可忽略熱膨脹應(yīng)力的全濕式免耐熱材料無管流體加熱系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年12月22日提交的序列號為62/124,502的美國臨時專利申請 W及于2014年12月11日提交的序列號為62/124,235的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，運些專 利申請的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種可忽略熱膨脹應(yīng)力的全濕式免耐熱材料無管流體加熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 例如，流體加熱系統(tǒng)被用來提供用于諸如熱水、蒸汽和熱流體鍋爐之類的各種商 業(yè)、工業(yè)和家庭應(yīng)用的加熱的生產(chǎn)流體。由于對提高能效、緊湊性、可靠性和降低成本的期 望，仍然需要改進的流體加熱系統(tǒng)及其改進的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 公開了一種流體加熱系統(tǒng)，該流體加熱系統(tǒng)包括:壓力容器殼體，該壓力容器殼體 包括第一入口和第一出口；無管換熱器忍，該無管換熱器忍全部設(shè)置在壓力容器殼體中，無 管換熱器忍包括第二入口和第二出口；出口構(gòu)件，該出口構(gòu)件穿過壓力容器殼體并連接無 管換熱器忍的第二出口與壓力容器殼體的外側(cè)；W及管道，該管道具有連接至無管換熱器 忍的第二入口的第一端W及設(shè)置在壓力容器殼體的外側(cè)的第二端。
[0006] 還公開了一種傳遞熱量的方法，該方法包括:提供流體加熱系統(tǒng)；W及將傳熱流體 設(shè)置在無管換熱器忍中并將生產(chǎn)流體設(shè)置在壓力容器殼體中W將熱量從傳熱流體傳遞至 生產(chǎn)流體，該流體加熱系統(tǒng)包括:壓力容器殼體，該壓力容器殼體包括第一入口和第一出 口；無管換熱器忍，該無管換熱器忍全部設(shè)置在壓力容器殼體中，無管換熱器忍包括第二入 口和第二出口；出口構(gòu)件，該出口構(gòu)件穿過壓力容器殼體并連接無管換熱器忍的第二出口 與壓力容器殼體的外側(cè)；W及管道，該管道具有連接至無管換熱器忍的第二入口的第一端 W及設(shè)置在壓力容器殼體的外側(cè)的第二端。
[0007] 還公開了一種制造流體加熱系統(tǒng)的方法，該方法包括:提供壓力容器殼體，該壓力 容器殼體包括第一入口和第一出口；將無管換熱器忍全部設(shè)置在壓力容器殼體中，該無管 換熱器忍包括第二入口和第二出口；將無管換熱器忍的第二入口連接至管道，管道穿過壓 力容器殼體的端部；W及將出口構(gòu)件的第一端連接至無管換熱器忍的第二出口并將出口構(gòu) 件的相反的第二端設(shè)置在壓力容器殼體的外側(cè)，W制造流體加熱系統(tǒng)。
[000引還公開了一種流體加熱系統(tǒng)，該流體加熱系統(tǒng)包括:壓力容器殼體，該壓力容器殼 體包括第一入口和第一出口、筒狀殼體、第一頂封頭和第一底封頭，其中，筒狀殼體設(shè)置在 第一頂封頭與第一底封頭之間，并且其中，第一入口和第一出口各自獨立地位于筒狀殼體、 第一頂封頭或第一底封頭上;無管換熱器忍，該無管換熱器忍全部設(shè)置在壓力容器殼體中， 無管換熱器忍包括筒狀內(nèi)殼、筒狀外殼、設(shè)置在內(nèi)殼與外殼之間的肋部、第二頂封頭、第二 底封頭、第二入口和第二出口，其中，筒狀內(nèi)殼被筒狀外殼包圍，其中，筒狀外殼和筒狀內(nèi)殼 兩者都位于第二頂封頭與第二底封頭之間，并且其中，第二入口和第二出口各自獨立地位 于筒狀外殼、第二頂封頭或第二底封頭上；出口構(gòu)件，該出口構(gòu)件將第二出口連接至設(shè)置在 壓力容器殼體的外側(cè)的排氣煙道;管道，該管道穿過壓力容器殼體，其中，管道的第一端連 接至第二入口，并且其中，管道的第二端位于壓力容器殼體的外側(cè);燃燒器，該燃燒器設(shè)置 在管道中；W及風(fēng)機，該風(fēng)機與管道的第二端流體連通。
【附圖說明】
[0009] 本公開的W上及其他優(yōu)點和特征將通過參照附圖對本公開的示例性實施方式進 行更詳細(xì)的描述而變得更加明顯，在附圖中：
[0010] 圖1為包括無管換熱器的流體加熱系統(tǒng)的截面圖；
[0011] 圖2為無管換熱器的實施方式的截面圖；
[0012] 圖3為流體加熱系統(tǒng)的實施方式的立體圖；
[0013] 圖4為流體加熱系統(tǒng)的另一實施方式的截面圖；W及
[0014] 圖5為換熱器忍的實施方式的立體圖。
【具體實施方式】
[0015] 流體加熱系統(tǒng)理想的是熱緊湊性的，其提供流體加熱系統(tǒng)的熱輸出與總規(guī)格之間 的高比率，并且具有可合理的成本制造的設(shè)計。運對于熱流體加熱系統(tǒng)和使用熱水(例 如，液態(tài)水）、蒸汽的加熱系統(tǒng)而言尤其如此，其中，熱流體加熱系統(tǒng)旨在提供用于溫度調(diào) 節(jié)、家用熱水或者商業(yè)或工業(yè)過程應(yīng)用的加熱的生產(chǎn)流體如蒸汽。在流體加熱系統(tǒng)中，包括 例如熱燃燒氣體的傳熱流體通過燃料的燃燒產(chǎn)生，并且然后利用換熱器來將熱量從熱傳遞 流體傳遞至生產(chǎn)流體。
[0016] 管殼式換熱器的設(shè)計遭受各種弊端。在管殼式換熱器中，熱量從傳熱流體穿過許 多薄壁流體管道一一例如，具有小于0.5厘米
[0017] (cm)的壁厚的管一一的壁表面?zhèn)鬟f至生產(chǎn)流體。運些管剛性地連接至管板。包括 熱應(yīng)力和腐蝕的操作因素在管殼式換熱器的管中、管的附接點W及管板中導(dǎo)致不期望的材 料失效。此外，當(dāng)失效發(fā)生時，流體加熱系統(tǒng)變得不能工作，并且薄壁換熱器管和/或管板的 尤其在現(xiàn)場安裝中的維修或更換是困難的且昂貴的。管殼式換熱器遭受由加熱部件的縱向 熱膨脹差一一例如，燃燒器和換熱器組件的熱膨脹相對于壓力容器殼體的熱膨脹一一引起 的熱應(yīng)力材料失效。纖細(xì)的換熱器管和其他結(jié)構(gòu)部件中的材料失效可通過使燃燒器和換熱 器組件剛性地附接至壓力容器殼體來引發(fā)。在實踐中用于減小管殼式換熱器中的熱應(yīng)力的 可用技術(shù)都有缺陷。例如，浮動頭組件是復(fù)雜的并且位于壓力容器殼體內(nèi)，因而難W維修。 替代性地，包含弧和彎曲的纖細(xì)換熱器管中添加了順從性，但增加了制造成本和材料失效 的風(fēng)險。此外，順從的元件如壓力容器殼體內(nèi)的波紋管或膨脹節(jié)導(dǎo)致了較差的系統(tǒng)和組件 區(qū)域的可維修性。
[0018] 還使用無管換熱器。無管換熱器避免了薄壁管和與管殼式換熱器相關(guān)聯(lián)的管板的 使用。然而，用于無管換熱器的已知實踐設(shè)計也具有缺陷。圖1中示出了一種無管換熱器 100,在該無管換熱器100中，壓力容器殼體110暴露于熱燃燒氣體，從而導(dǎo)致壓力容器殼體 110的外表面120上具有熱表面。如圖1所示，風(fēng)機130迫使空氣穿過管道132并進入燃燒器 140中。燃燒器產(chǎn)生熱燃燒氣體，并且熱燃燒氣體離開換熱器的忍150并然后接觸壓力容器 殼體110的外表面120和耐熱材料層170的內(nèi)表面160,并且然后通過出口端口 180離開換熱 器。耐熱材料層170設(shè)置在本體罩190上。壓力容器殼體中提供有生產(chǎn)流體，該生產(chǎn)流體接觸 壓力容器殼體110的內(nèi)表面111和忍150的外表面151。熱能從熱燃燒氣體傳遞至換熱器忍 150并然后傳遞至生產(chǎn)流體，并且還從熱燃燒氣體傳遞至壓力容器殼體110并然后傳遞至生 產(chǎn)流體。因此，壓力容器殼體和耐熱材料層暴露于燃燒氣體并且能夠直接接觸燃燒氣體。該 設(shè)計的缺點在于熱量和燃燒氣體可W通過對流和傳導(dǎo)穿過耐熱材料層170傳遞并進入到周 圍的環(huán)境中。另外，忍150、壓力容器殼體110和耐熱材料層170各自可W接觸燃燒氣體，并且 因此壓力容器殼體110和耐熱材料層170各自期望由在熱燃燒氣體壓力中穩(wěn)定的材料組成。 運種無管設(shè)計遭受耐熱退化W及熱效率由于一些熱量傳遞到耐熱層中的裂縫中且穿過耐 熱層中的裂縫傳遞并最終傳遞到換熱器周圍的環(huán)境中的損失。另外，可W包括CO的煙道氣 體會通過耐熱層中的裂縫泄漏并進入到所占用的區(qū)域中而不是流動至煙道氣體排放煙畫， 從而產(chǎn)生健康危害。此外，壓力容器殼體的熱外表面在傳熱流體泄漏的情況下存在安全問 題。另外，燃燒氣體的流動通道相對較短，從而會導(dǎo)致低于期望的熱效率。
[0019] 圖2中公開了一種用于流體加熱系統(tǒng)的無管換熱器200,該無管換熱器包括:壓力 容器殼體210、無管換熱器忍220、出口構(gòu)件230和管道240,其中，壓力容器殼體210包括第一 入口 211和第一出口 212,無管換熱器忍220整體設(shè)置在壓力容器殼體中，無管換熱器忍220 包括第二入口 221和第二出口 222，出口構(gòu)件230穿過壓力容器殼體并且連接無管換熱器忍 的第二出口 222與壓力容器殼體的外側(cè)，管道240具有連接至無管換熱器忍的第二入口 221 的第一端W及設(shè)置在壓力容器殼體的外側(cè)的第二端242。
[0020] 當(dāng)使用時，壓力容器殼體210可W填充有生產(chǎn)流體，并且換熱器忍220可W包含傳 熱流體。生產(chǎn)流體可W從壓力容器殼體的第一入口 211被引導(dǎo)至第一出口 212。傳熱流體可 W從管道240引導(dǎo)穿過第二入口 221并且在通過第二出口 222并繼續(xù)通過出口構(gòu)件230離開 換熱器忍220之前進入無管換熱器忍220的流動通道中。無管換熱器忍的流動通道位于換熱 器忍220的第二入口 221與第二出口 222之間，并且可W由內(nèi)殼251、外殼252、頂封頭253和底 封頭254限定。因此，當(dāng)生產(chǎn)流體被引導(dǎo)到壓力容器殼體中例如填充壓力容器殼體時，無管 換熱器忍的整個外表面可W被生產(chǎn)流體接觸。另外，無管換熱器忍的整個流動通道可W全 部設(shè)置在壓力容器殼體內(nèi)。還如圖2中所示出的，換熱器忍的整個外表面例如內(nèi)殼251、外殼 252、頂封頭253和底封頭254的外表面被生產(chǎn)流體接觸，從而提供換熱器忍的被生產(chǎn)流體接 觸的增大的表面面積，從而提高了熱效率。在實施方式中，換熱器忍的外表面的60%至 100%、或70%、80%、或90%至99%、98%、或95%可W被生產(chǎn)流體接觸，其中，上述上界和 下界可W獨立地組合。替代性地，換熱器忍的60 %至100 %、或70%、80 %、或90%至99 %、 98%、或95%包含在壓力容器殼體內(nèi)，其中，上述上界和下界可W獨立地組合。在優(yōu)選的實 施方式中，換熱器忍的外表面的100%被生產(chǎn)流體接觸，并且整個換熱器忍包含在壓力容器 殼體內(nèi)。
[0021] 如圖2所示，無管換熱器忍的出口構(gòu)件W及管道的第二端均接近流體加熱系統(tǒng)的 第一端201，并且因此壓力容器殼體