用于热交换器的管配置、包括所述管配置的热交换器、包括所述热交换器的流体加热系统及其制造方法与流程

本申请要求2016年1月22日提交的美国临时专利申请序列号62/268,099和2016年7月11日提交的美国临时专利申请序列号62/360,711的权益。这些相关专利申请以引用方式整体并入本文。

背景技术：

(1)技术领域

本公开涉及使用壳管式热交换器的流体加热系统。

(2)现有技术描述

流体加热系统，包括蒸汽、循环加热(水)和热流体锅炉，构成了用于生产加热流体的广泛类型的装置，所述加热流体用于家庭、工业和商业应用。由于需要提高能量效率、紧凑性、可靠性和降低成本，因此仍需要改进的流体加热系统，以及改进的制造方法。

技术实现要素：

公开了一种热交换器管组件，包括第一管板，与第一板相对的第二管板，多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错环配置，所述环配置包括具有递减直径的一系列同心环，其中同一环上的相邻管通过固定的径向间隔分开。

还公开了一种热交换器管组件，包括第一管板，与第一板相对的第二管板，多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错的环配置，所述环配置包括具有递减直径的一系列同心环，其中同一环上的相邻管以固定的径向分离角分开，并且相邻环上的相邻管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转固定的径向分度角ia而交错。

还公开了一种热交换器，包括：压力容器；设置在压力容器中的热交换器管组件，该管组件包括第一管板；与第一板相对的第二管板；多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错环配置，其包括具有递减直径的一系列同心环，并且其中同一环上的相邻管以固定的径向分离角ra分开。

还公开了一种热交换器，包括：压力容器；设置在压力容器中的热交换器管组件，该管组件包括第一管板；与第一板相对的第二管板；多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错环配置，其包括具有递减直径的一系列同心环，并且其中同一环上的相邻管以固定的径向分离角ra分开，并且相邻环上的相邻管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转固定的径向分度角ia而交错。

还公开了一种流体加热系统，包括：压力容器壳体，所述压力容器壳体包括第一入口和第一出口，壳体，第一上封头和第一下封头，其中壳体设置在第一上封头与第一下封头之间，其中第一入口和第一出口各自独立地位于壳体、第一上封头或第一下封头上；设置在压力容器壳体中的热交换器管组件，热交换器管组件包括第一管板，与第一板相对的第二管板，多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错的环配置，其包括具有递减直径的一系列同心环，并且其中同一环上的相邻管以固定的径向分离角ra分开；导管，所述导管穿透压力容器壳体，其中导管的第一端连接到第一管板，其中导管与热交换器管流体连通，并且导管的第二端在压力容器壳体的外侧；燃烧器，所述燃烧器设置在导管中；鼓风机，所述鼓风机与导管的第二端流体连通。

还公开了一种流体加热系统，包括：压力容器壳体，所述压力容器壳体包括第一入口和第一出口，壳体，第一上封头和第一下封头，其中壳体设置在第一上封头与第一下封头之间，其中第一入口和第一出口各自独立地位于壳体、第一上封头或第一下封头上；设置在压力容器壳体中的热交换器管组件，热交换器管组件包括第一管板，与第一板相对的第二管板，多个热交换器管，每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，其中管呈交错的环配置，其包括具有递减直径的一系列同心环，并且其中同一环上的相邻管以固定的径向分离角ra分开，并且相邻环上的相邻管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转固定的径向分度角ia而交错；导管，所述导管穿透压力容器壳体，其中导管的第一端连接到第一管板，其中导管与热交换器管流体连通，并且导管的第二端在压力容器壳体的外侧；燃烧器，所述燃烧器设置在导管中；鼓风机，所述鼓风机与导管的第二端流体连通。

还公开了一种用于计算交错环热交换器管配置的径向分离角和径向交错分度角的方法，其使用管配置的设计直径，设计直径与第一管环之间所需的间隙，管的每个环所需的元件留隙直径，以及待应用于管数计算的舍入阈值。

附图简述

专利或申请文件含有至少一张彩色附图。在提出请求并支付必要费用后，本事务所将提供具有一张或多张彩色附图的本专利或专利申请公布的副本。

通过参考附图进一步详细描述本发明的示例性实施方案，本公开的上述和其他优点和特征将变得更加明显，其中：

图1是流体加热系统的实施方案的示意图，该系统包括燃烧气体供应系统的实施方案；

图2示出了壳管式热交换器的一个实施方案的透视图，该热交换器包括挡板以引起径向生产流体流动；

图3是壳管式热交换器的一个实施方案的透视图，该热交换器包括交替的盘形和环形挡板组件，并示出了由挡板组件产生的径向流动；

图4提供了用于计算交错环热交换器管配置的径向分离角和径向交错分度角的方法的流程图，其使用管配置的设计直径，设计直径与第一管环之间的所需间隙，管的每个环所需的管元件留隙直径，以及待应用于管数计算的舍入阈值

图5示出了显示管配置的盘形挡板，该管配置是通过应用图4所示的流程图中描述的方法得到的；

图6示出了使用图4的流程图中描述的方法获得的交错环热交换器管配置的实施方案；

图7示出了使用标准六边形环形热交换器管配置的全尺寸流体加热系统的计算流体动力学(cfd)模拟得到的速度和流场结果；

图8示出了使用图6中所示的交错环热交换器管配置的全尺寸流体加热系统的计算流体动力学(cfd)模拟得到的速度场结果；

图9示出了包含图6中所示的交错环热交换器管配置的流体加热系统的全尺寸原型的照片；

图10示出了盘形挡板，其显示了图9所示的全尺寸原型流体加热系统中使用的交错环热交换器管配置。

具体实施方式

仍然需要提供更加热紧凑设计的流体加热系统，例如，提供流体加热系统(fhs)的功率和体积或占地面积之间的增加的比率的配置，并且所述流体加热系统可以以合理的成本、令人满意的材料要求、降低的复杂性来制造。流体加热系统设计、方法和制造的现有技术的改进是可取的，这些改进能够以相同或更低的制造成本和复杂性来实现规定尺寸下的热功率的增加，或者相反地，能够实现规定的热功率水平下的尺寸减小。

已经出乎意料地发现，通过增加整体热通量来减小包含管壳式热交换器的流体加热系统的尺寸的方法可能加剧由不均匀温度产生的问题。热交换器内热量集中的区域可能导致材料失效、腐蚀和结垢。当温度超过生产流体的沸点时，可能累积不利影响，特别是在结构接头或裂缝附近，这些不利影响会促使生产流体相变。

用于流体加热系统的紧凑管壳式热交换器的基本设计目标是确定在最小横截面积中的特定数量的热交换器管的布置，同时确保在规定的设计限度内尽可能接近均匀的生产流体温度分布。由于温度分布部分地由生产流体流场确定，实际上这意味着确定管布置和流场，使得围绕热交换器管的每个流体控制体积中的流速确保均匀的热传递机会。流速太低(或者可能重新循环的区域)产生高温区域，这是由于热交换器管附近的停留时间太长，而流速太高的区域意味着经由传热表面向生产流体进行的热转移的时间太少。此外，流量绕过热交换器元件导致很少或没有交换，从而使需要流量的区域丧失流量。不同的管模式几何形状产生不同的生产流体流动模式和速度场，并且重要的目标是选择管分布模式，对于规定数量的管，这些管分布模式经由最佳地紧凑的管布置而导致由流场产生的相对均匀的横截面温度场，所述管布置最大限度地减少“走廊”(产生不完全热传递的高速流体流动的区域)和停滞区域(产生过度温度积累的低速流动的区域)。

公开了一种用于管布局的模式，其相对于流动方向“交错”。管间距定义为同一径向排中连续管的中心到中心弧长分离。管交错定义为在同一排中的管中心发生移位的两个连续管之间的管间距的分率，其中管交错为零表示没有移位，管交错为1表示该排移位了管分离距离的整个长度。为了相对于管板的端面来设计热交换器管分布模式，管交错的范围是1.0，或0.99，或0.98，或0.97，或0.96，或0.95，或0.94，或0.93，或0.92，或0.91，或0.90，或0.85，或0.80，或0.75，或0.70，或0.65，或0.6，或0.55到0.5，或0.45，或0.4，或0.35，或0.3，或0.25，或0.20，或0.15，或0.10，或0.09，或0.08，或0.07，或0.06，或0.05，或0.04，或0.03，或0.02，或0.01，或0.00，其中前述上限和下限可独立地组合。具体提到0.0至1.0的范围。还特别提到0.01至0.99的范围。还特别提到0.1至0.9的范围。在对称模式中，这意味着连接给定排中所有管的中心的线垂直于流动方向，并且每个后续排的偏移量为管交错，例如，管间距的一半。因此，给定排中的两个连续管之间的通道被在生产流体流动的方向上的另一个管全部或部分地封闭。这提供了改进的流动撞击和转向量，从而增强湍流并提高传热系数。

此外，该效果的大小取决于由管直径、管间距和排间距产生的约束条件，并且另外可以根据这些参数的比率来量化。

依赖于横向流的热交换器可以是矩形的。然而，将热交换器布置成圆形横截面是有利的，因为这允许交换器存在于圆形横截面的壳体内。具有圆形横截面的壳体不仅对于构造而言是劳动力和材料有效的，而且与布置成矩形截面的平坦平面相比，它允许壳体承受更大的压力并且可以具有更紧凑的整体物理尺寸。

圆形截面中的横向流更具挑战性，因为当流动穿过管束，然后在另一侧再次撤回时需要将流动加以分布，因为在跨越圆的直径移动时，定义流动区域的弦改变长度。这往往会造成流量不平衡。

通过压力容器来促进生产流体流动中的均匀速度场的方法促进了均匀的温度分布和跨热交换器管壁的有效热能交换。为此，还意外地发现，经过热交换器管的集合的生产流体的径向和螺旋流动有效地促进热交换器内的温度和流速的均匀分布。生产流体的径向流动可以通过流体加热系统中的设计使用挡板的布置来进行布置，所述挡板布置使得流动在朝向纵向轴线的向内指向的径向流动和朝向压力容器内壁的向外指向的径向流动之间交替。

在径向引导流动的优选布置中，流动可以径向向内或径向向外。如本文所用，术语径向向内意味着流体流动是从管布置的外边缘向内朝向管布置的中心点；术语径向向外意味着流体流动是从管布置的中心点向外朝向管布置的外边缘。在这种情况下，“流动区域”由截面的高度和每个点处的圆周来限定。锅炉和热交换器设计领域的技术人员已知的典型的交错管布置难以实施，因为每排包含不同数量的管。

此外，交错的管布置通常导致“六边形”模式。当这些六边形模式放置在径向流动布置中时，产生对准管和交错管的交替部分。结果是在所有半径之间，压降不均匀分布，因此大部分流动将通过“对准”部分来传递，导致总体上低效的传热，更具体地说，该单元将在某些管上经历高温区域，最终可能导致热交换器故障。

在2016年1月21日提交的美国临时申请序列号62,281,534“用于热交换器的挡板组件、包括所述挡板组件的热交换器、包括所述热交换器的流体加热系统及其制造方法(baffleassemblyforaheatexchanger,heatexchangerincludingathebaffleassembly,fluidheatingsystemincludingthesame,andmethodsofmanufacturethereof)”中描述了用于在热交换器和流体加热系统中引发径向产生流体流动的有用且新颖的方法，所述申请的内容通过引用整体并入本文。美国临时申请62,281,534描述了使用交替的盘形和环形挡板诱导径向产生流体流动的方法。

公开于图1中的是流体加热系统100的示意图。环境空气在压力下被鼓风机102强制穿过导管进入燃烧器104中，燃烧器104包括炉子106。在炉子106中，保持燃料和空气的组合的持续燃烧，释放热能和燃烧气体，所述热能和燃烧气体行进通过上管板105并进入多个热交换器管115。在穿过热交换器管之后，热燃烧气体穿过下管板110，进入排气室112，并穿过排气口，以通过排气烟道(未示出)从流体加热系统中输送出去。

生产流体在压力下被强制进入入口116，穿过围绕热交换器管的空间155并通过出口118流出。可以放置挡板108，使得热交换器管横穿挡板以引导生产流体的流动。

流体加热系统的容量是在标准条件下从传热流体传递到生产流体的总热量。按照惯例，当生产流体由液体(例如水、热流体或热油)组成时，这种容量用英热单位/小时(btu/hr)表示；当生产流体包含气体或蒸气(例如蒸汽)时，标准测量单位以马力(hp)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，流体加热系统的容量可以在100,000btu/hr，或150,000btu/hr，或200,000btu/hr，或250,000btu/hr，或300,000btu/hr，或350,000btu/hr，或400,000btu/hr，或450,000btu/hr，或500,000btu/hr，或550,000btu/hr，或600,000btu/hr至50,000,000btu/hr，或40,000,000btu/hr，或30,000,000btu/hr，或20,000,000btu/hr，或15,000,000btu/hr，或14,000,000btu/hr或13,000,000btu/hr，或12,000,000btu/hr，或10,000,000btu/hr，9,000,000btu/hr，8,000,000btu/hr，或7,000,000btu/hr之间，其中前述上限和下限可以独立地组合。

其中盘形和环形挡板沿着热交换器的长度交替以引起径向流动的热交换器组件的一个实施方案如图2所示。在该实施方案中，三个环形挡板200与两个盘形挡板210交替。热交换器管密封地穿过两种类型的挡板，并且环形挡板密封到压力容器内表面(未示出)。如本文所用，盘形挡板是具有第一侧和相对的第二侧的挡板，并且其中第一侧与第二侧之间的流体连通跨越盘形挡板的周边。如本文所用，环形挡板是具有第一侧和相对的第二侧的挡板，并且其中环形挡板的第一侧与第二侧之间的流体连通是通过挡板的环。

由交替的盘形和环形挡板引起的流动模式在图3中所示的透视图中示出，其中进入入口300的生产流体流过第一环形挡板组件330的中心区域，向外转动并径向向外流动340到第一盘形挡板组件310的外周边，在那里它径向向内转动以再次径向流动到第二环形挡板组件320的中心区域。该交替的径向流动模式持续直到生产流体通过出口(未示出)并离开压力容器。

如上面进一步讨论的，交替的盘形和环形挡板系统的优点在于它可以提供更均匀的生产流体流场，这种流场主要是径向的，最大限度地减少高温区域，这些高温区域被理解为导致材料失效、流体沸腾和热效率下降。所公开的挡板组件和热交换器提供了对流体加热系统和热交换器的生产流体流动的控制的改进，从而在这些系统中实现了更大的紧凑性、可靠性和性能。

已经出乎意料地发现，某些热交换器管布置进一步在主要径向生产流体流动中促进了均匀流速和温度场的产生。相反，已经进一步发现，热交换器和锅炉设计领域的技术人员已知的传统管布置：(a)不能充分利用径向生产流体流动的益处，特别是在由交替盘形和环形挡板系统引起的情况下；(b)在压力容器流场中形成延伸的走廊，其中生产流体的径向流动在相当长的距离内不会撞击在热交换表面上，从而降低整体传热并产生高速流动区域；(c)未能优化紧凑热交换器容积内的热交换表面的填充密度。

在由交替的盘形和环形挡板系统引起的径向生产流体流动中，流体速度较低的区域位于上管板和下管板以及挡板组件的周边附近；也就是说，在径向远离热交换器纵向中心线的流动区域中。相反，较高流体速度的区域径向更靠近热交换器纵向中心线。

标准管配置方法将热交换器管以规则的方式分布；例如，在相邻管以等边三角形或正方形来组织的配置中，从而产生规则的多边形配置。此外，产生规则多边形管配置的方法忽略了流体流动的主要圆形对称性，在管布置中留下顶点和边缘，这些顶点和边缘导致流动、温度和速度场中的局部不规则性。

公开了一种用于优化热交换器管配置的方法，其提供以下一个或两个：(a)利用通过应用该方法产生的生产流体径向和螺旋流动以及结构管配置的优点；(b)减少或消除生产流体流场中的在热交换表面附近延伸的直线或近似直线的路径(“走廊”)；改善或优化在热交换器管的集合的设计边界内的热交换表面的填充密度。该方法和所得管配置的一个方面是它们近似圆形对称；也就是说，管大致配置在相对于热交换器纵向中心线的同心环中。相对于纵向中心线的具有直径d的环内的管通过固定的径向管分离角(ra)来分开。分离角可以是0到180度，或1到179度，或1到90度。

所公开方法和所得到的管配置的第二方面是管布置在远离中心线的径向距离处密集，并且管密度沿中心线是稀疏的。

所公开方法和所得到的管配置的第三方面是管布置在相邻环之间交错。这确保径向流体流线在行进到远处的过程中会撞到传热管，从而改善传热、整体热效率并产生更均匀的径向流动和温度场。这是通过使在相邻环，例如，从第一环到相邻环上的管交错来实现的。更确切地说，如果tk(i)表示位于距中心线的距离dk/2处的第k个管环上的第i个管中心(对于1≤i≤nk，其中nk是环k上的管数)，则tk(1)与tk-1(1)之间的径向角是第k排的分度角(iak)。或者，这相当于使第k个环相对于环k-1旋转环特定角度iak。分度角可以是0到180度，或1到179度，或1到90度。

第四方面是所公开的方法和所得到的管模式改善或优化了管集合在规定设计边界内的填充密度。这促进了紧凑型热交换器的增加的整体传热。存在四种，有时是相互矛盾的最优性度量：

首先，管的对准提供了最优性度量，其测量与下一排中两个最接近的管相比，给定管接近于交错布置的程度。在径向流动模式中，我们可以假设下一排中的两个最接近的管是沿着流动路径的后续最接近的两个管，并且不一定需要布置在同心环中，尽管这里呈现的模式确实是布置在同心环上。

其次，排最优性指示沿着一个半径或较窄范围半径，多少连续排具有低评分的管交错。这旨在确保管不会对准，以致于提供允许流动不平衡的单个“走廊”。

第三，交错(或对准)模式的最优性提供了交错模式的最优性的度量。传热主要由努塞尔数nu控制，当对于一组管来评估nu时，该解决方案采用nu＝1.13c1re^mpr^1/3的形式。在学术界已经进行了c1和m的评估，并且列表结果可以获得，并且通过两个比率确定：(a)sl/d，它是管排之间的距离除以管的直径的比率，和(b)st/d，它是沿一排的管间距除以直径的比率。存在两个参数的最佳组合。通常，增加sl将始终导致c1的值更低。st的影响不太具有线性，主要取决于所选择的sl。

第四，填充分数提供了关于填充分数或填充密度的管布局的量度，并且是在给定区域，特别是在这种情况下，由圆圈限定的区域内可以安装多少管的量度。换句话说，需要多大的圆圈来包围给定管束中的所有管。在实际应用中，填充密度必须适应使用管的直径，加上最小纽带(ligament)距离来计算的一些约束条件，以便填充分数代表有约束条件的完整元件尺寸，而不是因制造考虑因素而受到罚分。这里，“纽带距离”(或“纽带”)的含义是允许将管子与管板进行结构连接的从热交换器管外表面处开始的所需间隙。(例如，焊接接头的间隙。)

发明人已经发现了在给定所需热交换器和锅炉物理和性能要求的情况下，理想地适用于径向流动的管模式和用于指定模式的方法，其中引导管外部的流动的挡板被布置成使得它们首先将流动从中心径向地向外引导，然后从外周边径向地向中心引导。

用于该流动状态的管模式需要在所有半径线上提供大致相等的流动阻力，以确保流动平衡。在一个实施方案中，对于该流动而言理想的管模式包括：(i)多个n个管布置在k个同心环中；(ii)管的直径可表示为d；(iii)管之间的最小间距是纽带，表示为l；(iv)确定环的数量k，使得环之间存在d+l距离，从而保证在同一半径线上的连续环中的任何管之间将存在至少l距离；(v)从最外侧环上的任何管子到管板边缘的距离表示为c；(vi)管板直径可表示为dt。最外侧环的直径可由dt-d-2*c确定；(vii)然后完全确定所有后续环。环直径可以表示为rdk，其中k表示环数，第一环是最内环；(viii)给定排上的最大管数确定为π*rdk/(d+l)。该值应向下舍入到最接近的整数，以免损害纽带距离；(ix)每排中的一个管被任意地视为“第一管”。与在观察管板时的水平面相比，每个第一管可以被“依时针方向旋转”几度α。取向的最大变化由一排中两个连续管形成的角度决定；最后，管的每个排依时针方向旋转某个αk，直到达到或超过最优性约束条件。

根据设计要求，管的数量可以从50个管到1,000个管，或75个管到750个管，或150个管到600个管变化。环的数量可以是2个环到100个环，或10个环到50个环，或5个环到20个环。管直径可以在0.5cm至30cm，或1cm至20cm，或1.25cm至6cm之间变化。管板的直径可以是10cm至400cm，或20cm至200cm，或35cm至120cm。

环形挡板的圆周被设计成设置在压力容器的内表面上，并且可以通过焊接或垫圈密封(密封地连接)或未密封，并在连接点处安装到压力容器上。环形开口是指定该热交换器部分中的流体压降的主要因素。已经发现，在典型的实施方案中，适当地选择环的尺寸，使得初始1至3个内部排的热交换器管穿过环。因此，环的尺寸可以使用本领域技术人员已知的方法，通过穿过环的流动的压降特性来确定，而不是通过挡板表面的固定分率来确定。对于盘形挡板，通常选择直径使得最外侧管排密封地穿过盘形挡板。

图4示出了用于计算同心环(由下标k表示)的管配置的管分离角(ra)和分度角(ia)的流程图。该方法使用以下作为输入：管配置的设计直径dt；在设计直径与第一(最外侧)管环之间所需的间隙gap，限制环中两个相邻管之间的最近间隔距离的管元件留隙直径cdk，所述留隙直径为管的每个环k所需要；以及待应用于管计数以在数字舍入过程中获得整数值的舍入阈值rt。

由图4中详述的方法产生的管配置的一个实施方案在图5中示出。环k内的热交换器管在由留隙直径pdk限定的区域中居中，所述留隙直径定义为管的直径加上间隙(等效地，纽带)，所述间隙是从管边缘到管边缘的直线距离(od)。环内的管由环分离角rak分开，并且不重叠，例如，管500和510位于最外侧环中并且由环分离角ra1分开。径向分离角从0.1度(0.1°)，或0.2°，或0.3°，或0.4°，或0.5°，或1°，或2°，或3°，或4°，或5°，或6°，或7°，或8°，或9°，或10°至180°，其中前述上限和下限可独立地组合。具体提到0.5°至180°的径向分离角范围。通过以环特定的分度角iak使两个环相对于彼此旋转，将两个相邻排k和k-1中的管交错，例如，环2中的管520和530分别通过分度角ia2和分度角ia2与环1中的管500和510分开。

图6示出了具有使用图4中详述的方法产生的管配置的盘形挡板。使用通过紧固件保持就位的安装凸缘610将挡板固定到压力容器上。热交换器管装置包括274个热交换器管600，它们布置在九个同心环(1≤k≤9)中。在最外侧管环中，每一对相邻的管中心由固定的环特定的分离角分开；显示最外一排的环分离角(ra1)。

可以使用计算流体动力学(cfd)模拟来分析由于优化的交错管配置引起的流动和温度特性的改善。图7示出了六边形管配置的在典型操作条件下的cfd模拟。注意位于纵向中心线700附近的高速区域。

使用由图4中详述的方法产生的交错管配置在相同操作条件下进行的cfd模拟在图8中示出。注意在空间上更均匀的速度分布，特别是在纵向中心线800附近。

制造一种原型流体加热系统，其包括管壳式热交换器，所述热交换器具有交替的盘形和环形挡板和通过图4中详述的方法产生的交错管配置。图9中示出了热交换器的视图，其中压力容器得以移除，可以看到盘形挡板组件900和环形挡板组件910。热交换器管穿过一系列交替的盘形和环形挡板组件，所述组件由垫圈密封并由保持器保持在适当位置，从而产生主要为径向的流动模式。图10示出了一个并入的盘形挡板，显示了交错的管配置。流体加热系统装有温度和流量传感器，记录各个纵向位置的流速和温度的测量结果，并验证增强的热效率。

以下阐述的是本公开的非限制性实施方案。

实施方案1：一种热交换器管组件，包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；多个热交换器管，其中多个热交换器管中的每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，并且其中热交换器管呈交错环配置，其包括管的多个同心环，其中环上的相邻管由径向分离角ra分开。

实施方案2：根据实施方案1所述的热交换器管组件，其中径向分离角为1至90度。

实施方案3：根据前述实施方案中任一项或多项所述的热交换器管组件，其中相邻环上的邻近管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转径向分度角ia而分开。

实施方案4：根据前述实施方案中任一项或多项所述的热交换器管组件，其进一步包括位于所述第一管板与所述第二管板之间的挡板，其中所述多个热交换器管横穿所述挡板。

实施方案5：根据实施方案4所述的热交换器管组件，其中挡板包括至少一个盘形挡板；其中，盘形挡板的第一侧与第二侧之间的流体连通跨越盘形挡板的周边。

实施方案6：根据实施方案4至5中任一项或多项所述的热交换器管组件，其中，所述挡板包括至少一个环形挡板；其中环形挡板的第一侧与第二侧之间的流体连通是穿过挡板的环。

实施方案7：根据实施方案4至6中任一项或多项所述的热交换器管组件，其中所述挡板包括至少两个盘形挡板和至少两个环形挡板；其中流体流穿越盘形挡板和环形挡板的交替路径。

实施方案8：根据前述实施方案中任一项或多项所述的热交换器管组件，其中相邻环上的邻近管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转径向分度角ia而分开。

实施方案9：一种热交换器，包括：压力容器；以及前述实施方案中任一项或多项所述的热交换器管组件；其中热交换器管组件设置在压力容器中。

实施方案10：根据实施方案9所述的热交换器，其中相邻环上的邻近管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转径向分度角ia而分开。

实施方案11：一种流体加热系统，包括：实施方案9至10中任一项或多项的热交换器；其中压力容器包括压力容器壳体，壳体包括第一入口和第一出口，壳体，第一上封头和第一下封头，其中壳体设置在第一上封头与第一下封头之间，并且其中第一入口和第一出口各自独立地位于壳体、第一上封头或第一下封头上；导管，所述导管穿透压力容器壳体，其中导管的第一端连接到第一管板，其中导管与热交换器管流体连通，并且导管的第二端在压力容器壳体的外侧；燃烧器，所述燃烧器设置在导管中；鼓风机，所述鼓风机与导管的第二端流体连通。

实施方案12：实施方案11的热交换器管组件，其中相邻环上的邻近管通过使内环内的所有管相对于下一个最外侧管环旋转径向分度角ia而分开。

实施方案13：一种计算例如前述实施方案中的任何一个或多个的交错环热交换器管配置的径向分离角ra和径向交错分度角ia的方法，使用管配置的设计直径dd、设计直径与第一管环之间的间隙gap、管的每个排k的管元件留隙直径cdk、以及待应用于管数的舍入阈值rt，该方法包括：使用公式1rd1＝dd-(2×gap)-cd1(1)来计算外排直径rd1；对于rdk≥0的每排直径，使用公式2rdk＝rdk-1-cdk-1-cdk(2)计算内部排2≤k的直径rdk；使用公式3ctk＝360/2sin-1(cdk/rdk)(3)计算每个排k的管数；通过使用舍入阈值rt进行舍入来计算整数管计数，其中rt在0.001与0.99之间，其中：如果所计算的管计数ctk的小数部分大于舍入阈值rt，则使用公式4ck＝ceil(ctk)(4)来将管计数舍入，并使用公式5dk＝cdk/sin(360/2ck)(5)来计算最终环直径；否则使用公式6ck＝floor(ctk)(6)来将管数舍入，并且如果计算是针对第一排，使用公式7d1＝od-(2xgap)-cd1(8)，或如果是针对k>1的内排，使用公式9dk＝dk-1-cdk-1-cdk(9)来计算最终环直径；使用公式10rak＝360/ck(10)计算从k＝1到最内排的每排中的管的固定排间隔角rak；对于每个内排，使用公式11iak＝(rak+rak-1)/2(11)计算相邻排k和k-1中相邻管的固定管交错分度角iak，并且对于第一排k＝1，设置ia1＝0。

实施方案14：例如前述实施方案中任一项或多项的热交换器管组件，包括：第一管板；与第一板相对的第二管板；多个热交换器管，其中多个热交换器管中的每个热交换器管独立地连接第一管板和第二管板，并且其中热交换器管呈交错环配置，其包括管的多个同心环，每个环中的热交换管具有大致相同的管直径和纽带；使两个相邻环分开的径向距离是两个相邻环上任何管的最小纽带和最小管直径之和的一半到三倍；其中环上的相邻管以0.5度与180度之间的径向分离角分开；每个同心环包含指定的第一管。

已经参考附图描述了本公开，附图中示出了各种实施方案。然而，本发明可以许多不同形式加以实施，并且不应视为只局限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开彻底和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相同的附图标记始终表示相同的元件。

应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者可以在它们之间存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上时，不存在中间元件。而且，元件可以在另一元件的外表面上或内表面上，因此“在...上”可以包括“在...中”和“在......上”。

应理解尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以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的限制。这些术语可能仅仅用来区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。因此，在不脱离本文的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组件”、“区域”、“层”或“部分”可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。

本文所使用的术语仅仅出于描述具体实施方案的目的，并且不意图是限制性的。除非上下文中另有明确指示，否则本文所用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也意在包括复数形式。“或”表示“和/或”。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举条目中的一个或多个的任何和所有组合。还应理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”或“包括(includes)”和/或“包括(including)”用于本说明书中时，表示所描述特征、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、要素、成分和/或其组合的存在。

此外，这里可以使用诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对术语来描述一个元件与另一个元件的关系，如图中所示。将理解，相对术语意图涵盖装置的除图中所述的取向之外的不同取向。例如，如果其中一个图中的装置被翻转，则被描述为位于其他元件的“下”侧的元件将被定向在其他元件的“上”侧。因此，示例性术语“下部”可以包括“下部”和“上部”的取向，这取决于附图的特定取向。类似地，如果其中一个图中的设备被翻转，则描述为在其他元件“下方”或“下方”的元件将被定向在其他元件“上方”。因此，示例性术语“在......下方”或“在......下方”可以包括上方和下方的方向。

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，诸如常用字典中所定义的术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致的含义，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。

这里参考截面图描述了示例性实施方案，该截面图是理想化实施方案的示意图。因此，可以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，本文描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。而且，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，并且它们的形状不旨在示出区域的精确形状，并且不旨在限制本权利要求的范围。