CN109073272A - 使用升高的热交换器压降的具有高体积热通量的紧凑流体加热*** - Google Patents

使用升高的热交换器压降的具有高体积热通量的紧凑流体加热*** Download PDF

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亚力山大·托马斯·弗雷切特
卡尔·尼古拉斯·奈特
托马斯·威廉·蒂格
基思·理查德·华尔兹
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Hangzhou Fulton Thermal Energy Equipment Co Ltd
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Abstract

一种流体加热***，其包括：压力容器；组件，所述组件包括：热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机与所述第一管道的所述第一端流体连接，其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，并且其中所述第一管道与所述第二管道之间的压降在3千帕与30千帕之间。

Description

使用升高的热交换器压降的具有高体积热通量的紧凑流体加 热***
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月9日提交的美国临时专利申请序列号62,264,934的优先权，所述专利申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
技术领域
本申请涉及一种具有增强的热交换器体积热通量(bulk heat flux)的紧凑流体加热***。
相关技术描述
使用流体加热***来为各种商业、工业和家庭应用(诸如像循环加热锅炉、蒸汽锅炉和热流体锅炉)提供加热的生产流体。由于希望改进能量效率、紧凑性、可靠性和成本降低，因此仍存在对改进的流体加热***以及其改进的制造方法的需要。
发明内容
提供一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部；组件，所述组件包括：热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口，以及内表面和外表面，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；鼓风机，所述鼓风机与所述第一管道流体连接，所述鼓风机被配置用于在压力下迫使气体穿过所述组件；其中所述热交换器芯还包括在所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道，其中所述流动通道被配置来容纳热传递流体；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二导管的所述第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中所述体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
还提供一种热传递的方法，所述方法包括：提供流体加热***，所述流体加热***包括：压力容器，所述压力容器包括内部和外部以及第一入口和第一出口；热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；鼓风机，所述鼓风机设置在所述第一管道中；以及在所述热交换器芯中设置热传递流体并在所述压力容器的内部与所述热交换器芯之间设置生产流体，以便将热量从所述热传递流体传递到所述生产流体，其中所述流体加热***在所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
提供一种制造流体加热***的方法，所述方法包括：提供压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部；将热交换器芯完全设置在所述压力容器中，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口；将所述热交换器芯的所述第二入口连接到延伸到所述压力容器外部的第一管道；以及将所述热交换器芯的所述第二出口连接到延伸到所述压力容器外部的第二管道。
提供一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；管式热交换器芯，所述管式热交换器芯包括：第一管板；第二管板；多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接所述第一管板与所述第二管板；第二入口，所述第二入口设置在所述第一管板上；第二出口，所述第二出口设置在所述第二管板上，其中所述第一入口和所述第二出口限定流动通道，并且其中所述管式热交换器芯被配置来在所述热交换器芯的所述流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述热传递流体穿过包括所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道的组件，其中所述鼓风机与所述第一管道流体连通，所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件和加热炉组件；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
提供一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；无管式热交换器芯，所述无管式热交换器芯包括：上封头；底封头；内壳，所述内壳设置在所述上封头与所述底封头之间，所述内壳包括内表面；外壳，所述外壳设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的所述内表面相对；第一入口和第二入口，其在所述内壳、所述外壳或它们的组合上；以及第一出口和第二出口，其在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，其中所述内壳和所述外壳中的至少一个包括肋、脊、棘状突起或它们的组合，其中所述内壳和所述外壳在所述无管式热交换器芯的所述入口与所述出口之间限定流动通道，并且其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯的所述流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述气相热传递流体穿过所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道，其中所述鼓风机与所述第一管道流体连接，所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件并且所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的加热炉组件；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
附图说明
通过参考附图进一步详细描述本公开的示例性实施方案，本公开的上述和其他优点和特征将变得更加显而易见，其中相似数字指示相似元件：
图1是包括热交换器且图示说明本文所使用的压降测量点的流体加热***的方面的图示；
图2是通过管体积热通量(英国热单位每小时每平方英尺，BTU/Hr/ft2)和(千瓦时每小时每平方米，KWh/Hr/m2)与压降(磅每平方英寸，psi)的曲线图，其示出计算机模拟的结果，该结果示出流体加热***体积热通量随跨越组合热传递表面的压降而变化的函数关系。曲线图上叠加的是如本文所述的高压***的结果，以及当前可从现有供应商获得的产品的比较结果；
图3是包括热交换器的流体加热***的剖视图；
图4是包括管壳式热交换器的流体加热***的剖视图；
图5是并入无管式热交换器的流体加热***的一个实施方案的透视图；
图6是示出燃烧器、加热炉、热交换器和排出歧管和烟道组件的流体加热***的实施方案的功能图，其图示说明此配置的压降测量点的位置；
图7是并入管壳式热交换器的流体加热***的一个实施方案的剖视图，所述管壳式热交换器完全容纳在压力容器内；
图8是并入无管式热交换器的流体加热***的一个实施方案的透视图，所述无管式热交换器完全容纳在压力容器内；
图9A是示出3,000,000英国热单位/小时(BTU/hr)高压管壳式流体加热***的热通量速率随加热炉到烟道压降而变化的关系的曲线图；
图9B是示出3,000,000BTU/hr高压管壳式流体加热***的微分热通量速率随加热炉到烟道压降而变化的曲线图；
图9C是示出6,000,000BTU/hr高压管壳式流体加热***的热通量速率随加热炉到烟道压降而变化的关系的曲线图；
图9D是示出6,000,000BTU/hr高压管壳式流体加热***的微分热通量速率随加热炉到烟道压降而变化的曲线图；
图9E是示出30马力(HP)高压带螺旋肋无管式流体加热***的根据加热炉到烟道压降而变化的微分热通量速率之间的关系的曲线图；
图9F是示出30HP高压带螺旋肋无管式流体加热***的微分热通量速率随加热炉到烟道压降而变化的曲线图；并且
图10A示出立式锅炉的透视图；
图10B示出高压立式锅炉的透视图。
具体实施方式
流体加热***期望地是热压缩的，提供热输出与流体加热***的总大小之间的高比率，并且具有可以以合理的成本制造的设计。对于循环加热(例如，液态水)、蒸汽和热流体加热***尤其如此，所述***被设计用于递送加热的生产流体(诸如蒸汽)以用于温度调节、家用热水或者商业或工业过程应用。在流体加热***中，通过燃烧燃料生成包括例如热燃烧气体的热传递流体，然后使用热交换器将热量从热传递流体传递到生产流体。
本发明的发明人已开发出一种高压锅炉***，其通过提高穿过热交换器的空速并减小湍流边界层的宽度来增加热传递系数。这允许热交换器具有较小的热传递表面积。所公开的配置提供意想不到的改进效率。
图1所示的是流体加热***的实施方案的示意图，其中气态热传递流体由鼓风机100在压力下被迫使通过第一管道102进入到热交换器104的入口126中。来自热交换器的排出气体120通过热交换器出口128排出到第二管道106中。生产流体通过入口112被迫进入到压力容器124中，在压力容器124中，生产流体流经由环绕热交换器108的压力容器110界定的空间122，并通过出口114离开。
热能从流经包括第一管道102、热交换器104和第二管道106的气体路径组件的气体跨越加热表面传递到流经压力容器124的生产流体。加热表面是其一个面与热传递流体接触而另一面与生产流体接触的那些表面，其中包括热传递流体侧上的扩充表面(例如，翅片)。通过将直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算总加热表面积。例如，在图1所示的实施方案中，加热表面包括108。
包括热流体流动路径(包括热交换器)和生产流体流动路径(包括压力容器)的部件可各自独立地包含任何合适的材料，并且可以是金属，诸如铁、铝、镁、钛、镍、钴、锌、银、铜或包含至少一种前述物质的合金。代表性金属包括碳钢、软钢、铸铁、锻铁、不锈钢(例如，304、316或439不锈钢)、蒙乃尔合金(Monel)、英高镍合金(Inconel)、青铜和黄铜。特别提供一种实施方案，其中热交换器芯、压力容器和包括气体流动路径的部件是软钢或不锈钢。
虽然申请人不意图受此处提出的任何理论所约束，但是据信热能通过三种热传递机制从热传递流体跨越加热表面传递到生产流体：传导、对流和辐射。虽然通过传导和辐射进行的跨越加热表面的热传递速率固有地受到构造材料的性质和所选燃料的性质两者的限制，但是对于生产流体的跨越加热表面的对流热传递速率受到气态热传递流体的显著影响，所述气态热传递流体从第一管道穿过热交换器并进入到第二管道中从而穿越气体路径。具体来说，与层流相比，沿着加热表面的湍流边界层的热传递流体流的对流热传递速率高，并且热传递速率随着努塞尔数的增加而增加。
流体加热***的容量是在标准条件下从热传递流体传递到生产流体的总热量。按惯例，在生产流体是液体(例如，水、热流体或热油)的情况下，容量以英国热单位每小时(BTU/小时)表示；在生产流体全部或部分是气态或蒸气(例如，蒸汽)的情况下，标准测量单位以锅炉马力(BHP)表示。在生产流体是液体(例如，水、热流体或热油)的实施方案中，流体加热***的容量可以是例如100,000BTU/hr至50,000,000BTU/hr，或150,000BTU/hr至50,000,000BTU/hr，或200,000BTU/hr至40,000,000BTU/hr，或250,000BTU/hr至35,000,000BTU/hr，或300,000BTU/hr至30,000,000BTU/hr，或350,000BTU/hr至25,000,000BTU/hr，或400,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr，或450,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr，或500,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr，或550,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr，或600,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr。当生产流体是液体时，流体加热***的容量上限可以是例如50,000,000BTU/hr、40,000,000BTU/hr、30,000,000BTU/hr、20,000,000BTU/hr、15,000,000BTU/hr、14,000,000BTU/hr、13,000，000BTU/hr、12,000,000BTU/hr、10,000,000BTU/hr、9,000,000BTU/hr或8,000,000BTU/hr。当生产流体是液体时，流体加热***的容量下限可以是例如100,000BTU/hr、150,000BTU/hr、200,000BTU/hr、250,000BTU/hr、300,000BTU/hr、350,000BTU/hr、400,000BTU/hr、4500,00BTU/hr、500,000BTU/hr、550,000BTU/hr或600,000BTU/hr。可独立地组合前述上限和下限，优选为300,000BTU/hr至20,000,000BTU/hr。
在生产流体全部或部分是气态或蒸气(例如，蒸汽)的实施方案中，流体加热***的容量可例如在1.5HP至1,500HP之间，或2.0HP至1,200HP，或2.5HP至l000HP，或3.0HP至900HP，或3.5HP至800HP，或4HP至800HP，或4.5HP至800HP，或5HP至1,500HP，或10HP至1,500HP，或15HP至1,500HP，或20HP至1,500HP，或25HP至1,500HP，或30HP至1,500HP之间。当生产流体全部或部分是气态或蒸气时，流体加热***的容量上限可以是例如2,500HP、2,000HP、1,800HP、1,600HP、1,500HP、1,400HP、1,300HP、1,200HP、1,100HP、1,000HP、900HP、800HP或由特定流体加热***占地面积和重量要求确定的任何其他容量。当生产流体全部或部分是气态或蒸气时，流体加热***的容量下限可以是例如1.5HP、2.0HP、2.5HP、3.0HP、3.5HP、4HP、5HP、10HP、15HP、20HP、25HP或30HP。前述上限和下限可独立地组合。特别是引用容量为10HP至1000HP和10HP至1,600HP的流体加热***。
在一个实施方案中，在生产流体是液体(例如，水、热流体或热油)的情况下，流体加热***容量在500,000BTU/hr至30,000,000BTU/hr之间。在一个实施方案中，在生产流体是液态(例如，水、热流体或热油)的情况下，流体加热***容量在700,000BTU/hr至1,000,000BTU/hr之间。在一个实施方案中，在生产流体全部或部分为气态或蒸气(例如，蒸汽)的情况下，流体加热***容量在2.5HP至800HP之间。在一个实施方案中，在生产流体完全或部分为气态或蒸气(例如，蒸汽)的情况下，流体加热***容量在3.5HP、4HP、5HP、10HP、15HP、20HP、25HP或30HP至500HP或600HP或700HP或800HP或900HP或1,000HP或1,100HP或1,200HP或1,300HP或1,400HP或1,600HP或1,800HP或2,000HP之间。
总体上，由方程Q＝U AΔTLM给出支配锅炉稳态操作的热传递的方程，其中Q是热传递速率，U是热传递系数，A是加热表面积，且ΔTLM是在加热表面相对侧上的热传递流体与生产流体之间的对数平均温差。
在优选实施方案中，对于所有正常操作条件来说，跨越加热表面的热气流是完全湍流，这意味着跨越加热表面的对流热通量发生在完全湍流边界层上。所述湍流边界层的努塞尔数和厚度、以及所得Q、热传递速率受若干因素影响，包括气态热传递流体流的速度和加热表面的表面特性。
可使用增加热传递速率(或等效地，增加热传递效率)来减小紧凑流体加热***的大小、复杂性和成本。通常使用两种方法来增强方程Q＝U AΔTLM中的热传递速率Q：第一种涉及增加在其上发生热传递的有效加热表面积(A)。这可通过以下来实现：增加热传递元件的数量(例如，管壳式热交换器中的管的数量)、热传递部件的尺寸(例如，热交换器元件的长度)；或用专门被设计用于促进热传递的结构元件(例如，“翅片”)来扩充表面积。增加加热表面积的缺点在于，它增加流体加热***的体积、重量、材料成本和制造复杂性。
增加热传递速率的第二种方法是增加热传递系数(U)。增加热传递系数的方法是通过引入表面特征来处理加热表面，所述表面特征被设计来促进加热表面上方的热传递流体(热“气体侧”流)的边界层中的湍流度。这些表面处理(例如，在加热表面的气体侧上的波纹和/或湍流器)用于增加湍流边界层的努塞尔数并增加加热表面积。在气体侧加热表面上并入波纹和湍流器的缺点在于，使用这种方法最终只能在热传递速率上实现有限的益处，此外，表面处理增加流体加热***材料成本和制造复杂性。
还惊人地发现，可通过增加气体或蒸气热传递流体流入到热传递组件中的压力来增强热传递系数(U)，所述组件的特征在于，具有从具有加热表面的元件的入口到出口的高压降。流体加热***的当前可用实例将热传递组件压降限制在约3.5kPa或更低，并且使用这样的鼓风机：其产生通常为0.5磅每平方英寸(psi)或更小的风机压力，并且在所有情况下严格小于0.7psi，高于环境压力。因此，当前工业产品利用小型低压鼓风机来驱动热传递流体穿过以低入口到出口压降为特征的热传递组件，并且调整热交换器的几何形状、加热表面积和表面处理以获得所需的热传递速率。
在所描述的***和方法的一个方面，已发现可使用以高压降为特征的热传递组件以及有效的高压鼓风机(等效地，高风机功率)来通过增加跨加热表面的热传递流体速度来增强热传递速率Q。风机功率(等效地，风机速度或风机压力)越高，湍流边界层越薄，且因此从燃烧气体到生产流体的热传递越有效。
增加的热传递流体速度具有至少两种效果。高速流降低气体侧热传递流体流上的湍流边界层的高度，并且其增加流的平均总湍流度(等效地，通过热传递设备的流的平均努塞尔数)。发明人已经利用这一发现来生产一种新颖的流体加热***，其具有紧凑的体积和占地面积、改进的热传递效率和减小的加热表面积，材料、成本和制造复杂性对应地减少。
由于临界热传递性质是整个热传递组件(包括热交换器)中热传递系数U的平均改善，因此可通过使用体积热通量来比较利用高压降的益处，所述体积热通量可通过将总输出量除以总加热表面积来计算，其中总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，其内容以引用的方式整体并入本文，并且总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算。
对于本文所述的流体加热***，与热传递流体侧(等效地，“炉侧(fireside)”，其中热传递流体是加热气态混合物)相比，热传递表面的生产流体侧(等效地，在循环加热或蒸汽流体加热***的情况下为“水侧”)上的热阻小若干数量级。因此，扩充热传递表面积(例如，添加散热片)的锅炉设计在热传递流体侧上就如此，因为向生产流体侧添加表面积是无效的。当扩充的表面积未并入到设计中时，增加热传递表面积意味着将两侧暴露的总表面积扩大到流体，等同地增加热流体侧和生产侧的热传递表面。因此，在本公开中，关于交换表面的热传递流体侧描述如所定义和计算的热通量确定。
在一个实施方案中，跨越热传递组件的体积热通量可以是例如30千瓦时每小时每平方米(kW/m2)至500kW/m2，或30kW/m2至300kW/m2，或32kW/m2至450kW/m2，或34kW/m2至450kW/m2，或36kW/m2至450kW/m2，或38kW/m2至450kW/m2，或40kW/m2至400kW/m2，或42kW/m2至400kW/m2，或45kW/m2至400kW/m2，或45kW/m2至400kW/m2，或45kW/m2至400kW/m2，或45kW/m2至300kW/m2，或45kW/m2至300kW/m2，或45kW/m2至300kW/m2，或45kW/m2至450kW/m2，或45kW/m2至400kW/m2，或45kW/m2至350kW/m2，或45kW/m2至300kW/m2，或45kW/m2至250kW/m2，或45kW/m2至200kW/m2，或45kW/m2至150kW/m2，或45kW/m2至125kW/m2，或45kW/m2至120kW/m2。在一个实施方案中，体积热通量为45kW/m2至300kW/m2。在一个实施方案中，跨越热传递组件的体积热通量为45kW/m2至120kW/m2。在一个实施方案中，跨越热传递组件的体积热通量为45kW/m2至100kW/m2。在一个实施方案中，跨越热传递组件的体积热通量为47kW/m2至100kW/m2。在一个实施方案中，跨越热传递组件的体积热通量为47kW/m2至120kW/m2。跨越热传递组件的体积热通量的上限可以是例如1,000kW/m2、800kW/m2、600kW/m2、500kW/m2、400kW/m2、450kW/m2、350kW/m2、300kW/m2、250kW/m2、200kW/m2、150kW/m2、125kW/m2、120kW/m2或100kW/m2，并且由材料在不影响耐久性的情况下可传递的上限、用于避免膜态沸腾的沸腾曲线极限以及对生产流体所施加的总Q(热传递)的极限来确定。跨越热传递组件的体积热通量的下限可以是例如30kW/m2、35kW/m2、40kW/m2、45kW/m2。可独立地组合所提供的上限和下限。
所公开的***和方法的一个方面在于，利用高压热传递组件可与高压鼓风机一起使用以提供紧凑、有效且实用的流体加热***，所述流体加热***的特征在于，从加热的热传递流体到生产流体的热传递增强。本发明人的这一发现适用于任何配置的流体加热***，其中使用暴露于湍流热传递流体流的加热表面来实现热传递，所述流体加热***包括(但不限于)火管和水管循环加热、蒸汽和热流体锅炉。为简单起见，描述所公开***和方法的各方面，其中气体路径行进穿过生产流体的腔(例如，在火管锅炉中)。然而，所公开的***和方法可由本领域普通技术人员应用于其他应用，并且所公开的***和方法不限于特定配置，诸如壳管式或无管式热交换器。
图1还示出用于表征跨越热传递组件的压降的压力测量的位置。出于本公开的目的，压降是指从加热表面可促进将传导热能从热传递流体传递到生产流体的所在的第一点116(点“A”)到满足所述条件的流中的最后一点118(点“B”)而确定的压力变化，也被描述为第一管道的第一端与第二管道的第一端之间的压降。就是说，压降是跨越促进体积热通量的那些热传递设备部件而测量的压力变化。点“A”和点“B”由从热传递流体到生产流体的热传递发生所在的流体路径界定。点A对应于任何进气细节、过滤器或燃烧器压力损失之后的流中的点，因为所有这些选择都不影响锅炉***的热性能。点B对应于在热传递停止发生之后立即测量***压力所在的且允许我们忽略所有安装细节(诸如烟道长度和直径或存在导风轮风机，或其他引入压降的安装细节)的点。这两点之间的测量结果一起为我们提供独立于燃烧器选择和安装效果的详细信息。
在一个实施方案中，跨越热传递组件的压降可以是例如2.5千帕(kPa)至50kPa，或2.5kPa至45kPa，或3.0kPa至40kPa，或3.5kPa至40KPA，或4.0kPa至30kPa，或4.5kPa至30kPa，或5.0kPa至30kPa，或5.5kPa至20kPa，或6kPa至20kPa，或6.5kPa至20kPa，或7kPa至50kPa，或7.5kPa至50kPa，或8kPa至50kPa，或8.5kPa至50kPa，或9kPa至50kPa，其中可独立地组合前述上限和下限。跨越热传递组件的压降的下限可以是例如2.5kPa、2.6kPa、2.7kPa、3.0kPa、3.2kPa、3.5kPa、3.7kPa、4.0kPa。跨越热传递组件的压降的上限可以是例如50kPa、45kPa、40kPa、35kPa、30kPa、25kPa、20kPa、15kPa、12kPa、10kPa。在一个实施方案中，图1中的管道102的测量点116与管道106的测量点118之间的压降是3kPa至30kPa。在一个实施方案中，图1中的管道102的测量点116与管道106的测量点118之间的压降是3kPa至10kPa。在一个实施方案中，图1中的管道102的测量点116与管道106的测量点118之间的压降是3kPa至12kPa。
图2示出使用已通过实验广泛验证的计算模拟进行的体积热通量随压降而变化的结果。示出曲线，其图示说明对于各种类型的加热表面波纹化处理，随着热传递设备上的压降增加，体积热通量增加。示出如本文所述使用高压降热传递设备和高压鼓风机的对应于3,000,000BTU/hr(“3MM加热炉到烟道”)和6,000,000BTU/hr(“6MM加热炉到烟道”)循环加热锅炉测试锅炉和30HP无管式蒸汽锅炉(“30HP加热炉到烟道”)的三种流体加热***的实验结果。还绘制对应于当前可从当前市场供应商获得的使用低压降热传递设备和低压鼓风机的五种实际蒸汽和循环加热锅炉产品的值。(产品1＝3百万BTU/hr循环加热FHS；产品2＝2百万BTU/hr循环加热FHS；产品3＝2.61-2.88百万BTU/hr循环加热FHS；产品4＝4百万BTU/hr循环加热FHS；产品5＝6百万BTU/hr循环加热FHS。)可看出，当前产品在比本文所述的示例性***低得多的压降下操作，并且当前产品与本文所述的示例性***相比产生更低的体积热通量。
图3所示的是一种类型的流体加热***300，其中热传递流体可以是热燃烧气体。如图3所示，鼓风机302迫使空气穿过管道304并进入到燃烧器310，在燃烧器310处燃料-空气混合物被点燃并穿过上封头306在加热炉340内燃烧。生产流体在压力下被迫穿过管道334进入到压力容器入口332中而进入到压力容器308中，在压力容器入口332处生产流体流经环绕热交换器的空间并离开穿透压力容器344的压力容器出口342。压力容器包括上封头305、压力容器壳体312和底封头327。热燃烧气体通过设置在加热炉的出口338与热交换器316的入口336之间的密封件或管道314离开加热炉，其中热能从流经热交换器腔室322的燃烧气体输送到跨越加热表面318流经压力容器的生产流体320。燃烧气体可被引导穿过成形部分330以离开热交换器出口324，热交换器出口324穿透326压力容器，在那里燃烧气体被引导穿过管道328到压力容器外部。
热交换器设计各异，并且本领域普通技术人员可使所公开的***和方法适应特定的热交换器配置而无需过多实验。在一个实施方案中，并入管壳式热交换器，其中加热表面的主要元件包括将加热的热传递流体从加热炉输送到排出管道的一批薄壁管。图4示出并入管壳式热交换器的流体加热***的实施方案，所述管壳式热交换器包括设置在上部管板402和下部管板406之间的一批管404，其可形成压力容器408的一部分。热量从热传递流体跨越众多薄壁流体管道(例如，壁厚小于0.5厘米(cm)的管)的壁表面传递到生产流体。图4还图示说明离开热交换器管的排出燃烧气体可被收集在排气歧管410内的收集空间414中，以便远离流体加热***被引导到烟道412。在所示的此实施方案中，管板还是压力容器的底封头，使得排出歧管腔室位于压力容器外部。
也使用无管式热交换器。无管式热交换器避免使用薄壁管和与管壳式热交换器相关联的管板。在一个实施方案中，无管式热交换器包括至少两个流动腔室、被设计来将热传递流体从入口端口输送到排出端口的热交换器芯部分、以及被设计来将生产流体从单独的入口端口输送到单独的出口端口的压力容器。热交换器芯可部分地或全部容纳在压力容器内，并且流经热交换器的热传递流体可容纳在芯部分内。压力容器包括外部壳体、热交换器芯的所有外表面、芯入口和排出端口的外表面、以及其他流体加热***部件。穿过热交换器的生产流体的流完全容纳在压力容器内。
如果需要，无管式热交换器芯还可包括流动元件(例如，肋或脊)以引导热传递流体的流动，例如，以便在无管式热交换器芯的入口与出口之间提供更长的路径。如图5所示，肋506可以是离散元件，其可设置在交换器芯的内壳502与外壳504之间，以便引导热传递流体在热交换器芯的入口与出口之间流动。这种配置起作用以减少对流到流体加热***主体壳体500的热量。例如，肋可被焊接。在一个实施方案中，在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，优选地在10到100之间，其中纵横比是在内壳、外壳与肋之间形成的流动通道的高度与所述流动通道的宽度的比率，其中高度是相邻流动元件的相对表面之间的距离，并且法向于第一流动元件的表面来测量，并且其中流动通道的宽度从内壳的外表面到外壳的内表面来测量，其中内壳和外壳的内表面都在流动通道内部。
2014年12月22日提交的美国临时专利申请序列号62/124,502；2014年12月11日提交的美国临时专利申请序列号62/124,235；2015年11月24日提交的美国非临时专利申请号14949948；2015年11月24日提交的美国非临时专利申请号14949968；以及2015年11月24日提交的美国非临时专利申请号24172713中提供了带肋和带脊无管式热交换器和并入带肋和带脊无管式热交换器的流体加热***的设计、使用和制造的细节，所述申请的内容以引用的方式整体并入本文。
可替代地，可使用内壳、外壳或它们的组合的变形来提供流动元件。在一个实施方案中，无管式热交换器芯包括上封头、底封头、设置在所述上封头与所述底封头之间的内壳、设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的内表面相对的外壳，其中所述内壳和所述外壳中的至少一个包括脊，其中所述内壳和所述外壳限定无管式热交换器芯的第二入口与第二出口之间的流动通道，其中无管式热交换器芯的第二入口设置在内壳、外壳或它们的组合上，并且其中无管式热交换器芯的第二出口设置在内壳、外壳或它们的组合上。可通过例如冲压或液压或气动变形来设置脊。
热交换器和锅炉工业以及这些工业中的本领域普通技术人员使用以下定义来区分用于管壳式热交换器中的热传递表面的管与其他管道(例如，无管式热交换器中的流动通道)：管是具有圆形或椭圆形横截面的中空管道，其尺寸由外径确定，且壁厚通常根据伯明翰线规(BWG)或斯塔布斯(Stubbs)线规公约提供，范围为从5/0规格(0.500英寸壁厚)到36规格(0.004英寸壁厚)。用于热传递流体的其他金属管道-如管-使用不同的规范惯例；例如，管通常由“标称管径/大小”(NPS)标识，其直径仅粗略地与实际内径或外径以及由“管规号”(SCH)定义的壁厚相比较。
然而，这种“管”的定义模糊功能性质，所述功能性质可用于分类和表征管壳式热交换器之间的区别-相较于无管式设计替代方案-特别是由本发明***和方法代表的令人惊讶的先进技术。出于本公开的目的，除非另外规定，否则基于管和更鲁棒的热传递部件之间的功能区别来提供定义。管壳式热交换器是一种设计分类，其中热交换的主要位置发生在众多薄壁(≤0.5厘米(cm)壁厚)金属或金属合金流体管道的壁表面上-所述管道可以具有或可以不具有圆形横截面-称作管，其例如通过焊接部分或焊接件固定在管板的任一端或两端处。管壳式热交换器的功能特性包括在薄壁管道(管)与管板之间存在大量焊接件或其他机械紧固手段(例如，心轴膨胀)，以及存在众多薄壁管道，两者都易受腐蚀、机械运动和热应力引起的开裂和其他材料失效的影响。因为它们发生在压力容器、管、管板内，并且连接故障的维修或更换是困难且昂贵的，特别是现场安装。
无管式热交换器是指热交换器设计，所述热交换器设计避免使用薄壁金属或金属合金流体管道以及管板的所得过多管道焊接件而利用其他不太脆弱的替代物作为热传递表面。具体来说，无管式管道-壳式热交换器的特征在于，存在很少包括较厚(≥0.5cm)平均最小尺寸的部件的流体管道，并且不存在具有许多管道到管板焊接件的管板。在实践中，无管式管道-壳式热交换器具有管壳式设计的一些特征，包括压力容器的结构和制造、供应热的热传递流体和较冷的生产流体的方法、以及调节控制***的设计。然而，无管式管道-壳式热交换器的热交换芯部分用不到一半的不同流动路径代替不太脆弱的热传递流体管道结构，所述流动路径包括与等效的管和管板结构相比热传递能力相同或更大的鲁棒性金属和金属合金部件。
图6所示的是流体加热***的实施方案的示意图，其中燃料-空气混合物在压力下由鼓风机100A迫使进入到在其中点燃混合物的燃烧器310A中。热燃烧气体在压力下从加热炉340A流入到热交换器104A中，在热交换器104A处，从流动的燃烧气体120A到由压力容器界定的空间122A中流动的生产流体的主要热传递发生在热交换器的加热表面108A上。在一个实施方案中，加热炉340A直接连接到热交换器104A，并且可省略用于在来自加热炉的燃烧气体进入到热交换器中之前对其进行加压的装置。来自热交换器的排出气体被排出排气歧管328A并进入到排出烟道602中，在那里它们被引导远离流体加热***。生产流体通过入口112A被迫进入到压力容器308A中，在那里生产流体流经环绕热交换器的空间122A并通过出口114A离开。跨越热传递组件的压降被测量为从加热炉116A(点“A”)到烟道602的入口118A(点“B”)的压力变化。
热交换器芯可具有任何合适的尺寸。特别提供的情况是内壳和外壳各自独立地具有15厘米(cm)、25cm、30cm、350cm、650cm或1,400cm的最大外径。例如，内壳和外壳可各自独立地具有15cm至1400cm的最大外径。优选内壳和外壳各自独立地具有30cm至350cm或40cm至300cm的最大外径的实施方案。
内壳和外壳可各自独立地具有15厘米(cm)、25cm、30cm、350cm、650cm或1,400cm的最大高度。例如，内壳和外壳可各自独立地具有15cm至1400cm的最大高度。优选内壳和外壳各自独立地具有30cm至650cm或40cm至500cm的最大外径的实施方案。
可使用流体加热***来在任何合适的流体之间交换热量，例如，在第一流体与第二流体之间，其中所述第一流体和所述第二流体可各自独立地包括气体、液体或它们的组合。在优选实施方案中，被引导穿过热交换器芯的第一流体是气态热传递流体，并且可以是燃烧气体(例如,由燃料燃烧的燃烧器产生的气体)，并且可包括水、一氧化碳、二氧化碳或它们的组合。在此，提及“高压”或“高压降”是指热传递流体的压力测量值；在热传递流体是气态加热的气体或燃烧过程的所得物的实施方案中，等效地称为炉侧压力。
被引导穿过压力容器并接触热交换器芯的整个外表面的第二流体是生产流体并且可包括水、蒸汽、油、热流体(例如，热油)或它们的组合。热流体可包括水、C2至C30二醇(诸如乙二醇)、未取代或取代的C1至C30烃(诸如矿物油或卤化C1至C30烃(其中卤化烃可任选地进一步被取代))、熔盐(诸如包括硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂或它们的组合的熔盐)、(聚)硅氧烷或它们的组合。在循环加热产品(hydronic products)中，可使用二醇浓度为10体积％-60体积％的二醇-水混合物。代表性的卤化烃包括1,1,1,2-四氟乙烷、五氟乙烷、二氟乙烷、1,3,3,3-四氟丙烯和2,3,3,3-四氟丙烯，例如含氯氟烃(CFC)，诸如卤化碳氟化合物(HFC)、卤化含氯氟烃(HCFC)、全氟化碳(PFC)或它们的组合。烃可以是取代或未取代的脂族烃、取代或未取代的脂环烃或它们的组合。可商购获得的实例包括THERMINOL VP-1(Solutia有限公司)、DIPHYL DT(Bayer A G)、DOWTHERM A(Dow Chemical)和THERM S300(Nippon Steel)。热流体可由碱性有机和无机化合物配制。而且，热流体可以以稀释形式使用，例如，浓度范围为3重量％至10重量％。特别提及的是热传递流体是燃烧气体且包括液态水、蒸汽或它们的组合而生产流体包括液态水、蒸汽、热流体或它们的组合的实施方案。
还公开一种热传递方法，所述方法包括：提供流体加热***，所述流体加热***包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口；热交换器芯，所述热交换器芯可完全设置在所述压力容器中；以及在无管式热交换器芯中设置气态或蒸气热传递流体，且在压力容器中设置生产流体，以便将热量从热传递流体传递到生产流体。例如，可通过使用鼓风机将燃烧气体引导到热交换器芯中来实施在无管式热交换器芯中设置热传递流体。热传递的方法可包括将热传递流体从第一入口引导到第一出口以提供热传递流体流经压力容器，以及将生产流体从第二入口引导到第二出口以提供生产流体流经无管式热交换器芯的流动通道。例如，可使用泵来提供引导。所述组合满足以下条件：第一管道的第一端与第二管道的第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中总输出量根据2007年第6版的AHRIBTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，其内容通过引用的方式整体并入本文，并且总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中第一管道的第一端与第二管道的第一端之间的压降在2.5千帕(kPa)至50kPa，或者2.5kPa、3.0kPa、3.5kPa、4.0kPa、4.5kPa、5.0kPa、5.5kPa、6kPa、6.5kPa、7kPa、7.5kPa、8kPa、8.5kPa或9kPa至50kPa、40kPa、30kPa、20kPa、15kPa or 12kPa之间，其中可独立地组合前述上限和下限。特别提供3kPa至30kPa之间的压降的实施方案。
在任何前述实施方案中，压力容器可被配置成容纳生产流体，使得热交换器芯的整个外表面与生产流体接触；和/或热交换器芯的整个流动通道可完全设置在压力容器中。图7示出管壳式热交换器的实施方案，其包括完全设置在压力容器308A中的上管板302A、热交换器管304A和下管板306A。在仍在压力容器内的排气歧管702中收集离开下管板的排出气体，在压力容器中所述排出气体通过管道704被引导到排出烟道。
图8示出并入完全设置在压力容器内的无管式热交换器的流体加热***的实施方案。来自燃烧器(未示出)的热燃烧气体被引导通过入口124A进入到管道214A中，进入到位于内壳504A上的热交换器入口224A中，以便在出口236A处离开。主加热表面包括内壳504A、外壳502A、热交换器上封头808和底封头803。生产流体在压力下被迫进入到压力容器入口234A中，在压力容器入口234A处生产流体流经具有上封头804的压力容器802并离开出口244A。外部无管式热交换器芯完全浸没在生产流体中。由于无管式热交换器芯悬挂在生产流体环绕的压力容器中，因此形成允许远离加热表面收集碎屑的区域805。诸如腐蚀产物或沉淀物的碎屑可收集，从而避免在热传递表面附近形成碎屑堆积。虽然不希望受理论束缚，但应理解，碎屑的积聚可形成绝缘屏障，从而导致热梯度或局部热点，这可导致材料失效。碎屑区域805设置在热交换器芯806与压力容器802之间。碎屑区域可设置在允许碎屑在重力作用下积聚的任何合适位置。在一个实施方案中，碎屑区域位于底封头803和压力容器壳体804之间。
执行计算机建模和模拟，以便展示若干锅炉配置的各个方面。计算机建模和模拟能够在类似的热力学和操作条件下直接比较不同大小和配置的锅炉。图9A示出针对并入被配置用于蒸汽生产流体的管壳式热交换器的模拟3,000,000BTU/hr高压立式流体加热***的热通量(Q)随加热炉到烟道压降(P)变化的关系。图9B示出同一模拟锅炉***的微分(形式上，d(d(dQ/dt)/dA)/dP)热通量(热通量Q的时间速率每单位面积相对于加热炉到烟道压降P的导数),其图示说明热通量的改善速率随着加热炉到烟道压降的增加而迅速增加，直到近似5kPa开始渐近。超过这一点的压降的进一步增加几乎不会改善体积热通量。在发明人的发现之前的所有已知市售商业锅炉设计在操作中在拐点以下的热通量和加热炉到烟道压力设计点下操作。本文所述的实施方案使得能够在高热通量开始渐近的临界点以上进行操作以利用更高的热效率而不损耗锅炉寿命、可靠性或总能量效率。
令人惊讶的是，热通量与(vs.)加热炉到烟道压降的曲线在值3kPa-5kPa之前是急剧上升的。当前行业惯例是设计远低于拐点-通常为1.5kPa-但是可从在更高压力下操作实现相当大的改进。而且，在拐点附近，由于可用的更高功率密度，可用的性能改进在热力学特性和单位大小减小的可能性两个方面都很大。
然而，在这些更高功率密度下存在若干障碍。首先，所示的体积热通量表示通过所有加热表面积的所有热流的平均值。集中的局部热通量可在某些部件中产生局部热点，从而导致高应力和材料失效的可能性。
其次，由于热通量与生产流体与热传递流体之间的温差以及热交换器表面的气体侧的热传递系数这二者成比例，因此流体加热***设计必须管理局部表面热传递速率以将局部热通量条件维持处于故障阈值以下。
第三，对于蒸汽锅炉来说，设计必须限制局部条件，以防止到薄膜沸腾的过渡，这通常不是燃料燃烧锅炉的考虑因素，但是可存在于通过增强加热炉到烟道压降来增加功率密度的情况。这是已致使行业在过去教导避开更高压力的热通量考虑的一个实例。
第四，对于循环加热锅炉来说，必须管理在低流量条件下的沸腾，特别是在像环绕热交换器管的区域的局部热点中。因此，水管理路径的精心布局至关重要，这在其他产品中几乎与标准锅炉的性能和寿命无关。
图9C和图9D示出6,000,000BTU/hr高压立式流体加热***的数值模拟的类似结果，所述***并入被配置用于蒸汽生产流体的管壳式热交换器。如前所述，计算机模拟证实，对于低于临界点的值来说，热通量随着加热炉到烟道压力的增加而迅速增加，然后曲线在近似5kPa之后渐近。超过这一点的压降的进一步增加几乎不会改善体积热通量。
对于如图9E和图9F所示的并入被配置用于循环加热生产流体的无管式交换器的30HP高压立式流体加热***的数值模拟，获得类似结果。再次，计算机模拟证实，对于低于临界点的值来说，热通量随着加热炉到烟道压力的增加而迅速增加，然后曲线在近似5kPa之后渐近。超过这一点的压降的进一步增加几乎不会改善体积热通量。
模拟测试表明，虽然选定的特定点在压降方面有所不同，但在所有情况下，选定的设计点都在差值减小到1以下的范围中。因此，热通量随着加热炉到烟道压降的增加而迅速增加到某一点，此后额外的压降几乎不会改善热通量。从差分绘图表明，在商业应用典型的锅炉大小范围内，拐点发生在5kPa或更高处。
发明人还已进行测试以验证所公开***的操作方面。表1示出如图9A和图9B所述的并入被配置用于蒸汽生产流体的管壳式热交换器的3,000,000BTU/hr高压立式流体加热***的操作测试数据。
表1.
表2示出并入如图9C和图9D所述的被配置用于蒸汽产生流体的管壳式热交换器的6,000,000BTU/hr高压立式流体加热***的操作测试结果。这些数据示出由以锅炉的大小、尺寸和容量有效地增加加热炉到烟道压力标度所致的热通量速率增强导致的更高的功率密度，如计算机模拟结果所预测。
表2.
表3示出如图9E和图9F所示的并入被配置用于循环加热生产流体的带螺旋肋无管式热交换器的仪表化的30HP高压立式流体加热***的操作测试数据。这些数据证实，由增加加热炉到烟道压力所致的热通量速率增强导致的较高功率密度也存在于配置有无管式热交换器的锅炉中。
表3.
图10图示说明由所描述的***产生的单位占地面积和体积的改进。图10A示出标准循环加热流体加热***的透视图，所述***包括具有高度h且宽度w的主体盖500，所述主体盖500容纳压力容器、热交换器和管道。图10B示出具有高度为h’且宽度为w'的主体盖500的高压循环加热流体加热***的透视图。由于较高的加热炉到烟道压降所致的体积热通量增强所导致的功率密度增加使得流体加热***的尺寸显著减小，这与具有相同的生产能力和性能的标准***相比通常将单位体积减小20％至30％。
实施方案
在一个实施方案中，公开了一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部；组件，所述组件包括：热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口，以及内表面和外表面，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机与所述第一管道流体连接，所述鼓风机被配置用于在压力下迫使气体穿过所述组件；其中所述热交换器芯还包括在所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道，其中所述流动通道被配置来容纳热传递流体；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中所述体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
还公开了一种热传递方法，所述方法提供：流体加热***，所述流体加热***包括：压力容器，所述压力容器包括内部和外部以及第一入口和第一出口；热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；鼓风机，所述鼓风机设置在所述第一管道中；以及在所述热交换器芯中设置热传递流体并在所述压力容器的内部与所述热交换器芯之间设置生产流体，以便将热量从所述热传递流体传递到所述生产流体，其中所述流体加热***在所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
在一个实施方案中，公开了一种制造流体加热***的方法，所述方法包括：提供压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部；将热交换器芯完全设置在所述压力容器中，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口；将所述热交换器芯的所述第二入口连接到延伸到所述压力容器外部的第一管道；以及将所述热交换器芯的所述第二出口连接到延伸到所述压力容器外部的第二管道。
在一个实施方案中，公开了一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；管式热交换器芯，所述管式热交换器芯包括：第一管板；第二管板；多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接所述第一管板与所述第二管板；第二入口，所述第二入口设置在所述第一管板上；第二出口，所述第二出口设置在所述第二管板上，其中所述第一入口和所述第二出口限定流动通道，并且其中所述管式热交换器芯被配置来在所述热交换器芯的所述流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述热传递流体穿过包括所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道的组件，其中所述鼓风机与所述第一管道流体连通，所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件和加热炉组件；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
在一个实施方案中，公开了一种流体加热***，其包括：压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；无管式热交换器芯，所述无管式热交换器芯包括：上封头；底封头；内壳，所述内壳设置在所述上封头与所述底封头之间，所述内壳包括内表面；外壳，所述外壳设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的所述内表面相对；第一入口和第二入口，其在所述内壳、所述外壳或它们的组合上；以及第一出口和第二出口，其在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，所述内壳和所述外壳中的至少一个包括肋、脊、棘状突起或它们的组合，其中所述内壳和所述外壳在所述无管式热交换器芯的所述入口与所述出口之间限定流动通道，并且其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯的所述流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述气相热传递流体穿过所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道，其中所述鼓风机与所述第一管道流体连通，所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件并且所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的加热炉组件；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的所述第一端与所述第二管道的所述第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
在各种实施方案中的任一者中，所述热交换器芯可以是无管式热交换器芯；和/或所述热交换器芯可以是管式热交换器芯；和/或所述热交换器芯可具有1.25厘米至100厘米的流体动力学直径；和/或所述热交换器芯可具有1.25厘米至100厘米的平均流体动力学直径；和/或所述压力容器被配置来容纳生产流体；和/或所述生产流体可包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、热流体、热油、二醇或包括前述物质中的至少一种的组合；和/或所述热交换器芯还可包括在所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道，其中所述流动通道被配置来容纳热传递流体；和/或所述热传递流体可包括气态或非气态流体；和/或所述热传递流体可包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、热流体、热油、二醇或它们的组合；和/或所述流动通道可完全容纳在所述压力容器内部；和/或所述热交换器芯可以是无管式热交换器芯且包括：上封头；底封头；内壳，所述内壳设置在所述上封头与所述底封头之间，所述内壳包括内表面；外壳，所述外壳设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的所述内表面相对；第三入口，所述第三入口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上；以及第三出口，所述第三出口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，其中所述内壳和所述外壳中的至少一个包括肋、脊或它们的组合，其中所述内壳和所述外壳可限定所述无管式热交换器芯的所述第三入口与额所述第三出口之间的流动通道；和/或所述内壳可与所述外壳同轴；和/或所述内壳和所述外壳中的至少一个的厚度为0.5厘米至5厘米；和/或任选地被配置来在所述压力容器的内部与所述热交换器芯的所述外表面之间容纳生产流体，其中所述生产流体接触所述热交换器芯的整个所述外表面，其中所述生产流体包括液体、气体或它们的组合，并且任选地被配置来在所述热交换器芯的所述流动通道中容纳气态热传递流体；和/或所述生产流体可包括液态水、蒸汽、热流体、热油、二醇或它们的组合；和/或所述第一管道还可包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件；所述第一管道还可包括设置在所述第一管道中的加热炉组件，所述加热炉组件包括入口和出口；并且所述第二管道还可包括设置在所述第二管道中的排出烟道，所述排出烟道包括入口和出口；和/或所述热传递流体可以是来自所述燃烧器组件的燃烧气体；和/或所述加热炉组件入口与所述排出烟道入口之间的压降可以在3千帕与30千帕之间；和/或所述加热炉组件出口与所述排出烟道入口之间的体积热通量可以在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算；和/或所述加热炉组件可直接连接到所述热交换器芯；和/或在所述加热炉组件与所述热交换器芯之间可不存在鼓风机；和/或所述方法还可包括将所述生产流体从所述第一入口引导到所述第一出口以提供穿过所述压力容器的所述生产流体的流，以及将所述热传递流体从所述第二入口引导到所述第二出口以提供穿过所述热交换器芯的所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道的所述热传递流体的流，其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯中容纳热传递流体；和/或所述生产流体可包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；和/或所述生产流体可包括液态水、蒸汽或它们的组合；和/或所述鼓风机可与所述第一管道流体连通；所述第一管道还可包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件；可包括所述第一管道还可包括设置在所述第一管道中的加热炉组件，其中所述加热炉组件包括加热炉入口和加热炉出口；并且所述第二管道还可包括设置在所述第二管道中的排出烟道组件，所述排出烟道组件包括入口和出口，其中所述热流体加热***在所述加热炉出口与所述排出烟道入口之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRIBTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有热传递表面求和来计算；和/或所述方法还可包括将所述生产流体从所述第一入口引导到所述第一出口以提供穿过所述压力容器的所述生产流体的流，以及将所述热传递流体从所述第二入口引导到所述第二出口以提供穿过所述热交换器芯的所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道的所述热传递流体的流，其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯中容纳热传递流体；和/或所述生产流体可包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；和/或所述生产流体可包括液态水、蒸汽或它们的组合；和/或所述热传递流体可以是来自所述加热器组件的燃烧气体；和/或任选地还包括通过将可燃混合物引导到所述燃烧器组件中并燃烧所述可燃混合物以产生燃烧气体来生成所述燃烧气体；和/或任选地用所述鼓风机对可燃混合物加压，所述鼓风机与所述管道的所述第二端流体连通；和/或所述热交换器芯可能是无管式的；和/或所述热交换器芯还可包括具有内表面和外表面的内壳，并且其中所述第二入口设置在所述热交换器芯的所述内壳的外表面上。
已参考附图描述了***和方法，在附图中示出各种实施方案。然而，本公开可以许多不同形式来体现，并且不应被解释为局限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案以使本公开内容详尽且完整，并且将本公开的范围完整地传达给本领域技术人员。全文中相同标号指代相同元件。
应理解，当提及一个元件“在”另一元件“上”时，其可直接在另一元件上或其间可存在介于中间的元件。相反，当提及元件“直接在...上”或“直接连接”或其他术语或与另一元件的连接或附接时，不存在介于中间的元件。而且，元件可在另一元件的外表面上或内表面上，因此“在...上”可以是包含性的“在...中”和“在...上”。
应理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分。因此，以下论述的“第一元件”、“部件”、“区域”、“层”或“部分”可被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离本文教导。
本文所使用的术语只用于描述特定实施方案的目的，而不意图是限制性的。如本文所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述/该”意图包括复数形式，包括“至少一个”，除非内容另外明确指明。“或”意指“和/或”。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”或“含有”和/或“涵盖”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组。
此外，诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对术语在本文中可用来描述一个元件与另一元件的关系，如图中所示。应理解，相对术语意图涵盖装置的除图中所描绘的定向之外的不同定向。例如，如果其中一个图中的装置被翻转，那么被描述为位于其他元件的“下部(”侧的元件将被定向在其他元件的“上部”侧。因此，示例性术语“下部”可以包括“下部”和“上部”这二者的定向，这取决于附图的特定定向。类似地，如果翻转其中一个图中的装置，那么被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件就会定向为在其他元件“上方”。因此，示例性术语“下方”或“下面”可包含上方和下方这二者的定向。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应理解，诸如通用词典中使用的术语应解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非在本文中已明确定义。
“烃”意指具有至少一个碳原子和至少一个氢原子的有机化合物，其中一个或多个氢原子可任选地被卤素原子取代(例如，CH3F、CHF3和CF4均为本文所用的烃)。
“取代的”意指化合物被独立地选自以下的取代基中的至少一个(例如，1个、2个、3个或4个)取代：羟基(-OH)、C1-9烷氧基、C1-9卤代烷氧基、氧代基(＝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)-)、氨基甲酰基基团(-C(O)NH2)、磺酰基(-S(＝O)2-)、硫醇基(-SH)、硫氰基(-SCN)、甲苯磺酰基(CH3C6H4SO2-)、羧酸(-C(＝O)OH)、羧酸C1至C6烷基酯(-C(＝O)OR，其中R是C1至C6烷基基团)、羧酸盐(-C(＝O)OM，其中M是有机或无机阴离子)、磺酸(-SO3H2)，磺酸单-或二元盐(-SO3MH或-SO3M2，其中M是有机或无机阴离子)、磷酸(-PO3H2)，磷酸单-或二元盐(-PO3MH或-PO3M2，其中M是有机或无机阴离子)、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、和C3至C12杂芳基而非氢，条件是不超过取代原子的正常价。
本文参考横截面图描述示例性实施方案，所述横截面图是理想化实施方案的示意图。如此，可预期由于例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化。因此，本文所述的实施方案不应被解释为限于如本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的形状偏差。例如，示出或描述为平坦的区域通常可具有粗糙和/或非线性特征。此外，所示的锐角可以是圆形的。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不意图示出区域的精确形状，并且不意图限制本发明权利要求的范围。

Claims (35)

1.一种流体加热***，其包括：
压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和
外部；
组件，所述组件包括：
热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口以及
内表面和外表面，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；
第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；
第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及
鼓风机，所述鼓风机与所述第一管道流体连接，所述鼓风机被配置用于在压力下迫使气体穿过所述组件；
其中所述热交换器芯还包括在所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道，其中所述流动通道被配置来容纳热传递流体；其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间,其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
2.如权利要求1所述的流体加热***，其中所述热交换器芯是无管式热交换器芯。
3.如权利要求1至2中任一项所述的流体加热***，其中所述热交换器芯是管式热交换器芯。
4.如权利要求1至3中任一项所述的流体加热***，其中所述热交换器芯具有1.25厘米至100厘米的流体动力学直径。
5.如权利要求1至4中任一项所述的流体加热***，其中所述热交换器芯具有1.25厘米至100厘米的平均流体动力学直径。
6.如权利要求1至5中任一项所述的流体加热***，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体。
7.如权利要求1至6中任一项所述的流体加热***，其中所述生产流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、热流体、热油、二醇或包括前述物质中的至少一种的组合。
8.如权利要求1至7中任一项所述的流体加热***，其中所述热交换器芯还包括在所述第二入口与所述第二出口之间的流动通道，其中所述流动通道被配置来容纳热传递流体。
9.如权利要求1至8中任一项所述的流体加热***，其中所述热传递流体包括气态或非气态流体。
10.如权利要求1至9中任一项所述的流体加热***，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、热流体、热油、二醇或它们的组合。
11.如权利要求1至10中任一项所述的流体加热***，其中所述流动通道完全容纳在所述压力容器内部。
12.如权利要求1至11中任一项所述的流体加热***，其中所述热交换器芯是无管式热交换器芯且包括
上封头，
底封头，
内壳，所述内壳设置在所述上封头与所述底封头之间，所述内壳包括内表面，
外壳，所述外壳设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的内表面相对，
第三入口，所述第三入口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，以及
第三出口，所述第三出口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，
其中所述内壳和所述外壳中的至少一个包括肋、脊或它们的组合
其中所述内壳和所述外壳限定所述无管式热交换器芯的第三入口与第三出口之间的流动通道。
13.如权利要求1至12中任一项所述的流体***，其中所述内壳与所述外壳同轴。
14.如权利要求1至13中任一项所述的流体加热***，其中所述内壳和所述外壳中的至少一个具有0.5厘米至5厘米的厚度。
15.如权利要求1至14中任一项所述的流体加热***，其进一步被配置来在所述压力容器的内部与所述热交换器芯的外表面之间容纳生产流体，其中所述生产流体接触所述热交换器芯的整个外表面，其中所述生产流体包括液体、气体或它们的组合，并且
进一步被配置来在所述热交换器芯的流动通道中容纳气态热传递流体。
16.如权利要求1至15中任一项所述的流体加热***，其中所述生产流体包括液态水、蒸汽、热流体、热油、二醇或它们的组合。
17.如权利要求1至16中任一项所述的流体加热***，其中
所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件；
所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的加热炉组件，所述加热炉组件包括入口和出口；并且
所述第二管道还包括设置在所述第二管道中的排出烟道，所述排出烟道包括入口和出口。
18.如权利要求1至17中任一项所述的流体***，其中所述热传递流体是来自所述燃烧器组件的燃烧气体。
19.如权利要求1至18中任一项所述的流体加热***，其中所述加热炉组件入口与所述排出烟道入口之间的压降在3千帕与30千帕之间。
20.如权利要求1至19中任一项所述的流体加热***，其中所述加热炉组件出口与所述排出烟道入口之间的体积热通量在45kW/m2与300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算。
21.如权利要求1至20中任一项所述的流体加热***，其中所述加热炉组件直接连接到所述热交换器芯。
22.如权利要求1至21中任一项所述的流体加热***，其中在所述加热炉组件与所述热交换器芯之间不存在所述鼓风机。
23.一种热传递的方法，所述方法包括：
提供流体加热***，所述流体加热***包括
压力容器，所述压力容器包括内部和外部以及第一入口和第一出口；
热交换器芯，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口，其中所述热交换器芯在所述压力容器内部；
第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；
第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；
鼓风机，所述鼓风机设置在所述第一管道中；以及
在所述热交换器芯中设置热传递流体并在所述压力容器的内部与所述热交换器芯之间设置生产流体，以便将热量从所述热传递流体传递到所述生产流体，其中所述流体加热***在所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的体积热通量在45kW/m2和300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的压降在3千帕与30千帕之间。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述方法还包括
将所述生产流体从所述第一入口引导到所述第一出口，以便提供穿过所述压力容器的所述生产流体的流，以及
将所述热传递流体从所述第二入口引导到所述第二出口，以便提供穿过所述热交换器芯的第二入口与第二出口之间的流动通道的所述热传递流体的流，其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯中容纳所述热传递流体。
25.如权利要求23至24中任一项所述的方法，其中所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合。
26.如权利要求23至25中任一项所述的方法，其中所述生产流体包括液态水、蒸汽或它们的组合。
27.如权利要求23至26中任一项所述的方法，其中
所述鼓风机与所述第一管道流体连通；
所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件；
所述第一管道还包括设置在第一管道中的加热炉组件，其中所述加热炉组件包括加热炉入口和加热炉出口；并且
所述第二管道还包括设置在所述第二管道中的排出烟道组件，所述排出烟道组件包括入口和出口，
其中所述流体加热***在所述加热炉出口与所述排出烟道入口之间的体积热通量在45kW/m2和300kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算。
28.如权利要求23至27中任一项所述的方法，其中所述热传递流体是来自所述燃烧器组件的燃烧气体。
29.如权利要求23至28所述的方法，其还包括通过将可燃混合物引入到所述燃烧器组件中并燃烧所述可燃混合物以产生燃烧气体来生成所述燃烧气体。
30.如任何权利要求23至29中任一项所述的方法，其还包括用所述鼓风机对可燃混合物加压，所述鼓风机与所述管道的第二端流体连通。
31.一种制造流体加热***的方法，所述方法包括：
提供压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部；
将热交换器芯完全设置在所述压力容器中，所述热交换器芯包括第二入口和第二出口；
将所述热交换器芯的第二入口连接到第一管道，所述第一管道延伸到所述压力容器外部；以及
将所述热交换器芯的第二出口连接到第二管道，所述第二管道延伸到所述压力容器外部。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述热交换器芯是无管式的。
33.如权利要求31或32中任一项所述的方法，其中所述热交换器芯还包括具有内表面和外表面的内壳，并且其中所述第二入口设置在所述热交换器芯的内壳的外表面上。
34.一种流体加热***，其包括：
压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；
管式热交换器芯，所述管式热交换器芯包括
第一管板，
第二管板，
多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接所述第一管板与所述第二管板，
第二入口，所述第二入口设置在所述第一管板上，
第二出口，所述第二出口设置在所述第二管板上，其中所述第一入口和所述第二出口限定流动通道，
并且其中所述管式热交换器芯被配置来在所述热交换器芯的流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；
第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的所述第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；
第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及，
鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述热传递流体穿过包括所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道的组件，其中
所述鼓风机与所述第一管道流体连接
所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件和加热炉组件；
其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
35.一种流体加热***，其包括：
压力容器，所述压力容器包括第一入口和第一出口以及内部和外部，其中所述压力容器被配置来容纳生产流体，所述生产流体包括液态水、蒸汽、C1至C10烃、热流体、热油、二醇、空气、二氧化碳、一氧化碳或它们的组合；
无管式热交换器芯，所述无管式热交换器芯包括
上封头，
底封头，
内壳，所述内壳设置在所述上封头与所述底封头之间，所述内壳包括内表面，
外壳，所述外壳设置在所述上封头与所述底封头之间且与所述内壳的内表面相对，
第一入口和第二入口，所述第一入口和所述第二入口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，以及
第一出口和第二出口，所述第一出口和所述第二出口在所述内壳、所述外壳或它们的组合上，
其中所述内壳和所述外壳中的至少一个包括肋、脊、棘状突起或它们的组合
其中所述内壳和所述外壳限定所述无管式热交换器芯的入口与出口之间的流动通道，
并且其中所述流动通道被配置来在所述热交换器芯的流动通道中容纳气相热传递流体，其中所述热传递流体包括水、取代或未取代的C1至C30烃、空气、二氧化碳、一氧化碳、燃烧副产物、热流体、热油、二醇或它们的组合；
第一管道，所述第一管道具有连接到所述热交换器芯的第二入口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；
第二管道，所述第二管道具有连接到所述热交换器芯的第二出口的第一端以及设置在所述压力容器外部的第二端；以及，
鼓风机，所述鼓风机用于在压力下迫使所述气相热传递流体穿过所述第一管道、所述热交换器和所述第二管道，其中
所述鼓风机与所述第一管道流体连接
所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的燃烧器组件，并且所述第一管道还包括设置在所述第一管道中的加热炉组件；
其中所述流体加热***满足以下条件：所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的体积热通量在47kW/m2与120kW/m2之间，其中体积热通量通过将总输出量除以总加热表面积来确定，其中所述总输出量根据2007年第6版AHRI BTS-2000测试标准第11.1.12节来确定，并且所述总加热表面积通过对直接暴露于热传递流体的所有所述热传递表面求和来计算，并且其中所述第一管道的第一端与所述第二管道的第一端之间的压降在3千帕与12千帕之间。
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