可忽略热膨胀应力的全湿式免耐热材料无管流体加热系统 |
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| 申请号 | CN201510931282.1 | 申请日 | 2015-12-11 | 公开(公告)号 | CN105698366B | 公开(公告)日 | 2022-03-15 |
| 申请人 | 杭州富尔顿热能设备有限公司; | 发明人 | 卡尔·尼古拉斯·尼特; 基思·理查德·瓦尔策; 理查德·詹姆斯·斯奈德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 流体 加热系统，其包括： 压 力 容器 壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口；无管换热器芯，该无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括第二入口和第二出口；出口构件，该出口构件穿过压力容器壳体并连接无管换热器芯的第二出口与压力容器壳体的外侧；以及管道，该管道具有连接至无管换热器芯的第二入口的第一端以及设置在压力容器壳体的外侧的第二端。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流体加热系统，包括： |
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| 说明书全文 | 可忽略热膨胀应力的全湿式免耐热材料无管流体加热系统[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求于2014年12月22日提交的序列号为62/124,502的美国临时专利申请以及于2014年12月11日提交的序列号为62/124,235的美国临时专利申请的优先权，这些专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。 技术领域背景技术[0004] 例如，流体加热系统被用来提供用于诸如热水、蒸汽和热流体锅炉之类的各种商业、工业和家庭应用的加热的生产流体。由于对提高能效、紧凑性、可靠性和降低成本的期望，仍然需要改进的流体加热系统及其改进的制造方法。 发明内容[0005] 公开了一种流体加热系统，该流体加热系统包括：压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口；无管换热器芯，该无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括第二入口和第二出口；出口构件，该出口构件穿过压力容器壳体并连接无管换热器芯的第二出口与压力容器壳体的外侧；以及管道，该管道具有连接至无管换热器芯的第二入口的第一端以及设置在压力容器壳体的外侧的第二端。 [0006] 还公开了一种传递热量的方法，该方法包括：提供流体加热系统；以及将传热流体设置在无管换热器芯中并将生产流体设置在压力容器壳体中以将热量从传热流体传递至生产流体，该流体加热系统包括：压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口；无管换热器芯，该无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括第二入口和第二出口；出口构件，该出口构件穿过压力容器壳体并连接无管换热器芯的第二出口与压力容器壳体的外侧；以及管道，该管道具有连接至无管换热器芯的第二入口的第一端以及设置在压力容器壳体的外侧的第二端。 [0007] 还公开了一种制造流体加热系统的方法，该方法包括：提供压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口；将无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，该无管换热器芯包括第二入口和第二出口；将无管换热器芯的第二入口连接至管道，管道穿过压力容器壳体的端部；以及将出口构件的第一端连接至无管换热器芯的第二出口并将出口构件的相反的第二端设置在压力容器壳体的外侧，以制造流体加热系统。 [0008] 还公开了一种流体加热系统，该流体加热系统包括：压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口、筒状壳体、第一顶封头和第一底封头，其中，筒状壳体设置在第一顶封头与第一底封头之间，并且其中，第一入口和第一出口各自独立地位于筒状壳体、第一顶封头或第一底封头上；无管换热器芯，该无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括筒状内壳、筒状外壳、设置在内壳与外壳之间的肋部、第二顶封头、第二底封头、第二入口和第二出口，其中，筒状内壳被筒状外壳包围，其中，筒状外壳和筒状内壳两者都位于第二顶封头与第二底封头之间，并且其中，第二入口和第二出口各自独立地位于筒状外壳、第二顶封头或第二底封头上；出口构件，该出口构件将第二出口连接至设置在压力容器壳体的外侧的排气烟道；管道，该管道穿过压力容器壳体，其中，管道的第一端连接至第二入口，并且其中，管道的第二端位于压力容器壳体的外侧；燃烧器，该燃烧器设置在管道中；以及风机，该风机与管道的第二端流体连通。附图说明 [0009] 本公开的以上及其他优点和特征将通过参照附图对本公开的示例性实施方式进行更详细的描述而变得更加明显，在附图中： [0010] 图1为包括无管换热器的流体加热系统的截面图； [0011] 图2为无管换热器的实施方式的截面图； [0012] 图3为流体加热系统的实施方式的立体图； [0013] 图4为流体加热系统的另一实施方式的截面图；以及 [0014] 图5为换热器芯的实施方式的立体图。 具体实施方式[0015] 流体加热系统理想的是热紧凑性的，其提供流体加热系统的热输出与总规格之间的高比率，并且具有可以以合理的成本制造的设计。这对于热流体加热系统和使用热水(例如，液态水)、蒸汽的加热系统而言尤其如此，其中，热流体加热系统旨在提供用于温度调节、家用热水或者商业或工业过程应用的加热的生产流体如蒸汽。在流体加热系统中，包括例如热燃烧气体的传热流体通过燃料的燃烧产生，并且然后利用换热器来将热量从热传递流体传递至生产流体。 [0016] 管壳式换热器的设计遭受各种弊端。在管壳式换热器中，热量从传热流体穿过许多薄壁流体管道——例如，具有小于0.5厘米 [0017] (cm)的壁厚的管——的壁表面传递至生产流体。这些管刚性地连接至管板。包括热应力和腐蚀的操作因素在管壳式换热器的管中、管的附接点以及管板中导致不期望的材料失效。此外，当失效发生时，流体加热系统变得不能工作，并且薄壁换热器管和/或管板的尤其在现场安装中的维修或更换是困难的且昂贵的。管壳式换热器遭受由加热部件的纵向热膨胀差——例如，燃烧器和换热器组件的热膨胀相对于压力容器壳体的热膨胀——引起的热应力材料失效。纤细的换热器管和其他结构部件中的材料失效可通过使燃烧器和换热器组件刚性地附接至压力容器壳体来引发。在实践中用于减小管壳式换热器中的热应力的可用技术都有缺陷。例如，浮动头组件是复杂的并且位于压力容器壳体内，因而难以维修。替代性地，包含弧和弯曲的纤细换热器管中添加了顺从性，但增加了制造成本和材料失效的风险。此外，顺从的元件如压力容器壳体内的波纹管或膨胀节导致了较差的系统和组件区域的可维修性。 [0018] 还使用无管换热器。无管换热器避免了薄壁管和与管壳式换热器相关联的管板的使用。然而，用于无管换热器的已知实践设计也具有缺陷。图1中示出了一种无管换热器100，在该无管换热器100中，压力容器壳体110暴露于热燃烧气体，从而导致压力容器壳体 110的外表面120上具有热表面。如图1所示，风机130迫使空气穿过管道132并进入燃烧器 140中。燃烧器产生热燃烧气体，并且热燃烧气体离开换热器的芯150并然后接触压力容器壳体110的外表面120和耐热材料层170的内表面160，并且然后通过出口端口180离开换热器。耐热材料层170设置在本体罩190上。压力容器壳体中提供有生产流体，该生产流体接触压力容器壳体110的内表面111和芯150的外表面151。热能从热燃烧气体传递至换热器芯 150并然后传递至生产流体，并且还从热燃烧气体传递至压力容器壳体110并然后传递至生产流体。因此，压力容器壳体和耐热材料层暴露于燃烧气体并且能够直接接触燃烧气体。该设计的缺点在于热量和燃烧气体可以通过对流和传导穿过耐热材料层170传递并进入到周围的环境中。另外，芯150、压力容器壳体110和耐热材料层170各自可以接触燃烧气体，并且因此压力容器壳体110和耐热材料层170各自期望由在热燃烧气体压力中稳定的材料组成。 这种无管设计遭受耐热退化以及热效率由于一些热量传递到耐热层中的裂缝中且穿过耐热层中的裂缝传递并最终传递到换热器周围的环境中的损失。另外，可以包括CO的烟道气体会通过耐热层中的裂缝泄漏并进入到所占用的区域中而不是流动至烟道气体排放烟囱，从而产生健康危害。此外，压力容器壳体的热外表面在传热流体泄漏的情况下存在安全问题。另外，燃烧气体的流动通道相对较短，从而会导致低于期望的热效率。 [0019] 图2中公开了一种用于流体加热系统的无管换热器200，该无管换热器包括：压力容器壳体210、无管换热器芯220、出口构件230和管道240，其中，压力容器壳体210包括第一入口211和第一出口212，无管换热器芯220整体设置在压力容器壳体中，无管换热器芯220包括第二入口221和第二出口222，出口构件230穿过压力容器壳体并且连接无管换热器芯的第二出口222与压力容器壳体的外侧，管道240具有连接至无管换热器芯的第二入口221的第一端以及设置在压力容器壳体的外侧的第二端242。 [0020] 当使用时，压力容器壳体210可以填充有生产流体，并且换热器芯220可以包含传热流体。生产流体可以从压力容器壳体的第一入口211被引导至第一出口212。传热流体可以从管道240引导穿过第二入口221并且在通过第二出口222并继续通过出口构件230离开换热器芯220之前进入无管换热器芯220的流动通道中。无管换热器芯的流动通道位于换热器芯220的第二入口221与第二出口222之间，并且可以由内壳251、外壳252、顶封头253和底封头254限定。因此，当生产流体被引导到压力容器壳体中例如填充压力容器壳体时，无管换热器芯的整个外表面可以被生产流体接触。另外，无管换热器芯的整个流动通道可以全部设置在压力容器壳体内。还如图2中所示出的，换热器芯的整个外表面例如内壳251、外壳252、顶封头253和底封头254的外表面被生产流体接触，从而提供换热器芯的被生产流体接触的增大的表面面积，从而提高了热效率。在实施方式中，换热器芯的外表面的60％至 100％、或70％、80％、或90％至99％、98％、或95％可以被生产流体接触，其中，上述上界和下界可以独立地组合。替代性地，换热器芯的60％至100％、或70％、80％、或90％至99％、 98％、或95％包含在压力容器壳体内，其中，上述上界和下界可以独立地组合。在优选的实施方式中，换热器芯的外表面的100％被生产流体接触，并且整个换热器芯包含在压力容器壳体内。 [0021] 如图2所示，无管换热器芯的出口构件以及管道的第二端均接近流体加热系统的第一端201，并且因此压力容器壳体210与换热器芯220之间的刚性连接在压力容器壳体与换热器芯的相同端上。通过在换热器芯的相同端上提供换热器芯与压力容器壳体之间的刚性连接，换热器芯可以热膨胀，例如如图2所示向下膨胀，而不产生明显的热应力。该构型可以提供改善的耐久性。 [0022] 还提供了碎屑区域260，碎屑如腐蚀产物或沉淀物可以聚集在该碎屑区域260中，从而避免了与传热表面相邻的碎屑的聚积的形成。虽然不希望受理论的束缚，但应当理解的是，碎屑的聚积可以形成绝缘障，从而造成可以导致材料失效的热梯度或局部热点。碎屑区域260设置在换热器芯220与压力容器壳体210之间。碎屑区域可以设置在任何合适的位置，并且可以位于无管换热器芯的顶封头253与压力容器壳体210之间、无管换热器芯的外壳252与压力容器壳体210之间、无管换热器芯的底封头254与压力容器壳体210之间、或这些位置的组合。在实施方式中，碎屑区域位于底封头254与压力容器壳体210之间并且远离出口构件以及管道的第二端，如图2所示。替代性地，例如当换热器处于水平构型时，碎屑区域可以位于换热器芯的第二出口222与压力容器壳体的第一入口211之间。替代性地，例如在换热器处于与图2中示出的构型颠倒的构型时，碎屑区域可以接近管道的第二端242。在优选的实施方式中，碎屑区域远离出口构件并远离管道的第二端。 [0023] 如果需要，则无管换热器芯还可以包括流动元件例如肋部或脊部以引导传热流体的流动，例如以提供无管换热器芯的入口与出口之间的较长的路径。如图3所示，肋部320为可以设置在换热器芯的内壳与外壳之间以在换热器芯的入口与出口之间引导传热流体流动的特定元件。肋部例如可以通过焊接设置。替代性地，如图4所示，内壳451、外壳452或它们的组合可以变形以提供呈脊部420的形式的流动元件。在实施方式中，内壳与外壳之间的流动通道的平均纵横比在3、5、10、100、200或500之间，优选地为10至100，其中，纵横比为流动通道的高度与流动通道的宽度的比，其中，高度是相邻流动元件的相对表面之间的距离并且以法向于第一流动元件的表面的方式来测量，并且其中，流动通道的宽度从内壳的内表面至外壳的内表面来测量，其中，外壳与内壳的内表面均在流动通道的内部。 [0024] 替代性地，内壳、外壳或它们的组合中的变形可以用于提供流动元件。在实施方式中，无管换热器芯包括顶封头、底封头、设置在顶封头与底封头之间的内壳、设置在顶封头与底封头之间并与内壳的内表面相对的外壳，其中，内壳和外壳中的至少一者包括脊部420，其中，内壳和外壳限定无管换热器芯的第二入口与第二出口之间的流动通道，其中，无管换热器芯的第二入口设置在内壳、外壳、或它们的组合上，并且其中，无管换热器芯的第二出口设置在内壳、外壳、或它们的组合上。脊部例如可以通过冲压、或液压变形或气压变形来提供。 [0025] 无管换热器芯220可以包括顶封头253、底封头254、设置在顶封头与底封头之间的内壳270、设置在顶封头与底封头之间的外壳271，其中，内壳的内表面与外壳的内表面相对，流动元件比如肋部320设置在内壳与外壳之间，其中，流动元件、内壳以及外壳限定了在换热器芯的第二入口与第二出口之间的流动通道，其中，无管换热器芯的第二入口设置在内壳、外壳、或它们的组合上，并且其中，无管换热器芯的第二出口设置在内壳、外壳、或它们的组合上。 [0026] 换热器芯的第二入口221和第二出口222可以各自独立地位于换热器芯的内壳270上或外壳271上。此外，第二入口221和第二出口222可以各自独立地靠近或远离流体加热系统的第一端部201，例如，靠近或远离压力容器壳体的第一出口212。如图2中所示，在优选实施方式中，第二入口221设置在内壳270上并且远离流体加热系统的第一端部，并且第二出口222设置在外壳271上并且靠近流体加热系统的第一端部。 [0027] 内壳和外壳可以各自具有任何合适的形状，并且可以各自独立地具有圆形截面形状、椭圆形截面形状、卵形截面形状、体育场形(stadium)截面形状、半圆截面形状、方形截面形状、矩形截面形状、三角形截面形状及它们的组合。在优选实施方式中，内壳和外壳具有相同的截面形状，并且在更优选的实施方式中，内壳和外壳各自具有圆形截面形状。内壳和外壳在需要的情况下可以是同轴的。 [0028] 换热器芯可以具有任何合适的尺寸。具体提及了内壳和外壳可以各自独立地具有15厘米(cm)、25cm、30cm、350cm、650cm、或1,400cm的最大外径的情况，其中，前述上限和下限可以独立地结合。例如，内壳和外壳可以各自独立地具有15cm至1,400cm的最大外径。内壳和外壳各自独立地具有30cm至350cm的最大外径的实施方式是优选的。 [0029] 内壳和外壳可以各自独立地具有15厘米(cm)、25cm、30cm、350cm、650cm、或1,400cm的最大高度，其中，前述上限和下限可以独立地结合。例如，内壳和外壳可以各自独立地具有15cm至1,400cm的最大高度。内壳和外壳各自独立地具有30cm至650cm的最大外径的实施方式是优选的。 [0030] 换热器芯流动通道的尺寸基于所需容量和应用所需要的大量热传递而选择。特别地，在一方面中，流动通道尺寸确定成使用本领域技术人员已知的标准方法来确保雷诺数在2500至100,000的湍流。特别列举的是流动通道尺寸，该流动通道尺寸具有1.0厘米(cm)至150cm的流体动力学直径，例如，1.0cm、2.5cm、3cm、4cm或8cm至150cm、125cm、100cm、90cm、80cm、或70cm，其中，前述上限和下限可以独立地结合。在另一实施方式中，换热器芯可以具有2.5厘米(cm)至100cm的平均流体动力学直径，该直径例如为2.5cm、3cm、4cm或8cm至100cm、90cm、80cm、或70cm，其中，前述上限和下限可以独立地结合。特别提及了流体动力学直径在2.5厘米与100厘米之间的流动通道。 [0031] 顶封头、底封头、内壳以及外壳的厚度如平均厚度可以为任何合适的尺寸，并且顶封头、底封头、内壳以及外壳的厚度可以各自独立地为0.5cm、0.6cm、0.7cm、或1cm至5cm、4cm、3.5cm、或3cm，其中，前述上限和下限可以独立地结合。特别提及了顶封头、下封头、内壳以及外壳各自独立地具有0.5cm至1cm的厚度的实施方式。 [0032] 顶封头、底封头、内壳、外壳、入口、出口、压力容器壳体、入口构件以及出口构件可以各自独立地包括任何合适的材料。特别提及了金属的使用。代表性的金属包括铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜以及包括前述中的至少一者的合金。代表性的金属包括碳钢、软钢、生铁、熟铁、不锈钢(例如，304、316或者包含439不锈钢的400系不锈钢)、蒙乃尔合金、铬镍铁合金、青铜以及黄铜。特别提及了换热器芯和压力容器壳体各自包括钢的实施方式。 [0033] 如图3中所示，流体加热系统还可以包括设置在压力容器壳体上的本体罩300。该本体罩可以具有任何合适尺寸，并且可以具有适于容纳压力容器壳体和风机310的尺寸，如图3中所示。在实施方式中，本体罩至少围绕压力容器壳体的顶表面和侧表面。在需要的情况下，本体罩可以设置在压力容器壳体的顶表面上以及前表面、后表面、左侧表面和右侧表面上。在实施方式中，本体罩还可以根据需要位于压力容器壳体的底部上。本体罩可以具有任何合适的形状并且可以是曲线的、直线的或它们的组合。根据需要，本体罩可以具有圆形截面形状、椭圆形截面形状、卵形截面形状、体育场形(stadium)截面形状、半圆截面形状、方形截面形状、矩形截面形状、三角形截面形状或它们的组合。特别提及了矩形本体罩。 [0034] 换热器芯、压力容器壳体以及本体罩300可以各自独立地包括任何合适的材料，并且可以包括金属，比如铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜以及包括前述中的至少一者的合金。代表性的金属包括碳钢、软钢、生铁、熟铁、不锈钢(例如，304、316或439不锈钢)、蒙乃尔合金、铬镍铁合金、青铜以及黄铜。特别提及了换热器芯和压力容器壳体以及本体罩各自包括软钢的实施方式。 [0035] 在实施方式中，换热器芯由内壳、外壳、顶封头、底封头、入口以及出口构成。当压力容器壳体在使用中如填充有生产流体时，由于换热器芯的整个外表面可以接触生产流体，因此，可以提供用于传热的大表面，从而提升了热效率。 [0036] 所公开的流体加热系统的另一优点是压力容器壳体的外表面的较低的温度和对压力容器壳体的外表面的高温的避免。当传热流体被安排通过无管换热器芯，如被迫压或泵送通过无管换热器芯时，传热流体不直接接触压力容器壳体，其中，传热流体可以具有200℃至1800℃的温度，比如10℃、50℃、100℃、200℃、或400℃至1800℃、1600℃、1400℃、 1200℃或1000℃。尽管不希望受理论束缚，但应理解的是由于下述原因，避免了压力容器壳体的表面上的高温度：换热器芯完全容纳在压力容器壳体内并且因而内壳与外壳之间的用于传热流体的流动通道完全容纳在压力容器壳体内，并且换热器芯的整个外表面被生产流体接触，并且传热流体不直接接触压力容器壳体，并且排出的传热流体不输送至压力容器外表面与本体罩或衬有绝缘材料的本体罩之间的空间中的管道(flue)。在实施方式中，压力容器壳体的表面的温度可以是20℃至400℃，例如40℃至100℃，并且可以是30℃、50℃、 60℃、70℃或80℃至200℃、190℃、180℃、170℃、220℃、300℃或400℃，其中，前述上限和下限可以独立地结合。此外，压力容器壳体的表面的平均温度可以是20℃至400℃，例如50℃至200℃，并且可以是30℃、50℃、60℃、70℃或80℃至200℃、190℃、180℃、170℃、220℃、 300℃或400℃，其中，前述上限和下限可以独立地结合。在优选实施方式中，压力容器壳体的表面的平均温度是40℃至220℃，优选为110℃至220℃。 [0037] 此外，由于压力容器壳体的外表面的温度相对较低，因此，可以根据需要减少或完全省去压力容器壳体与本体罩之间的绝缘体如耐热材料的使用。在实施方式中，压力容器壳体与本体罩之间的绝缘材料如耐热材料可以具有小于3cm例如1cm至3cm的最大厚度，并且选择成使得本体罩的外表面的温度在加热系统以满负荷运行时保持在65℃以下、40℃℃以下或在20℃至50℃。 [0038] 流体加热系统可以用于使任何合适流体——即第一流体和第二流体——之间进行热交换，其中，第一流体和第二流体可以各自独立地为气体或液体。因此，所公开的流体加热系统可以用作气体与液体、液体与液体、或气体与气体的换热器。在优选实施方式中，引导通过换热器芯的第一流体是传热流体，并且可以是燃烧气体，如通过燃料燃烧器产生的气体，并且可以包括水、一氧化碳、二氧化碳或它们的组合。此外，引导通过压力容器并且接触换热器芯的整个外表面的第二流体是生产流体并且可以包括水、蒸汽、油、热流体(例如，热油)或它们的组合。热流体可以包括水、C2至C30二醇比如乙二醇、未经取代或经取代的C1至C30烃比如矿物油、或卤代的C1至C30烃，其中，卤代的烃可以选择性地进一步被取代，热流体可以包括熔盐，比如，熔盐包括硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂或它们的组合、硅酮或它们的组合。代表性的卤代烃包括1,1,1,2‑四氟乙烯、五氟乙烷、二氟乙烯、1,3,3,3‑四氟丙烯以及2,3,3,3‑四氟丙烯，例如氯氟甲烷(CFC)比如卤代氟碳(HFC)、卤代氯氟甲烷(HCFC)、全氟化碳(PFC)或它们的组合。烃可以是经取代或未经取代的脂肪烃、经取代或未经取代的脂环烃或它们的组合。商售的示例包括 VP‑1(Solutia Inc.)、DT(Bayer A.G.)、 A(Dow Chemical)以及 S300(Nippon Steel)。热流体可以由碱性有机物和无机化合物配置成。此外，热流体可以以稀释形式使用，例如具有范围为从3重量百分比至10重量百分比的浓度。特别提及了传热流体为燃烧气体并且包括液态水、蒸汽或它们的组合并且生产流体包括液态水、蒸汽、热流体或它们的组合的实施方式。 [0039] 例如，传热流体可以是由烃燃料比如天然气、丙烷或柴油燃烧的产物。燃烧可以通过风机310支持，风机310引导氧化剂如空气可选地经由管道350进入可以设置在管道340中的燃烧器组件330。管道340可以设置在换热器芯220的第二入口221与风机310之间，并且可以容纳燃烧器组件330以提供包括管道和燃烧器组件的炉子。替代性地，燃烧器组件可以位于风机310与管道340之间，例如在管道350中。燃烧气体可以通过炉子的管道340引入至换热器芯220的入口221，并且接着从入口通过流动通道引导至换热器芯的出口。燃烧气体可以通过第二出口222离开换热器芯的出口，并且接着在引导至设置在本体罩外侧的排气管道之前流入排气歧管。燃烧气体可以通过将可燃混合物引导至燃烧器组件中并且使可燃混合物燃烧以产生燃烧气体而产生。根据需要，可燃混合物可以使用与管道的第二端部流体连通的风机310进行加压。 [0040] 换热器两侧的压降测量为管道340的第一端部341处确定的第一压力相对于传热流体进入出口构件230的第二出口222处确定的第二压力之差。第一压力和第二压力可以通过测量或计算确定。换热器两侧的压降可以是0.1千帕(kPa)至50kPa，例如，0.1kPa、0.5kPa、1kPa、2kPa、3kPa、4kPa、5kPa、6kPa、7kPa、8kPa、或9kPa至50kPa、40kPa、35kPa、 25kPa、15kPa或10kPa，其中，前述上限和下限可以独立地结合。特别提及了管道340的第一端部341与出口构件334的外端部之间的压降为0.5kPa至40kPa。 [0041] 已经惊奇地发现如果管道包括弯管——弯管包括第一弯部和第二弯部，则可以提供改善的性能。尽管不希望受理论的束缚，但可以认为使传热流体在其进入换热器芯之前的流动转向减小了湍流，从而产生改善的性能。如图5中所示，管道500可以包括弯管510，弯管510包括第一弯部515和第二弯部520。第一弯部可以包括5度至45度或5度、10度或15度至1 90度、85度、65度、45度、40度的角度θ，其中，前述上限和下限可以相对于管道的在管道的第一端部540与第一弯部515之间的轴线530的方向独立地结合，并且其中，第一弯部在垂直于换热器芯的入口的方向上。第二弯部可以包括复合角，并且第二弯部可以在从第一弯部 515至换热器芯的入口550的方向上。在实施方式中，管道500与换热器芯的入口550以85度至10度、或85度、80度、或75度至45度、40度、35度、20度、或10度的角度相交，其中，前述上限和下限可以相对于入口的切线独立地结合。 [0042] 还公开了一种传递热量的方法，该方法包括：提供流体加热系统，该流体加热系统包括压力容器壳体、无管换热器芯、出口构件、以及管道，其中，压力容器壳体包括第一入口和第二入口，无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括第二入口和第二出口，出口构件穿过压力容器壳体并且将无管换热器芯的第二出口与压力容器壳体的外侧连接，管道具有连接至无管换热器芯的第二入口的第一端部以及设置在压力容器壳体的外侧的第二端部；以及将传热流体设置在无管换热器芯中并且将生产流体设置在压力容器壳体中以将热从传热流体传递至生产流体。例如，传热流体至无管换热器芯中的供给可以通过使用风机将燃烧气体引入换热器芯进行。传热的方法可以包括将生产流体从第一入口引导至第一出口以使生产流体流动穿过压力容器壳体，以及将传热流体从第二入口引导至第二出口以使传热流体流动穿过无管换热器芯的流动通道。例如，可以通过使用泵提供引导。 [0043] 还公开了一种制造流体加热系统的方法，该方法包括：提供压力容器壳体，该压力容器壳体包括第一入口和第一出口；将无管换热器芯全部设置在压力容器壳体中，无管换热器芯包括第二入口和第二出口；将无管换热器芯的第二入口连接至管道，管道穿入无管换热器芯的端部；以及将出口构件的第一端部连接至无管换热器芯的第二出口并且将出口构件的相反的第二端部设置在压力容器壳体的外侧以制造流体加热系统。 [0044] 第二入口和第二出口可以各自独立地设置在换热器芯的内壳或外壳上。在优选实施方式中，第二入口设置在换热器芯的内壳上，并且第二出口设置在换热器芯的外壳上。 [0045] 所公开的流体加热系统提供了多个特征。如以上指出的，顶封头和底封头的外表面也可以接触生产流体，以进一步提升传热效率。此外，由于换热器芯的整个外表面可以与生产流体接触，换热器芯内的热应力可以得到减小，从而产生改进的耐久性。另外，由于压力容器壳体不接触生产流体，所公开的换热器避免了压力容器壳体上出现不期望的热表面并且避免了用耐热材料隔离热表面的需要。 [0046] 另外，所公开的流体加热系统提供了换热器芯可以在热应力不增加的情况下热膨胀的构型。在实施方式中，换热器芯在单个端部处刚性地连接至压力容器壳体，并且由于换热器芯的设置有底封头的端部未刚性地连接至压力容器壳体，换热器芯能够在应力不增大的情况下热膨胀并且可以使长度增大。在实施方式中，换热器的芯与压力容器壳体之间的刚性连接设置在芯的相同端部处，并且因此芯可以在加热时膨胀同时热应力不增大，从而产生改善的耐久性。 [0047] 因此，在所公开的流体加热系统的换热器中，传热流体与生产流体之间不存在直接接触，并且所公开的换热器避免了薄壁管的使用，由此避免固有脆性和对材料失效和薄壁管的腐蚀的易感性。所公开的换热器可以通过使用平均壁厚为0.5至5cm例如0.5cm、1cm或2cm至3cm、4cm或5cm的金属壳提供，其中，前述上限和下限可以独立地结合。例如，换热器作为传热流体与生产流体之间的主要构件。在实施方式中，所公开的换热器避免了对传热流体和生产流体在流动通道中的急转，由此避免了易于结垢、堵塞和腐蚀阻塞的构型。另外，所公开的换热器提供了与具有相同生产能力的管壳式换热器的替代物相比的改进的紧3 凑性(即，能量密度，kW/m)和改进的性能参数。如本文中进一步公开的，在所公开的换热器实施方式中，换热器芯的所有外表面被生产流体接触，由此完全利用换热器芯的外表面来传热并且避免了换热器芯中的热应力。所公开的设计的效率实现使用较低廉的材料并且减少了制造复杂性。 [0048] 在任意前述实施方式中，压力容器壳体可以构造成容纳生产流体，使得无管换热器芯的整个外表面被生产流体接触；并且/或者无管换热器芯的整个流动通道可以全部设置在压力容器壳体中；并且/或者，流体加热系统可以具有第一端部和相反的第二端部，并且无管换热器芯的出口构件和管道的第二端部均可以靠近流体加热系统的第一端部；并且/或者，无管换热器芯和压力容器壳体可以限定换热器芯与压力容器壳体之间的用于碎屑累积的碎屑区域；并且/或者碎屑区域可以远离出口构件并且远离管道的第二端部；并且/或者碎屑区域可以位于无管换热器芯的顶封头与压力容器壳体之间、无管换热器芯的外壳与压力容器壳体之间、无管换热器芯的底封头与压力容器壳体之间或它们的组合；并且/或者无管换热器芯的第二入口可以位于换热器芯的内壳的外表面上；并且/或者换热器芯可以具有2.5厘米至100厘米的流体动力学直径；并且/或者换热器芯可以具有2.5厘米至100厘米的平均流体动力学直径；并且/或者流动通道的纵横比可以为10至100，其中，纵横比是流动通道的高度与流动通道的宽度的比值，其中，高度是同一肋部的相对表面之间的距离并且垂直于第一肋部表面测量，并且其中，流动通道的宽度可以从内壳的内表面至外壳的内表面进行测量；并且/或者无管换热器芯的内壳和外壳中的至少一者可以具有0.5厘米至5厘米的厚度；并且/或者还可选地包括设置在压力容器壳体上的本体罩；并且/或者流体加热系统可以构造成具有本体罩的外表面小于65℃的温度，其中，压力容器的外表面与本体罩的内表面之间的尺寸可以小于0.3厘米；并且/或者本体罩可以至少围绕压力容器壳体的顶表面和侧表面，并且其中，本体罩与压力容器壳体之间不存在耐热材料；并且/或者传热流体可以不接触压力容器壳体；并且/或者无管换热器芯可以包括顶封头、底封头、设置在顶封头与底封头之间的内壳、设置在顶封头与底封头之间并且与内壳的内表面相对的外壳、内壳和外壳或它们的组合上的入口以及内壳和外壳或它们的组合上的出口，其中，内壳和外壳中的至少一者可以包括肋部或脊部，其中，内壳和外壳限定无管换热器芯的入口与出口之间的流动通道，其中，无管换热器芯的第二入口设置在内壳、外壳或它们的组合上，并且其中，无管换热器芯的第二出口设置在内壳、外壳或它们的组合上；并且/或者流动通道可以完全容纳在压力容器壳体内；并且/或者内壳可以与外壳同轴；并且/或者还可选地包括压力容器壳体中和换热器芯的外侧的生产流体以及在换热器芯的流动通道中的传热流体，其中，生产流体接触换热器芯的整个外表面，其中，生产流体和传热流体各自独立地包括液体、气体或它们的组合；并且/或者生产流体和传热流体可以各自独立地包括水、经取代或未经取代的C1至C30烃、空气、一氧化碳、二氧化碳或它们的组合；并且/或者生产流体可以包括液态水、蒸汽、热流体、二醇或它们的组合；并且/或者管道还可以包括设置在管道中的燃烧器组件；并且/或者还可选地包括与管道流体连通的风机；并且/或者管道的第一端部与无管换热器芯的出口之间的压降可以大于3千帕；并且/或者管道可以包括具有第一弯部和第二弯部的弯管；并且/或者第一弯部可以包括相对于管道在管道的第一端部与第一弯部之间的轴线的方向的5度至60度的角度，并且其中，第一弯部可以在垂直于换热器芯的入口的方向上；并且/或者第二弯部可以包括复合角，并且其中，第二弯部可以在从第一弯部至换热器芯的入口的方向上；并且/或者管道可以相对于入口的切线以85度至45度的角度与换热器芯的入口相交；并且/或者该方法还可以包括将生产流体从第一入口引导至第一出口以提供生产流体的穿过压力容器壳体的流动，以及将传热流体从第二入口引导至第二出口以提供传热流体的穿过无管换热器芯的流动通道的流动；并且/或者传热流体可以包括液态水、蒸汽或它们的组合；并且/或者生产流体可以包括水、C1至C30烃、空气、一氧化碳、二氧化碳或它们的组合；并且/或者还可选地包括设置在管道中的燃烧器；并且/或者传热流体可以是来自燃烧器的燃烧气体；并且/或者还可选地包括通过将可燃混合物引导至燃烧器组件中并且使可燃混合物燃烧以产生燃烧气体而产生燃烧气体；并且/或者还可选地包括使用与管道的第二端部流体连通的风机对可燃混合物进行加压；并且/或者压力容器壳体的外表面的温度可以小于165℃；并且/或者第二入口可以设置在换热器芯的内壳的外表面上。 [0049] 已经参照附图描述了本发明，在附图中示出了多种实施方式。然而，本发明可以以许多不同形式实施并且不应被理解为局限于本文陈述的实施方式。相反地，提供这些实施方式使得本公开全面和完整，并且这些实施方式将向本领域的技术人员完全传达了本发明的范围。在所有附图中，相同的附图标记指示相同的元件。 [0050] 应理解的是当元件被称为在另一元件“上”时，该元件可以直接位于另一元件上或两个元件之间可以存在有中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。此外，元件可以位于另一元件的外表面上或内表面上，并且因此“在…上”可以包括“在…中”和“在…上”。 [0051] 应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层、和/或部段，但是这些元件、部件、区域、层、和/或部段不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部段与另一元件、部件、区域、层或部段区分开。因此，下面讨论的“第一元件”、“部件”、“区域”、“层”或“部段”在不背离本文的教示的情况下可以称为第二元件、部件、区域、层或部段。 [0052] 本文使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的而并非意在加以限制。如本文使用的，除非上下文另有明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”意在也包括复数形式，也包括“至少一个”。“或”意味着“和/或”。如本文使用的，术语“和/或”包括相关列出项中的一个或更多个相关列出项的任意组合和所有组合。还应理解的是，术语“包括”和/或“包括了”、或“包含”和/或“包含了”在说明书中使用时表示所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。 [0053] 此外，相对术语如“下”或“底”和“上”或“顶”可以在本文中用于描述如附图中所示的一个元件与另一元件的关系。应理解的是相对术语意在包括装置的除附图中描绘的取向之外的不同取向。例如，如果附图中的一者中的装置翻转，则描述为在另一元件的“下”侧的元件则应定向在另一元件的“上”侧。因此，示例术语“下”可以基于附图的特定取向包括“下”和“上”的取向。类似地，如果附图中的一者中的装置翻转，描述为在另一元件“下方”或在另一元件“下面”的元件则应定向在另一元件的“上方”。因此，示例术语“下方”或“下面”可以包括上方和下方的取向。 [0054] 除非另有说明，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有如本公开所属领域的技术人员通常理解的相同含义。还应理解的是术语——比如在通常使用的字典中定义的术语——应解释为与相关领域和本公开的上下文中的含义相一致，并且不应以理想化或过度形式化的含义来解释,除非文中明确地如此定义。 [0055] “烃”指的是具有至少一个碳原子和至少一个氢原子的有机化合物，其中，氢原子中的一个或更多个可以可选地被卤素原子所取代(例如，CH3F、CHF3和CF4各自是本文中所使用的烃)。 [0056] “取代”指的是化合物在不超过取代原子的正常价的情况下由独立地选自下述项中的至少一个(例如，1、2、3或4个)取代基取代：羟基(‑OH)、C1至C9烷氧基、C1至C9卤代烷氧基、氧代(＝O)、硝基(‑NO2)、氰基(‑CN)、氨基(‑NH2)、叠氮基(‑N3)、脒基(‑C(＝NH)NH2)、肼基(‑NHNH2)、亚肼基(＝N‑NH2)、羰基(‑C(＝O)‑)、氨基甲酰基(‑C(O)NH2)、磺酰基(‑S(＝O)2‑)、硫醇基(‑SH)、氰硫基(‑SCN)、对甲苯硫磺基(CH3C6H4SO2‑)、羧酸(‑C(＝O)OH)、羧基C1至C6烷基酯(‑C(＝O)OR，其中R是C1至C6链烷基)、羧酸盐(C(＝O)OM)，其中，M是有机或无机的阴离子、磺酸(SO3H2)、磺酸基的单或二取代盐(‑SO3MH或‑SO3M2，其中M是有机或无机的阴离子)、磷酸(‑PO3H2)、磷酸单或二取代盐(‑PO3MH或‑PO3M2，其中M是有机或无机的阴离子)、C1至C12烷基、C3至C12环烷基、C2至C12链烯基、C5至C12环烯基、C2至C12炔基、C6至C12芳基、C7至C13芳基亚烷基、C4至C12杂环烷基基团以及C3至C12杂芳基替代氢。 [0057] 本文已经参照为理想实施方式的示意图的截面图描述了示例实施方式。由此，可以预料到由例如制造技术和/或公差导致的示意图的形状上的变化。因此，本文所描述的实施方式不应解释为局限于本文所示的区域的特定形状而是应包括由例如生产造成的形状的偏差。例如，示出或描述为平的区域通常可以具有粗糙的和/或非线形的特征。此外，所示出的锐角可以是圆角。因此，附图中所示的区域实际上是示意性的，并且其形状并没有意图说明区域的精确形状且不打算用来限制本发明的范围。 |
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