[发明专利]壳管式热交换器及端盖的制造方法

说明书

本发明系关于一种壳管式热交换器、一种用于一壳管式热交换器的端盖、以及一种制造用于一热交换器的一端盖的方法。较佳的实施例可特别应用于壳管式热交换器及在海洋环境或其它腐蚀性环境中使用的热交换器。

在现有技术中，壳管式热交换器本身已众所习知，且可购得此等热交换器的诸多类型。现在，参照图1所示的实例简要阐述一壳管式热交换器的运作；图2A显示图1所示热交换器的纵向剖视图；以及图2B显示图1所示热交换器的分解图。热交换器1包含：一外部壳体，具有一大致圆柱形壳体5的形式；以及二端盖，固定于壳体5的各端上。壳体5在一端处具有一入口11，并在另一端处具有一出口12。入口11及出口12通常被称为壳体侧端口或喷嘴。在壳体5中设置有一管组(tubestack)13。管组13包含自壳体5的一端纵向延伸至另一端的多个管14。管14在其任一端处由一管板15固定，管14延伸穿过管板15并被管板15固定。此系用于将管14保持于定位上并与壳体5的内表面形成一密封接合。因此，管14提供一系列贯穿壳体5的通道，该等通道系密封地与由壳体侧端口、入口11及出口12提供的贯穿壳体的导管隔离。管组13中可包含一或多个挡板16，以引导壳体侧流体沿管14来回流动，使提高速度及热传递效率。挡板16亦用于支撑管14并防止振动。

端盖10包含多个大致圆形的板，沿板的周边分布有多个相间的螺栓孔。端盖10经由螺栓19而被螺接至位于壳体5任一端处的凸缘，螺栓19旋入位于凸缘的端部中的螺纹孔20。一O型密封环22设置于端盖10与位于壳体5的端部处的凸缘21之间，以助于将端盖密封至壳体5。端盖具有内螺纹端口24，内螺纹端口24提供与管组13中的管流体连通的一入口25及一出口26。此等端口通常被称为管侧端口。

一管组13可系为浮动的以最小化热应力，或可具有一波纹管(bellows)构造。在运作中，欲被冷却的流体经由壳体侧端口11及12而泵送入壳体5。用于冷却的流体经由管侧端口25、26而泵送入管14。管14于流经管14的一种流体与流经管14外部的另一种流体之间提供热传递表面。因此，可于二种流体之间进行热交换。

端盖亦可具有一贯穿其的螺纹孔28，一泄放塞(drainplug)旋入螺纹孔28中。藉由将泄放塞29自端盖10旋出，流体可自贯穿热交换器1的管侧通道得到泄放。

一壳管式热交换器1的此基本实例的诸多变型为人们所习知。举例而言，管侧流体可形成多于一个的管侧通路。在此种情形中，端盖10其中之一或二者皆可提供一通路分隔器(passdivider)，以使不同通路上的流体彼此隔离。

壳管式热交换器1常常用于一腐蚀性环境中。举例而言，壳管式热交换器1可与船用引擎(marineengine)一起使用，以冷却与引擎相关联的各种流体。图3系为一典型配置，其显示用于冷却一船用引擎500的各种热交换器1的位置。如箭头501所示，海水经由管侧端口25、26泵入。如箭头502所示，来自位于引擎500上的排放歧管(exhaustmanifold)及油冷却器的欲被冷却的流体经由各热交换器1中的壳体侧端口11、12而泵入一闭合环路中，以藉由流经热交换器1中的管14的海水得到冷却。

如将理解，利用海水作为一冷却流体意味着贯穿热交换器1的管侧导管必须系为耐腐蚀的。端盖10系为可移除的，以使管组13受损或被腐蚀时，可移除或更换管组13。目前，已知可用黄铜(brass)制造端盖10以抵抗腐蚀。图4A及图4B显示如现有技术中所知由黄铜制成的一端盖的一实例。因其所显示出的耐海水腐蚀性，特别较佳地系使用含有40％锌及1％锡的海军黄铜(navalbrass)。然而，使用黄铜作为一材料价格相对昂贵，故使用一种更便宜的替代性材料将有所帮助。

铸铁(castiron)端盖有时与淡水一起使用，即出于腐蚀考虑，不与污水或海水一起使用。在要求较低的应用中，已知可使用塑料端盖，例如玻璃填充耐纶(glassfillednylon)。然而，在诸多应用中，在泵入热交换器时施加于壳体侧流体上的压力意味着塑料端盖并不适合，此乃因塑料端盖可因施加于其上的压力而变形或破裂。此外，由塑料制成的入口的强度可能不足以支撑与用于将流体引导至热交换器的管侧的外部管的耦合。

需要一种如下端盖，该种端盖对高要求应用提供足够的强度及刚性，同时保持对例如海水的耐腐蚀性，且相较于使用传统材料(例如黄铜)更为廉价。具体而言，对于海水入口及泄放塞，使用黄铜连接系为较佳的。所使用的材料需要在螺栓孔的区域上具有充足的刚性。在高达30巴(bar)或更大的压力下，端盖不应绕O型环密封面发生偏转。