系统(10)，其中，所述至少一个传感器(56)设置在沿所述外管(42)形成的凸起部分(61)上。
29.一种在流体加热系统(10)中使用的流体热交换器(12)，包括可快速加热的内管(30)；接近地围绕所述内管(30)的中空外管(42)，所述内管(30)和所述外管(42)可一同形成为很多种形状；所述内管(30)和所述外管(42)限定出通道(48)，流体(18)从该通道中流过，以便在所述流体加热系统(10)内循环；其中，所述内管(30)可以被快速加热，从而将所述流体(18)加热到所述流体加热系统(10)中使用的预设的温度。
30.根据权利要求29所述的流体加热系统(10)，其中，所述通道(48)限定出小的横截面积，用以使所述流体(18)从其经过。
31.根据权利要求29所述的流体加热系统(10)，其中，由所述内管(30)和所述外管(42)一同形成的形状限定出简洁的结构。
32.根据权利要求30所述的流体加热系统(10)，其中，所述通道(48)限定出环形截面面积。
33.根据权利要求30所述的流体加热系统(10)，其中，沿着所述可快速加热的内管(30)的外围的对流膜系数是很大的值。
34.一种在流体加热系统(10)中使用的流体热交换器(12)，包括可快速加热的内管(30)，其具有外围表面(40)；接近地围绕所述内管(30)并基本与之同心的中空外管(42)，所述内管(30)和所述外管(42)可一同成形很多种形状；所述内管(30)和所述外管(42)之间限定出通道(48)，通道的横截面积很小；以低流速流经所述通道(48)的流体(18)，其在所述流体加热系统(10)中循环；具有至少一个沿着所述流体热交换器(12)设置的传感器(56)的温度控制系统(20)，所述传感器感测地和所述流体(18)连通，所述温度控制系统(20)通过基于由所述温度控制系统(20)得到的流体(18)的温度读数将所述流体(18)的温度调节在预设的范围内，来控制所述可快速加热的内管(30)的操作；其中，所述内管(30)的所述外围表面(40)具有较大的对流膜系数值，所述外围表面被所述温度控制系统(20)快速加热，这样所述流体(18)被快速加热到所述流体加热系统(10)使用的预设范围之内。
全文摘要
公开了一种在流体加热系统(10)中使用的流体热交换器(12)，其包括被中空外管(42)围绕的可快速加热的内管(30)，用于加热流经所述内管(30)和所述外管(42)之间的流体(18)，并使流体在所述流体加热系统(10)内循环。当所述内管(30)被快速加热时，循环流体(18)被快速加热到该流体加热系统(10)中使用的预定温度。
文档编号F24H1/10GK1623067SQ02828504
公开日2005年6月1日 申请日期2002年7月29日 优先权日2002年1月22日
发明者丹尼斯·P·朗, 克里斯托弗·W·科佐特 申请人:沃特洛电气制造公司