用于抑制气体涡流的螺旋缠绕式换热器中的内部结构的制作方法

本发明涉及一种螺旋缠绕式换热器。

背景技术：

这种螺旋缠绕式换热器用于多种工艺中，例如用于乙烯或天然气工厂(简称液化天然气工厂)中。

在这种换热器的情况下，换热器的壳体空间中的冷却剂通常施加于管束，所述管束布置在壳体空间中并且包括螺旋缠绕在芯管上的管，待冷却的工业生产液流在所述管中传导。在这种情况下，冷却剂以两相状态引入到换热器中，液相在分配器中与气相分离开，并通过分配器臂分配到管束。

在换热器的操作期间，气体涡流可能发生在壳体空间中。如果这种涡流位于换热器的上部中，则在管束的上侧区域中，它们可以使从分配器臂流出的液相在横向于壳体的或管束的纵向轴线的方向上偏转，这使得液相不再能够以均匀分布的方式施加到管束上。液相或冷却剂的这种不均匀分布显著降低了换热器的有效性。

技术实现要素：

因此，在此背景下，本发明的目的在于提供一种换热器，该换热器在上述问题方面得到改进。

所述目的通过一种具有权利要求1的特征的换热器来实现。

在相应的从属权利要求中提供了本发明的有利配置，并在下面进行描述。

根据权利要求1，提供了一种用于在第一与第二介质之间进行间接热交换的换热器，具有：

-壳体，其被制成沿着纵向轴线延伸并包围壳体空间，所述壳体空间用于接收第一介质，

-多个管，其分别螺旋地缠绕到换热器的芯管上，所述芯管在壳体空间中沿着纵向轴线延伸，使得所述管形成换热器的管束，所述管束布置在壳体空间中并包括在管束的径向方向上一层位于另一层之上的多个管层，第二介质在管束中传导，使得热量可在第一介质与第二介质之间间接地交换，以及

-至少一个分配器臂，用于将第一介质的液相分配到管束的面向所述至少一个分配器臂的上侧，所述至少一个分配器臂具有与上侧相对的带有通孔的底部，使得液相可以通过所述通孔传递到管束的上侧。

然后，根据本发明，从所述至少一个分配器臂的底部的面向管束的上侧的下侧，至少一个导向元件向管束的上侧的方向突出或沿着纵向轴线朝向管束的上侧延伸，所述至少一个导向元件在管束的周向方向上至少在所述至少一个分配器臂的底部的宽度的一半上延伸和/或所述至少一个导向元件沿着纵向轴线伸到所述管束的两个管层之间的管束间隙中。

管束的所述上侧由缠绕在芯管上的管束的管的最上部管部分形成并且沿着水平面或沿着相对于纵向轴线垂直延伸的平面延伸。然而，所述上侧不必完全平坦或平行于该平面延伸，而是可以具有弯曲部和变化的高度轮廓(相对于纵向轴线)。其原因特别在于管束的所述上侧上的各个管或管部分具有圆形横截面。还特别地：在所述上侧上，管束的管的上端部分聚集成管簇，所述管簇从上侧突出并且被引导通过在周向方向相邻的分配器臂之间的间隙。在这种情况下，管簇分别终止于管片中，各个管被锚定在所述管片中，相应的管片被固定在换热器的圆柱形壳体上。由于远离管束引导的管簇，管束的上侧也会偏离水平路径。管束的管特别可以缠绕到芯管上或固定在芯管上，使得芯管可以承载管束的负载。作为对此的替代方式，管束的重量可以由所谓的支承腹板承载，所述支承腹板布置在管层之间并且与它们连接。在这种情况下，支承腹板可以突出超过管束的上侧，并且可以在那里焊接或固定在支承臂上。支承臂特别是可以固定在芯管和壳体上；因此，它们以辐条的形式将芯管和壳体在管束之上连接。在该变型的情况下，支承臂最终通过壳体承载管束和芯管。换热器中的该上部形成所谓的固定支承结构，因为壳体和芯管在此处彼此固定连接，而在换热器的底部处，芯管特别是通过滑动支承结构连接到壳体。

所述至少一个导向元件向所述管束的上侧的方向突出或朝向所述管束的上侧延伸的事实可以特别意味着，所述至少一个导向元件在管束的上侧之前或在管束的上侧处终止，优选地在导向装置与所述上侧之间具有缝隙，或者特别是足够的缝隙以避免与管束机械接触，以便保护管束避免泄漏。

还可以使得所述至少一个导向元件沿着纵向轴线突出到管束中，特别是突出到管束的两个管层之间的间隙(或多个间隙)中。这些管层可以例如是管束的在径向方向上相邻的管层。在这种情况下，所述至少一个导向元件可以在垂直于纵向轴线延伸的平面中以特定部分或在其整个长度上突出到管束中。所述至少一个导向元件可以伸入的合适间隙也可以存在于在径向方向上不直接相邻的两管层之间。因此，由于管被引出而变为簇，管层沿着壳体的纵向轴线以不同的高度终止(这些差异可以例如是100毫米至150毫米)。因此，例如在沿着周向的特定位置处，第n个管层可以高地终止，但第(n+1)个管层低，第(n+2)个管层再次高。也可以使用每隔一(这里高于第(n+1)个管层)之间的这些间隙。

在本文描述的实施例中，特别是关于其中相应的导向元件不是形成为管的那些实施例，可以使得：相应的导向元件沿轴向方向、即沿着纵向轴线不是向下延伸至管束的上侧或更远(例如进入管束的间隙)，而是在上侧之上终止。在这种情况下，相应的导向元件可以在管束的上侧与相应的分配器臂的底部的下侧之间的垂直距离的至少70％、特别是至少80％、特别是至少90％、特别是至少95％或特别是至少99％上延伸。

在所有实施例中，所述至少一个导向元件优选地与芯管独立地形成，即换句话说，芯管不被理解为意指从所述至少一个分配器臂的底部突出的导向元件。

所述至少一个导向元件被形成为防止第一介质的气相和/或液相在管束的上侧上的横流动(例如由于气体涡流)，或者由于其相对于管束的上侧的布置而执行该功能。这里这样理解，横流动特别是在沿着管束的上侧延伸的方向上发生的流动，或者其方向具有至少一个垂直于纵向轴线延伸的分量。

在这种情况下，导向元件可以保护液相免受气体涡流的影响，特别是免受管束的上侧上的横流动的影响，或通过其在所述至少一个分配器臂的底部与管束的上侧之间的布置，抑制或至少减少这种横流动，使得液相可以通过跟随重力在向下方向上直接分布。

根据本发明的一个特别优选的实施例，所述至少一个导向元件形成为导向板、特别是挡板，所述导向板特别通过上周边区域连接到所述至少一个分配器臂的底部，如上所述，相对的下周边至少向下延伸到管束的上侧。所述至少一个导向元件或导向板优选垂直地设置在所述至少一个分配器臂的底部的下侧上。导向板特别是形成没有孔/洞的封闭表面区域。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个导向元件沿着管束的周向方向延伸，并且还特别是沿着壳体的纵向轴线延伸。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个分配器臂具有两个侧壁，所述两个侧壁在管束或壳体的周向方向上彼此相对，并且分别沿着管束的径向方向从内向外朝向换热器的壳体延伸，而且还分别沿着纵向轴线从底部向上到达所述至少一个分配器臂的顶盖。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个导向元件沿壳体或管束的周向方向从一个侧壁延伸到另一个侧壁。换句话说，这意味着导向元件在相应的分配器臂的底部的整个宽度上沿周向方向延伸。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个导向元件在垂直于纵向轴线延伸的平面中具有弯曲部，特别是具有恒定曲率半径的弯曲部，使得特别是导向元件的面向芯管的内侧总体上与纵向轴线保持恒定的距离。因此，在本实施例中，所述至少一个导向元件具有至少面向芯管的凹入弯曲的内侧以及背离芯管或内侧的具有凸曲率的外侧。

此外，所述至少一个导向元件或相应的导向元件的所述曲率半径可以位于管层的沿径向方向更靠内的管的曲率半径与管层的沿径向方向更靠外的管的曲率半径之间。

根据本发明的一个实施例，换热器具有多个导向元件，所述导向元件分别从所述至少一个分配器臂的底部的面向所述管束的上侧的下侧向管束的上侧的方向突出或者沿着纵向轴线朝向管束的上侧延伸(也参见上文)，所述导向元件分别在管束的周向方向上至少在所述至少一个分配器臂的底部的宽度的一半上延伸和/或所述导向元件分别沿着纵向轴线突出到所述管束的两管层之间的管束间隙中。

这些多个导向元件特别可以是多个上述(特别是弯曲的)导向板，这些导向板可以分别特别是以下周边设置在相邻的管层之间的间隙中。

换热器当然也可以具有多个分配器臂，所述分配器臂分别沿径向方向从芯管朝向壳体延伸，在壳体的周向方向上每两个相邻的分配器臂之间存在居间空间，通过所述居间空间，管束的管或管簇被引导经过分配器臂到达指定的管片，所述管片被固定在壳体上。原则上，可以在所有分配器臂上设置至少一个或两个以上根据本发明的导向元件。

所述至少一个分配器臂或相应的分配器臂可以具有(相对于水平面或垂直于纵向轴线延伸的平面)圆扇形的形式的横截面，即像一块饼的形式。相应地，分配器臂的相应的底部优选以圆扇形的形式相应地形成。

如果提供多个导向元件，特别是导向板(参见上文)，则优选地，导向元件在径向方向上彼此相邻地布置，沿着所述径向方向，所述至少一个分配器臂从芯管朝向壳体延伸。特别地，在这种情况下，所有导向板都可以沿着壳体的周向方向延伸，特别是沿着底部的下侧从相关分配器臂的一个侧壁延伸到另一个侧壁。在这种情况下，各个导向元件或导向板可以分别突出到管束的相邻管层之间的间隙中。

在径向方向上更靠内的导向板、即更靠近芯管的导向板在壳体的周向方向上的长度可以比更靠外的周边板的相应长度小，例如如果相应的分配器臂具有圆扇形的形式的横截面(参见上文)并且相应的导向板从相关分配器臂的一个侧壁延伸到该分配器臂的另一个侧壁。

在一个替代性的实施例中，所述至少一个导向元件或多个导向元件分别形成为与底部的指定的通孔流体连接的管。在这种情况下，相应的管可以邻接相应的分配器臂的底部的指定的通孔。特别地，相应的分配器臂的每个通孔可以以上述方式连接到这种管。还可以想到的是，提供多个管作为导向元件，多个通孔通向同一管中，此时所述管具有相应更大的直径。

在这种情况下，管不一定必须具有圆形横截面。相反，这里导向元件也可以分别由在纵向轴线的方向上延伸的通道形成，其中壁围绕所述通道延伸，所述通道与底部的至少一个通孔流体连接。

根据另一替代性的实施例，所述至少一个导向元件形成多个通道，所述多个通道在纵向轴线的方向上延伸并且具有相应的壁，相邻的通道形成共用的壁或相邻的通道的壁彼此相邻，相应的壁限界壳体空间的在所述至少一个分配器臂的底部与所述管束的上侧之间的区域，所述至少一个分配器臂的底部的至少一个通孔通到所述区域中。

在这种情况下，根据一个实施例，通道以n边形的横截面形成，其中，n大于或等于3，特别是4或6。因此，通道可以特别以矩形(n＝4)或蜂窝状(n＝6)的横截面形成。根据本发明的一个实施例，还可以使所述至少一个导向元件由沿着所述底部的周边延伸并包围壳体空间的在所述至少一个分配器臂的底部与管束的上侧之间的区域的壁形成，所述至少一个分配器臂的底部的通孔通到所述区域中。所述壁可以特别地从芯管沿着所述周边在径向方向上延伸至分配器臂的端面壁，从那里沿壳体的周向方向延伸到分配器臂的相对侧壁并且从那里沿着径向方向延伸返回到芯管。

换句话说，在本实施例的情况下，特别是沿纵向轴线的方向延伸的通道因此由壁限界，壁可以从分配器臂的底部突出沿纵向轴线的方向形成分配器臂的侧壁的延续部分。

附图说明

通过以下参考附图对示例性实施例的附图的描述来解释本发明的进一步细节和优点，其中：

图1示出了根据本发明的具有从换热器的分配器臂的底部的下侧突出的导向板的形式的导向元件的换热器的示意性剖视图；

图2示出了图1中所示的换热器的底部的下侧的示意性俯视图；

图3示出了图1和2所示类型的根据本发明的换热器的透视、局部剖视图；

图4示出了根据本发明的换热器的底部的下侧的示意性俯视图，其中，蜂窝状的导向元件从所述下侧突出；

图5示出了根据本发明的换热器的底部的下侧的示意性俯视图，其中，具有矩形单元的导向元件从所述下侧突出；

图6示出了根据本发明的换热器的底部的下侧的示意性俯视图，其中，具有沿着底部延伸的壁的导向元件从所述下侧突出；

图7示出了图6中所示的换热器的示意性剖视图；

图8示出了根据本发明的换热器的底部的下侧的示意性俯视图，其中，管状导向元件从所述下侧突出；以及

图9示出了图8中所示的换热器的示意性剖视图。

具体实施方式

图1结合图2和3示出了根据本发明的用于在第一与第二介质m、m'之间进行间接热交换的换热器的一个实施例。换热器1具有：壳体5，所述壳体5被制成沿着纵向轴线z延伸并包围用于接收第一介质m的壳体空间6；以及多个管30，所述管30分别螺旋地盘绕到换热器1的芯管300上，所述芯管300在壳体空间6中沿着纵向轴线z延伸，使得管30形成换热器1的管束3，所述管束3布置在壳体空间6中并且包括在管束3的径向方向r上一层位于另一层之上的多个管层32，第二介质m'在管束3中传导，使得热量可在第一介质m与第二介质m'之间间接地交换。第二介质m'可以特别地通过设置在壳体5上的至少一个接嘴(图3中未示出)引入到管束3中，并且可以通过设置在壳体5上的至少一个接嘴4从管束3中抽出。管束3也可以被护套7包围，所述护套7用于减少壳体空间6中的旁路流动(经过管束3)。

换热器1还具有至少一个分配器臂21，优选地具有多个分配器臂21，其用于将第一介质m的液相f分配到管束3的面向相应的分配器臂21的上侧3a，相应的分配器臂21具有与上侧3a相反的带有通孔205的底部200，从而使得液相f可以通过通孔205传递到管束3的上侧3a。与图3的不同之处在于，为了简单起见，图2、4、5、6和8分别仅示出了一个分配器臂21。

相应的分配器臂21特别沿径向方向r从芯管300突出，所述相应的分配器臂21垂直于纵向轴线z设置并且优选地与所述芯管300流动连接。芯管300又从预分配器20突出，所述预分配器20布置在管束3和分配器臂21之上并且第一介质m收集在所述预分配器20中并且特别是在所述预分配器20中脱气。液相f可以相应地从预分配器20流入到芯管300中并随后流入到相应的分配器臂21中。作为不通过芯管300的方式，液相f也可以通过环形通道供给到相应的分配器臂21中，所述环形通道例如围绕壳体5的内部延伸。然后，从相应的分配器臂21的底部200的面向管束3的上侧3a的下侧200a，至少一个导向元件22向管束的上侧3a的方向突出，从而，分别沿着纵向轴线z朝向管束3的上侧3a延伸。优选地，所述至少一个导向元件22沿管束3的周向方向u延伸至少超过所述至少一个分配器臂21的底部200的宽度b的一半(参见图2)。

根据图1至3中所示的实施例，提供许多这样的导向元件22，其分别形成为导向板。在这种情况下，相应的导向板22通过上周边区域221相对于垂直定位的纵向轴线z连接到相应的分配器臂21的底部200的下侧200a，相应的导向板22的相反的下周边区域222在管束3的上侧3a处终止，或者如图1所示，分别伸入到在径向方向r上一层位于另一层之上的两管层32之间的间隙31中。如上面已经提到的，这可以是相邻管层32之间的间隙31或者两管层32之间的一些其它凹陷/间隙，例如管层之上的间隙，其与两侧是相邻的两管层相比，其位于较低水平，因此，代表的是间隙。优选地，避免相应的导向元件22与管束3之间的机械接触，以便降低管束3泄漏的风险。

导向元件或导向板22优选地在径向方向r上彼此相邻地布置，相应的分配器臂21沿着所述径向方向r从芯管300朝向壳体5延伸，通孔205中的一个或两个以上分别通向在径向方向r上相邻的两个导向板22之间的居间空间，使得液相f可以排出到管束3的上侧3a之上的相应居间空间中。

以这种方式构造的导向元件22在这种情况下用于防止第一介质m的气相g在管束3的上侧3a上或沿着管束3的上侧3a或沿着径向方向r横流。结果，液相f可以通过分配器臂21沿着纵向轴线z在向下方向上不受干扰地排放，并且防止了液相f的不均匀分布。

从图1至图3中可以看出，相应的导向板22优选地沿着管束3或壳体5的周向方向u延伸，并且在这种情况下优选地具有弯曲路径(特别是具有曲率半径r')，使得相应的导向板22的凹入弯曲侧面向芯管300，而相应的凸出弯曲侧在向外方向上面向壳体5。

相应的分配器21还具有两个侧壁203、204，所述侧壁203、204在管束3或壳体5的周向方向u上彼此相对，分别沿着管束3的径向方向r从内侧向外侧朝向换热器1的壳体5延伸并且分别沿着纵向轴线z从相应的分配器臂21的底部200的周边200b向上突出。

相应的分配器臂21还具有端面壁201，所述端面壁201在径向方向r上与壳体5相对并且将两个侧壁203、204彼此连接。在向上的方向上，相应的分配器臂21优选地由顶盖206封闭，所述顶盖206连接到相应的侧壁203、204和端面壁201并且朝向芯管300向上倾斜，使得第一介质m的气相g可以沿着脊206上升到芯管300。

还优选地(特别参见图2)，相应的导向元件22在相应的分配器臂21的底部200的下侧200a上沿周向方向u从一个侧壁203延伸到另一个侧壁204(也就是说，在底部200在周向方向u上的整个宽度b上延伸，底部200的宽度b可以在径向方向r上变化，特别是在以圆扇形的形式的底部200的情况下)。

在壳体5的周向方向u上相邻的每两个分配器臂21之间存在间隙，管束3的由管30的端部形成的管簇33通过所述间隙分别被引导经过分配器臂21到达指定的管片34，所述管片34分别被固定在壳体5上。

图4示出了本发明的另一实施例，其中，接续的导向元件22分别从相应的分配器臂21的底部200的下侧200a朝管束3的上侧3a的方向延伸。相应的导向元件22形成多个通道22a，所述通道22a分别沿着纵向轴线z延伸，相应的通道22a被环绕壁22b包围并且分别限界出壳体空间6的在所述至少一个分配器臂21的底部200与管束3的上侧3a之间的区域b'，所述至少一个分配器臂21的底部200的至少一个通孔205通到所述区域b'中。

各个环绕壁22b以特别是六边形的横截面(平行于相应的底部200延伸的横截面)形成并且分别连接到相邻的壁22b，从而使得相应的导向元件22总体上形成蜂窝结构，从图4可以看出。因此，各个通道22a与相邻的通道22a共用它们相应的环绕壁22b。

图5示出了图4中所示的导向元件22的改型，这里，与图4的不同之处在于，各个通道22a的上面定义的横截面具有矩形形状。在图4和5中，通道22a可以在相应的底部200的下侧200a的周边200b处偏离六边形或矩形形状(特别是由于分配器臂21的底部200优选以圆扇形的形式构造)。

图6结合图7示出了根据本发明的导向元件22的另一实施例，其中，所述至少一个导向元件22由壁22形成，所述壁22沿着底部200的外周边200b延伸并从指定的分配器臂21的底部200的下侧200a处向所述管束3的上侧3a的方向突出。所述壁或所述导向元件22在此具有第一部分22c，所述第一部分22c在径向方向r上从芯管300向外延伸到指定的分配器臂21的端面壁201。从那里，壁22的连接到壁22的第一部分22c的第二部分22d沿周向方向u延伸到底部200的周边200b的相对部分并且在那里连接到壁22的第三部分22e，壁22的第三部分22e沿着径向方向r延伸回到芯管300。因此，导向元件22包围壳体空间6的在指定的分配器臂21的底部200与管束3的上侧3a之间的区域b'，相应的分配器臂的底部200的通孔205通到所述区域b'中。在这种情况下，壁22的各个部分22c、22d、22e特别通过上周边区域221连接到相应的底部200的下侧200a，而相应的相对的下周边区域222沿着管束3的下侧3a延伸。在这种情况下，相应的相对的下周边区域222也可以通过特定部分伸到管束3的一个或两个以上间隙中。

根据图8和图9中所示的另一实施例，相应的分配器臂21具有多个导向元件22，所述导向元件22在此分别被配置为具有绕环壁220的通道22，可以使相应的通道22由具有特别是圆形横截面的管22形成，相应的管22或相应的通道22从相应的分配器臂21的底部200的下侧200a突出。在这种情况下，相应的分配器臂21的底部200的通孔205分别通到管22中的一个中。管22分别沿着纵向轴线z向下延伸到管束3的上侧3a并在上侧3a处终止或者分别将一端伸到管束3的间隙中，例如存在于两个管层32之间的间隙31中。

附图标记列表