CN101918783A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统、方法以及装置，所述装置包括：热交换器，其具有管箱，所述管箱带有冷却剂入口和冷却剂出口；以及多根管，其内部与所述管箱流体连接。在一些实施例中，所述多根管和所述管箱构造为可容纳在压缩机的机罩中。

Description

热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年12月13日提交的发明名称为“热交换器”的美国非临时专利申请号11/956,139的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。

背景技术

此部分的目的是向读者介绍可能涉及到以下说明和/或要求的本发明各方面的各方面技术。相信该论述将有助于提供给读者背景信息以便更容易地理解本发明的各方面。相应地，应该理解这些阐述仅供在此参考，而不列入现有技术。

压缩机通常采用热交换器来降低被压缩流体的温度。随着压缩流体，流体温度通常升高。然而，通常不希望温度升高，因为这样会降低压缩机的效率。因而，为了降低温度，被压缩流体通常通向热交换器。

某些类型的热交换器由于腐蚀而使维护费用较昂贵。特别是，已知腐蚀产物的累加会影响液冷式热交换器。这些装置通过使高温流体经过输送较低温度液体的导管来去除较高温度流体的热量。然而，冷却液会腐蚀导管，从而阻碍冷却液的流动。例如，有些水冷式热交换器使用一段时间后生锈而损坏。高温被压缩流体流经浸入水中的管道的浸水式(water-in-shell)设计尤其容易被腐蚀。周围的水通常置于壳体中，由此可能使壳体和管道的外表受到腐蚀。腐蚀会带来昂贵的维护程序：在一些情况下，更换、再加工或用化学方法清洁被腐蚀部分。这些程序均会导致一段时间内压缩机不运转并且增加压缩机的维护成本。

附图说明

当参考附图阅读以下的详细说明时，将会更好的理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中所有附图中相同的附图标记表示相同的部分。

图1是流体传递系统的实例的截面图；

图2是热交换器的实例的透视图；

图3是图2的热交换器的分解图；

图4是图2的热交换器中的管的放大透视图；

图5是图2的热交换器中的管的另一放大透视图，其中示出了另一种连接管的方式；

图6是安装在图1的流体传递系统的组件中的图2的热交换器的截面图；

图7是热交换器的第二实例的透视图；以及

图8是热交换器的第三示例的透视图。

具体实施方式

下面将说明本发明的一个或多个具体实施例。这些所说明的实施例仅是本发明的示例性实施例。另外，为了简洁地说明这些示例性实施例，不会在说明书中说明实际实施方式的所有特征。应该理解在任何这样实际实施方式的研发过程中，如在任何工程项目或设计项目中，必须确定大量实施方式细节以达到研发者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关要求等，其随着实施方式不同而不同。此外，应该理解这种研发工作将是复杂而耗时的，但对于那些受益于本公开的普通技术人员而言不过是设计、加工和制造的例行程序而已。

图1示出了流体传递系统10的实例。所示出的系统10包括具有热交换器14的压缩机12，在一些实施例中该热交换器14可以缓解上述的一些问题。在说明流体传递系统10的其他特征之后，再来说明热交换器14。系统10还可包括待压缩流体源16、被压缩流体目的地18、冷却剂源20以及发动机22。在一些实施例中，压缩机可以是由北卡罗莱纳州戴维森英格索兰公司(lngersoll Rand ofDavidson，North Carolina)(或其他一些国内或国际机构)制造的压缩机，可以是诸如CENTAC II族(例如，1ACII、2CC、2ACII、2CII、3CII和5CII)压缩机或CENTAC CV族(例如，CV0、CV1、CV1A和CV2)压缩机等压缩机，但不限于这些压缩机。

在本实施例中，除了热交换器14之外，压缩机12包括入口24、上游腔室26、叶轮28、下游腔室30和出口32。所示的入口24、上游腔室26、叶轮28、下游腔室30和热交换器14大致沿压缩机12的中心轴线34旋转对称。在本实施例中，上游腔室26限定与中心轴线34大致同心的大致直圆筒体腔，并且下游腔室30限定与中心轴线34大致同心的大致环形体腔并且设置成至少部分在上游腔室26周围。所示叶轮28包括多个叶片并且串联地布置于上游腔室26和下游腔室30之间。如下所述，叶轮28构成为绕中心轴线34旋转以便压缩在上游腔室26和下游腔室30之间流动的流体。下游腔室30可包括构造为将飞离叶轮28的流体的动能转换成压能的扩压器36。下游腔室30还可包括构造为去除来自热交换器之后的被压缩流体的冷凝物的不锈钢除湿器38。这些组件36和38也可以沿中心轴线34大致旋转对称或大致与中心轴线34同心。

源16可以是多种流体源中的任一种。例如，源16可以是大气、压力容器、反应容器、管道或另一压缩机的出口。流体可以是多种流体中的任一种，包括空气和其他工业废气，例如氮或甲烷。在一些实施例中，流体可以是用于驱动生产线上的一个或多个机器或工序的工厂空气或压缩空气，该生产线例如为用于制造纺织品、食品、饮料、汽车、医药品、化学制品、电子设备、航天设备、工业气体、石油产品的生产线。另外，流体可用于水处理、造雪或发电。相应地，目的地18可以是压力容器、反应容器、管道、空气装置或另一压缩机的入口。

在本实施例中，冷却剂源20经由冷却剂入口40和冷却剂出口42连接到热交换器14。冷却剂源20构造为对热交换器14提供诸如液体等冷却流体。在一些实施例中，冷却剂源20提供水、甲醇、乙二醇、丙二醇及其组合或其他冷却剂。进入冷却剂入口40的冷却剂的温度可以大致低于进入热交换器14的被压缩流体的温度。

所示叶轮28经由主动齿轮间接连接到发动机22。发动机22可包括多种构造为输出旋转动能的装置。例如，发动机22可以是电动机、汽轮机、燃气涡轮或内燃机。在本实施例中，发动机22与从动齿轮(未示出)连接，进而驱动支撑叶轮28的主动齿轮。在一些实施例中，发动机22可以构造成输出400马力到5000马力，例如，所示发动机构造成输出大约700马力。

在运转过程中，压缩机12接收来自源16的流体，压缩流体，去除流体的热量，去除流体的水分，然后将流体输出到目的地18。开始该程序，流体通过入口24流入，并沿着上游腔室26到达叶轮28。流体撞击叶轮28的旋转叶片，进而朝向扩压器36将流体从中心轴线34沿径向向外驱动。然后将流体减速并由扩压器36压缩。在离开扩压器36之后，流体在下游腔室30中转过90度，由此流体流动的方向相对于流经上游腔室26的流体流动方向反向。被压缩流体流入热交换器14，如以下参考图2-4的说明，热交换器14通过交换被压缩流体与来自冷却剂源20的冷却剂之间的热量来去除被压缩流体中的热能。接下来，被压缩且冷却后的流体流过除湿器38，除湿器38去除流体冷却时可能形成的冷凝物。离开除湿器28之后，被压缩流体通过出口32流出到目的地18。

图2和图3示出了热交换器14的细节。图2示出了装配好的热交换器14，并且图3示出了热交换器14的局部分解图。在本实施例中，热交换器14包括管箱46、管组48和50、集管板52和54、衬垫56和58以及管箱盖60。

如图3所示，所示管箱46包括冷却剂入口40、冷却剂出口42和隔板62。在本实施例中，隔板62是将管箱内部分割成上游体腔66和下游体腔68的部件。上游体腔66与冷却剂入口40直接流体连通，并且下游体腔68与冷却剂出口42直接流体连通。所示管箱46限定大致直角棱柱体腔，其具有大致梯形端面70和弯曲的基底72。管箱46的一个壁74包括布置成使下游体腔68与管组48形成流体连通的多个孔。在本实施例中，管箱46包括冷却剂入口40、冷却剂出口42和管箱46的主体之间的密封件。管箱46可以由铝、不锈钢或其他适当的材料制成。

在本实施例中，管组48和50包括多根管76。所示管76沿大致半圆弧延伸并且以不同的半径弯曲。管组48和50中各根管76可以绕中心轴线34弯曲，从而装配好的热交换器14大致与中心轴线34同心。管组48和50的弯曲限定热交换器14的中央通道77。管组48和50沿相反的方向弯曲，大致形成相对的C形，并且大致对称。管76可以由铜、铝或其他适当的材料制成，如以下参考附图4的说明，管76可沿着其长度方向包括多个散热片。管组48的内部与管箱46的下游体腔68直接流体连通，并且管组50的内部与管箱46的上游体腔66直接流体连通。也就是说，管组48和50连接到隔板62相反的两侧。

通过集管板52和54以及衬垫56将管组48和50接合在一起。这些组件52、56和54均具有大致相互对准且与管组48和50大致对准的孔78、80和82。在一些实施例中，孔78、80和82可以各行错开地排列成六角点阵，或者可以各行各列大致对齐地排列成正方点阵。在本实施例中，集管板52和54以及衬垫56大致是平坦的且大致限定长方体。集管板52和54可以由被切削或冲压的不锈钢、铝或其他适当的材料制成，并且衬垫56可以由金属、硅树脂、聚合物、氯丁二烯橡胶或其他适当的材料制成。

管箱盖60除了与管组50的另一端连接之外大致类似于集管板54。因而，在本实施例中，管箱盖60包括大致与管组50中的管76对准的多个孔。管箱盖60与集管板54形成角度84，该角度的范围可以是165～188度。

衬垫58大致为平坦的并且大致尺寸与管箱46的侧边吻合。在本实施例中，衬垫58包括限定大致长方体的孔86。衬垫58可以由金属、硅树脂、聚合物或其他适当的材料制成。

装配时，将热交换器14可容纳在具有直径59的直圆筒体腔中。可以参考压缩机12的型式来选择直径59。在各种实施例中，直径59可以处在12到30英寸之间，例如大约18英寸。然而，在其他实施例中，热交换器14可以构造为可容纳在不同形状或尺寸的体腔中。

图4和图5是管箱盖60和管76的放大的剖开透视图。如图所示，各根管76大致与管箱盖60的表面垂直，在该表面附近管76接合到管箱盖60。在图4的实施例中，通过可被焊接或锡焊的接合点90将管76与管箱盖60接合。作为另一种选择，或另外，在图5的实施例中，通过螺纹连接件92将管与管箱盖60接合。管76可以类似地接合到管箱46以及集管板52和54。管76也可在与管箱46以及集管板52和54接合处附近大致与这些组件垂直。

在本实施例中，各根管76包括散热片88。所示散热片88沿着管76的长度方向串联地按一定的间隔隔开，并且分别限定与管76大致同心的大致环形体88。散热片88的侧面可以由法向量90来表征，该法向量90大致与中心轴线34垂直并且大致与管76相切。在其他实施例中，散热片88可以具有不同的形状或可以省略散热片88，这不是暗示也不可以省略文中所讨论的其他任何特征。

图6是安装在压缩机12的被称为机罩94的组件中的热交换器14的截面。在本实施例中，机罩94包括将上游腔室26和下游腔室30分开的主气管96。主气管96可以由钢、不锈钢、青铜、黄铜或其他适当的材料制成。如图所示，热交换器14设置在下游腔室30中。机罩94可以由铸铁、钢或其他适当的材料制成。

在运转过程中，热交换器14去除流过机罩94的流体的热能。如箭头98所示，高温的被压缩流体流入机罩94。在一些实施例中，流体是处在100到500华氏温度之间的空气。流体在管76的散热片88之间流动，并且散热片88和管76将热量从流体中传导出去。同时，冷却剂流经管76以便排散从被压缩流体去除的热量。冷却剂可以是处在50到150华氏温度之间或是低于流体100的温度的一些其他温度的水。如箭头100所示，冷却剂流入冷却剂入口40，并且隔板62大致阻挡冷却剂直接流到冷却剂出口42。相反，在本实施例中，冷却剂流过管箱盖60并进入管组50。在流经管组50的同时，冷却剂从管76抽取热量。当冷却剂到达集管板54时，随着流体流经集管板54、衬垫56和集管板52并进入管组48，冷却剂流经孔82、80和78。接下来，在流回到管箱46的下游体腔68之前，冷却剂流经管组48并去除管76的热量。最后，冷却剂流出冷却剂出口42，并且在一些实施例中，冷却剂流回到冷却剂源20。在一些实施例中，冷却剂源20包括另一个热交换器以便在使用过的冷却剂与大气之间交换热量。在这些实施例中，冷却剂可以被再冷却并循环回热交换器14。在被压缩流体流过热交换器14之后，如箭头104所示，流体可以流经机罩94并流出压缩机12。

在一些实施例中，热交换器14可以比传统设计更容易维护。因为冷却剂与机罩94分离，所以机罩94不会被冷却剂腐蚀。结果，在一些实施例中，可以避免从机罩94消除腐蚀产物的昂贵操作。此外，在一些实施例中，可以相对容易地清洁热交换器14。为了清洁管组48和50的内部，可以拆开集管板52和54以及管箱盖60从而将管组50与管组48分离。然后可以用钢丝刷或化学品来清洁管76的内部。作为另一种选择，在一些系统中，热交换器14可以为一次性的，当热交换器14被腐蚀时，可以用新的热交换器14替换。

可设想热交换器14的几种变型。因为冷却剂在流出之前仅绕热交换器14流经一次，因此将热交换器14称为单程热交换器。也就是说，在所示实施例中，冷却剂不是多次流经各个管组48或50。然而，在其他实施例中，热交换器14可以是多程热交换器，并且冷却剂在流出之前可以多次流经各个管组48和50。

图7示出了热交换器114的第二实例。所示热交换器114包括管组116和管箱118。在本实施例中，管组116大致呈圆形并且各端部直接与管箱118接合。所示管箱118包括引导冷却剂流经管组116的隔板。可以通过焊接、锡焊、螺纹连接件或其他适当的接合方式将管组116与管箱接合。

图8示出了热交换器214的第三实例。本实施例包括大致为U形的管组216和大致为反向定向的U形的管箱218。与其他实施例一样，所示管箱218包括引导冷却剂流经管组216的隔板，并且可以通过焊接、锡焊、螺纹连接件或其他适当的接合方式将管组216与管箱接合。

在附图中以实例示出了具体的实施例并且在文中进行了详细说明，但可以容易地对本发明进行各种修改和变型。然而，应该理解到目的不是将本发明限于所公开的特定形式。相反地，本发明将涵盖属于以下所附权利要求书所限定的本发明的主旨和范围内的所有变型、等同布置和替换。

Claims (25)

1.一种热交换器，包括：

管箱，其具有冷却剂入口和冷却剂出口；以及

多根管，其内部与所述管箱流体连通，其中所述多根管和所述管箱构造为可容纳在压缩机的机罩中。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管箱包括：

隔板；

上游体腔，其位于所述隔板的一侧并且与所述冷却剂入口直接流体连通；以及

下游体腔，其位于所述隔板的另一侧并且与所述冷却剂出口直接流体连通。

3.如权利要求1所述的热交换器，其中，

所述管箱大致为具有大致梯形基底的直角棱柱的形状。

4.如权利要求1所述的热交换器，其中，

所述多根管中的每根管具有大致沿着其长度方向的主要部分弯曲的纵向轴线。

5.如权利要求1所述的热交换器，其中，

所述多根管中的每根管具有大致弯曲成圆的至少一部分的流动路径。

6.如权利要求1所述的热交换器，其中，

所述多根管中的每根管大致与所述机罩的主气管同心。

7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多根管包括：

第一管组，其大致沿着第一C形路径弯曲并且一端与所述管箱接合；以及第二管组，其大致沿着第二C形路径弯曲并且一端与所述管箱接合，其中集管板将所述第一管组的另一端与所述第二管组的另一端接合。

8.一种方法，包括：

接收通过大致圆筒状上游通道的第一压力的气体；

利用叶轮压缩所述气体；

使被压缩气体流经设置在下游通道中的热交换器，其中，所述热交换器围绕所述上游通道设置，并且所述热交换器包括多根管，冷却剂在所述多根管中流动。

9.如权利要求8所述的方法，其中，

所述多根管中的每根管包括大致与所述被压缩气体流经所述热交换器的方向平行的多个散热片。

10.如权利要求8所述的方法，包括：

使所述被压缩气体流经设置在所述热交换器的上游的扩压器。

11.如权利要求8所述的方法，包括：

使所述被压缩气体流经设置在所述热交换器下游的除湿器。

12.如权利要求8所述的方法，其中，

所述热交换器构造为可容纳在由机罩和主气管限定的大致环形体腔中。

13.如权利要求8所述的方法，其中，

所述冷却剂是水，并且所述气体是空气。

14.如权利要求8所述的方法，包括：

使冷却剂流入与所述多根管连接的管箱的上游体腔；

使所述冷却剂流经所述多根管的第一管组；

使所述冷却剂流经将所述第一管组与所述多根管的第二管组连接的集管板；

使所述冷却剂流经所述第二管组；

使所述冷却剂流入所述管箱的下游体腔；以及

使所述冷却剂流经所述冷却剂出口。

15.一种系统，包括：

热交换器，其包括：

管组，其包括沿着大致围绕所述热交换器的中心轴线弯曲的路径延伸的多根管；

管箱，其与所述管组流体接合，并且构造为与冷却剂入口和冷却剂出口接合，其中，所述热交换器具有构造为可容纳在压缩机的气管外周的中央通道。

16.如权利要求15所述的系统，包括：

集管板，其与所述管组接合。

17.如权利要求16所述的系统，其中，

所述集管板包括大致排列成六角点阵的多个孔。

18.如权利要求15所述的系统，包括：

压缩机，其具有叶轮和机罩，其中，所述热交换器和主气管布置在所述机罩中。

19.如权利要求18所述的系统，包括：

流体源，其与所述压缩机的入口流体接合，其中，所述入口与所述主气管流体接合；

发动机，其经由轴与所述叶轮机械地接合；以及

流体目的地，其与所述热交换器的下游侧流体接合。

20.如权利要求19所述的系统，其中，

所述流体源、所述流体目的地或所述流体源和所述流体目的地两者是另一压缩机。

21.如权利要求15所述的系统，其中，

所述管组和所述管箱大致限定所述中心轴线的位置。

22.如权利要求15所述的系统，其中，

所述管组大致具有U形。

23.一种方法，包括：

从压缩机的机罩上拆下热交换器；

将第一管组与所述热交换器分离；以及

清洁所述第一管组的内部。

24.如权利要求23所述的方法，包括：

将第二管组与集管板分离，所述集管板与所述第一管组接合。

25.如权利要求23所述的方法，其中，

拆下所述热交换器的步骤包括将所述热交换器与冷却剂入口和冷却剂出口拆开。

Images