用于热交换器的挡板组合件、包括所述挡板组合件的热交换器、包括所述热交换器的流体加热系统及其制造方法与流程

(1)本申请要求2016年1月21日提交的美国临时专利申请序列号62/281,534的权益。该相关申请通过引用整体并入本文。

背景技术：

(1)技术领域

本公开涉及使用壳管式热交换器的流体加热系统。

(2)现有技术描述

流体加热系统，包括蒸汽、循环加热(水)和热流体锅炉，构成了用于生产加热流体的广泛类型的装置，所述加热流体用于家庭、工业和商业应用。由于需要提高能量效率、紧凑性、可靠性和降低成本，因此仍需要改进的流体加热系统，以及改进的制造方法。

技术实现要素：

一种流体加热系统或热交换器挡板组合件，包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；一个或多个热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的一个或多个盘形挡板和/或一个或多个环形挡板，其中热交换器管密封地穿过挡板。

还公开了一种包括热交换器的流体加热系统，所述热交换器包括：压力容器；设置在压力容器中的挡板组合件，挡板组合件包括第一管板，与第一管板相对的第二管板，连接第一管板和第二管板的一个或多个热交换器管，设置在第一管板和第二管板之间的环形挡板和/或盘形挡板。

还公开了一种包括热交换器的流体加热系统，所述热交换器包括：压力容器；第一管板；与第一板相对的第二管板；一个或多个热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的一个或多个盘形挡板组合件，其中热交换器管密封地穿过盘形挡板；密封设置在第一管板和第二管板之间的一个或多个环形挡板组合件，其中热交换器管密封地穿过环形挡板。

还公开了一种在流体加热系统或热交换器热交换器中产生径向流动的方法，该方法包括：提供包括挡板组合件的热交换器，所述挡板组合件包括压力容器壳体，所述压力容器壳体包括入口和出口；挡板组合件完全设置在压力容器壳体内；挡板组合件包括第一管板，与第一板相对的第二管板，连接第一管板和第二管板的一个或多个热交换器管；至少一个盘形挡板设置在第一管板和第二管板之间，其中热交换器管密封地穿过挡板；至少一个环形挡板和/或至少一个盘形挡板密封地设置在第一管板和第二管板之间，其中热交换器管密封地穿过挡板；并且将生产流体从第一入口引导到第一出口，以提供流过压力容器壳体的生产流体以产生径向流动。

附图说明

专利或申请文件含有至少一张彩色附图。在提出请求并支付必要费用后，本事务所将提供具有一张或多张彩色附图的本专利或专利申请公布的副本。

通过参考附图进一步详细描述本发明的示例性实施方案，本公开的上述和其他优点和特征将变得更加明显，其中：

图1a是流体加热系统的实施方案的示意图，该系统包括燃烧气体供应系统的实施方案；

图1b是被在生产流体挡板附近的沸腾水损坏的流体加热系统管壳式热交换器的区域的彩色照片；

图1c是壳管式热交换器的一个实施方案的透视图，该壳管式热交换器包括盘形挡板组合件，该盘形挡板组合件将生产流体在相邻挡板的表面上来回引导；

图1d是圆形盘形挡板的视图，其中生产流体沿着弦线被引导越过盘形挡板的表面；

图2是包含盘形挡板组合件的管壳式热交换器的实施方案的纵向横截面图；

图3是盘形挡板的一个实施方案的透视图，示出了热交换器管孔和安装凸缘；

图4是盘形挡板组合件的一个实施方案的侧视图，示出了盘形挡板、垫圈和带有紧固件的保持器；

图5示出了盘形挡板组合件的一个实施方案的横截面示意图，示出了挡板和热交换器管的外壁之间的垫圈密封；

图6是包含环形挡板组合件的管壳式热交换器的纵向横截面图；

图7是环形挡板的一个实施方案的透视图，示出了热交换器管孔和安装凸缘；

图8示出了环形挡板组合件的一个实施方案的横截面示意图，示出了挡板和热交换器管的外壁之间的垫圈密封，以及挡板和压力容器的内壁之间的垫圈密封；

图9是壳管式热交换器的一个实施方案的纵向横截面图，该热交换器包括交替的盘形和环形挡板组合件；

图10是图9的管壳式热交换器的透视图；

图11是壳管式热交换器的一个实施方案的透视图，该热交换器包括交替的盘形和环形挡板组合件，并示出了由挡板组合件产生的径向流动；

图12示出了包含交替密封盘形和环形挡板组合件的流体加热系统的全尺寸原型的照片；

图13示出了通过管壳式热交换器的实施方案的压力容器的流场的计算流体动力学(cfd)数值模拟，该壳管式热交换器包括交替的盘形和环形挡板组合件并且示出了由挡板组合件产生的径向流动；

图14a示出了在最靠近上管板的挡板上的流场的计算流体动力学(cfd)数值模拟，挡板和管板之间的挡板间隔为0.75英寸。

图14b示出了在最靠近上管板的挡板上的流场的计算流体动力学(cfd)数值模拟，挡板和管板之间的挡板间隔为1.25英寸。

具体实施方式

仍然需要提供更加热紧凑设计的流体加热系统，例如，提供流体加热系统(fhs)的功率和体积或占地面积之间的增加的比率的配置，并且所述流体加热系统可以以合理的成本、令人满意的材料要求、降低的复杂性来制造。流体加热系统设计、方法和制造的现有技术的改进是可取的，这些改进能够以相同或更低的制造成本和复杂性来实现规定尺寸下的热功率的增加，或者相反地，能够实现规定的热功率水平下的尺寸减小。

已经出乎意料地发现，通过增加整体热通量来减小包含管壳式热交换器的流体加热系统的尺寸的方法可能加剧由不均匀温度产生的问题。热交换器内热量集中的区域可能导致材料失效、腐蚀和结垢。当温度超过生产流体的沸点时，可能累积不利影响，特别是在结构接头或裂缝附近，这些不利影响会促使生产流体相变。不仅温度不均匀性的幅度通常增加，而且位置或部位的数量也增加。

通过压力容器来促进生产流体流动中的均匀速度场的方法促进了均匀的温度分布和跨热交换器管壁的有效热能交换。这在经典的热交换器设计中通过引导生产流体流动的某种形式的折流，或者以可预测的方式控制流体流动的某种其他手段来实现。折流可以仅在几个离散的位置进行以解决已知问题，或者它们可以是系统的，紧密控制整个热交换器中的流体流动。

公开于图1a中的是流体加热系统100的示意图。环境空气在压力下被鼓风机102强制穿过导管进入燃烧器104中，燃烧器104包括炉子106。在炉子106中，保持燃料和空气的组合的持续燃烧，释放热能和燃烧气体，所述热能和燃烧气体行进通过上管板105并进入多个热交换器管115。在穿过热交换器管之后，热燃烧气体穿过下管板110，进入由排气室壳体114限定的排气室112，并穿过排气口，以通过排气烟道(未示出)从流体加热系统中输送出去。

生产流体在压力下被强制进入入口116，穿过围绕热交换器管的由压力容器150限定的空间155并通过出口150流出。挡板108可以放置在热交换器管周围以引导生产流体的流动。

流体加热系统的容量是在标准条件下从传热流体将总热量传递到生产流体。按照惯例，当生产流体由液体(例如水、热流体或热油)组成时，这种容量用英热单位/小时(btu/hr)表示；当生产流体包含气体或蒸气(例如蒸汽)时，标准测量单位以马力(hp)表示。在其中生产流体是液体(例如，水、热流体或热油)的实施方案中，流体加热系统的容量可以在100,000btu/hr，或150,000btu/hr，或200,000btu/hr，或250,000btu/hr，或300,000btu/hr，或350,000btu/hr，或400,000btu/hr，或450,000btu/hr，或500,000btu/hr，或550,000btu/hr，或600,000btu/hr，或650,000btu/hr，或700,000btu/hr，或750,000btu/hr，或800,000btu/hr，或850,000btu/hr，或900,000btu/hr至50,000,000btu/hr，或40,000,000btu/hr，或30,000,000btu/hr，或20,000,000btu/hr，或15,000,000btu/hr，或14,000,000btu/hr或13,000,000btu/hr，或12,000,000btu/hr，或10,000,000btu/hr，或8,000,000btu/hr，或6,000,000btu/hr，或5,000,000btu/hr，或4,000,000btu/hr，或3,000,000btu/hr，或2,000,000btu/hr，或1,000,000btu/hr之间，其中前述上限和下限可独立地组合。具体提到750,000btu/hr至12,000,000btu/hr的范围。

在流体加热系统中，在生产流体温度超过其蒸发热的情况下，生产流体将沸腾并提供蒸气。这可能发生在流速低且生产流体保持与热表面长时间接触的位置；例如，在热交换器管，或上管板或下管板附近。虽然不希望受理论束缚，但生产流体沸腾被理解为导致热效率损失，并且经常沸腾的部位也是可能发生材料失效、腐蚀和结垢的区域。图1b示出了标准水力锅炉的上管板附近的区域，其中不良的流动条件和高温通常导致沸腾和热交换器管115的材料劣化。

意外地发现，从炉子到管板的温度和质量流量分布是不均匀的。在所有燃烧器配置中，存在温度和流量梯度，但对于那些利用预混合表面燃烧的配置尤其如此。离开燃烧器并且在最靠近炉子的位置被驱动的流体将更多的热能传递到炉壁中。产生的温度边界层将沿着壁向下流动，并且主要进入最靠近周边的管。这导致在周边附近的质量流量浓度。相反，剩余的燃烧流将与炉壁隔离，因此将保留更多的热量，并且通常这种热流将优先流向最接近中心的管，当在流场的cfd建模期间发现这种热流时，这种热流的大小是非常惊人的。这个结果是如此令人惊讶，因为常规的设计实践预测燃烧的湍流会促进更均匀的混合。另外，预计与受限制流动的动态效应相比，在管长度中的压降大得多，并且管内的流动处在高度湍流中。预计这将使对流场的效应平坦化。最后，常规的实践预测来自中心(实际上来自火焰本身)的最热气体的辐射热传递也将有助于增加温度场的均匀性。

气体侧温度场内的偏差幅度对于锅炉的水侧产生了不均匀传热要求。具体而言，在含有这些浓度的高温气体的管附近需要较高的水侧传热系数(以及由此速度和湍流)。

大多数热交换器设计有圆形横截面，通常是圆柱形。在一个实施方案中，在相邻挡板的表面上交替改变方向(“来回”挡板模式设计)的情况下，生产流体沿着表面的弦线而流过每个挡板表面，流动的横截面在给定部分的入口处是较小的(由小于直径的弦长来定义)，然后在到达管束中心时增加(等于直径的弦长)，然后随着流体到达挡板部分的相对侧而再次减小。图1c示出了对应于所述配置的生产流体流动。通过使流动在挡板边缘处转向160，在相邻挡板之间的区域中交替改变方向，生产流体在压力容器中来回地移动经过热交换器管。图1d示出了生产平均流体流165如何沿着挡板的弦线被引导通过相邻热交换器管之间的空间。虽然挡板的边缘处的使流动方向转向的这种突然的速度变化就其本身而言不是有害的，但是该设计导致两个主要缺点。

首先，流动动量决定流体将试图沿直线流动。结果是外边缘170处的管倾向于比中心处的管接收更少的流量。其次，即使当将外管包括在流动中时(通过智能管模式，或额外的折流以强制流动进入这些区域)，横截面积的增加意味着在束的中心处流速减小。取决于炉子和热交换器管顶板的配置，这些中心管通常是最热的并且总是处于最高的失效风险中。

虽然不希望受理论束缚，但这些效果在包含用于火管锅炉的常规网状燃烧器的单通、内嵌热交换器中尤其明显。特别是在这些设计应用中，当离开炉子的传热流体撞击上管板并进入最靠近中心线的热交换器管时，它的温度在中心处是最高的，并且当离开炉子的传热流体撞击顶管板并进入沿着圆周的热交换器管时，它的温度在炉壁附近是最冷的。在这些应用中，避免中心线附近可能导致生产流体沸腾和材料失效的高温是一个重要的限制性设计约束条件。

还意外地发现，经过热交换器管的集合的生产流体的径向和螺旋流动有效地促进热交换器内的温度和流速的均匀分布。生产流体的径向流动可以通过流体加热系统中的设计使用挡板的布置来进行布置，所述挡板布置使得流动在朝向纵向轴线的向内指向的径向流动和朝向压力容器内壁的向外指向的径向流动之间交替。此外，交替径向流的几何形状确保峰值速度出现在管束的中心，在那里它们是最需要的，如计算流体动力学(cfd)建模模拟所证实的。

此外，出人意料地发现，将挡板密封到热交换器管和压力容器内表面基本上有助于产生均匀的温度和速度产生流体流场。将热交换器管密封到挡板上消除了生产流体可能从挡板中泄漏的空隙，这种泄漏降低了所需的径向流动并产生了低流速和高温可以集中的区域。所公开的配置提供了生产流体速度和温度场的出乎意料地改善的均匀性。

图2中示出了促进均匀生产流动条件的挡板组合件的实施方案，该组合件包括上管板105a、下管板110a和连接上管板和下管板的热交换器管115b。挡板组合件220设置在上管板和下管板之间，其中热交换器管密封地穿过挡板250。挡板组合件使用安装凸缘245固定到压力容器。

如本文所用，“密封地”是指在相邻构件(例如热交换器管和挡板；或环形挡板和压力容器)之间提供密封，以基本上或有效地阻止相邻构件之间的流体流动。具体而言，密封地设置意味着在两个构件之间提供的密封允许小于或等于10体积％(vol％)，或0至10vol％，或0至5vol％，或0至1vol％，或0至0.1体积％，或0至0.01体积％，或0至0.001体积％，或0至0.0001vol％的流过挡板的总流体流量在两个构件之间流动。例如，密封可以仅由相邻构件的紧密接近形成，或者密封可以例如使用垫圈或焊接形成。在一个实施方案中，相邻构件之间的区域遮蔽80％至100％，90％至99％或95％至98％，并且优选95％至100％遮蔽，其中前述百分比确定为相邻构件之间的区域的百分比。

如图3所示，盘形挡板225a可以是板的形状，其周边具有任何合适的几何形状。板可以是直线的或曲线的，并且可以具有圆盘形状、椭圆形状、小叶形状、方形形状、矩形形状或它们的任何组合。每个热交换器管穿过盘形挡板中的孔300。可以使用穿过安装凸缘245a中的孔310的紧固件将挡板组合件固定到压力容器。

构成挡板组合件的部件可各自独立地包括任何合适的材料，并且可包括金属，例如铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜、包含前述至少一种金属的合金，或者它们的组合。代表性金属包括碳钢，低碳钢，铸铁，锻铁，不锈钢(例如，304、316或439不锈钢)，蒙乃尔合金，铬镍铁合金，青铜和黄铜。具体提到挡板组合件部件是低碳钢的实施方案。

将盘形挡板组合件密封到热交换器管上，以防止生产流体流到挡板和管之间的间隙中，从而迫使流体经过挡板组合件的周边。挡板组合件可使用任何合适的方法密封到热交换器管，例如通过将热交换器管焊接到盘形挡板，或使用粘合剂密封间隙。

在另一个实施方案中，可以使用垫圈将盘形挡板密封到热交换器管上，如图4所示。在该实施方案中，盘形挡板组合件包括刚性盘形挡板元件225b，并且垫板230a设置在盘形挡板的表面上并且设置在刚性元件和热交换器管之间，其中在热交换器管穿过挡板的位置处，垫圈将挡板密封到热交换器管。可以使用粘合剂将垫圈固定到盘形挡板上。保持器235a还可用于使用粘合剂或紧固件240a将保持器固定到盘形挡板。可以使用任何合适的粘合剂。代表性的粘合剂包括乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂、聚氨酯和氟化橡胶。

用于将挡板密封到热交换器管的垫圈可包括弹性体。具体提到弹性体是乙烯丙烯二烯三元共聚物的实施方案。

图5中示出了包括垫圈和保持器的盘形挡板组合件的实施方案，垫圈230b设置在盘形挡板225c和保持器235b之间。在图5所示的实施方案中，保持器外径小于盘形挡板直径，使得垫圈从挡板组合件突出515并且优选地在保持器的方向上接触热交换器管505的外壁。结果，流体压力迫使垫圈抵靠热交换器管外壁，促进密封。盘形挡板的形状和挡板与热交换器管之间的密封迫使生产流体在挡板组合件的边缘和压力容器150a的内表面之间流过挡板组合件的周边。

结果，盘形挡板组合件迫使生产流体从热交换器的纵向中心线径向向外并围绕挡板的周边流动。

促进均匀生产流动条件的挡板组合件的另一个实施方案示于图6中，挡板组合件包括压力容器150b和环形挡板组合件630。挡板组合件密封地设置在压力容器中，密封挡板组合件包括上管板105b；与上管板相对的下管板110b；连接上管板和第二管板的热交换器管115c；设置在第一管板和第二管板之间的环形挡板615，其中热交换器管穿过环形挡板，环形挡板具有第一侧和相对的第二侧，环形挡板具有环形形状，其中密封的挡板组合件密封地设置在压力容器中，使得挡板的第一侧和第二侧之间的至少51％的流体连通是穿过由挡板环的内径限定的中心区域。

如图7所示，环形挡板610a可以是具有内周边700和外周边701的环形。内径700和外周边701可各自独立地具有任何合适的几何形状，可以是直线形或曲线形，并且可具有圆形形状、椭圆形形状、小叶形形状、方形形状、矩形形状或其任何组合。热交换器管穿过环形挡板中的孔710。挡板组合件可以使用穿过孔715的紧固件来固定到压力容器，并固定到压力容器壁上的安装凸缘。

环形挡板的圆周被设计成设置在压力容器的内表面上，并且可以通过焊接或垫圈密封或未密封，并在连接点处安装到压力容器上。环形开口是指定该热交换器部分中的流体压降的主要因素。已经发现，可选择环的尺寸，使得初始1至3个内部排的热交换器管穿过环。因此，环的尺寸可以通过穿过环的流动的压降特性来确定，而不是通过挡板表面的固定分率来确定。对于盘形挡板，通常选择直径使得最外面的管排密封地穿过盘形挡板。

构成环形挡板组合件的部件可各自独立地包括任何合适的材料，并且可包括金属，例如铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜和包含前述至少一种金属的合金。代表性金属包括碳钢，低碳钢，铸铁，锻铁，不锈钢(例如304、316或439不锈钢)，蒙乃尔合金，铬镍铁合金，青铜和黄铜。具体提到挡板组合件部件是低碳钢的实施方案。

将环形挡板组合件密封到压力容器的内表面，以防止生产流体在环形挡板和压力容器之间的间隙中流动，从而迫使流体穿过挡板组合件的内周边并通过由挡板环的内径限定的中心区域。挡板组合件可以以任何合适的方式密封到压力容器，包括将环形挡板焊接到压力容器内表面，或使用粘合剂密封间隙。

在另一个实施方案中，环形挡板可以使用垫圈密封到压力容器的内表面，如图8所示。在该实施方案中，环形挡板组合件包括刚性环形挡板元件610a，并且垫圈615a设置在环形挡板的表面上以及挡板和压力容器150b之间，其中垫圈将挡板密封到压力容器。垫圈可以使用粘合剂固定到环形挡板上。保持器620a还可用于使用粘合剂或紧固件将保持器固定到环形挡板。

用于将挡板密封到热交换器管的垫圈可包括弹性体。可以使用任何合适的弹性体。具体提到弹性体是乙烯丙烯二烯三元共聚物的实施方案。

图8中进一步示出了包括垫圈和保持器的环形挡板组合件的实施方案，垫圈615a设置在环形挡板610a和保持器620a之间。保持器外径小于盘形挡板直径，使得垫圈从挡板组合件突出810并且优选地在保持器的方向上接触压力容器150b的内壁。结果，流体压力迫使垫圈抵靠压力容器内壁，促进密封。环形挡板的形状和挡板与压力容器之间的密封迫使生产流体穿过由挡板环的内径限定的中心区域，流过挡板组合件环的内周边。

环形挡板组合件还可以密封到热交换器管上，以防止生产流体在挡板和管之间的间隙中流动，从而迫使流体穿过环形挡板组合件的内周边。挡板组合件可以以各种方式密封到热交换器管，包括将热交换器管焊接到环形挡板，或使用粘合剂密封间隙。

包括垫圈和保持器以进一步将挡板密封到热交换器管上的环形挡板组合件的一个实施方案如图8所示，垫圈615a设置在环形挡板610a和保持器620a之间。保持器外径小于环形挡板直径，使得垫圈从挡板组合件突出800并且优选地在保持器的方向上接触热交换器管505a的外壁。结果，流体压力迫使垫圈抵靠热交换器管外壁，促进密封。环形挡板的形状和挡板与热交换器管之间的密封进一步迫使生产流体穿过由挡板环的内径限定的中心区域，流过挡板组合件环的内周边。

结果，环形挡板组合件迫使生产流体径向地，向内朝向热交换器的纵向中心线并且通过由挡板环的内径限定的中心区域流动。

在另一个实施方案中，盘形和环形挡板组合件可以结合使用，以沿着流体加热系统热交换器的长度，保持生产流体中的主要径向的流动模式。

图9示出了流体加热系统密封挡板组合件的实施方案，包括：上管板205b；与上管板相对的下管板210b；热交换器管115d，其连接上管板和下管板；盘形挡板组合件220a，其设置在上管板和下管板之间，其中热交换器管密封地穿过盘形挡板组合件；和环形挡板组合件630a，其设置在上管板和下管板之间，其中热交换器管密封地穿过环形挡板。

其中盘形和环形挡板沿着热交换器的长度交替的实施方案在图10中进一步示出。在该实施方案中，三个环形挡板630b与两个盘形挡板220b交替。热交换器管密封地穿过两种类型的挡板，并且环形挡板密封到压力容器内表面(未示出)。

由交替的盘形和环形挡板引起的流动模式在图11中所示的透视图中示出，其中进入入口1100的生产流体流过第一环形挡板组合件1105的中心区域，向外转动并径向流动1110到第一盘形挡板组合件1120的外周边，在那里它向内转动以再次径向流动到第二环形挡板组合件1130的中心区域。该交替的径向流动模式持续直到生产流体通过出口(未示出)并离开压力容器。

挡板数量以及它们之间的间距的选择在很大程度上取决于产品的性能和所需流体。该设计过程的最佳性度量可以陈述为：当流体从压力容器入口移动到出口时，最小化流体侧压降(受操作限制，其中较大的压降导致较大的泵送要求和安装后的系统效率的整体减少)，同时在给定的阈值温度的情况下，最小化局部管温度异常值的数量和幅度。通常，所选择的温度阈值是给定流体在给定操作压力下的蒸发温度，但可以基于任何数量的度量，耐久性或其他度量来选择，包括但不限于材料温度限制，生产流体温度限制，热应力限制或任何其他合适的度量。

对于优化挡板间距、附接和设计几何形状而言重要的变量很多，包括但不限于：生产流体粘度、沸点、密度、比热和导热率；热交换器管几何形状、热交换器管材料；和压降限制。同样重要的是从压力容器入口到出口的生产流体的设计流速，其通常由在给定热输入下的从入口到出口的温度变化来指定。

标准热交换器设计参考文献建议挡板之间的最小间距为壳体直径的20％。(shah、rameshk.和dusanp.sekulic.“热交换器设计基础(fundamentalsofheatexchangerdesign)”,johnwiley&sons,2003。)在具有高热通量的产品中，流速可能不足以使金属温度保持在生产流体沸腾温度以下，这产生了重要的约束条件。减小挡板间隔距离并不能解决问题，因为压力梯度促进泄漏流而不是主要横向流。密封挡板提供了超过常规设计极限的方法，因为它能够实现避免局部沸腾温度所需的流速和传热系数而没有泄漏副作用。

在其中生产流体是液体(例如，水、热流体或热油)的实施方案中，压力容器入口和出口之间的温差可以在180摄氏度(℃)或170℃，或160℃，或150℃，或140℃，或130℃，或120℃，或110℃，或105℃，或100℃，或95℃，或90℃，或85℃，或80℃，或75℃，或70℃，或65℃，或60℃，或55℃，或50℃，或45℃，或40℃，或35℃，或30℃，或25℃，或20℃，或15℃，或10℃之间。具体提及110℃至30℃的温差范围。取决于实施方案的几何、热、流体和材料特性，挡板之间的间隔距离可以在300厘米(cm)，或250cm，或200cm，或150cm，或100cm，或90cm，或80cm，或70cm，或60cm，或50cm，或40cm，或35cm，或30cm，或26cm，或24cm，或22cm，或20cm，或18cm，或16cm，或14cm，或12cm，或10cm，或8cm至6cm，或5cm，或4cm，或3cm，或2cm，或1.5cm，或1cm，或0.5cm或0.25cm之间，其中上述上限和下限可以独立地组合。具体提到的间隙距离范围为1.5cm至50cm。

可以针对设计变量和流体属性的组合确定最佳间距。计算流体动力学(cfd)数值模拟可用于考虑到每个设计变量来设计挡板系统，特别是挡板之间的间距。例如，设计用于在压力容器入口和出口之间具有20华氏度(℉)温差的循环流体加热系统的挡板组将具有与设计用于40℉温差的挡板组明显不同的最佳间距要求，其中生产流体是乙二醇或乙二醇和水的混合物。

然而，出乎意料地发现，挡板可以布置在挡板密封到管子的位置，或者挡板未密封的位置，在使用寿命开始时具有类似的结果。在挡板未密封的情况下，热交换器管穿过挡板孔处的少量泄漏流会破坏涡流和停滞的流动区域，而如果挡板被密封，则需要更多的挡板来确保这些较低速，或循环流动的区域得到管理以免引起耐久性问题。

同样令人惊讶的是发现未密封的挡板在其使用寿命期间具有完全不同的性能特征。具体而言，结果可能是在时间上不确定的解决方案。换句话说，系统可以设计成使得在现场的系统寿命期间，性能和对称性的极端变化可以随时间呈现。一旦选择了径向流动模式，系统就固有地设计成具有高度轴对称性。在系统操作期间，少量碎屑倾向于陷入挡板和管之间的间隙中，并且腐蚀材料将随着时间的推移而积聚。从局部意义上讲，通过给定挡板到管空间的泄漏流量损失是无关紧要的；然而，由于碎屑不会围绕轴线对称地沉积，因此堵塞的局部泄漏流可能对流动对称性产生重大影响，这在热交换器的下游具有显著影响。

虽然在其他工程领域已经考虑了对称性对流体流动系统的动力学和稳定性的影响，但是对热交换器中的流体流动的研究特别复杂。在未密封的挡板的情况下，当碎屑或腐蚀材料堵塞间隙时，围绕管以及在盘形挡板的圆周附近的流动对称性被破坏，生产流体流被扰乱，从而引起新的流场和由此产生的温度分布。即使对于由间隙的颗粒堵塞引起的几何形状的微小变化，流动和温度场中的扰动也是显著的。实际上，在仪表化原型测试期间观察到这种对流动条件的敏感依赖性，其中在碎屑在未密封的间隙中累积和滤出时，单个测试台在各个测试之间表现出显著不同的温度场行为。通过密封消除了对间隙的精确几何形状的敏感依赖性。

如上面讨论的，所公开的系统的优点在于它可以提供更均匀的生产流体流场，这种流场主要是径向的，最大限度地减少高温区域，这些高温区域被理解为导致材料失效、流体沸腾和热效率下降。所公开的挡板组合件和热交换器提供了对流体加热系统和热交换器的生产流体流动的控制的改进，从而在这些系统中实现了更大的紧凑性、可靠性和性能。

以下给出的是本公开的非限制性实施例。

实施例

实施例1

为了将挡板密封到热交换器管和压力容器，与将这些区域保持未密封并允许在这些结构之间形成的间隙中流动的优点相比较，基于图9所示的实施方案来构造具有交替的环形和盘形挡板配置的两个流体加热系统，并且用仪表装备这些系统。

两个流体加热测试系统中的第一个包括在锅炉中具有五个挡板和275个热交换器管的热交换器，所述锅炉提供有300万btu/hr的热输入。测试的生产流体是水以及水和乙二醇的各种混合物。在热交换器管穿过挡板的位置处的挡板中的开口之间形成的间隙在0.0cm(接触表面)和0.5cm之间并且是未密封的，允许生产流体流过间隙。

第一(未密封的)流体加热测试系统在一组五个挡板之间的每个区域(如图9所示t2至t5)中的不同位置处装有热电偶以测量测试单元在安装条件下运行时生产流体温度随时间的变化。该系统在正常安装条件下运行118天，并且在测试期的开始和结束时记录每个测量点的温度。表1的第二和第三列显示了结果。对于每个流体区域，示出了从测试期的开始到结束的温差范围的平均值，以及测量的温度范围的标准偏差。这些数据提供了测试期的平均温度偏差以及温度偏差的变化的测量。这些数据显示在测试期间温度测量值的大幅变化，这是由于挡板和热交换器管之间未密封的间隙中的碎屑的积累和腐蚀，这在相对短的时间段内改变了生产流体流动模式以致于偏离目标设计条件。

两个流体加热测试系统中的第二个包括具有七个挡板和275个热交换器管的热交换器，其系统配置提供有300万btu/hr的热输入。图12中示出了热交换器的视图，其中压力容器得以移除，可以看到盘形挡板组合件1200和环形挡板组合件1210。热交换器管穿过一系列交替的盘形和环形挡板组合件，所述组合件由垫圈密封并由保持器保持在适当位置，如图8所示。测试的生产流体是水以及水和乙二醇的各种混合物。在热交换器管穿过挡板的位置处的挡板中的开口之间形成的间隙在0cm(接触表面)和0.3cm之间并且被密封，防止生产流体在热交换器管密封地穿过盘形挡板的位置处流过挡板。

第二(密封的)流体加热测试系统在一组五个挡板之间的每个区域(如图9所示t2至t5)中的不同位置处装有热电偶以测量测试单元在安装条件下运行时生产流体温度随时间的变化。该系统在正常安装条件下运行16天，并且在测试期的开始和结束时记录每个测量点的温度。表1的第四和第五列显示了结果。对于每个流体区域，示出了从测试期的开始到结束的温差范围的平均值，以及测量的温度范围的标准偏差。这些数据提供了测试期的平均温度偏差以及温度偏差的变化的测量。这些数据减少了测试期间温度测量值的变化，因为在挡板和热交换器管之间的间隙中，碎屑和腐蚀不再累积。结果，生产流体流动模式稳定在目标设计条件下或接近目标设计条件。

表1

实施例2

进行图12中所示的流体加热系统原型的计算流体动力学(cfd)模拟。

图13示出了由盘形和环形挡板的交替序列产生的几乎均匀的流场。

实施例3

进行图12中所示的流体加热系统原型的计算流体动力学(cfd)模拟。

在该模拟中，改变热交换器顶板和第一挡板之间的间隔距离(形成图9中的区域t1)，以说明生产流场均匀性随着挡板间隔距离的变化。

在图14a中，顶板和第一挡板之间的间隔为0.75英寸。在该间隔距离和这些模拟的操作条件下，流场显示在中心线1405附近的流速减小的明显区域。图14b示出了具有相同几何形状和操作条件的模拟，但顶板和第一挡板之间的间隔已增加到1.25英寸。在该增加的间隔距离处，流场更均匀，包括中心线1415附近的流速。设计目标是最小化间隔距离，同时在挡板的表面上实现相对均匀的流场。在许多情况下，必须将流动的均匀性与该流动区域中的管的特定温度需求进行权衡。因此，在所讨论的具体情况未定的情况下，任何间距都可被视为“最佳”。

公开了一种具有挡板组合件的实施方案，该挡板组合件包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管穿过挡板；其中所述挡板为盘形挡板，所述盘形挡板具有圆盘形，椭圆形，小叶形，方形，矩形，直线形或曲线形，或其任意组合；其中挡板具有圆盘形；其中挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中第一侧和第二侧之间的流体连通是越过挡板的周边；其中，所述热交换器管的外表面与所述挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间；其中密封挡板组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地穿过挡板；其中，所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管；其中挡板组合件包括多个挡板，并且其中每个热交换器管穿过每个挡板；其中，所述多个挡板包括1至100个挡板；其中挡板的纵横比为5至10,000，其中纵横比是挡板主表面的最大尺寸除以挡板的厚度。

公开了一种具有挡板组合件的实施方案，该挡板组合件包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管密封地穿过挡板；其中所述挡板为盘形挡板，所述盘形挡板具有圆盘形，椭圆形，小叶形，方形，矩形，直线形或曲线形，或其任意组合；其中挡板具有圆盘形；其中挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中第一侧和第二侧之间的流体连通仅越过挡板的周边；其中，所述热交换器管的外表面与所述挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间；进一步包括连续焊接，其将挡板密封地连接到热交换器管；其中，将挡板密封地连接到热交换器管的连续焊接设置在管的圆周上；进一步包括粘合剂，所述粘合剂将所述挡板粘附地并密封地连接到所述热交换器管，并且其中所述粘合剂设置在所述热交换器管通道和所述挡板之间；其中挡板包括刚性元件，以及设置在刚性元件的表面上以及刚性元件和热交换器管之间的垫圈，其中垫圈在热交换器管穿过挡板的位置处将挡板密封到热交换器管；其中垫圈通过粘合剂附接到刚性元件；还包括保持器，该保持器通过紧固件连接到刚性元件，并且其中垫圈设置在刚性元件和保持器之间；其中垫圈包括弹性体；其中弹性体是乙烯丙烯二烯单体；其中垫圈包括金属板，其最大厚度在0.002毫米至6毫米之间；其中密封挡板组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地密封地穿过挡板；其中，所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管；其中密封挡板组合件包括多个挡板，并且其中每个热交换器管密封地穿过每个挡板；其中，所述多个挡板包括3至100个挡板；其中挡板的纵横比为5至10,000，其中纵横比是挡板主表面的最大尺寸除以挡板的厚度。

以下阐述的是本公开的非限制性实施方案。

公开了一种具有挡板组合件的实施方案，该挡板组合件包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管穿过挡板；其中所述挡板为盘形挡板，所述盘形挡板具有圆盘形，椭圆形，小叶形，方形，矩形，直线形或曲线形，或其任意组合；其中挡板具有圆盘形；其中挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中第一侧和第二侧之间的流体连通是越过挡板的周边；其中，所述热交换器管的外表面与所述挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间；其中密封挡板组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地穿过挡板；其中，所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管；其中挡板组合件包括多个挡板，并且其中每个热交换器管穿过每个挡板；其中，所述多个挡板包括1至100个挡板；其中挡板的纵横比为5至10,000，其中纵横比是挡板主表面的最大尺寸除以挡板的厚度。

公开了一种具有挡板组合件的实施方案，该挡板组合件包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管密封地穿过挡板；其中所述挡板为盘形挡板，所述盘形挡板具有圆盘形，椭圆形，小叶形，方形，矩形，直线形或曲线形，或其任意组合；其中挡板具有圆盘形；其中挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中第一侧和第二侧之间的流体连通仅越过挡板的周边；其中，所述热交换器管的外表面与所述挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间；进一步包括连续焊接，其将挡板密封地连接到热交换器管；其中，将挡板密封地连接到热交换器管的连续焊接设置在管的圆周上；进一步包括粘合剂，所述粘合剂将所述挡板粘附地并密封地连接到所述热交换器管，并且其中所述粘合剂设置在所述热交换器管通道和所述挡板之间；其中挡板包括刚性元件，以及设置在刚性元件的表面上以及刚性元件和热交换器管之间的垫圈，其中垫圈在热交换器管穿过挡板的位置处将挡板密封到热交换器管；其中垫圈通过粘合剂附接到刚性元件；还包括保持器，该保持器通过紧固件连接到刚性元件，并且其中垫圈设置在刚性元件和保持器之间；其中垫圈包括弹性体；其中弹性体是乙烯丙烯二烯单体；其中垫圈包括金属板，其最大厚度在0.002毫米至6毫米之间；其中密封挡板组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地密封地穿过挡板；其中，所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管；其中密封挡板组合件包括多个挡板，并且其中每个热交换器管密封地穿过每个挡板；其中，所述多个挡板包括3至100个挡板；其中挡板的纵横比为5至10,000，其中纵横比是挡板主表面的最大尺寸除以挡板的厚度。

实施方案1：一种挡板组合件，包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管穿过挡板，可选地，其中热交换器管密封地穿过挡板。

实施方案2：实施方案1的挡板组合件，其中挡板具有圆盘形，椭圆形，小叶形，方形，矩形，直线形或曲线形，或其任何组合。

实施方案3：实施方案1或2中任一项的挡板组合件，其中挡板具有圆盘形状。

实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的挡板组合件，其中所述挡板包括盘形挡板，所述盘形挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中所述第一侧和所述第二侧之间的流体连通是越过所述挡板的周边。在挡板的第一侧和第二侧之间的至少51重量％，或至少90重量％，或至少99重量％重量的流体连通可以通过挡板的周边。

实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的挡板组合件，其中所述挡板包括环形挡板，所述环形挡板具有第一侧和相对的第二侧，并且其中所述第一侧和所述第二侧之间的流体连通是穿过所述挡板的环。在挡板的第一侧和第二侧之间的至少51重量％，或至少90重量％，或至少99重量％的流体连通可以通过环形挡板的环。

实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的挡板组合件，其中所述热交换器管的外表面与所述挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间。

实施方案7：根据实施方案1至6中任一项所述的挡板组合件，还包括连续焊接，其将挡板密封地连接至热交换器管；或者，其中，基于热交换器管和挡板的紧密接近，在热交换器管和挡板之间形成密封。

实施方案8：实施方案7的挡板组合件，还包括焊接；其中，将挡板密封地连接到热交换器管的连续焊接设置在管的圆周上。

实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的挡板组合件，还包括粘合剂，所述粘合剂将所述挡板粘附且密封地连接到所述热交换器管，并且其中所述粘合剂设置在所述热交换器管通道和所述挡板之间。

实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的挡板组合件，其中所述挡板包括刚性元件，以及设置在所述刚性元件的表面上并且位于所述刚性元件和所述热交换器管之间的垫圈，其中所述垫圈在热交换器管穿过挡板的位置处将所述挡板密封到热交换器管。

实施方案11：实施方案10的挡板组合件，其中垫圈通过粘合剂附接到刚性元件。

实施方案12：根据实施方案10至11中任一项所述的挡板组合件，还包括保持器，所述保持器通过紧固件附接到所述刚性元件，并且其中所述垫圈设置在所述刚性元件和所述保持器之间。

实施方案13：实施方案10至12中任一项的挡板组合件，其中垫圈包含弹性体。

实施方案14：实施方案10至13中任一项的挡板组合件，其中弹性体是乙烯丙烯二烯单体。

实施方案15：根据实施方案10至14中任一项所述的挡板组合件，其中所述垫圈包括金属板，所述金属板的最大厚度在0.002毫米至6毫米之间。

实施方案16：根据实施方案1至15中任一项所述的挡板组合件，其中挡板组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地密封地穿过挡板。

实施方案17：根据实施方案1至16中任一项所述的挡板组合件，其中所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管。

实施方案18：实施方案1-17中任一项的挡板组合件，其中挡板组合件包括多个挡板，并且其中每个热交换器管密封地穿透每个挡板。

实施方案19：根据实施方案1至18中任一项所述的挡板组合件，其中所述多个挡板包括3至100个挡板。

实施方案20：根据实施方案1至19中任一项所述的挡板组合件，其中所述挡板具有5至10,000的纵横比，其中所述纵横比是所述挡板的主表面的最大尺寸除以所述挡板的厚度。

实施方案21：根据实施方案1-20中任一项所述的挡板组合件，其中所述挡板组合件包括多个挡板，所述挡板包括至少一个盘形挡板和至少一个环形挡板。

实施方案22：根据实施方案1至21中任一项所述的挡板组合件，其中流过挡板组合件的流体遇到盘形挡板和环形挡板的交替路径。

实施方案23：一种热交换器，包括：压力容器；和设置在压力容器中的挡板组合件，例如实施方案1至22中任一个所述的挡板组合件，挡板组合件包括第一管板，与第一管板相对的第二管板，连接第一管板和第二管板的热交换器管，设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管穿过挡板。

实施方案24：实施方案23的热交换器，其中压力容器的内表面和挡板的边缘表面之间的最大距离在0厘米和3厘米之间。

实施方案25：实施方案23-24中任一项的热交换器，还包括连续焊接，其将环形挡板密封地连接到压力容器。

实施方案26：实施方案23-25中任一项的热交换器，其中将环形挡板密封地连接到热交换器管的连续焊接设置在挡板的周边上。

实施方案27：根据实施方案23至26中任一项所述的热交换器，还包括粘合剂，所述粘合剂将所述挡板粘附且密封地连接至所述压力容器，并且其中所述粘合剂设置在所述挡板的周边上。

实施方案28：根据实施方案23至27中任一项所述的热交换器，其中所述挡板包括刚性元件和设置在所述刚性元件的表面上的垫圈，其中所述垫圈在环形挡板的周边上将所述环形挡板密封到所述压力容器。

实施方案29：实施方案28的热交换器，其中垫圈通过粘合剂附接到刚性元件。

实施方案30：根据实施方案28至29中任一项所述的热交换器，还包括保持器，所述保持器通过紧固件附接到所述刚性元件，并且其中所述垫圈设置在所述刚性元件和所述保持器之间。

实施方案31：实施方案28至30中任一项的热交换器，其中垫圈包含弹性体。

实施方案32：实施方案31的热交换器，其中弹性体是乙烯丙烯二烯单体。

实施方案33：实施方案28至32中任一项的热交换器，其中垫圈包括最大厚度在0.002毫米至6.35毫米之间的金属板。

实施方案34：实施方案23至33中任一项的热交换器，其中热交换器管密封地穿过挡板，其中挡板包括环形挡板，并且其中环形挡板的第一侧和第二侧之间的流体连通是穿过挡板的环，例如，唯一地通过挡板的环。

实施方案35：实施方案23至34中任一项的热交换器，其中热交换器管密封地穿过挡板，其中挡板包括盘形挡板，并且其中盘形挡板的第一侧和第二侧之间的流体连通是越过挡板的周边，例如，唯一地越过挡板的周边。

实施方案36：实施方案23至35中任一项的热交换器，其中热交换器管的外表面与挡板之间的最大距离在0厘米至3厘米之间。

实施方案37：根据实施方案23至36中任一项所述的热交换器，还包括连续焊接，其将挡板密封地连接至热交换器管。

实施方案38：根据实施方案23至37中任一项所述的热交换器，其中将挡板密封地连接到热交换器管的连续焊接设置在管的圆周上。

实施方案39：根据实施方案23至38中任一项所述的热交换器，还包括粘合剂，所述粘合剂将所述挡板粘附且密封地连接到所述热交换器管，其中所述粘合剂在所述热交换器管穿过挡板的位置处设置在所述热交换器管和所述挡板之间。

实施方案40：根据实施方案23至39中任一项所述的热交换器，其中所述挡板包括刚性元件和设置在所述刚性元件的表面上的垫圈，其中所述垫圈在热交换器管穿过挡板的位置处将所述挡板密封到所述热交换器管，并且其中垫圈在挡板周边上将挡板密封到压力容器。

实施方案41：实施方案40的热交换器，其中垫圈通过粘合剂附接到刚性元件。

实施方案42：根据实施方案40至41中任一项所述的热交换器，还包括保持器，所述保持器通过紧固件附接到所述刚性元件，并且其中所述垫圈设置在所述刚性元件和所述保持器之间。

实施方案43：实施方案40至42中任一项的热交换器，其中垫圈包含弹性体。

实施方案44：实施方案40至43中任一项的热交换器，其中弹性体是乙烯丙烯二烯单体。

实施方案45：实施方案40至44中任一项的热交换器，其中垫圈包括最大厚度在0.002毫米至6毫米之间的金属板。

实施方案46：根据实施方案23至45中任一项所述的热交换器，其中，热交换器组合件包括多个热交换器管，并且其中每个热交换器管独立地并且穿过挡板。

实施方案47：实施方案46的热交换器，其中所述多个热交换器管包括50至5000个热交换器管。

实施方案48：实施方案23至47的热交换器，包括多个环形挡板和/或盘形挡板，其中每个挡板密封地设置在第一管板和第二管板之间。

实施方案49：实施方案23至48中任一项的热交换器，其中热交换器包括多个环形挡板和/或盘形挡板，并且其中每个热交换器管穿过每个挡板。

实施方案50：根据实施方案23至49中任一项所述的热交换器，其中所述多个挡板包括3至100个挡板。

实施方案51：根据前述实施方案中任一项所述的挡板组合件或热交换器，其中，在挡板和热交换器管之间仅基于彼此紧密接近而形成密封。

实施方案52：根据前述实施方案中任一项所述的挡板组合件或热交换器，其中所述挡板和所述热交换器管之间的区域被遮蔽80％至100％，其中所述百分比被确定为所述挡板和热交换器管之间的面积的百分比。

实施方案53：根据前述实施方案中任一项所述的挡板组合件或热交换器，其中设置在所述热交换器管和所述挡板之间的管密封允许小于或等于10vol％的穿过所述挡板的总流体流量在它们之间流动和/或其中在压力容器和环形挡板之间提供的容器密封允许小于或等于10vol％的穿过挡板的总流体流量在它们之间流动。

实施方案54：一种挡板组合件，例如前述实施方案中的任何一个的挡板组合件，包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的挡板，其中热交换器管密封地穿过盘形挡板，密封地设置在第一管板和第二管板之间的环形挡板，其中热交换器管密封地穿过环形挡板。

实施方案55：实施方案54的挡板组合件，其中盘形挡板和环形挡板从第一管板交替排列到第二管板。

实施方案56：实施方案1至55中任一项的挡板组合件，其中相邻挡板之间的间隔距离在0.2厘米至5200厘米之间。

实施方案57：实施方案1至56中任一项的挡板组合件，其中热交换器管具有第一端和相对的第二端，其中热交换器管的第一端设置在第一管板上，并且其中热交换器管的第二端设置在第二管板上，其中热交换器管的第一端的周边密封地连接到第一管板，并且其中热交换器管的第二端的周边是密封的连接到第二管板。

实施方案58：一种在热交换器中产生径向流动的方法，该方法包括：提供包括挡板组合件的热交换器，例如实施方案1-57中任一个的挡板组合件，包括压力容器壳体，该压力容器壳体包括入口和出口，完全设置在压力容器壳体中的挡板组合件，挡板组合件包括第一管板，与第一板相对的第二管板，热交换器管，其连接第一管板和第二管板；设置在第一管板和第二管板之间的至少一个盘形挡板，其中热交换器管密封地穿过挡板；密封地设置在第一管板和第二管板之间的至少一个环形挡板和/或至少一个挡板，其中热交换器管密封地穿过挡板；并且将生产流体从第一入口引导到第一出口，以提供穿过压力容器壳体的生产流体流动以产生径向流动。

实施方案59：实施方案58的方法，其中所述生产流体包含水、取代或未取代的c1至c30烃、热流体、二醇或其组合。

已经参考附图描述了本公开，附图中示出了各种实施方案。然而，本发明可以许多不同形式加以实施，并且不应视为只局限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开彻底和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相同的附图标记始终表示相同的元件。

应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者可以在它们之间存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上时，不存在中间元件。而且，元件可以在另一元件的外表面上或内表面上，因此“在...上”可以包括“在...中”和“在......上”。

应理解尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语可能仅仅用来区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。因此，在不脱离本文的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组合件”、“区域”、“层”或“部分”可以被称为第二元件、组合件、区域、层或部分。

本文所使用的术语仅仅出于描述具体实施方案的目的，并且不意图是限制性的。除非上下文中另有明确指示，否则本文所用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也意在包括复数形式。“或”表示“和/或”。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举条目中的一个或多个的任何和所有组合。还应理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”或“包括(includes)”和/或“包括(including)”用于本说明书中时，表示所描述特征、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、要素、成分和/或其组合的存在。

此外，这里可以使用诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对术语来描述一个元件与另一个元件的关系，如图中所示。将理解，相对术语意图涵盖装置的除图中所述的取向之外的不同取向。例如，如果其中一个图中的装置被翻转，则被描述为位于其他元件的“下”侧的元件将被定向在其他元件的“上”侧。因此，示例性术语“下部”可以包括“下部”和“上部”的取向，这取决于附图的特定取向。类似地，如果其中一个图中的设备被翻转，则描述为在其他元件“下方”或“下方”的元件将被定向在其他元件“上方”。因此，示例性术语“在......下方”或“在......下方”可以包括上方和下方的方向。

除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应理解，诸如常用字典中所定义的术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致的含义，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。

这里参考截面图描述了示例性实施方案，该截面图是理想化实施方案的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化。因此，本文描述的实施方案不应被解释为限于如本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的形状偏差。例如，示出或描述为平坦的区域通常可具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示的锐角可以是圆形的。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出区域的精确形状，并且不旨在限制本权利要求的范围。

所有引用的专利、专利申请和其他参考文献都通过引用整体并入本文。然而，如果本公开中的术语与并入的参考文献中的术语相矛盾或冲突，则来自本公开的术语优先于来自并入的参考文献的冲突术语。

虽然已经描述了特定实施方案，但是申请人或本领域其他技术人员可以想到当前无法预见或可能当前无法预见的替代、修改、变化、改进和实质等同物。因此，所提交的和可以修改的所附权利要求旨在涵盖所有这些替代、修改变化、改进和实质等同物。