用于换热器的螺旋状管束的配置 相关申请的交叉参考
本案例要求美国临时专利申请序列号 61/225991 的优先权， 该申请在 2009 年 7 月 16 日提交 ( 代理人卷号 ： 711-283US)， 并且通过参考结合于此。
如果本申请和通过参考结合于此的一个或多个案例之间存在任何冲突或语言上 的不一致， 可能影响对本案中的权利要求的理解， 本案中的权利要求将理解为与在本例中 的语言相一致。
技术领域
本 发 明 通 常 涉 及 换 热 器， 更 特 别 地， 涉 及 壳 管 换 热 器 (shell-and-tube heat exchangers)。 背景技术 海洋热能转换 (“OTEC” ) 是用于基于温差发电的方法， 该温差存在于大的水体的 深水和浅水之间， 例如海洋、 大海、 海湾或者大而深的湖泊。OTEC 系统采用热发动机 ( 也即 基于温差发电的热动力设备或系统 )， 其热耦接在相对温暖的浅水和相对寒冷的深水之间。
适于 OTEC 的一种热发动机基于兰金循环， 其采用低压涡轮。含有低沸点的流体、 例如氨水的闭环管路与在第一换热器处的温水热耦接， 低沸点流体在那里蒸发。膨胀的蒸 气迫使通过涡轮， 驱动涡轮发动机。 在从涡轮出来之后， 蒸发的工作流体在第二换热器处冷 凝回液态， 闭环管路在那里热耦接冷水。然后冷凝的工作流体循环通过系统。
OTEC 系统示出为在技术上是可行的， 但是这些系统高的资金成本阻碍了其商业 化。换热器是 OTEC 厂资金成本的第二大贡献者 ( 最大的是离岸停泊船或平台 )。因此， OTEC 厂所需的巨大的换热器的优化是非常重要的， 并对 OTEC 技术的经济可行性具有重大 的冲击。
在 OTEC 系统中已经采用了许多类型的换热器， 包括板—翼、 板—框架与壳管换热 器。壳管换热器在 OTEC 应用中的使用特别具有吸引力， 因为它们在大容量流体流动和低的 背压上的潜力。壳管换热器包括放置在两个管板 (tube sheet) 之间并封闭在压力容器壳 中的多个管。 第一流体或气体通过所述管， 而第二流体或气体通过压力容器壳， 从而使得其 沿着管的外表面流动。热能通过管壁在第一流体和第二流体之间传送。管的端部典型地压 合或焊接到管板中。
不幸的是， 壳管换热器具有几个缺点， 从而限制了它们在海洋应用中的使用。首 先， 总的传热系数， U——其与用于 OTEC 的合理压降相关联——典型地低于 2000W/m2K。除 了其他之外， 传热效率受到如下限制 ： (1) 典型地包括在压力容器中以引起第二流体的紊 流和横流的挡板， 和 (2) 对第二流体的流速的限制， 以避免引起振动和引起机械应力的流 动力以及在管上的应变。
传统的壳管换热器的第二个缺点是它们倾向于 “生物污损” 。 生物污损减小了效率 并导致增长的维持成本 ( 尤其对于位于深水位的换热器 )。 除了其他之外， 生物污损起因于
有机物质在孔隙和裂缝中的捕获， 例如那些与按压或熔焊到管板中的管相关的那些。
传统的壳管换热器的第三个缺点是它们不是很适合于海水应用， 例如 OTEC。因为 所述管按压或熔焊到管板中， 难以确保在管里面的第一流体和在管周围流动通过该壳的海 水之间的流体隔离。 而且， 传统的壳管换热器的可靠性由于电蚀而受损， 该电蚀发生在用于 将管密封到管板上的焊接接头上。 电蚀由于包含在熔焊中的不类似的金属之间的反应而发 生。将焊接暴露在海水中加剧了电蚀。可靠性还通过在停滞流动区域中的裂缝腐蚀的可能 性而进一步降低， 即使壳管设计是为 OTEC 应用而定制的。
从历史观点上说， 为了实际考虑， 这些缺点已经把壳管换热器的尺寸和成本推动 得太高。
随着今天对能量需求的增长， 采用可再生的、 恒定的、 基本负荷的能源来源是想要 的方案。因此对 OTEC 电厂具有更新的兴趣。但是在海洋环境中具有高换热能力、 高流速、 低泵送寄生损失和长寿命的低成本 OTEC 换热器的开发仍然难以进行。 发明内容 本发明提供不具有现有技术的一些成本和缺点的换热器。 本发明的实施方式特别 好地适合用于 OTEC 系统中 ； 然而， 根据本发明的实施方式也适合用于其它换热器应用中， 例如核反应堆、 化工厂， 等等。
本 发 明 示 例 的 实 施 方 式 是 壳 管 换 热 器， 其 中 所 述 管 设 置 为 多 个 管 束 (tube bundle)， 每个包括多个用于传送第一或第二流体的管。 每个管束特征在于从第一管板延伸 到第二管板的中心轴线， 且每个管束螺旋状地缠绕在其中心轴线周围。
在 一 些 实 施 方 式 中， 管 板 和 管 由 相 同 的 材 料 制 成， 且摩擦搅动焊接 (friction-stir weld) 用于将管壁连接管板上。结果， 管壁和管板形成实质上抗电蚀 (galvanic corrosion-resistant) 的连接， 其使在管中的流体与在壳中流动在管周围的流 体相密封和隔离。
在一些实施方式中， 多个管束以六角形封闭包装的布置设置在每个管板处。
在一些实施方式中， 在每个管束内的管机械地耦接， 以限制 (inhibit) 每个管相 对于其管束内的其他管的运动。 在一些实施方式中， 在每个管束内的管机械地耦接， 以实质 上不允许 (disallow) 每个管相对于每个管束内的其他管的任何运动。
在一些实施方式中， 第一管束封闭在传送第一流体的第一罩 (shroud) 中， 而第二 管束封闭在传送第二流体的第二罩中， 该第二流体不同于第一流体和流过管自身的流体。
本发明的实施方式包括 ： 包括具有第一中心轴线的第一管束的换热器， 其中该第 一管束包括用于传送第一流体的第一多个管， 并且其中该第一管束螺旋状地缠绕在该第一 中心轴线的周围。
附图说明
图 1 描述根据本发明示例的实施方式的 OTEC 发电系统的示意图。 图 2 描述现有技术中已知的传统的壳管换热器。 图 3A 描述适于在根据现有技术的壳管换热器中使用的扭曲管。 图 3B 描述管 302 在沿着 z 方向的不同点处的一连串横截面图。图 4 描述根据本发明示例的实施方式的壳管换热器。 图 5A 描述根据本发明示例的实施方式的管束。 图 5B 描述根据本发明示例的实施方式的管束 404-I 的端视图。 图 6 描述根据本发明第一可选实施方式的管束的配置。 图 7A 描述根据本发明第二可选实施方式的管束。 图 7B 描述在绕着中心管 702 缠绕外管 704 之前的管束 700。 图 7C 描述用于形成根据本发明第二可选实施方式的管束的束组装机构。 图 8 描述用于在管束 700 形成过程中和 / 或形成后保持外管 704 和中心管 702 的引导。 具体实施方式
图 1 描述根据本发明示例的实施方式的 OTEC 发电系统的示意图。OTEC 系统 100 包括离岸平台 102、 涡轮发电机 104、 闭环管路 106、 蒸发器 110-1、 冷凝器 110-2、 船体 112、 泵 114、 116 和 124 以及管路 120、 122、 128 和 130。
离岸平台 102 是张力腿离岸平台， 其包括漂浮船体 112， 该船体包括甲板、 沉箱和 浮筒。船体通过刚性的张力腿支撑在海床 136 上面， 所述腿在配置位置 134 处锚定到海床 136 上。清楚起见， 甲板、 沉箱、 浮筒和张力腿在图 1 中未示出。 在一些实施方式中， 离岸平台 102 配置在位于不同于海洋 ( 例如湖泊、 大海等 ) 的 水体中的配置位置。在一些实施方式中， 离岸平台 102 是不同于张力腿离岸平台的离岸平 台， 例如半潜水的、 柱的、 钻进船、 自升式离岸平台、 放牧 (grazing) 厂等。如何指定、 制造和 使用平台 102， 这对于本领域技术人员是清楚的。
涡轮发电机 104 是安装在船体 112 上的传统的涡轮驱动发电机。涡轮发电机 104 响应于流体的流动而产生电能并在输出电缆 138 上提供所发的电能。
闭环管路 106 是用于将工作流体 108 传送通过蒸发器 110-1、 冷凝器 110-2 和涡轮 发电机 104 的管路。
蒸发器 110-1 是壳管换热器， 其构建用于传送在表面区域 118 中的温暖的海水和 工作流体 108 中的热， 从而引起工作流体蒸发。
冷凝器 110-2 是壳管换热器， 其构建用于将热从蒸发的工作流体 108 传送到来自 深水区域 126 的冷的海水， 从而引起蒸发的工作流体 108 冷凝回到液体形式。 蒸发器 110-1 和冷凝器 110-2 与离岸平台 102 机械地和流体地 (fluidically) 耦接。
本领域技术人员将认识到 ： 作为蒸发器或冷凝器的换热器的运行依赖于在 OTEC 系统 100 中流体地构建的方式。根据本发明的示例的实施方式的壳管换热器 ( 也即换热器 110) 在下面结合图 4 而更加详细地描述。
涡轮发电机 104、 闭环管道 106、 蒸发器 110 和冷凝器共同地形成兰金循环发动机， 其基于表面区域 118 中的水温和深水区域 126 中的水温的差值产生电能。
在典型的运行中， 泵 114 泵送液体形式的工作流体 108 通过闭环管路 106 到达蒸 发器 110-1。氨水通常用作 OTEC 系统中的工作流体 108 ； 然而， 本领域技术人员将清楚的 是， 在表面区域 118 中的水温下蒸发和在深水区域 126 中的水温下冷凝的任何流体都适于 用作工作流体 ( 受到材料可混用性限制的影响 )。
泵 116 将温暖的海水从表面区域 118 经由管路 120 抽吸到蒸发器 110 内。在典型 的 OTEC 配置中， 表面区域 118 中的水处于大约 25 摄氏度的实质上恒温下 ( 受到天气和阳 光条件的影响 )。在蒸发器 110-1 处， 来自温水的热通过工作流体 108 吸收， 这引起工作流 体蒸发。在通过蒸发器 110-1 之后， 现在稍微变冷的水经由管路 122 喷射回到海洋 140 中。 管路 122 的输出典型地位于海洋 140 中比表面区域 118 更深处 ( 也即中位区域 132)， 以避 免表面水区域中平均水温的下降。
膨胀的工作流体 108 蒸气迫使通过涡轮发电机 104， 从而驱动涡轮发电机产生电 能。产生的电能提供到输出电缆 138 上。在通过涡轮发电机 104 之后， 蒸发的工作流体进 入冷凝器 110-2。
泵 124 经由管路 128 将来自深水区域 126 的冷的海水抽吸到冷凝器 110-2 内。典 型地， 深水区域 126 在水体表面以下大约 1000 米， 在该深度， 水处于几摄氏度的实质上恒温 下。冷水行进通过冷凝器 110-2， 在那里其从蒸发的工作流体中吸热。从而， 工作流体 108 冷凝回液态形式。在通过冷凝器 110-2 之后， 现在稍微变温暖的水经由管路 130 喷射到海 洋 140 中。管路 130 的输出典型地位于海洋 140 中比深水区域 126 更浅深度处 ( 也即中位 区域 )， 以避免增加深水区域中的平均水温。 泵 114 将冷凝的工作流体 108 泵送回到蒸发器 110-1， 其在那里再次蒸发， 从而持 续驱动涡轮发电机 104 的该兰金循环。
图 2 描述现有技术已知的传统的壳管换热器。换热器 200 包括管 202、 管板 204、 挡板 206、 输入增压 208、 输出增压 210、 壳 212、 第二入口 214 和第二出口 216。换热器 200 在第一流体和第二流体之间传送热。对于旨在用于 OTEC 应用中的换热器， 第一流体典型地 为工作流体， 例如氨水， 而第二流体典型地为海水。
管 202 是由导热材料制成的笔直的未扭曲的 (non-twisted) 管道， 该材料例如为 铜合金、 不锈钢、 碳钢、 非铁铜合金、 铬镍铁合金、 镍、 哈司特镍合金和钛。工作流体在输入 218 处提供到换热器 200。输入 218 流体地连接到输入增压 208， 其将工作流体分配给每个 管 202。管 202 将工作流体传送给输出增压 210， 该输出增压 210 连接工作流体并将其提供 给输出 220。输入 218 和输出 220 典型地连接到传送工作流体的闭环管路。
管板 204 是实质上相同的板， 每个包括孔阵列， 所述孔接收一个管 202。管 202 这 样附接到管板 204 上， 例如通过燃烧 (flaring) 管的端部以将所属管机械地 “型锻” 在所述 孔内， 可选地， 铜焊、 压焊 (bonding) 或焊接用于连接所述管和管板。
管板 204 中的孔设置为二维布置， 其在管 202 之间设置分割， 该分割提供用于在壳 管换热器中的大量的管。 由于热传送主要地通过管的侧壁而发生在换热器中， 想要的是， 在 换热器中包括尽可能多的管， 以实质上最大化表面面积， 热可以通过该表面面积而在第一 和第二流体之间传送。管 202 之间的间距也必须是足够的， 以使得在管 202 周围并沿着管 202 的第二流体具有合理的流速， 而不因为流体背压的发展而减小换热器效率。
挡板 206 沿着管 202 的长度而分布， 以增加第二流体和管 202 的壁之间的相互作 用时间和长度。然而挡板 206 还限制了第二流体通过换热器 200 的流动 ； 从而增加了第二 流体的背压， 增加了第二流体必须泵送所用的力， 并减小了换热器的整个传热效率。
第一 ( 也称为工作 ) 流体通过输入增压 208 而引入到管 202。输入增压 208 典型 地铜焊或焊接到管板 204。类似的方式， 第一流体经由输出增压 210 排出管 202， 该输出增
压为典型地铜焊或焊接到其各自的管板 204 上。
壳 212 封闭了管 202 并为第二流体形成管路。壳 212 典型地螺栓连接到管板 204 上。通常地， 垫圈包含在壳和管板之间以提供流体密封。
第二流体通过第二入口 214 引入到壳 212 内并通过第二出口 216 排出换热器 200。 第二入口 214 和第二出口 216 典型地铜焊或焊接到壳 212 上。
不幸地， 传统的壳管换热器具有几个问题， 尤其是关于它们在 OTEC 系统中的使 用。 管材料必须选择为具有良好的导热性， 而且能经受大的热应力， 所述热应力由于第一和 第二工作流体之间的温差而发展。此外， 第一和第二流体通常处于高压下， 这增加了管 202 受到的弯矩。而且， 管材料还必须与运行条件下 ( 例如温度、 压力、 流量、 PH 等 ) 的壳管侧 流体都长期地适合， 以减轻腐蚀作用。还有， 管材料和 / 或连接材料 ( 例如铜焊化合物或焊 接材料等 ) 的选择将导致通过在壳和管侧之间的管的泄漏， 这将引起流体交叉污染和可能 的压力损失以及换热器故障。
图 3A 描述适合用于根据现有技术的壳管换热器的扭曲的管。管 302 是适合用作 换热器 200 中的管 202 的笔直的、 椭圆形管道。然而比较于管 202， 管 302 绕着其纵向轴线 304 单独地扭曲。 相应指出的是， 尽管管 302 的胚珠的 (ovular) 横截面绕着其纵向轴线 304 旋转， 该纵向轴线 304 沿着管 302 的长度保持实质上笔直。 图 3B 描述了管沿着 z- 方向在不同点处的一系列横截面图。
在沿着 z- 方向的点 A 处， 管 302 的胚珠的横截面的长轴 306 与 x- 方向对齐。在 点 B， 长轴 306 在 x-y 平面上旋转到大约 60°。在点 C， 长轴 306 在 x-y 平面上旋转另一个 60°到大约 120°。点 D 在管 302 旋转周期的大约半个波长处， 而长轴 306 再次与 x 方向对 齐。管 302 绕着纵向轴线 304 大约 60°的额外的旋转发生在点 E、 F 和 G 的每个之间。结 果， 长轴 306 再次分别在 x-y 平面中各自的大约 60°和 120°处。点 G 表示管 302 的旋转 周期的一个完整波长 ； 因此， 长轴 306 再次与 x 方向对齐。
管 302 的扭曲的结构导致其管壁的表面面积的增加。结果， 在第一和第二流体之 间通过管 302 的管壁的热传送能够比管 202 的更有效率。此外， 扭曲的管的机械共振频率 高于可比较的未扭曲的管， 这使得管 302 比管 202 更抗由于流过换热器的第二流体施加的 力导致的横向变位。
然而管 302 具有几个缺点。单独地扭曲的管比未扭曲的管更难以清洗并且更易于 生物积污。单独扭曲的管还要求紧密的包装以保持联锁 / 高的剖面模数。对紧密包装的该 需求对壳管换热器里面的管的布置带来了不想要的约束。
图 4 描述了根据本发明示例的实施方式的壳管换热器。 换热器 110 包括管板 402、 管束 404-1 至 404-N、 壳 408、 入口 410 和出口 412。
管板 402 类似于换热器 100 的管板 204 和 206 ； 然而， 管板 402 的孔的布置适应管 束 404-1 至 404-N( 共同地称为管束 404)。
管板 402 由海洋级别的铝合金制成。某些铝合金因为它们抗海水腐蚀而非常适于 OTEC 应用。而且， 铝和其大多数合金顺应于摩擦搅动焊接 (FSW) 连接技术的使用。
摩擦搅动焊接是用于连接两个相同材料的元件的广为知晓的方法。传统的 FSW 采 用旋转的探针， 其迫压到两个元件之间的接口内。探针和材料之间的极大的摩擦引起直接 邻近探针的材料加热到在其熔点之下的温度。 这软化邻接部分， 但是因为材料保持在固态，
其原始材料性质得以保持。探针沿着焊接线的运动从两件朝着拖尾边缘推动软化材料， 引 起邻接区域熔合， 从而形成焊缝。
由于不同于其他普通的连接技术， 例如熔焊接、 铜焊等， FSW 具有几个性能优点。 特 别地， 最终的焊缝包括作为连接部分的相同材料。 结果， 由于不类似的金属之间在连接处的 接触引起的电蚀得以减小或排除。而且， 最终的焊缝保持连接部分的材料的材料性质。
FSW 在连接换热器 110 的组件中的使用为本发明提供了几个优点， 如同下面描述 的那样。
每个管束 404 包括管 406-1 至 406-3( 共同地称为管 406)。 管 406 是由与管板 402 相同的材料制成的挤压管。在一些实施方式中， 管 406 是拉伸管。在一些实施方式中， 管 406 形成为使得它们实质上是无缝的。管 406 将海水传送通过换热器 110 的长度。尽管在 示例的实施方式中， 每个管束 404 包括三个管， 本领域技术人员在阅读本说明书之后将清 楚如何制造和使用本发明的可选的实施方式， 其中至少一个管束包括更多个或少于三个的 管。
尽管示例的实施方式包括由铝制成的管和管板， 本领域技术人员在阅读本说明书 后将清楚如何确定、 制造和使用本发明的可选的实施方式， 其包括由另一种材料制成的组 件， 该材料实质上是抗腐蚀的， 尤其是在海洋环境中。用于管板 402 和管 406 的材料在海洋 环境中在换热器的寿命中不应当展现出额外的腐蚀。 此外， 用于管板 402 和管 406 的材料应 当实质上是导热的。适合用于管板 402 和管 406 的材料包括但是不限于铝、 铝合金、 陶瓷、 钢合金、 钛、 钛合金、 导热塑料、 导热聚合物等。
在一些实施方式中， 除了 FSW 之外的连接技术通过实质上抗电蚀的连接而用于将 组件连接在一起。 在一些实施方式中， 合适的连接技术包括而不限于一些类型的熔焊接、 弹 性体、 热塑、 热固或环氧基连接化合物等等的使用。
每个管 406 的尺寸、 长度和壁厚是依赖于本发明的特殊实施的设计参数。然而， 出 于示例目的， 在示例的实施方式中， 每个管 406 具有大约 24 毫米 (mm) 的直径， 大约 10 米的 长度以及大约 2.54mm 的壁厚。
管束 404 在下面关于图 5A 和 5B 而更加详细地描述。
管束 404 以六角形封闭包装的布置设置在管板 402 处。在一些实施方式中， 管束 404 以除了六角形封闭包装的布置之外的包装布置设置在管板 402 处。
壳 408 是适于封闭管束 404 并适于沿着管 406 的表面传送第一 ( 也即工作 ) 流体 的壳。壳 408 由合适地对抗由于暴露于工作流体而导致的腐蚀或其他损害的材料制成。
工作流体通过入口 410 进入壳 408 中并通过出口 412 排出壳 408。结果， 工作流体 沿着管 406 并在管 406 之间传送， 使得在管 406 内的海水和工作流体能够进行有效的热传 送。对于本领域技术人员将清楚的是， 如何指定、 制造和使用入口 410 和出口 412。
需要注意的是， 在示例的实施方式中， 换热器 110 以反着换热器 200 的方式运行， 因为第二流体 ( 也即海水 ) 通过在管束 404 中的每个管传送， 而工作流体在其前进通过壳 408 的过程中绕着并沿着管传送。 然而本领域技术人员在阅读本说明书之后将认识到， 换热 器 110 可以以与换热器 200 类似的方式运行， 其中工作流体流过管 408 而第二流体 ( 例如 海水 ) 流过壳 408。
图 5A 描述根据本发明示例的实施方式的管束。管束 404-i 包括管 406-1、 406-2和 406-3 和可选的束罩 502。
管 406-1 至 406-3 的端部 504-1 至 504-3 以绕着中心轴线 506 对称的布置设置在 管板 402( 未示出 ) 处。管束 404-i 作为单元绕着中心轴线 506 扭曲， 以形成螺旋形地缠绕 的布置。螺旋形地缠绕的束的外半径、 螺旋形地缠绕的螺旋的周期和束的外半径是设计的 事情。
在一些实施方式中， 管 406-1 至 406-3 刚性地互相附接。因此单独的管相对于管 束的运动是不允许的。在一些实施方式中， 管 406-1 至 406-3 部分地互相附接， 例如只在那 些点上， 其中管束内的管由于它们螺旋形地缠绕的构造而相遇。因此单独的管相对于管束 的运动是受限制的。结果， 根据本发明的管束特征在于更高的机械硬度。
根据本发明的换热器相对于包括笔直的未扭曲的管的现有技术的换热器具有几 个优点， 例如 ：
i. 由于更大的管壁表面面积而改进的传热效率 ； 或者
ii. 改进的管的硬度 ； 或者
iii. 对流动引起的管的振动的改进的阻抗 ； 或者
iv. 改进的第二流体流动 ； 或者 v. 高的剖面模数 ； 或者
vi.i、 ii、 iii、 iv 和 v 的任何组合。
根据本发明的换热器相对于包括单独的扭曲的管的现有技术的换热器具有几个 优点， 例如 ：
i. 对生物积污减小的易感性 ； 或者
ii. 改进的对腐蚀的免疫性 ； 或者
iii. 改进的每个管的表面面积 ； 或者
iv. 改进的第二流体流动 ； 或者
v.i、 ii、 iii 和 iv 的任何组合。
需要注意的是， 通过打破管的里面和 / 或外面的边界层以及流体沿着和绕着管的 外表面的轴向和径向流动的组合， 管的螺旋状布置提高了第一和第二流体之间的热流动。 流体通过管的回旋流提高了横跨流体边界层的传热而对通过换热器的压降只具有相对较 小的增加。结果， 在一些实施方式中， 无需用于改变流体流过壳 502 的方向的挡板， 例如上 面结合图 2 所述的挡板 206。
图 5B 描述了根据本发明示例的实施方式的管束 404-i 的端视图。
管 406-1 包括侧壁 508-1。侧壁 508-1 采用 FSW 与管板 402 连接， 以在管 406-1 的 外周周围形成实质上防泄漏的密封。FSW 是连接两个元件而不结合不类似的材料的方法。 FSW 焊接的连接实质上保持了连接的材料的整体材料性质， 且连接的材料的金属晶界通常 不受有害的影响。FSW 详细地描述在 2009 年 6 月 15 日提交的 ( 代理人卷号 ： 711-231US) 美国专利申请序列号 12/484,542 中， 该申请通过参考结合于此。FSW 是连接技术的一个例 子， 其导致实质上抗电蚀的连接。
形成在侧壁 508-1 和管板 402 之间的连接避免了裂缝的形成， 在传统的壳管换热 器中， 所述裂缝典型地存在于机械地辊压的管端和周围的管板材料之间。通过避免这些裂 缝， 根据本发明的换热器的寿命可以显著地增加， 因为由于暴露于裂缝中的腐蚀性的海水
而引起的腐蚀得以减轻或排除。
类似的方式， 管 406-2 包括侧壁 508-2。侧壁 508-2 通过摩擦搅动焊接 (FSW) 与 管板 402 连接， 以在管 406-2 的周界周围形成实质上防泄漏的密封。而且， 管 406-3 包括侧 壁。侧壁 508-3 通过摩擦搅动焊接 (FSW) 与管板 402 连接， 以在管 406-3 的周界周围形成 实质上防泄漏的密封。
然而本领域技术人员将认识到， FSW 过程留下了热影响区域 510-1， 其围绕在侧壁 508-1 和管板 402 之间的结合物。该热影响区域的横向延伸限制了在每个管板 402 处管壁 508-1 至 508-3 之间的最小间距。
螺旋状管束用作弹簧元件， 其能够容易地处理由于管和壳侧之间的压差或者材料 之间的温度膨胀 / 收缩变化而导致的预载或轴向负载。在一些实施方式中， 在一个或多个 管束 404 内的管是预载的， 以提高它们的共振频率， 并且因此它们对运行过程中流动导致 的振动的阻抗。
此外， 螺旋状布置的管的增加的硬度使得根据本发明的换热器可顺应而垂直运 行， 例如在向上流动的壳侧蒸发器或向下流动的壳侧冷凝器中。
需要注意的是， 管束 404 可以以几种方式中的任何一种形成。在一些实施方式中， 一个或多个管束 404 通过绕着中心轴线 506 缠绕预形成的管而形成， 类似于下面结合图 7A-C 和 8 所述的方法的方式。可选地， 一个或多个管束 404 可以这样形成其螺旋状缠绕的 布置 ： 同时挤压在多个管 406 中的所有的管 502， 在挤压过程中同时旋转挤压模子或挤压材 料。 图 6 描述了根据本发明第一可选实施方式的管束的布置。
换热器 600 包括管束 404 六角形地封闭包装的布置。每个管束包围在束罩 602 内。每个束罩与其他束罩流体地隔离， 这使得换热器 600 能够承载不同的流体通过不同的 束罩。而且， 在一些实施方式中， 管束 404 内的一个或多个管从在管束内的至少一个其他管 传送不同的流体。
例如， 管束 404-1 内的每个管承载第一第二流体， 而在管束 404-2 至 404-N 的每个 内的每个管承载第二第二流体。 而且， 管罩 602-2 传送第一第一流体， 而管束 602-1 和 602-3 至 602-N 的每个传送第二第一流体。
本领域技术人员在阅读本说明书后将认识到， 图 6 所描述的布置可以是更大的换 热器。
图 7A 描述了根据本发明第二可选实施方式的管束。管束 700 包括中心管 702 和 外管 704。
每个管 702 和 704 类似于上面结合图 3 所述的一个管 406。
管束 700 类似于管束 404 的一个， 除了中心管 702 是笔直的和未扭曲的而外管 704 缠绕在中心管 702 周围之外。中心管 702 与管束 700 的中心轴线共线。
尽管管束 700 包括六个外管 704， 本领域技术人员在阅读本说明书后将清楚的是， 如何指定、 制造和使用本发明的其他可选的实施方式， 其中管束 700 包括不等于六个的外 管 704 和 / 或多于一个的中心管 702。
图 7B 描述了在外管 704 绕着中心管 702 缠绕之前的管束 700。
图 7C 描述了根据本发明第二可选实施方式的用于形成管束的束装配机构。机构
708 包括支撑结构 710、 固定的端盖 712 和可旋转的端盖 714。
在用于形成管束 700 的代表性的方法中， 中心管 702 和外管 704 插入到固定的端 盖 712 和可旋转的端盖 714 内。然后可旋转的端盖 714 旋转用于将外管 704 缠绕在中心轴 线 706 周围， 直至达到所需的缠绕量和外管 704 的螺旋状布置的周期。然后管束 700 从固 定的端盖 712 和可旋转的端盖 714 的每个上移除。
图 8 描述了在管束 700 的形成过程中和 / 或形成后用于保持外管 704 和中心管 702 的引导。引导 800 通过臂 802 保持外管 704 捆束在一起。孔穴 804 使得引导 800 能够 绕着中心管 702 旋转而不在中心管上产生扭转应变。在一些实施方式中， 多个引导沿着管 束 700 的长度布置。
需要理解的是， 本发明只教导了示例的实施方式的一个例子， 本领域技术人员在 阅读本发明之后可以容易地设计本发明的许多变形， 本发明的范围通过下面的权利要求而 确定。