扁平管换热器的制作方法

1.本发明涉及一种扁平管换热器、尤其用于气态介质的高温扁平管换热器。


背景技术：

2.扁平管换热器通常是已知的。例如，ep 2 584 301 a1描述了一种用于气态介质的高温扁平管换热器，该高温扁平管换热器具有封闭的壳体，该壳体在两个对置的侧部处具有两个管底部，该管底部在壳体中划分出入口侧的收集空间、管束空间、以及出口侧的收集空间，其具有管束，该管束至少主要由笔直构造的具有圆形或多边形的端部的扁平管组成，其中，管束空间具有三个区域，即：两个构造在管束空间接口的区域中的横向流动区域、以及构造在这些横向流动区域之间的纵向流动区域。那里所描述的扁平管换热器能够在高温扩散和频繁的温度变化的情况下使用，而没有应力开裂的危险。这类扁平管换热器尤其在高达1100℃的气体进入温度的情况下已经多次得到证明。
3.扁平管换热器的效率除其他外取决于所使用的扁平管的数目。典型地，在大约75%的效率下使用扁平管换热器。对于常规的扁平管换热器而言，为了将效率从大约75%进一步提高到大约90%而必须在相同的通过量的情况下使扁平管的数目大致呈三倍。这通常在经济上可能是不合理的。


技术实现要素：

4.本发明的任务在于提供一种具有得到改善的效率的扁平管换热器。
5.这种任务通过一种尤其用于气态介质的扁平管换热器来解决，该扁平管换热器包括：具有管束空间的封闭的壳体、以及布置在壳体的管束空间中的管束，该管束包括多个扁平管，其中，在扁平管中并且在扁平管之间的管束空间中布置有波纹带，该波纹带具有沿扁平管的纵向方向延伸的波谷和波峰，其中，波谷和波峰在内部或外部抵靠在扁平管的扁平侧处，并且其中，设置了一种设备，以便至少在管束空间的区域中从外部给壳体加载表面压力，该表面压力比在扁平管中或围绕扁平管所引导的介质的压力更高，尤其是高大约1bar至大约4bar。
6.借助于波纹带，用于从或到扁平管中所引导的介质的热传递的面积、也被称为传递面积能够增加一倍以上。同时，通过扁平管和围绕扁平管的流动的液压直径被减小，伴随的结果是，传热系数在逆流运行的情况下成反比地增加。
7.借助于用于向壳体加载表面压力的设备可靠地防止了导致可能的接触损失的扁平管的变形，该变形例如由于在该扁平管中所引导的介质的温度或压力而引起。因此，扁平管换热器适合于不仅以在扁平管中和围绕扁平管所引导的介质之间的高压差而且也以例如在起动和关机时的高温波动来运行。
8.在本技术的上下文中，表述“在扁平管中”不应被解释为“在所有扁平管中”。更确切地说，不仅能够设想到其中扁平管中的仅一部分扁平管具有波纹带的设计方案，而且也能够设想到其中所有扁平管都具有波纹带的设计方案。同样地，在本技术的上下文中，词语“一”、“一个”、“一种”等仅用作不定冠词并且不应被解释为数词。
9.壳体通常具有两个收集空间，这两个收集空间能够实现第一介质流入到扁平管中以及第一介质从扁平管中流出。在沿一个方向穿流的管束的情况下，收集空间布置在管束空间的对置的端部处。为了将第二介质输入和输出到管束空间，管束空间接口设置在壳体的沿流动方向观察对置的端部或侧部处。
10.下述管被称为扁平管，该管至少在位于两个端部之间的中间区段处是扁平的，也就是说，该管具有彼此对置的两个扁平侧和将扁平侧连接起来的两个窄侧。在一种设计方案中，扁平管的中间区段具有体育场形的横截面，该横截面具有彼此平行的、平坦的两个扁平侧和将扁平侧连接起来的弯曲的、例如半圆形弯曲的两个窄侧。在此，能够使用具有恒定高度的波纹带，该波纹带的波谷和波峰接触扁平侧。在设计方案中，扁平管的沿纵向方向对置的端部具有与中间区段不同的横截面、尤其圆形的横截面、多边形的横截面等，该横截面用于连接到收集空间处。
11.在一种设计方案中，扁平管换热器构造为矩形布置结构，该矩形布置结构具有方块形的管束空间和以行和列的方式布置的多个扁平管。在另一种设计方案中，扁平管换热器构造为具有柱形的管束空间的圆形布置结构，该柱形的管束空间具有圆形的或多边形的横截面。在圆形布置结构中，换热器在一种设计方案中构造为环形换热器，其中，扁平管沿着具有不同直径的多个同心圆环布置。
12.在一种设计方案中，波纹带具有正弦形、三角形或锯齿形的波形。这些波形具有的共同之处在于，波峰和波谷仅沿着沿纵向方向延伸的窄的条带、在理想情况下线形地抵靠在扁平侧处。由此，在接触部位处避免了或者至少最小化了对热传递产生负面影响的材料积聚。波形能够由本领域技术人员根据应用情况来适当地选择，以便实现对传递面积的所期望的增大。在此也可行的是，实现扁平管换热器的标准模块，其中，通过选择合适的波纹带来实现具有不同尺寸设计的传递面的扁平管换热器。
13.根据波纹带的材料和壁厚，波纹带同时也用作支撑工具，该支撑工具抵抗扁平管的由于在扁平管中所引导的介质相对于围绕扁平管所引导的介质的负压而引起的变形。在扁平管换热器的设计方案中，波纹带的宽度至少等于扁平管的扁平侧的宽度。
14.布置在扁平管中的波纹带的高度大致等于扁平管的高度，其中，波纹带和扁平管例如具有大约2至大约4 mm的高度。在一种设计方案中设置，为了置入波纹带而借助于压力和/或温度使扁平管膨胀，其中，在压力或温度消除之后，波纹带抵靠在扁平管的扁平侧处。在一种设计方案中，布置在扁平管之间的波纹带的高度大致等于相邻的扁平管的间距，从而这些波纹带的波峰和波谷抵靠在相邻的扁平管的扁平侧处。
15.在一种设计方案中，波峰和波谷自由地抵靠在扁平管的扁平侧处，也就是说，波纹带与扁平管既不熔焊也不钎焊或以其他方式材料锁合地连接。由此，尤其舍弃了耗费高的且因此成本高昂的焊接连接。此外可行的是，设置由不可熔焊或钎焊的材料构成的波纹带或扁平管。因为按照本发明设置了一种设备，以便至少在管束空间的区域中从外部向壳体加载表面压力，该表面压力高于在扁平管中或围绕扁平管所引导的介质的压力，所以即使在不存在波纹带与扁平管的材料锁合的连接的情况下也在运行中确保了波纹带与扁平管的接触。
16.在一种设计方案中，设备包括接纳壳体的外罩壳体，其中，外罩壳体至少在管束空
间的区域中在保留压力空间的情况下以一间距包围壳体。在此，外罩壳体如此设计和布置，使得在压力空间中能够接纳流体，该流体的压力比壳体的内部空间中的介质的压力要高，尤其要高大约1bar至大约4bar。在此，对外罩壳体的设计能够由本领域技术人员根据应用情况来适当地进行。在此，在一种设计方案中，围绕壳体设置有隔热部，以便避免或者至少减少存在于壳体与外罩壳体之间的压力空间中的流体的升温。
17.在一种设计方案中，外罩壳体设计为具有用于介质输入和/或介质输出的接口的压力容器，其中，能够借助于介质输入和/或介质输出来调节压力容器中的压力。在本技术的上下文中，用于接纳处于压力下的流体的没有或至少没有明显变形的封闭的容器被称为压力容器，其中，压力容器的内部中的压力高于周围环境压力。
18.在一种替代的设计方案中，设备包括梁对和/或板对，该梁对和/或板对具有可相对于彼此运动的、抗弯的、借助拉杆来连接的两个梁和/或板，其中，壳体的至少一个区段布置在梁对和/或板对的梁和/或板之间。梁对和/或板对的梁或板借助于拉杆进行连接并且能够借助于合适的装置以限定的力来彼此夹紧。如上面已经提到的那样，在本技术的上下文中，词语“一”、“一个”、“一种”等仅用作不定冠词并且不应被解释为数词。在此，设备能够尤其包括多于一个的梁对和/或板对。梁对和/或板对的数目能够由本领域技术人员根据应用情况来适当地选择。由此实现了一种用于给壳体加载表面压力的成本低廉的设备，该表面压力尤其对于其中在扁平管中和周围不存在或仅存在适度的过压的应用领域来说是适宜的。例如，能够在污染的空气或废气的在热方面后燃烧的情况下使用具有这类设备的扁平管换热器。
19.在一种设计方案中，梁对和/或板对直接作用到壳体上。在一种有利的设计方案中，设备此外包括外罩壳体，其中，外罩壳体至少在管束空间的区域中以一间距包围壳体。通过梁对和/或板对加载到外罩壳体上的力被传递到壳体上。在一种设计方案中，这借助于存在于外罩壳体中的不可压缩的流体来实现。在有利的设计方案中，在外罩壳体与壳体之间布置用于力传递的压力支柱。能够从外部借助于梁对和/或板对来加载外罩壳体，其中，负荷借助于压力支柱传递到壳体上。在此，在一种设计方案中，在外罩壳体与壳体之间附加地设置有隔热部。
20.在一种设计方案中，波纹带至少部分地涂覆有作为催化剂起作用的材料。例如，在反应器中使用扁平管换热器时，这类涂层对于吸热过程、例如对于碳氢化合物的重整或对于放热过程、例如对于人造燃料的合成是有利的。尤其当波纹带自由地抵靠在扁平管处时，可以是在可焊接性方面不受限制的涂层。在此，在扁平管换热器的设计方案中，仅涂覆布置在扁平管中的波纹带或仅布置在扁平管的外部的波纹带。在另外的设计方案中，布置在扁平管中的波纹带和布置在扁平管的外部的波纹带具有不同的涂层。
21.在一种设计方案中，在扁平管中设置刚好一个波纹带，其中，波纹带的沿扁平管的纵向方向的长度小于或等于扁平管的中间区段的长度。在此，只要不采取其他措施，通过具有波纹带的扁平管的流动则是层流的。
22.在一种替代的设计方案中，在扁平管中沿纵向方向观察分别反向地布置至少两个波纹带。在此，相位移动180
°
的布置结构被称为反向的布置结构，从而波纹带的波峰和波谷与相邻的波纹带的波谷或波峰对齐地布置。通过这种措施实现了用于得到改善的热传递的、通过扁平管的流动的涡流。
23.在此，在一种设计方案中，在两个相邻的波纹带之间布置有横向肋。借助于横向肋实现了进一步的涡流。在一种设计方案中，波纹带和横向肋彼此连接。在另外的设计方案中，波纹带自由地抵靠在横向肋处。
24.在一种设计方案中，扁平管分别由至少两个分别沿纵向方向延伸的扁平管件组成。在一种设计方案中，扁平管件基于下述管产生，该管具有：拥有圆形横截面和较小的直径的短的区段、以及拥有圆形横截面和较大的直径的区段。具有较大的直径的区段能够在成形工艺中、例如在轧制工艺中尤其在柱形轧辊之间被压扁。随后，能够将波纹带置入到成形的区段中，并且能够将两个镜像对称地布置的扁平管件彼此连接起来、尤其焊接起来。在此，尤其对于具有例如高达1000℃的较大的温度扩展的应用来说可行的是，扁平管由不同材料构成的扁平管件组成。
附图说明
25.本发明的其他优点和方面由权利要求书和以下本发明的实施例的描述得出，下面借助示意图对该实施例进行阐述。其中：图1以纵截面示出了用于扁平管换热器的扁平管，其中，在扁平管中布置有波纹带，该波纹带具有沿扁平管的纵向方向延伸的波峰和波谷，图2以沿着按照图1的剖切线ii-ii的横截面示出了按照图1的扁平管，图3以沿着按照图1的剖切线iii-iii的横截面示出了按照图1的扁平管，图4以纵截面示出了具有按照图1的多个扁平管的扁平管换热器的管束空间，图5示出了按照图4的管束空间的俯视图，图6以沿着按照图4的剖切线vi-vi的横截面示出了按照图4的管束空间，图7以纵截面示出了具有多个扁平管的扁平管换热器的第一设计方案，其中，扁平管换热器的壳体被设计为压力容器的外罩壳体所包围，图8以沿着按照图7的剖切线viii-viii的横截面示出了按照图7的扁平管换热器，图9以纵截面示出了具有多个扁平管的扁平管换热器的第二设计方案，其中，扁平管换热器的壳体被外罩壳体所包围，借助于多个梁对将表面压力施加到该外罩壳体上，图10以沿着按照图9的剖切线x-x的横截面示出了按照图9的扁平管换热器，图11以透视图示出了波纹带的一种替选的布置结构，以及图12以横截面示出了具有按照图11的波纹带的布置方式的扁平管。
具体实施方式
26.在下面本发明的实施例的描述中，相同或类似的构件使用统一的附图标记。
27.图1至图3以纵截面以及以沿着按照图1的剖切线ii-ii和iii-iii的两个横截面示出了扁平管2，其用于图1至图3中未被示出的扁平管换热器1（参见图7至图10）。
28.扁平管2具有两个端部21、22和位于两个端部21、22之间的中间区段20。中间区段20的横截面具有体育场形状，该体育场形状具有彼此平行的、平坦的两个扁平侧200以及将扁平侧200连接起来的弯曲的、在所示出的实施例中半圆形地弯曲的两个窄侧201。端部21、22具有与中间区段20不同的横截面、例如圆形的横截面，该横截面用于连接到未被示出的扁平管换热器1的壳体的收集空间上。
29.在扁平管2中、更确切地说在扁平管2的中间区段20中布置有两个波纹带3，该波纹带具有沿扁平管的纵向方向l延伸的波峰30和波谷31（参见图2和图3）。在所示出的实施例中，这两个波纹带3具有正弦形的波形。波峰30和波谷31形状相同。波纹带3的在绘图平面中向上突出的幅度被称为波峰30，其中，同样能够设想到的是，将在绘图平面中向下突出的幅度称为波峰。
30.所示出的波纹带3分别具有恒定的高度，并且波峰30和波谷31接触扁平管2的扁平侧200的对置的内表面。波纹带3的宽度大致等于扁平侧200的宽度。
31.图1中所示出的扁平管2由两个分别沿纵向方向l延伸的扁平管件2a、2b组成。扁平管件2a、2b镜像对称地布置并且沿着焊缝4彼此焊接。在所示出的实施例中，扁平管件2a、2b具有至少基本上相同的长度。扁平管件2a、2b在一种设计方案中由不同的材料制成，其中，每个扁平管件2a、2b能够针对所属的扁平管换热器的温度区进行优化。扁平管件沿着焊缝4彼此焊接。
32.在所示出的实施例中，在扁平管件2a、2b中分别设有波纹带3，其中，波纹带3的波形相同，并且波纹带3彼此对齐地布置。在另外的设计方案中，布置在扁平管件2a和2b中的波纹带3在波形或波数方面不同。在又另外的设计方案中，设置在两个扁平管件2a、2b上延伸的波纹带3。
33.图4至图6以纵截面、俯视图或以沿着按照图4的剖切线vi-vi的横截面示出了图4至图6中未被示出的扁平管换热器1（参见图7至图10）的仅区段性地示出的封闭的壳体5的管束空间50。
34.所示出的管束空间50是方块形的。在管束空间50中布置有具有按照图1的多个扁平管2的管束，其中，在所示出的实施例中设置扁平管2的矩形布置结构。管束包括五十个扁平管2，这些扁平管被布置成十行，每行分别包括五个彼此并排布置的扁平管2、它们的扁平侧200位于共同的平面中。在此，行数和每行的扁平管2的数目是示例性的，在另外的设计方案中设置更多或更少的行。
35.扁平管2的端部21、22固定在管底部52中。
36.在扁平管2中、更确切地说在该扁平管的中间区段20（参见图1）中设置有如上面所描述的波纹带3。此外，在扁平管2的行之间同样设置有波纹带6，该波纹带的波峰60和波谷在外部抵靠在扁平管2的扁平侧200处。在所示出的实施例中，布置在扁平管2之间的波纹带6同样具有正弦形的波形。这些波纹带6的高度至少大致对应于两行扁平管2之间的间距。在所示出的实施例中，波纹带6分别在整个行的范围内延伸。在另外的设计方案中，每行设置有两个或更多个波纹带。
37.如在图6中示意性地通过箭头所表明，在管束空间50的区域中向壳体5加载表面压力。该表面压力比扁平管2中或围绕扁平管2所引导的介质的压力更高，尤其是高大约1至4bar。通过表面压力确保了，在运行中维持波纹带3、6与扁平管2在内侧和外侧处的接触，而为此不需要扁平管2与波纹带3、6之间的材料锁合的连接、尤其熔焊连接或钎焊连接。能够通过合适的设备来施加表面压力。
38.图7和图8以纵截面或以沿着按照图7的剖切线viii-viii的横截面示出了具有多个扁平管2的扁平管换热器1的第一实施例，其中，壳体5被设计为压力容器的外罩壳体7包围。
39.壳体5具有管束空间50、入口侧的收集空间54、出口侧的收集空间56、以及两个管束空间接口58。管束空间50借助于管底部52与收集空间54、56分开。管底部52具有用于示意性示出的扁平管2的接口，使得输送给入口侧的收集空间54的介质能够以压力p1从入口侧的收集空间54流动到扁平管2中并且从扁平管2流动到出口侧的收集空间56中。
40.所示出的扁平管换热器1优选以逆流的方式运行，其中，围绕扁平管2所引导的介质以压力p2经由绘图平面中在上方所示出的管束空间接口58来输入，并且从那里流动到管束空间50中。
41.设计为压力容器的外罩壳体7在保留压力空间70的情况下以一间距包围壳体5。如图8中示意性示出的那样，外罩壳体7具有用于介质输入和/或介质输出的接口72，从而能够借助于介质输入和/或介质输出来调节外罩壳体7中的压力p。在此，如此选择设计为压力容器的外罩壳体7的压力空间70中的压力p，使得该压力比扁平管2中或围绕扁平管2所引导的介质的压力p1、p2更高，尤其是高大约1bar至大约4bar。由此，壳体5从外部加载有表面压力，通过该表面压力确保了，图7和图8中未被示出的波纹带3、6（参见图1至图6）即使在没有材料锁合的连接的情况下也抵靠在扁平管2处。
42.图7和图8中所示出的扁平管2的矩形布置结构仅是示例性的。在另外的设计方案中设置扁平管2的不同的布置结构、尤其如在ep 2 584 201 a1中所描述的那样的环形布置结构。就此全面参考ep 2 584 201 a1的公开内容。
43.图9和图10以纵截面或沿着按照图9的剖切线x-x的横截面示出了具有多个扁平管2的扁平管换热器1的第二设计方案。图9和图10中所示出的扁平管换热器1是用于在热方面后燃烧（tnv）的示意性示出的装置的部件，其中，污染的空气或废气经由入口侧的收集空间54被输入给扁平管2并且从那里到达示意性示出的燃烧室9中。所燃烧的废气从燃烧室9流动到管束空间50中并且经由管束空间接口58排放到周围环境中。在此，废气和所燃烧的废气通常仅在适度的过压的情况下在扁平管2中和周围流动。
44.在扁平管2中并且根据设计方案附加地围绕扁平管2也布置有图9和图10中未被示出的波纹带3、6（参见图1至图6），其中，设置一种用于将表面压力施加到壳体5上的设备，以便确保扁平管与波纹带3、6之间的接触。
45.对于图9和图10中所示出的实施例而言，为此目的，扁平管换热器1的壳体5同样被外罩壳体7所包围。此外，设置了多个、在所示出的实施例中四个梁对8。梁对8分别包括借助于拉杆82来连接的两个梁80。在一种设计方案中，在拉杆82处设置有弹簧元件，借助于该弹簧元件以限定的力来将梁80彼此夹紧。在另外的设计方案中，为此目的作为替代方案或附加方案设置了可手动地或马达式地调节的调节元件、尤其调节螺纹件。借助于梁对8，外罩壳体7被加载有表面压力。该负荷被传递到壳体5上。在所示出的实施例中，为此目的在外罩壳体7与壳体5之间布置有压力支柱84，该压力支柱被设计用于用表面压力均匀地加载壳体5。
46.在所示出的实施例中，扁平管2呈矩形布置结构。因此，沿一垂直于扁平管2的行方向的方向的力加载足以确保扁平管2与布置在该扁平管中的波纹带3之间的接触以及扁平管2与布置在行之间的波纹带6之间的接触。相反，在具有环形布置结构的扁平管换热器中设置了一种设备，借助于该设备能够施加沿环形布置结构的径向方向上作用的力。
47.在所示出的实施例中，在壳体5与外罩壳体7之间设置有隔热部88。
48.在一种替代的设计方案中，舍弃外罩壳体7，其中，借助于梁对8直接将表面压力施加到壳体5上。
49.按照图1至图6中所示出的实施例，在扁平管2中分别布置有两个波纹带3，该波纹带具有彼此对齐的波峰30和波谷。
50.图11以透视图示出了波纹带3的替选的布置结构。在按照图11的布置结构中，沿纵向方向l观察，交替地反向地布置具有沿纵向方向l延伸的波峰30和波谷31的多个波纹带3。换言之，彼此跟随的波纹带3的波峰30和波谷31分别相位移动180
°
。此外，在彼此跟随的波纹带3之间布置有横向肋34。
51.图12以横截面示出了具有按照图11的波纹带3的布置结构的扁平管2。
52.通过按照图11和图12的波纹带3的交替地反向的布置结构，实现了用于得到改善的热传递的流动的涡流。
53.按照本发明，通过将波纹带3布置在扁平管2中并且附加地也布置在扁平管2的外侧处增大了用于热传递的传递面积，并且于是提高了扁平管换热器1的效率。在此，能够舍弃波纹带3、6与扁平管2之间的熔焊连接和/或钎焊连接，其方式为：通过将表面压力施加到扁平管换热器1的壳体5上而在运行中也确保波纹带3、6与扁平管2之间的接触。