CN1585884A - 热交换器,与热交换器的组合以及制造热交换器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在第一流体和第二流体之间进行热交换的热交换器，包括圆筒形外壳(2)、设置在外壳内部的以便确定轴向延伸的管状空间(8)的圆筒形流体导管(5)、设置在管状空间内部的至少一个翅管或波管的螺旋线圈(9，10)、配合和设置用于可调节地节流第一流体通过导管(5)的流动以调节第一流体通过导管的流动的可调节节流装置(17，17a，18)和用于调节流过螺旋线圈(9，10)的第一流体和第二流体之间的热交换的第一管状空间。

Description

热交换器，与热交换器的组合以及制造热交换器的方法
技术领域
本发明涉及一种在第一流体和第二流体之间进行热交换的热交换器，包括一个带有第一入口和第一出口的大致为圆筒形的外壳，以使第一流体大致在轴向的方向上流过所述外壳，和至少一个设置在所述外壳内部翅管或波管的螺旋线圈。
背景技术
第一流体被强迫从线圈内部向外流出或向内流入，这种类型的热交换器是已知的。在线圈内从第一流体向第二流体的热传递没有被很好地控制，因此效率不是最高。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种热交换器，其中第一流体的流动，例如废气从以天然气作为燃料的涡轮、内燃机、炉子、燃烧器、焚化炉等的流动，围绕翅管以一种控制良好和有效的方式发生，达到从第一流体到第二流体，例如水的高效率的热传递。
本发明的这一目的是这样实现的，即通过提供一个设置在所述外壳内部大致与之同轴的大致为圆筒形的流体导管以便一个沿轴向延伸的第一管状空间被确定在所述导管和所述外壳之间，所述导管具有第二入口和第二出口以使所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述导管，所述第一管状空间具有第三入口和第三出口以使得所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述第一管状空间，至少一个设置在所述第一管状空间内部大致与之同轴的翅管或波管的螺旋线圈，具有第四入口和第四出口以使得第二流体流过所述翅管。
从而，第一流体被强迫以一种非常有效的方式围绕翅管线圈缠绕流动以进行热交换。这样也降低了热交换器对空间的要求，即所谓的“脚印”。
本发明的热交换器进一步包括第一可调节节流装置和/或第二可调节节流装置，第一可调节节流装置用于可调节地节流所述第一流体通过所述导管的流动，第二可调节节流装置可调节地节流所述第一流体通过所述管状空间的流动。
从而，第一流体的流动可以旁路通过翅管线圈，使得到第二流体的热传递可以按照对加热的第二流体的需求降低。此外，从外壳的入口到其出口的压力损失可以通过旁路通过翅管线圈而降低，这在例如从气体燃烧产生废气的形式的第一流体的天然气作为燃料的涡轮的启动过程中是所希望的。
本发明的热交换器的目前优选的实施方式之一是，所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地靠近所述第二入口或者所述第二出口设置，以及所述第二节流装置包括第二蝶形阀，优选地靠近所述第三入口或者所述第三出口设置。从而，提供了易于调节和调整的相当简单的机构。
在另一实施方式中，所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地靠近所述第二入口或者所述第二出口设置，以及所述第二节流装置包括一个环，该环具有对应于所述第一管状空间横截面的平面尺寸，并被设置以便从所述第一流体通过所述管状空间的所述流动基本上不受阻碍的加热位置被移置至所述流动基本上被堵住的旁通位置。在本实施方式中，空间要求被降低。
另一目前优选的实施方式是，所述第一和第二节流装置包括上面设有第一和第二通孔的固定设置的固定板，其设置是使所述第二和第三入口或出口被所述板堵住，以使第一流体通过所述导管和所述第一管状空间的流动分别发生于所述固定板上的所述第一和第二通孔；以及上面设有第三和第四通孔的一个或两个活动板，其设置是使可从位于所述固定板上部的旁通位置移置到，优选可转动地移置到，位于所述固定板上部的加热位置，在旁通位置所述第三通孔和所述第一通孔相重合而所述第四通孔不和第二通孔相重合，在加热位置所述第四通孔和第二通孔相重合而所述第三通孔不和第一通孔相重合。第一和第二节流装置的这一实施方式需要最小的空间并且特别适合于精确调整相对于通过管状空间的热传递流动的通过导管的旁路流动。
在目前优选的实施方式是，本发明的热交换器进一步优选地包括电动传动机构，用于调节所述第一和第二节流装置的节流效果，和优选地使所述节流装置和所述传动装置配合，以使所述第一流体通过所述第二入口和所述第三入口的流动基本上可获得最大和最小流速之间的任何流速。所述最小流速基本上等于零。从而，可以获得在旁路导管和管状空间之间的流体流动的任何分布，这可按照对从第一流体的热传递的需求实现热交换器的输出的简单和有效的调节。通过实现基本上的完全旁通，没有热被传递到第二流体，这在不需要把热传递到热交换器的外部地装置的情况下是好的，因此在翅管线圈中随着随后的蒸汽的形成没有温度的升高。
本发明的热交换器的目前优选的实施方式包括两个或多个所述螺旋线圈同心设置以使彼此相邻的线圈沿径向分开，从而把沿轴向延伸的第二管状空间设置在彼此相邻的线圈之间，所述导管的外表面与与所述表面相邻的线圈沿径向分隔开，从而把沿轴向延伸的第三管状空间设置在所述表面和所述相邻的线圈之间，使所述第二和第三管状空间的径向尺寸配合，以便对于所述第一流体通过所述第一管状空间的给定流速获得一定的压力损失。
从而，对于第一流体的给定流动，从所述第一入口到所述第一出口的压力损失可以保持为最小而热交换器的效率基本上没有降低。这对于天然气作为燃料的涡轮作为所述第一流体的来源特别重要，因为天然气作为燃料的涡轮对于其废气出口的背压特别敏感。
优选的是，线圈的彼此相邻的各个缠绕彼此沿轴向分隔，从而螺旋状延伸空间被设置在所述相邻缠绕之间。从而在轴向方向上，相对于线圈，外壳和/或导管的任何差示热膨胀或收缩被螺旋状延伸的空间所吸收。
本发明的热交换器的目前优选的实施方式包括三个或多个所述螺旋线圈被同心设置，构成线圈的翅管的内径优选地是相同的，第三节流装置设置在构成位于沿最外部线圈的径向向内的线圈的管子内，用于增加通过所述内部线圈的管子的压力损失，以便补偿相对于最外部线圈的管子的长度的所述管子的较短长度，从而所述第二流体通过所有线圈的管子的流速对于在所述第四入口的所述第二流体中的给定均匀压力基本上是相同的。从而，每个线圈的热传递效率基本上是相同的而不用改变每个线圈的管子的直径来获得这一效果。
在本发明的热交换器的目前优选的实施方式中，所述第三节流装置是通过相对于所述管子的内横截面面积降低所述第二流体的流动的横截面面积而构成的，热交换器优选地进一步包括入口总管(inlet header tube)和出口总管(outlet header tube)，它们通过在所述总管内的相应通孔分别与所有所述管子的所述第四入口和第四出口成流体连接，所述流动横截面面积的降低由在所述入口总管和/或所述出口总管内的所述通孔的尺寸下降造成。这对于补偿不同线圈的不同长度是一种特别简单和便宜的方法。
在本发明的热交换器用于产生蒸汽的情况下，优选的是，每个螺旋线圈包括两个或多个呈螺旋形缠绕的翅管，它们以相同的螺距彼此相邻延伸。从而流程的数目增加，这对于在线圈管子中由产生蒸汽造成的水的体积的巨大膨胀是有利的。
另一方面，本发明涉及本发明的热交换器与如以天然气作为燃料的涡轮、以汽油、柴油或天然气作为燃料的内燃机、炉子、燃烧器、焚化炉等废气产生燃烧装置的组合，该组合包括相互连接装置，用于使燃烧装置的废气出口与热交换器的所述第二和第三入口相互连接，从而所述废气构成所述第一流体。
本发明的组合的目前优选的实施方式进一步包括热交换装置，用于在所述第二流体和第三流体和/或所述热交换装置周围之间进行热交换，所述热交换装置与所述第四出口呈流体连接；测量装置，用于测量所述热交换装置的热交换速率；信号输出装置，用于发射表示被所述测量装置进行的测量的结果的信号；和第一控制装置，用于控制所述第一和第二节流装置的调节并适合于接收所述信号。
优选的是，本发明的组合进一步包括第二控制装置，用于控制所述第一节流装置的调节，以便其节流效果在燃烧装置的启动阶段为最小。
另一方面是，本发明涉及一种制造本发明的热交换器的方法，包括下述步骤：提供第一长度的翅管或波管；提供具有基本上为圆形的圆柱表面的主体；提供旋转装置，用于引起所述管子和所述表面的相对旋转；设置所述管子的边沿部分(lead portion)使之相对所述表面靠紧；引起所述表面与所述边沿部分的相对旋转，使得管子的所述第一长度在所述表面上呈螺旋形缠绕以形成第一螺旋线圈。从而，获得了一种制造本发明的热交换器的特别简单、精密和便宜的方法。
关于本发明的具有两个或多个同心线圈的热交换器，本发明的方法进一步包括下述步骤：提供间隔装置；把所述间隔装置连接到所述第一螺旋线圈；提供第二长度的翅管或波管；设置翅管的所述第二长度的边沿部分使之相对所述间隔装置靠紧；引起所述第一螺旋线圈与管子的所述第二长度的所述边沿部分的相对旋转，使得管子的所述第二长度在所述间隔装置上呈螺旋形缠绕以形成与所述第一螺旋线圈在径向上分隔开的第二螺旋线圈。
为了避免线圈直径的不精确和其它缺点，本发明的方法优选地进一步包括下述步骤：把所述螺旋线圈相对于所述主体固定；和使所述主体和所述线圈经受退火热处理；和/或把所述第二螺旋线圈相对于所述主体和/或所述第一螺旋线圈固定；和使所述主体和所述第一和第二线圈经受退火热处理。从而由于线圈管子的钢材的弹性和应力引起的线圈直径的变化以一种简单和低成本的方式被避免了。
附图说明
下面，参考本发明的不同的实施方式将对本发明进行更详细的描述。这仅仅是为了举例。附图中：
图1是本发明的热交换器的第一目前优选的实施方式的部分剖开的正视示意图，
图2-3是本发明的翅管的翅构形的示意平面图，
图4是图1的实施方式的示意仰视图，
图5是本发明的热交换器的第二目前优选的实施方式的部分剖开的正视示意图，
图6是本发明的热交换器的实施方式的入口总管的示意图，带有四个同心设置的翅管线圈，
图7是本发明的热交换器的第三实施方式的拆开的正视图，
图8是图1的实施方式的一部分的示意放大图，显示线圈的翅管的间隔，
图9是图5的实施方式的顶部的拆开的部分剖视的正视图，显示本发明的节流装置的第一实施方式，
图10是本发明的热交换器的第四实施方式的顶部的拆开的部分剖视的正视图，显示本发明的节流装置的第二实施方式，
图11是图10的实施方式的示意俯视图，
图12是一个示意切开正视图，显示本发明的节流装置的第三实施方式，
图13是一个示意俯视图，显示本发明的节流装置的第四实施方式，
图14是一个示意的部分剖视的放大的透视图，显示图1的实施方式的上部总管和线圈的紧固装置，
图15是一个示意俯视图，显示本发明的制造图5的实施方式的方法，和
图16显示本发明的用于调节本发明的节流装置的控制装置的一个实施例。
具体实施方式
首先参见图1和图4，本发明的热交换器1包括外部圆筒形外壳2，带有法兰入口3和法兰出口4。带有入口6和出口7的内部圆筒形外壳或称导管5与外部外壳2同轴设置，从而限定管状空间8，在此设置翅管的两个线圈9和10。翅管由管11组成，管11带有翅12，翅12基本上与管11的轴横切地设置。
翅管线圈9和10互为同心设置并且与外部和内部外壳2和5同轴。法兰出口总管13和法兰入口总管14分别与线圈9和10的管11的内部通过孔15和16相连通。
蝶形阀17(旁通阀)通过枢轴设置在导管5的出口7的轴18上，在这一位置，阀17处于出口7完全关闭和完全打开之间的中间，如虚线17a所示。半圆形环19和20的设置是使蝶形阀17在关闭位置时靠紧边沿，从而保证阀17具有良好的关闭功能。
热交换器1主要是想与天然气作为燃料的涡轮联合使用，为了回收和使用废气的热，但是原则上可以与任何产生加热气体的装置比如内燃机、炉子、燃烧器、焚化炉等联合使用。
在热交换器1的最大输出操作中，蝶形旁通阀17处于关闭位置，如图1中实线所示，从而从天然气涡轮引入入口3的所有废气通过翅管线圈9和10流过管状空间8，如实线箭头所示。将被加热的水通过入口总管14被引入线圈9和10，在被从废气通过翅12到管11从而到所述管中的水的热传递加热之后，从孔15和16以及出口总管4排出。
被加热的水被传送到外部热交换装置(图中未显示)以将水的热的一部分传递到某种其它流体或环境中，通常为建筑物取暖***或者小区取暖***的散热器。
或者在天然气涡轮启动时(当通过热交换器1的压力损失应处于最小时以方便涡轮启动)或者当外部热交换装置不需要热交换器1的全部热容量时，那么蝶形阀17通过枢轴连接到轴18上以致于使得来自天然气涡轮的一些或全部废气流过内部导管5，如虚线箭头所示，从而旁路通过管状空间8和线圈9和10。
从而，通过热交换器1的压力损失降低，并且到管9和10中的水中的热传递降低。蝶形阀7也可以被描述为节流装置并且可以被其它节流装置取代，如在下面参考图9-13的描述。
现在参见图2和3，碳钢制成的带12a沿横向切割形成舌12b，舌12b在交替的方向上被横向弯曲到带的平面上，带12a之后用焊逢12c以螺旋构形被焊接到管11的表面。从而获得从热废气到舌12b从而到管11的非常有效的热传递。也可以使用带有圆盘形翅或波的构形，而不使用如图2和3所示的锯齿形螺旋缠绕的翅。
现在参见图14，管11围绕孔15和16被焊接到上总管14，从而管11的内部与总管14的内部相连通。线圈9和10通过梁22附着到外部外壳2和内部导管5并从该处悬浮下来，梁22焊接到外壳和导管上。梁22焊接到两环23和24上，两环23和24围绕线圈9和10的翅12b紧密配合。在热交换器的底部靠近入口总管13的地方具有类似的配置。
现在参见图8，显示了线圈9和10彼此的相对位置，以及它们相对于外部外壳2和内部导管5的位置，以及每个线圈的缠绕之间的间隔。
最内部的线圈10与最外部的线圈9被厚度或径向尺寸为t1的管状空间分开，而最内部的线圈10与导管5的外表面被厚度或径向尺寸为t3的管状空间分开。最外部的线圈9没有与外部外壳2的内表面相分开，即线圈9紧靠外壳2。
间隔t1和t3的选择是使通过管状空间8的压力损失把把废气传递给热交换器1的天然气涡轮(或其它废气产生装置)的最佳操作保持在可接受的水平。热交换器1的热交换效率基本上不受间隔t1和t3的影响。另一方面，操作测试显示，如果在外部外壳2和最外部的线圈9之间有间隔存在，那么热交换器1的效率会大大降低。这两种现象至少在一定程度上是由于，一方面，线圈9和10之间和导管5和线圈10之间的湍流，另一方面，外部线圈9和外壳2之间的管状空间中的层流。
有几个参数决定线圈之间和最内部线圈和导管5之间的间隔t1和t3。两个最重要的考虑或参数是：
废气压力下降
废气压力下降或损失非常取决于废气速度和线圈缠绕的加热表面的几何形状。速度取决于自由气体流动横截面面积(管和翅之间气流的横截面的总面积)。
Δp＝ξ.1/2.ρ.w2，其中
Δp：废气压力下降[Pa]
ξ：压力下降系数，取决于几何形状(翅的形状、管直径、直进/错列构形(inline/staggered configuration)、缠绕数目等)
ρ：在入口3和出口4之间在平均温度气体的密度[kg/m3]
w：废气速度[m/s]
在大多数情况下，在天然气涡轮(以及发动机)之后的热交换器和锅炉中的允许的废气压力下降是非常有限的。对于天然气涡轮，由于在涡轮上的能量生产(从而涡轮的效率)非常取决于背压，所以使废气压力下降达最小化是非常重要的。对于本发明的热交换器，允许的废气压力下降优选地限制在低于500Pa(50cm水柱)，获得非常低的废气速度并且从而线圈之间的大距离(另一种选择是，更多的线圈使装置获得更大的气体横截面面积和更大的直径)。
热传递系数
一般地说，热传递系数应当尽可能地高以使加热表面积达最小化。热传递系数随更高的废气速度和更大的湍流而增加。对于所选择的加热表面(锯齿状螺旋缠绕翅管)，流动的紊乱非常好，一般地甚至对于非常低的废气速度也能给出高的热传递系数。
设计本发明的具有间隔t1和t3的热交换器从生产的角度考虑也是好的，因为它允许线圈单个地***到外壳中，相反，在设计成彼此紧靠或彼此成巢状的线圈中，必须把几个线圈作为一个单元来处理和***。
仍然参见图8，呈螺旋状延伸的空间被形成在每个线圈9和10的相邻缠绕之间，所述空间的厚度或轴向尺寸为t2。缠绕的间隔t2允许外壳2和/或导管5相对于线圈9和10沿轴向进行热膨胀或收缩，而不引起不可接受的应力，因为这种膨胀或收缩的任何不同均被线圈的缠绕之间的间隔t2的变化所吸收。
实施例
在下文中，本发明的两个热交换器和天然气作为燃料的涡轮的本发明的组合的基本技术参数是作为非限定性实施例列出的：
热交换器的尺寸
高度，不包括入口 1550mm
直径，不包括绝缘 633mm
绝缘 100mm用镀锌钢板包裹
废气出口法兰 DN450，DIN86044
水入口/出口连接 碳钢管，OD 60.5x3.6mm，2”RGW
外壳厚度(内部5和外部2) 5mm
热交换器重量，不包括水 475kg
热交换器重量，包括水 500kg
管11外径 38mm
管材料厚度 3.6mm
翅类型 锯齿形螺旋缠绕的翅
翅高度 15mm
翅密度 250pcs/m
翅厚度 1mm
材料，管和翅  碳钢
管构形  直进(Inline)
同轴和同心线圈的数目  2
缠绕数目  10
气体方向的管齿距  70mm
气体方向的线圈缠绕上的翅之间的自由间隔t2  2mm
旁通渠道(内部外壳5)的直径  323.9mm
内部外壳5的长度，包括旁通阀  860mm
内线圈10的中心直径  401mm
外线圈9的中心直径  555mm
在内线圈10上的内部外壳5和翅之间的自由间隔t3  4.5mm
在两个线圈上的翅之间的自由间隔t1  9mm
在外部线圈上的翅和外部外壳2的内部之间的自由间隔  0mm
用于线圈连接(两个线圈)在总管13的孔15，16的尺寸  30.8mm
工艺数据
微型天然气涡轮类型 HONEYWELL Parallon 75
天然气涡轮的最大电输出功率 75kW(e)
废气流 0.68kg/s
到热交换器的废气入口温度 246℃
来自热交换器的废气出口温度 90℃
穿过加热表面的废气压力损失 300Pa
热交换器的加热容量 120kW
水入口温度 50℃
水出口温度 70℃
水流，大约 1.44kg/s
压力下降，水侧 0.2巴
现在参见图5，具有三个同心线圈32-34的本发明的热交换器31的实施方式用与图1中的元件的相似元件的相同参考数字表示。图1和图5之间的主要不同，除了线圈的数目，是出口总管38的入口孔35，36和37尺寸不同，以便补偿线圈32-34之间的线圈长度的不同，如下所示。
不同线圈32-34的管11的长度是不同的，所有线圈在出口总管38和入口总管39相互连接，流动分布在线圈中建立，通过每个线圈给出相同的压力损失。
因此，内部线圈33和34(在此第二流体(一般为水)比在最外部线圈32具有更短的流程)比外部线圈32能传送更多的水。线圈33，34和35中的水然后会被加热到相同的温度，并且产生的在第一流体(例如来自天然气作为燃料的涡轮的废气)中含有的热的不对称的和降低的回收。
因此希望通过线圈的流速被调整使得在水和废气中均能获得最有可能好的热回收和最有可能好的温度分布。这可以通过在内线圈33和34中相对于外线圈35和相对于彼此产生额外的压力损失。
这可以以两种方式达到：
·通过使用具有不同直径的线圈的管。从实用的观点考虑，这是不希望的，除非在使用大数目的同心线圈的情况下，其中2-3种不同的管直径是可以接受的。
·通过在管中或在其入口或出口安装节流装置。如在图5和图6中可看到的，这可以通过提供分别具有不同直径的孔35-37和40-43的出口总管38来获得。单个孔的直径依据热交换器的单个线圈的管直径和管长度来决定。对于所有四个线圈管的内径为56mm，如在图6中所示，作为四个孔的直径的例子，孔40是56mm，孔41是13mm，孔42是11mm，和孔43是9mm。也可以使用本技术领域中熟知的其它节流装置对单个线圈管以获得不同的压力损失系数。
现在参见图7，靠近内部导管5的内部线圈包括两个平行缠绕的翅管50和51，对第二流体(一般为水)形成两个平行的流程，如箭头R1和R2所示。
这个实施例是为了用于产生蒸汽，其中必须考虑管内物质的大体积膨胀(在液体转变为蒸汽，水转变为蒸汽时)，以及伴随着的流量和流速的增加和管的内表面上的压力损失。为了在管中提供足够的内流动横截面面积，因此经常必须使用更大的管直径，更大数目的线圈或者以其它方式提供更大数目的流程。
除了提供许多线圈外，可以通过在同一线圈中具有几个平行的延伸缠绕获得更多流程，如图7所示，即几个具有相同线圈直径和大齿距的线圈彼此“旋进”。从而获得了更大内横截面面积，而不具有带有大直径的最外部线圈和外部外壳2(大脚印)的大数目的线圈。这种热交换器的更小脚印或外部直径对用户和在制造、安装和运输时均具有重要优点。对于给定输出，热交换器的轴向长度或高度当然会更大，但是这在制造时和对用户而言一般并不产生大问题。
现在参见图9-13，分别显示了用于通过导管5和管状空间8节流第一流体(一般为废气)的流动的节流装置的各种实施方式。
在图9的实施方式中，蝶形阀17和环52配合，环52悬浮在三个连接在沿环52相同距离点处的钢线53上。线53通过滑轮54延伸到轴18。
在实线所示的情况中，蝶形阀17关闭，不允许任何废气流过导管5，而环52处于其最高位置，在此它不节流废气通过管状空间8的流动。
在虚线所示的情况中，蝶形阀17a起旁通阀的作用，允许废气不节流通过导管5，而环52a处于支撑在锁紧环55上的完全节流位置，从而避免了废气通过管状空间8的流动。
轴18可以由手驱动，电机或者气动或者水动机构驱动。最简单的情况是，线卷上设置在轴18上的图中未显示的滑轮上以及卷开，使得轴18的转动用于自动地打开蝶形阀17招致降低环52，反之亦然。
当连接到热交换器31的外部热消耗装置不需要热时，那么蝶形阀17处于完全打开的位置(17a)，环52处于最低的完全关闭的位置(52a)，结果所有的废气旁路通过导管5。从而，翅管线圈内的水不被加热，为避免水的过度加热的外部冷却装置是不必要的。
从而提供了一种用于调节热交换器31的热输出的非常简单的装置。温度传感器和发射器(图中未给出)可以设置在出口总管38内用于为轴18发射信号到图中未给出的驱动机(电机)，结果如果在出口总管测量的温度与需要的温度不一致，那么轴就会在相应于打开或者关闭旁通阀17的方向旋转。依靠用户的要求和连接到热交换器31的外部热消耗装置的构形，可以想到许多不同的调节电路。
现在参见图10和11，图中分别给出了废气分别流过内部导管和管状空间的第一和第二节流装置的第二实施方式的正视图和俯视图，内部导管5连接到具有出口57的另一导管56，蝶形阀58可旋转地安装在轴59上。出口57与外壳5的出口4相连通。蝶形阀58可以从所示的关闭位置与轴59一起旋转到打开位置，在所示的关闭位置出口57被完全堵住，在打开位置废气通过出口57的流动未受到阻碍。
管状空间8与由外部外壳2的延伸限定的空间60相连通，所述空间通过在盘62上的孔61与出口4相连通。蝶形阀63安装在轴59的所述孔61内，使得轴59的旋转从如图所示完全打开位置旋转蝶形阀63到完全关闭位置，在完全打开位置废气从管状空间8通过空间60和孔61的流动未受到阻碍，在完全关闭位置废气通过孔61的流动被完全堵住。轴59连接到电机64以便被在相反方向旋转，从而把阀58和63在上述两个位置旋转和旋转到任何中间位置。
现在参见图12，在本实施方式中图10和11的实施方式的蝶形阀58和63分别被蝶形阀65和两个蝶形阀66取代，阀65和66以及轴59的操作与关于图10和11的实施方式的是相同的。
现在参见图13，固定圆盘70在热交换器的实施方式中是水平设置的，类似于图1或图4中所示的(没有蝶形阀17)，位于导管5的出口和管状空间8的环形出口之上。盘70设有与导管5内部相连通的孔71和与管状空间8相连通的孔72。
可旋转地设置的圆盘73设置在枢轴74上位于盘70的顶部。盘73设有形状和分布与盘70中的孔72相同的孔75和形状和分布与盘70中的孔71相同的孔76。电机77的设置是为了在两个方向上均可旋转可旋转盘73。
在图13中所示的可旋转盘的位置，孔71和76彼此相重合，一个位于另一个的上部，从而废气能几乎不受阻碍地流过位于这些相重合的孔之下的导管5，而通过管状空间8的流动被堵住，因为孔72和75完全不相连通。通过用电机77旋转盘73，其位置可以到达通过管状空间的流动相对地不受阻碍的位置，因为孔72和75相重合，和通过导管5的流动被完全堵住的位置，因为孔71和76完全不相连通。
下盘70反而是可旋转的，从而废气的压力会向着固定盘73挤压盘70，增强了盘70和73彼此相对紧靠的密封效果。盘的密封也可以用本领域所熟知的许多其它方式实现。
现在参见图15，显示了制造本发明的热交换器(图5的实施方式)的本发明的方法。
圆筒体80由厚度为10mm的钢板81构成，钢杆82***到板81的轴向自由延伸的边缘之间，图中未给出用于夹持板81和杆82在所示圆筒构形的沿圆周延伸的夹紧带或丝。
内线圈34围绕主体或芯80呈螺旋形缠绕，线圈34的管11的头端(图中未给出)和尾端11a通过焊接到所述两端和主体80的夹子或杆83连接到主体。上述的夹紧带位于主体80的区域之外被线圈34盖住。
四个圆筒板84具有四分之一圆周横截面和等于需要的径向尺寸t1(见图8)的厚度，四个圆筒板84设置在线圈33的外表面上，杆85设置在板84的沿轴向延伸的彼此相邻的边缘之间。板84和杆85被图中未给出的沿圆周延伸的夹紧带或丝夹住。杆85的横截面为椭圆形并被放置在板84之间，使得椭圆的主横截面尺寸与板84的圆周相切。
下一个线圈33围绕板84和杆85呈螺旋形缠绕，线圈33的头端和尾端用夹子或杆83以与内线圈34的缠绕和连接非常类似的方式焊接到板84之一上。
对下一个线圈32重复该过程。如果需要多于三个线圈，对于其它线圈可以重复上述描述的过程。
包括主体80、线圈32-34和板84以及杆85的单元之后受到退火热处理，避免线圈的弹性直径膨胀并且除去具有潜在危害的应力。
退火之后，除去夹子83的夹持，旋转杆85，使得椭圆横截面的主尺寸呈径向取向，从而线圈32-34被强迫轻微膨胀，以除去圆筒板84。最后除去杆82，使得除去主体80。线圈32-34现在已准备好***到外壳2中而导管5放在内线圈34内部。
本发明的热交换器特别适用于包括天然气作为燃料的涡轮(或者使用天然气作为燃料的内燃机)的组合或者***中。这样一个***进一步特别适用于(但是并不是限于)小规模联合生产电和热的***中，例如大建筑物、医院、小区取暖***等。
现在参见图16，包括本发明的热交换器、天然气作为燃料的涡轮和外部热消耗装置的本发明的***或组合具有下列特征：
项目 部件 描述
101 本发明的热交换器
102 废气旁通阀(例如蝶形阀) 可以手动调节或者如这里所示的由驱动器(电机)调节，项目11驱动
103 废气烟道
104 天然气作为燃料的涡轮 可以是另一种产生废气的部件
105 循环泵 强迫循环***，以循环要求的水/流体流动。当循环水泵的水头时，考虑在热交换器、阀和管道***的水侧上的压力下降
106 膨胀槽 当温度变化时，接受***中的流体的膨胀/收缩
107 外部用户热交换器 或者其它热消耗装置。可以是用于建筑物、温室、小区取暖***等的加热。
108 安全阀 如果***中的压力变得太高则打开。
109 停止阀 一般情况下打开。维修时可能关闭。
110 空气排放阀
111 电机 电机，被来自温度发射器113的信号自动控制。如果水温变得太高，稍微打开旁通阀102，如果水温变得太低，稍微关闭旁通阀102。设置在由用户决定的水平。
112 排出阀 从***中排出水/流体。
113 温度发射器 如果测量的温度太高或太低，把信号发送至电机。
***可以包括其它废气产生装置，依据用户的热消耗装置的构形，热交换器旁通阀(以及用于通过含有翅管线圈的管状空间节流流体流动的热交换器的节流阀)的调节可以有许多不同方式。

Claims (43)

1、一种在第一流体和第二流体之间进行热交换的热交换器，包括：
一个带有第一入口和第一出口的大致为圆筒形的外壳，以使所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述外壳；
一个设置在所述外壳内部大致与之同轴的大致为圆筒形的流体导管以便一个沿轴向延伸的第一管状空间被确定在所述导管和所述外壳之间，所述导管具有第二入口和第二出口以使所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述导管，所述第一管状空间具有第三入口和第三出口以使得所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述管状空间；
至少一个设置在所述第一管状空间内部大致与之同轴的翅管或波管的螺旋线圈，具有第四入口和第四出口以使得所述第二流体流过所述翅管。
2、如权利要求1所述的热交换器，进一步包括第一可调节节流装置和/或第二可调节节流装置，第一可调节节流装置用于可调节地节流所述第一流体通过所述导管的所述流动，第二可调节节流装置用于可调节地节流所述第一流体通过所述管状空间的所述流动。
3、如权利要求2所述的热交换器，其中所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地设置靠近所述第二入口或者所述第二出口，以及所述第二节流装置包括第二蝶形阀，优选地设置靠近所述第三入口或者所述第三出口。
4、如权利要求2所述的热交换器，其中所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地设置靠近所述第二入口或者所述第二出口，以及所述第二节流装置包括一个环，该环具有对应于所述第一管状空间横截面的平面尺寸，并被设置以便从所述第一流体通过所述管状空间的所述流动基本上不受阻碍的加热位置被移置至所述流动基本上被堵住的旁通位置。
5、如权利要求2所述的热交换器，其中所述第一和第二节流装置包括：
·上面设有第一和第二通孔的固定设置的固定板，其设置是使所述第二和第三入口或出口被所述板堵住，以使第一流体通过所述导管和所述第一管状空间的流动分别发生于所述固定板上的所述第一和第二通孔；以及
·上面设有第三和第四通孔的一个或两个活动板，其设置是使可从位于所述固定板上部的旁通位置移置到，优选可转动地移置到，位于所述固定板上部的加热位置，在旁通位置所述第三通孔和所述第一通孔相重合而所述第四通孔不和第二通孔相重合，在加热位置所述第四通孔和第二通孔相重合而所述第三通孔不和第一通孔相重合。
6、如权利要求2-5任一项所述的热交换器，进一步优选地包括电动传动机构，用于调节所述第一和第二节流装置的节流效果。
7、如权利要求2-6任一项所述的热交换器，使所述节流装置和所述传动装置配合，以使所述第一流体通过所述第二入口和所述第三入口的流动基本上可获得最大和最小流速之间的任何流速。
8、如权利要求7所述的热交换器，所述所述最小流速基本上等于零。
9、上述权利要求任一项所述的热交换器，包括两个或多个同心设置的所述螺旋线圈，以使彼此相邻的线圈沿径向分开，从而把沿轴向延伸的第二管状空间设置在彼此相邻的线圈之间。
10、上述权利要求任一项所述的热交换器，其中所述导管的外表面与与所述表面相邻的线圈沿径向分隔开，从而把沿轴向延伸的第三管状空间设置在所述表面和所述相邻的线圈之间。
11、如权利要求9或10所述的热交换器，其中使所述第二和第三管状空间的径向尺寸配合，以便对于所述第一流体通过所述第一管状空间的给定流速获得一定的压力损失。
12、上述权利要求任一项所述的热交换器，其中线圈的彼此相邻的各个缠绕彼此沿轴向分隔，从而螺旋状延伸空间被设置在所述相邻缠绕之间。
13、上述权利要求任一项所述的热交换器，包括三个或多个同心设置的所述螺旋线圈，构成线圈的翅管的内径优选地是相同的，其中第三节流装置设置在构成位于沿最外部线圈的径向向内的线圈的管子内，用于增加通过所述内线圈的管子的压力损失，以便补偿相对于最外部线圈的管子的长度的所述管子的较短长度，从而所述第二流体通过所有线圈的管子的流速对于在所述第四入口的所述第二流体中的给定均匀压力基本上是相同的。
14、如权利要求13所述的热交换器，其中所述第三节流装置是通过相对于所述管子的内横截面面积降低所述第二流体的流动的横截面面积而构成的。
15、如权利要求14所述的热交换器，进一步包括入口总管和出口总管，它们通过在所述总管内的相应通孔分别与所有所述管子的所述第四入口和第四出口成流体连接，所述流动横截面面积的降低由在所述入口总管和/或所述出口总管内的所述通孔的尺寸下降造成。
16、上述权利要求任一项所述的热交换器，其中螺旋线圈包括两个或多个呈螺旋形缠绕的翅管，它们以相同的螺距彼此相邻延伸。
17、如权利要求1-16所述的热交换器与如以天然气作为燃料的涡轮、以汽油、柴油或天然气作为燃料的内燃机、炉子、燃烧器、焚化炉等废气产生燃烧装置的组合，该组合包括相互连接装置，用于使燃烧装置的废气出口与热交换器的所述第二和第三入口相互连接，从而所述废气构成所述第一流体。
18、如权利要求17所述的组合，进一步包括：
·热交换装置，用于在所述第二流体和第三流体和/或所述热交换装置周围之间进行热交换，所述热交换装置与所述第四出口呈流体连接；
·测量装置，用于测量所述热交换装置的热交换速率；
·信号输出装置，用于发射表示被所述测量装置进行的测量的结果的信号；和
·第一控制装置，用于控制所述第一和第二节流装置的调节并适合于接收所述信号。
19、如权利要求17或18所述的组合，进一步包括第二控制装置，用于控制所述第一节流装置的调节，以便其节流效果在燃烧装置的启动阶段为最小。
20、一种在第一流体和第二流体之间进行热交换的热交换器与废气产生燃烧装置的组合，
热交换器包括：
·一个带有第一入口和第一出口的大致为圆筒形的外壳，以使第一流体大致在轴向的方向上流过所述外壳；
·一个设置在所述外壳内部大致与之同轴的大致为圆筒形的流体导管以便一个沿轴向延伸的第一管状空间被确定在所述导管和所述外壳之间，所述导管具有第二入口和第二出口以使所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述导管，所述第一管状空间具有第三入口和第三出口以使得所述第一流体大致在轴向的方向上流过所述管状空间；和
·至少一个设置在所述第一管状空间内部大致与之同轴的翅管或波管的螺旋线圈，具有第四入口和第四出口以使得第二流体流过所述翅管；
该组合包括相互连接装置，用于使燃烧装置的废气出口与热交换器的所述第二和第三入口相互连接，从而所述废气构成所述第一流体。
21、如权利要求20所述的组合，进一步包括第一可调节节流装置和/或第二可调节节流装置，第一可调节节流装置用于可调节地节流所述第一流体通过所述导管的流动，第二可调节节流装置可调节地节流所述第一流体通过所述管状空间的流动。
22、如权利要求21所述的组合，其中所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地靠近所述第二入口或者所述第二出口设置，以及所述第二节流装置包括第二蝶形阀，优选地靠近所述第三入口或者所述第三出口设置。
23、如权利要求21所述的组合，其中所述第一节流装置包括第一蝶形阀，优选地靠近所述第二入口或者所述第二出口设置，以及所述第二节流装置包括一个环，该环具有对应于所述第一管状空间横截面的平面尺寸并被设置以便从所述第一流体通过所述管状空间的所述流动基本上不受阻碍的加热位置移置至所述流动基本上被堵住的旁通位置。
24、如权利要求21所述的组合，其中所述第一和第二节流装置包括：
·上面设有第一和第二通孔的固定设置的固定板，其设置是使所述第二和第三入口或出口被所述板堵住，以使第一流体通过所述导管和所述第一管状空间的流动分别发生于所述固定板上的所述第一和第二通孔；以及
·上面设有第三和第四通孔的一个或两个活动板，其设置是使可从位于所述固定板上部的旁通位置移置到，优选可转动地移置到，位于所述固定板上部的加热位置，在旁通位置所述第三通孔和所述第一通孔相重合而所述第四通孔不和第二通孔相重合，在加热位置所述第四通孔和第二通孔相重合而所述第三通孔不和第一通孔相重合。
25、如权利要求21所述的组合，进一步优选地包括电动传动机构，用于调节所述第一和第二节流装置的节流效果。
26、如权利要求21所述的组合，使所述节流装置和所述传动装置配合，以使所述第一流体通过所述第二入口和所述第三入口的流动基本上可获得最大和最小流速之间的任何流速。
27、如权利要求26所述的组合，所述最小流速基本上等于零。
28、如权利要求21所述的组合，包括两个或多个同心设置的所述螺旋线圈，以使彼此相邻的线圈沿径向分开，从而把沿轴向延伸的第二管状空间设置在彼此相邻的线圈之间。
29、如权利要求21所述的组合，其中所述导管的外表面与与所述表面相邻的线圈沿径向分隔开，从而把沿轴向延伸的第三管状空间设置在所述表面和所述相邻的线圈之间。
30、如权利要求28所述的组合，其中使所述第二管状空间的径向尺寸配合，以便对于所述第一流体通过所述第一管状空间的给定流速获得一定的压力损失。
31、如权利要求29所述的组合，其中使所述第三管状空间的径向尺寸配合，以便对于所述第一流体通过所述第一管状空间的给定流速获得一定的压力损失。
32、如权利要求21所述的组合，其中线圈的彼此相邻的各个缠绕彼此沿轴向分隔开，从而螺旋状延伸空间被设置在所述相邻缠绕之间。
33、如权利要求21所述的组合，包括三个或多个同心设置的所述螺旋线圈，构成线圈的翅管的内径优选地是相同的，其中第三节流装置设置在构成位于沿最外部线圈的径向向内的线圈的管子内，用于增加通过所述内线圈的管子的压力损失，以便补偿相对于最外部线圈的管子的长度的所述管子的较短长度，从而所述第二流体通过所有线圈的管子的流速对于在所述第四入口的所述第二流体中的给定均匀压力基本上是相同的。
34、如权利要求33所述的组合，其中所述第三节流装置是通过相对于所述管子的内横截面面积降低所述第二流体的流动的横截面面积而构成的。
35、如权利要求34所述的组合，进一步包括入口总管和出口总管，它们通过在所述总管内的相应通孔与所有所述管子的所述第四入口和第四出口成流体连接，所述流动横截面面积的降低由在所述入口总管和/或所述出口总管内的所述通孔的尺寸下降造成。
36、如权利要求21所述的组合，其中螺旋线圈包括两个或多个呈螺旋形缠绕的翅管，它们以相同的螺距彼此相邻延伸。
37、如权利要求21所述的组合，进一步包括
·热交换装置，用于在所述第二流体和第三流体和/或所述热交换装置周围之间进行热交换，所述热交换装置与所述第四出口呈流体连接；
·测量装置，用于测量所述热交换装置的热交换速率；
·信号输出装置，用于发射表示被所述测量装置进行的测量的结果的信号；和
第一控制装置，用于控制所述第一和第二节流装置的调节并适合于接收所述信号。
38、如权利要求21所述的组合，进一步包括第二控制装置，用于控制所述第一节流装置的调节，以便其节流效果在燃烧装置的启动阶段为最小。
39、如权利要求20所述的组合，其中废气产生燃烧装置选自包括以天然气作为燃料的涡轮、以汽油、柴油或天然气作为燃料的内燃机、炉子、燃烧器、焚化炉组成的组。
40、一种制造如权利要求1-16任一项所述的热交换器的方法，包括下述步骤：
·提供第一长度的翅管或波管；
·提供具有基本上为圆形的圆柱表面的主体；
·提供旋转装置，用于引起所述管子和所述表面的相对旋转；
·设置所述管子的边沿部分(lead portion)使之相对所述表面靠紧；
·引起所述表面与所述边沿部分的相对旋转，使得管子的所述第一长度在所述表面上呈螺旋形缠绕以形成第一螺旋线圈。
41、如权利要求40所述的方法，进一步包括下述步骤：
·提供间隔装置；
·把所述间隔装置连接到所述第一螺旋线圈；
·提供第二长度的翅管或波管；
·设置翅管的所述第二长度的边沿部分使之相对所述间隔装置靠紧；
·引起所述第一螺旋线圈与管子的所述第二长度的所述边沿部分的相对旋转，使得管子的所述第二长度在所述间隔装置上呈螺旋形缠绕以形成与所述第一螺旋线圈在径向上分隔开的第二螺旋线圈。
42、如权利要求40所述的方法，进一步包括下述步骤：
·把所述螺旋线圈相对于所述主体固定；和
·使所述主体和所述线圈经受退火热处理。
43、如权利要求41所述的方法，进一步包括下述步骤：
·把所述第二螺旋线圈相对于所述主体和/或所述第一螺旋线圈固定；和
·使所述主体和所述第一和第二线圈经受退火热处理。
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