專利名稱：管路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攜帶流體的管路。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道流體可以“漩渦流動”方式流動，并且這種流動在WO 97/28637中，在渦輪的壓頭管線和吸入管的方面進(jìn)行討論。漩渦流動可通過形成中心線在三維空間中彎曲的壓頭管線或吸入管來達(dá)到。
漩渦流動比通常的流動有許多優(yōu)點。通過紊流的壓力損失(和能量損失)可以減小。另外，在管道橫截面上的流動速度分布比通常流動更均勻(或更鈍)。結(jié)果，以漩渦流動方式流動的流體的作用如同一個柱塞，可清除可能積累在管壁上的沉積物或碎屑。這在水電站中特別重要。
在WO 02/093063中還討論了在生產(chǎn)和處理工廠中使用的具有相同的三維曲線的管路。在這種工廠中，經(jīng)常需要管道連接該工廠的各種部分，延伸一定距離并具有許多彎道。形成彎道，使它們具有三維曲線可促進(jìn)漩渦流動，并減小能量損失，減小沉積物滯流的危險。
然而，為了誘發(fā)漩渦流動，這些先前技術(shù)的文件只涉及使用三維曲線代替已知二維曲線(例如肘管彎頭)。它們沒有涉及在通常使用基本上的直管的情況下產(chǎn)生漩渦流動的問題。
在直管中使流動成為漩渦的一種可能的方法為沿著管子的內(nèi)表面形成槽或肋。這些槽或肋沿著該管子彎曲(很象槍筒中的來復(fù)線)。然而，這有個缺點是增加管子的濕周長，并且在肋的情況下，減小管子的橫截面積。該槽和肋都可導(dǎo)致流動阻力增大，結(jié)果造成壓力損失。
另外，實驗表明，除非雷諾數(shù)非常小，該槽或肋只對在該管壁附近的流動有影響，并且，為了確認(rèn)在管子的整個寬度上流動成漩渦，必需提供一個長管。在管子中心的漩渦只有通過動量從管壁處的流動的擴散轉(zhuǎn)移才能達(dá)到，而該槽或肋不利于管壁附近的流體與管子中心處的流體之間的混合。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種包括一個其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路，其特征為，該螺旋線的振幅小于或等于該管路內(nèi)徑的一半。
當(dāng)流體進(jìn)入這樣作成的一個螺旋形部分的一根管路中時，幾乎立即建立漩渦流動。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在幾個入口管徑內(nèi)，在該管子的整個寬度上建立漩渦流動。另外，該漩渦流動包括相當(dāng)大的輔助運動和流體的混合，并且在管壁處的流體和在管子中心處的流體之間進(jìn)行質(zhì)量、動量和熱的轉(zhuǎn)移。
在這個說明書中，螺旋線的振幅是指從中間位置至側(cè)向末端的移動范圍。因此，在具有螺旋形中心線的管道的情況下，該振幅為該螺旋線中心線的全部側(cè)向?qū)挾鹊囊话?。沿著該管道長度的該管道的橫截面積基本上為常數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的管路中，沿著該管路的腔有一條“視測線”。它與螺旋線圍繞著芯子(實心或一空氣芯子中的“虛擬的”)有效地卷繞的螺絲起子形狀不同。已發(fā)現(xiàn)在該視測線上，流動一般都有渦流成分，即使可能沿著一個直的通道流動。
在這個說明書中，術(shù)語螺旋形管路的“相對振幅”定義為該振幅被內(nèi)徑除。由于該螺旋形管路的振幅小于或等于管道內(nèi)徑的一半，因此，這表示該相對振幅小于或等于0.5。最好該相對振幅小于或等于0.45、0.40、0.35、0.30、0.25、0.20、0.15、0.1或0.05。較小的相對振幅可以更好地利用所擁有的橫向空間，在該空間中，管路總的不會比橫截面積相同的正常直管寬很多。較小的相對振幅還可使該“視測線”較寬，從而可提供更多的空間供沿著該管路插入壓力表或其他設(shè)備。雷諾數(shù)較大時，可以使用較小的相對振幅，以便將漩渦流動誘發(fā)至令人滿意的程度。一般這表示，對于給定的內(nèi)徑，流速大時，可以使用小的相對振幅仍可以足夠誘發(fā)漩渦流動。
當(dāng)希望橫截面積大時，在考慮空間平衡中，螺旋線的角度也是一個相關(guān)因素。該螺旋線角小于或等于65°較好，更好是小于或等于55°、45°、35°、25°、20°、15°、10°或5°。與相對振幅相同，該螺旋線角度可根據(jù)條件和特別是該管路所攜的流體的粘度、密度和速度進(jìn)行優(yōu)化。
一般來說，對較大的雷諾數(shù)，該螺旋線角度可以較小，仍可達(dá)到滿意的漩渦流動，而當(dāng)雷諾數(shù)較小時，需要較大的螺旋線角來產(chǎn)生令人滿意的漩渦。一般，對于較快的流動(雷諾數(shù)較大)，使用較大的螺旋線角是不希望的，因為這會在壁面附近形成滯流流體的區(qū)域。因此，對于一個給定的雷諾數(shù)(或一個雷諾數(shù)范圍)，該螺旋線角最好選擇得盡可能小，以產(chǎn)生滿意的漩渦。在一些實施例中，該螺旋線角小于20°。
一般，該管路具有多個螺旋線的圈。沿著管路的螺旋線的重復(fù)的圈可保證漩渦流動充分發(fā)展。
正常情況下，管路的長度可使沿著其長度的相對振幅和螺旋線角基本上相同，但其中的一個或二個因素可以改變。另外，螺旋線部分可以沿著管路的全長延伸，或可以只沿著其一部分延伸，以便“調(diào)整”該流動和使該管路與其他管子的連接簡單。
一般，該管路可以線性地延伸(即，螺旋線轉(zhuǎn)動的軸線可以為一直線)。然而，該軸線可以彎曲，以形成一個基本上彎曲的管子。該軸線的曲線可以是二維的或三維的。如果是三維的，則重要的問題是保證由該三維曲線形成的漩渦增大由該螺旋線管路形成的漩渦。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面提供了一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟將一根直的撓性管道部分放在另一個直的撓性件附近，使該撓性管道部分和該撓性件互相圍繞著扭轉(zhuǎn)，處理該撓性管道部分使它保持其形狀。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)用這種方法與另一個撓性件一起扭轉(zhuǎn)時，則如上所述，撓性管路部分的形狀成為螺旋線。通過改變該管道部分和該另一個撓性件的直徑，可以改變該螺旋線部分的相對振幅。另外，通過改變該部件和該另一個撓性件的組件的末端互相相對扭轉(zhuǎn)的角度，可以改變螺旋線的螺距。
最好，在扭轉(zhuǎn)過程中，防止該撓性管道部分鉸結(jié)或以不希望的方式變形，并且在一個優(yōu)選實施例中，在扭轉(zhuǎn)前，將一個密貼配合的螺旋彈簧插入該管道部分中。
可以用許多方法來處理該撓性管道部分，以保持其形狀。例如，它可由開始為撓性的，但隨著時間推移固化為堅硬的材料制成。然而，在一個優(yōu)選形式中，它由可用適當(dāng)?shù)奶幚肀３制湫螤畹牟牧?例如，熱固性塑料，可用紫外線硬化的樹脂等)制成。
在一個特別優(yōu)選的形式中，該撓性的直線件為第二個撓性管道部分。這種方法可同時生產(chǎn)二個螺旋線部分，然后可將該二個螺旋線部分分開，形成二個分開的螺旋線部分。另外，該二個螺旋線部分可以互相卷繞，從而緊密接觸，這在各種情況下可能是有利的。
如果管子具有相同的外徑，則該二個螺旋線部分相同。然而二個螺旋線部分的振幅比想象的大。因此，最好該管子具有不同的直徑，使得由較大的管子制成的螺旋線部分的振幅小于或等于其內(nèi)徑的一半。
根據(jù)另一個方面，提供了一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供一個擠出直管的擠出機；在所述擠出機的下游，提供一個成形裝置，用于將擠出的管成形為螺旋形的；和由該擠出機擠出直管和利用該成形裝置將該管制成螺旋線形狀。
這個方法的優(yōu)點是，直接由原材料生產(chǎn)螺旋線部分，和不需要形成先前形成的直管。它還可以生產(chǎn)螺旋線管的連續(xù)長度。
在一個優(yōu)選形式中，該成形裝置包括一個回轉(zhuǎn)件，其回轉(zhuǎn)軸線基本上與擠出軸線平行，該回轉(zhuǎn)件具有一個管子可通過的孔，該孔的位置使其中心與回轉(zhuǎn)軸線偏移，當(dāng)管子通過時，驅(qū)動該回轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動，以賦予該管螺旋線形狀。
利用這種成形裝置可以用幾種方法改變管子的幾何形狀。例如，該擠出機的速度可以增加或減小，同樣該回轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)速度也可以增加或減小。另外，可以使用孔在不同位置的不同的回轉(zhuǎn)件。
最好，在該回轉(zhuǎn)件中的孔的位置使回轉(zhuǎn)軸線通過該孔，但與該孔的中心偏移，以形成一個螺旋形部分；其中，該螺旋線的振幅小于或等于管路內(nèi)徑的一半，和沿著該部分的長度相對地固定不變。
本發(fā)明還涉及實現(xiàn)這種方法的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供一個螺旋形心軸；將一根撓性管卷繞在該螺旋形心軸周圍，使該管成為螺旋線幾何形狀；處理該管，使它保持其形狀；和從該心軸上取下該螺旋形管。
這個方法可以控制生產(chǎn)的管的形狀，并且與上述的“扭轉(zhuǎn)”方法比較，可以改善可再現(xiàn)性。該螺旋線部分的幾何形狀由心軸的幾何形狀和該心軸與該撓性管的相對尺寸確定。
最好，該管比該螺旋線心軸長很多，并且其一端卷繞在該心軸上，沿著該螺旋形心軸運動，并經(jīng)過處理使它保持其形狀；該管的另一端則從該心軸上松開。這可允許將該方法用在連續(xù)過程，而不是上述的分批過程中。
最好，該管的外徑比該心軸的內(nèi)徑大，使得所生產(chǎn)的螺旋線管的振幅小于或等于該管的內(nèi)徑的一半。
本發(fā)明還涉及在該方法中使用的螺旋形心軸。
根據(jù)另一個方面，提供了一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供多個管子的短部分，每一個短部分具有直的中心線，并且具有不在平行平面中的末端表面，使得側(cè)面部分具有一個最長的邊和與該最長的邊直徑上相對的一個最短的邊；將二個短的部分連接在一起，使一個部分的最長邊稍微轉(zhuǎn)動，偏離下一個部分的最長邊；和連接另一些短的部分，每一個短部分稍微轉(zhuǎn)動，與上一部分偏移相同的量。
先前的方法只限于生產(chǎn)一定材料的管子。相反，這個方法可以用于生產(chǎn)由任何適當(dāng)材料制成的管子。它特別適合于生產(chǎn)在一些情況下可能需要的金屬管(例如，塑料管強度不夠時)。


現(xiàn)在參照附圖，只利用例子來說明本發(fā)明的優(yōu)選實施列。其中圖1為在螺旋形部分中的流動的實驗中使用的管道的圖；圖2為與圖1相同，但涉及不同實驗的圖；圖3A和3B表示制造螺旋形管的第一種方法；圖4表示制造螺旋形管的第二種方法；圖5A～5E表示制造螺旋形管的第三種方法；圖6A～6C表示制造螺旋形管的第4種方法；和圖7表示在螺旋形部分中及其下游發(fā)生的平面混合。
具體實施例方式
圖1所示的管道10具有圓形的橫截面，外徑為DE，內(nèi)徑為DI和壁厚為T。該管道卷成螺旋線，有固定的振幅A(從中間至最外端測量)，固定的螺距P，固定的螺旋線角θ和掃過寬度W。該管道10容納在一個假想的包絡(luò)20中，該包絡(luò)在縱向延伸，其寬度等于該螺旋線的掃過寬度W。該包絡(luò)20可以認(rèn)為具有一條中心縱軸線30，該軸線又稱為螺旋轉(zhuǎn)動軸線。該所示的管道10具有直的軸線30，但該軸線也可以具有大的曲率半徑(二維或三維的)。該管道具有跟隨圍繞該中心縱軸線30的螺旋線途徑的中心線40。
可以看出，該振幅A小于內(nèi)徑DI的一半。通過使該振幅在這個尺寸以下，則可以保持該管道所占據(jù)的橫向空間和該管道的總長度較小，同時，該管道的螺旋形形狀可促進(jìn)沿著該管道的流體的漩渦流動。
為了確定在螺旋形部分中流動的特性，利用具有圓形橫截面的聚氯乙烯管道進(jìn)行了許多實驗。
例1參照圖1所示的參數(shù)，該管道的外徑DE為12mm，內(nèi)徑DI為8mm，壁厚T為2mm。該管道卷成螺旋形，其螺距P為45mm，螺旋角θ為8°。將該管道放在二個直的邊緣之間，并測量該直的邊緣之間的間隔，可以確定振幅A。將外徑DE從掃過寬度W減去，可以確定該振幅2A＝W-DE因此A=W-DE2]]>在這個例子中，掃過寬度W為14mm，因此A=W-DE2=14-122=1mm.]]>如上所述，“相對振幅”AR定義為AR＝A/DI在這個例子的情況下，因此，AR=ADI=18=0.125.]]>水可以沿著該管通過。為了觀察流動特性；利用徑向通過該管壁的二支針80和82，將可看見的染料注射入該流動中。注射的地方靠近中心軸線30，即在流動的“核心”處。一個針80注入紅墨水，另一支針82注入藍(lán)墨水。從圖1中可看出，墨水細(xì)絲84和86纏繞在一起，表示在該核心處有漩渦流動。即有基本上的螺旋形的流動。圖1所示的實驗是在雷諾數(shù)Re＝500時進(jìn)行的。在另二個實驗中，分別使用雷諾數(shù)為250和100，也觀察到核心的漩渦流動。
例2這個例子的參數(shù)與例1相同，除了只設(shè)置有二根針80和82，以在管壁附近釋放墨水細(xì)絲84和86。圖2表示二個實驗的結(jié)果，圖中，管壁附近釋放墨水細(xì)絲，雷諾數(shù)分別為Re＝500和250。可以看出，在二種情況下，墨水細(xì)絲跟隨螺旋形管道幾何形狀，表示管壁附近形成漩渦。
例3在單獨的研究中，將內(nèi)徑為8mm的直管流動與內(nèi)徑為8mm，相對振幅AR為0.45的螺旋形管的流動比較。在二種情況下，雷諾數(shù)均為500，并將0.2ml的一團(tuán)指示劑，通過細(xì)管，在上游端注入。流動情況和一個表示注入指示劑后經(jīng)過的時間的數(shù)字鐘一起被拍攝。
注入螺旋線部分的指示劑團(tuán)，限制沿著管子的軸向分散，力圖保持凝聚，相反，在直管中，在核心流體中(靠近管的中心)，指示劑很快從該管流出，而在靠近管壁的流體中的指示劑力圖保留在管壁上，需要較長的時間從管中流出。另外，在螺旋形管中，指示劑以比在直管中更加緊湊的團(tuán)行進(jìn)。所有這些發(fā)現(xiàn)說明，在管的橫截面上有混合，并且在螺旋形管中，速度分布變鈍。
例4這個例子的實驗包括在螺旋形管道中的多相流動與中心線遵循在單一平面中的基本上為正弦途徑的管中的流動的比較。在該螺旋形管道(其中心線為三維彎曲的，即3D管道)的情況下，內(nèi)徑為8mm，外徑為12mm，掃過寬度為17mm，相對振幅為0.3125。螺距為90mm。在平面波形的管道(其中心為二維彎曲的，即2D管道)的情況下，內(nèi)徑為8mm，外徑為12mm，在波形平面中測量的掃過寬度為17mm。節(jié)距為80mm，與3D管道的情況差別不大。該2D管道保持其在垂直平面中的基本為正弦的中心線，形成向上凸和凹的U形彎道。
3D和2D管的長度都約為400mm，每一種情況下有4～5個節(jié)距。在二種管中，研究是用水進(jìn)行的，流量為450和900ml/min(雷諾數(shù)分別為1200和2400)。在所有情況下，使用一根針，以3ml/min的流量引入空氣流，即在450ml/min的情況下，為水流量的0.65％，在900ml/min的情況下為水流量的0.33％?？諝馐菑膲嚎s空氣管道來的，分別在3D和2D幾何形狀開始的上游注入管中。
在雷諾數(shù)為1200，3D管道實驗的情況下，空氣泡的尺寸約為2～3mm，迅速地沿著管子通過。在雷諾數(shù)2400下，空氣泡較大，約為5～7mm，但仍保持沿著管道運動，沒有粘附的趨勢。
在雷諾為1200和2400，2D管道的情況下，空氣泡大，大約為3～5mm，并力圖粘附在向上凸的曲線上(從管道外側(cè)看)。
實驗表明，在多相流動中，不太稠密的流體沿著3D管道流動，而在等價的2D管道中，不太稠密的流體力圖積累在管道的較高部分上。
如上所述，當(dāng)流體進(jìn)入一根這樣作成螺旋形部分的管路時，很快建立漩渦流動。另外，漩渦流動包括相當(dāng)大的輔助運動和流體的混合，同時在管壁的流體與在管中心的流體之間進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
在螺旋的部分中的這種快速建立漩渦流動可以用來“調(diào)整”流動，以便在該螺旋形部分的下游產(chǎn)生有利的作用。
如上所述，使用具有三維曲線的管比使用正常的(二維的)肘管彎道好，因為由三維曲線建立的漩渦流動提供一些好處。然而，一般不可能簡單地用具有三維曲線的管代替肘管彎道，因為通常肘管彎道的入口和出口管在相同的平面上，而在具有三維曲線的管中不是這樣。這樣，如果要使用具有三維曲線的管代替肘管彎道，可能需要作相當(dāng)大的改變，來重新確定入口和/或出口管的位置。
然而，如果如上所述，將螺旋形部分安裝在正常的肘管彎道的上游，則只需很小的改造就可以達(dá)到漩渦流動的好處。漩渦流動迅速地在該螺旋形部分中建立，并且這個漩渦流動在該肘管彎道中繼續(xù)。
由于螺旋形部分的振幅小，它可以用在使用直管的大部分地方，以“調(diào)整”流動，得到漩渦流動的好處。應(yīng)當(dāng)指出，螺旋部分的用途不是僅限于肘管彎道，它可以在T或Y接頭，閥和任何形式的管附件之前使用。
用這種方法調(diào)整流動，在一個封閉端之前特別有用。這種封閉端可在T或Y接頭中出現(xiàn)，在這種地方，接頭的一個分支關(guān)閉(例如利用一個閥)。在正常流動中，在關(guān)閉分支的前面的一部分中的流體會滯流，它可能導(dǎo)致腐蝕等問題產(chǎn)生。然而，如果在接頭以前使流動為漩渦，則漩渦可擴展至封閉端。這可防止滯流和避免上述問題。
使用螺旋形部分，調(diào)整流動的另一個方法為將該螺旋形部分用作重復(fù)器。在一些情況下，可能不需要形成螺旋線管的連續(xù)長度，而直管可以沿著其長度具有多個短的螺旋形部分。每一個螺旋形部分在通過它的流體中引起漩渦流動，然而，當(dāng)流體沿著直管通過時，這種漩渦流動消失。提供多個“重復(fù)器”可以重新建立漩渦流動，并帶來伴隨的好處。
可以用許多方法制造這種形式的螺旋線管部分，例如，可將一個直的撓性管卷繞在一個直的剛性件(例如一個桿)周圍，將該管作成螺旋形。然后，從該直的剛性件上除去該管，并沿著螺線軸線拉伸。這種拉伸的作用是使螺旋線“弄平”，這樣，螺距增大，和振幅減小。然而，這種“弄平”可以使螺旋線扭曲，因此這個方法不是優(yōu)選的。
在圖3A和3B示意性地表示的另一種替換方法中，一根直的撓性管100放在另一根直的撓性件110的旁邊(最好橫截面為圓形)。該管和該件的末端互相連接，然后扭轉(zhuǎn)其組件，作用是使該管和件遵循一個螺旋形途徑。
在扭轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)防止該撓性管鉸結(jié)，或以不希望的方式變形。這樣做的一種方法是在扭轉(zhuǎn)前，將一個密貼配合的螺旋彈簧插入該管中(在圖3A中以虛線表示，標(biāo)號為120)。
該撓性管可以用可通過適當(dāng)處理保持其形狀的材料制成(例如，熱固性塑料，可用紫外線硬化的樹脂等)。在這種處理后，將該管和該件互相移開，形成一個作成小振幅螺旋線，可保持其形狀的管。
在一個變型中，可將二根這種撓性管并排放置，使其末端互相連接，然后扭轉(zhuǎn)二根管，形成互相卷繞的二根這種管路部分。再將這二部分分開，形成二個分開的螺旋形部分。
作為使一個直管變形，形成一個螺旋形部分的替代方法，可以在擠出管子的過程中，直接形成該螺旋形部分。圖4示意性地表示這樣做的一個裝置。
可以看出，該裝置包括一個通常的擠出直管210的管子擠出機200。這種擠出機是眾所周知的，不進(jìn)一步說明。
包括具有一個通孔224的回轉(zhuǎn)件222的裝置220放置在該擠出機的出口的下游。該通孔偏心放置，使得該回轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)中心在該通孔內(nèi)，但不與該通孔的中心一致。夾緊該回轉(zhuǎn)件，使該通孔的軸線與要擠出的管的軸線平行，并驅(qū)動該回轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動。這點可通過例如在該回轉(zhuǎn)件的外圓周上與一個蝸輪226嚙合的齒來達(dá)到，或利用任何其他適當(dāng)?shù)尿?qū)動系統(tǒng)來達(dá)到。
從該擠出機擠出來的管210通過該通孔224。并且，當(dāng)該管被擠出時，驅(qū)動該回轉(zhuǎn)件222轉(zhuǎn)動。作為這種回轉(zhuǎn)的結(jié)果，驅(qū)動該通孔的中心描繪一個圓形途徑，該途徑再迫使要擠出的管子成為螺旋形狀。如上所述，當(dāng)該通孔疊置在該回轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)中心上面時，將該管作成小振幅的螺旋線230。
在將管作成螺旋線后，可以處理該管以保持其形狀。實際上，可以由熱塑性材料簡單地擠出制成該管，并且當(dāng)該管冷卻時，它固化成螺旋線形狀。利用噴水或類似方法，可以進(jìn)行冷卻。
必需提供某種形式的潤滑，以保證該熱塑性塑料管不粘附在該通孔中。特別是，需要潤滑來保證當(dāng)通過該回轉(zhuǎn)件時，該管子不會經(jīng)受扭矩。
所得到的螺旋形的具體形狀取決于幾個因素，特別是擠出的速度，該回轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)速度和該通孔的偏心。為了得到螺旋形管的所希望的形狀，這些因素可以改變。
形成螺旋線部分的一個特別優(yōu)選的方法包括使用一個螺旋形心軸，并表示在圖5A～5E中。
圖5A為這種方法使用的螺旋形心軸的示意圖。該心軸由作成螺旋形的一個剛性桿構(gòu)成。在所示的實施例中，該螺旋線的螺距和振幅沿著該心軸的長度是固定的，但可以改變。
如圖5B所示，為了形成螺旋線部分，一段外徑比該心軸300的內(nèi)徑大的直的撓性管310卷繞在該心軸300的周圍。從圖中可看出，因為該管比該心軸內(nèi)的空間寬，可迫使該管成為螺旋形形狀。
又如圖5C和5D所示，在處理使該管保持其螺旋形形狀后，可將該管從該心軸上取下。
可以看出，該螺旋線部分的螺距與該心軸的螺距相同。該螺旋線部分的振幅由該管和心軸的直徑確定。
以上的說明涉及形成該螺旋形部分的分批式處理方法，但這個方法也可用于連續(xù)工作。連續(xù)長度的撓性管可以拉通過較短長度的心軸，并且在拉過時可以處理保持其形狀(例如，通過加熱由熱固性樹脂制成的管)。
實驗表明，當(dāng)用這種方法拉時，該管相對于該心軸轉(zhuǎn)動。這樣，為了使過程平穩(wěn)地進(jìn)行，需要某種形式的潤滑。對于極大的管和心軸，可能希望在該心軸上用滾子軸承，而不是潤滑。
圖5E為當(dāng)拉該管時，通過該管310和心軸300的示意性橫截面，在圖中，多沿著軸線從末端看時，該螺旋線心軸好象一個圓，同樣，該管(橫截面為圓形)也象一個圓?？梢钥闯觯撔妮S在點320與該管的外面接觸，這樣，可從下面支承該心軸，不會與拉伸過程干涉。
該心軸可用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ圃?，并且，制造該心軸的方法在很大程度上取決于要處理的管的尺寸。對于較小的管，可通過將一根桿卷繞在橫截面為圓形的一個件周圍形成該心軸。對于較大的管，可能需要利用CNC銑床加工該心軸。
上述的方法限于一定的材料(例如，熱固性和熱塑性材料)。然而，這些材料的強度低，不適合于用在較嚴(yán)酷的諸如離開海岸一類或必需攜帶非常高壓的流體的環(huán)境中。如果在這種情況下，必需使用小振幅的螺旋管，則必需用不同的方法制造。
圖6A、6B和6C表示制造用于高壓情況的小振幅螺旋線的一種方法。
制造直的高壓管的一種已知方法為由大量的短部分形成這種管，每一個短部分都是一個非常短的管。每一個部分在其上游和下游端有一個法蘭，這些法蘭互相配合，將這些部分保持在一起。在先前技術(shù)中，該部分的末端在平行平面中，因此當(dāng)將這些部分連接一起時，所得到的管是直的。
然而，也可形成末端在稍微傾斜的平面上的部分。如圖6A所示，這種形式的一個部分400的一個邊(SL)比直徑方向相反的一邊(SS)稍長，并可裝配形成彎曲的管和上述的螺旋線管。
為了由短的傾斜末端管部分形成帶有二維曲線的管410，將這些部分連接，使一個部分的較長邊與前一個部分的較長邊連接，同樣使較短的邊互相連接。如圖6B所示，這可生產(chǎn)帶有二維曲線的管。
為了生產(chǎn)螺旋形管420，用相同的方法將該部分連接在一起，但每一個部分相對于前一部分稍微轉(zhuǎn)動。這表示在圖6C中，圖6C表示由這些部分形成的螺旋形管。在管的左端，表示最初幾個部分的較長的邊SL，可看出，這些部分之間有相對轉(zhuǎn)動。相對轉(zhuǎn)動的量確定螺旋線的螺距，相對轉(zhuǎn)動小可產(chǎn)生螺旋線角小和螺距大的螺旋線，和相對轉(zhuǎn)動大可產(chǎn)生螺旋角大和螺距小的螺旋線。
管的至少一端有點橢圓形，而不是完全的圓形(因為該末端由與圓柱體的軸線成不是精確的90°角度切割圓柱體的平面相交形成的)。在一個優(yōu)選形式中，形成二個末端，使它們?yōu)闄E圓形，這使得形成二維曲線更容易(因為該分的每一個末端上的橢圓面可以互相匹配)。
為了使該部分可以裝配成螺旋線，末端面上必需有一定的柔順性，使得可以適應(yīng)互相連接的末端表面之間的輕微轉(zhuǎn)動和/或形狀改變。這點可通過以任何適當(dāng)?shù)姆绞?，例如在末端面上的彈性材料達(dá)到。
由在螺旋線部分的漩渦流動產(chǎn)生的作用和更均勻的速度分布與改善的混合在許多情況下有優(yōu)點。另外，因為螺旋形部分的總寬度只比相同橫截面積的直管的寬度稍大一點，因此實際上可以在正常使用直管的任何情況下使用該螺旋線部分。
這種形式的螺旋線管路可以在熱交換器中使用。通常其形式為第一種流體通過的腔的直徑較大。在該腔中安裝許多小直徑的管，使通常比第一種流體較冷的第二種流體通過該管。在二種流體之間進(jìn)行熱交換。
由螺旋形管路構(gòu)成小直徑管有許多優(yōu)點。第一，螺旋形彎曲的管的表面積比同樣長度的直管的表面積稍大一些，因此傳熱可用面積增大。更主要的是，在螺旋形彎曲的管中的流體的改善的混合表示被第一種流體加熱的管壁上的流體連續(xù)地被較冷的流體代替。這與直管中的流動相反，在直管中，管壁上的流體力圖停留在管壁附近。該混合作用使在該螺旋形彎曲的管中的所有流體參加到熱交換過程中，因此可以改善效率。
圖7中表示該改善的混合。圖7中表示螺旋形部分后面為直的下游部分。在沿著該下游部分的幾個點上表示流動。流動的第一個橫截面取在該螺旋線部分的入口處，該管中心處的流體表示得比該管壁附近的流體暗。當(dāng)流體沿著螺旋線部分運動時，可以看出，在該螺旋線部分中有相當(dāng)大的在平面上的混合，這種混合在螺旋線部分下游的直的部分中繼續(xù)。
再回到熱交換器。如在以上在討論如何形成這種管狀部分時所述，也可以由許多管子的“扭轉(zhuǎn)對”形成熱交換器。熱的流體在一根管中流動，冷的流體在另一根管中流動。管子的緊密接觸使得很容易進(jìn)行熱交換。
在多相流動中可以看到漩渦流動的另一個優(yōu)點(例如液體和氣體的混合物的流動)。這種形式的多相流動可在許多情況下出現(xiàn)，例如接近其沸點的液體，或在油井鉆探中，油和氣體的混合物的流動。多相流動還可以在不同密度的二種不可混合的流體，例如油和水的流動中，或在這些情況的綜合中出現(xiàn)。在通常的管中，多相流動可產(chǎn)生許多問題，因為氣體形成氣泡，考慮氣泡的浮力這些氣泡積存在該管的較高的部分上。如果積存足夠的氣體，則可以形成氣鎖，將嚴(yán)重影響流動。同樣，在二種不可混合的流體的流動中，密度較大的流體可以積存在管的較低部分上，引起同樣的問題。
在多相流動中氣體積存產(chǎn)生的另一個問題是可以導(dǎo)致“遲滯”。當(dāng)氣泡積聚在管壁上達(dá)到完全堵塞流動的程度時，可出現(xiàn)這種現(xiàn)象。接近這種堵塞的流體可使氣體壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到一定點時，堵塞突然變換。這種“爆發(fā)”造成在管上和在任何下游設(shè)備上很大的沖擊負(fù)荷，可以產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。因此，原油生產(chǎn)平臺要定期地重新建造，以適應(yīng)這種負(fù)荷。
然而，在漩渦流動中，氣泡停留在管的中心，而不是積存在管壁上。這是由于漩渦的離心作用引起的，較稠密的，流動的液體部分趨向管壁，而密度較小的流動的氣體部分趨向管的中心，并由流體帶走。諸如氣鎖一類的堵塞出現(xiàn)的機會少，因為不同密度的流體凝聚或匯集的機會少。另外，產(chǎn)生遲滯的機會也很少，因為任何氣泡都離開管壁。
另外，如上所述，實驗表明，在螺旋形管路中的漩渦流動的氣泡比在直管中的通常流動中小。二種密度不同的不可混合的液體也有同樣的效果。
氣泡(或任何密度小的部分)趨向螺旋形管的中心在減小流動的氣體含量發(fā)明還具有進(jìn)一步的優(yōu)點。
在螺旋形管中的氣體/液體多相流動中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣體在管的中心占據(jù)非常小的橫截面積。與直管比較，在橫截面上的氣體濃度降低，這種降低可達(dá)20％或30％。(應(yīng)當(dāng)注意，在二種管中，氣體流動速度相同，但為了補償流動的較小的橫截面積，在螺旋形管中，氣體的流動比在直管中快)。
對于例如泵，這種氣體濃度的降低是非常有利的。通常，泵不是針對多相流動設(shè)計的，并且當(dāng)氣體濃度大時，不能很好工作。利用這種方法通過使用螺旋形管降低流動中的氣體濃度可改善泵的效率。
在用垂直管進(jìn)行的實驗中證明，多相漩渦流動得到的另一個有利作用為壓力降減小。與直管中的壓力降比較可減小10～20％。壓力降減小可以增加相同壓力差的流量，并可減少泵送流體所需的能量大小。
漩渦流動可達(dá)到的更均勻的速度分布還有許多優(yōu)點。管壁附近的流速比直管的通常流動中大，因此固體材料沉積在管壁上的危險小。如果該管路用于輸送稀漿等，這點特別重要。
在許多采礦和提取過程中，稠密的顆粒狀固體在流體懸浮液中(即在稀漿中)輸送，并且典型的流動為50％固體。為了避免固體從懸浮液中沉淀，必需使雷諾數(shù)相當(dāng)大。如果使用直管則為了避免沉淀，流動速度必需較高，而這需要使用更多的能量去泵送稀漿。然而，利用螺旋形管路，流動速度可以降低，而不會增加沉淀的危險，因此能量消耗可以降低。
應(yīng)當(dāng)注意，稀漿可以輸送很長的距離(可達(dá)幾公里)，因此，為了提供必要的流速，管路的直徑可達(dá)幾米。在這種尺寸的管路中，也可獲得螺旋形管路的有利作用。
管壁附近的流速增加還可以阻止極不希望的生物薄膜的建立。還可以減小滯流區(qū)域形成的危險。由于在滯流區(qū)域可產(chǎn)生腐蝕，因此腐蝕的危險也減小。這些有利的作用適用于所有情況，不僅僅是上述的輸送稀漿的情況。
另外，因為速度分布更均勻，和管壁附近的流體與管中心處的流體之間的混合改善，流體在管中的滯留時間均勻得多。如果管中的流體要用某種方法處理(例如，加熱、冷卻、照射等)，這是一個很大的優(yōu)點，因為處理在流體上的作用更均勻。作為對比，在管中心的流動比在管壁的流動快的通常的管中，該滯留時間變化(決定于流體本身是在管中心或管壁附近)。這樣，由于滯留的時間較長，管壁附近的流體處理的程度比管中心的流體大。這點從上面的例3的討論中可看出。
輔助運動和與螺旋線管中的漩渦流動有關(guān)的混合的另一個優(yōu)點是，可阻止流動不穩(wěn)定性和紊流的發(fā)展，這點已用實驗證明。如果利用相同的管路輸送不同的材料，則更均勻的速度分布的另一個優(yōu)點為可減少軸向分散和接著進(jìn)行的混合。當(dāng)在分批處理過程中，用各種成分充滿反應(yīng)器時，這點可以發(fā)生。
軸向分散是一個已知的問題，特別是在層流中。層流時，管中心的流體流動明顯地比管壁附近的流體快。減小軸向分散的一種方法為使流動成為紊流，因為這可使速度分布“變平坦”，并使速度在管的橫向更均勻。然而，這可能產(chǎn)生另外的困難，因為一些流體(例如，大分子的懸浮液)可以被紊流損壞。
在管路中使用螺旋線部分可使批料的軸向分散減小，并且要達(dá)到的峰值濃度比在通常的管中早許多。在批料尺寸小的情況下，這些特點特別重要。
在食品加工和藥品生產(chǎn)中這些作用特別有利。
通常，在食品加工中，食品的批料通過直管輸送。然而，由于速度分布的關(guān)系，在管中心的材料，以比在管壁附近的材料高的速度通過該管運動，因此，批料將沿著管子“散開”。相反，如果使用螺旋線管路，則管中心附近的材料與管壁附近的材料的混合增強。因此批料保持更“凝聚”。這可減少批料之間的改變時間，還可減少在批料之間清洗管子所需的時間(以及減少形成沉積物的危險和提供其他的所述的有利作用)。
藥物生產(chǎn)也包括沿著直管輸送材料，因此使用螺旋形管路可以得到同樣有利的作用。
該螺旋線部分還可以用在石油化工處理廠中?？梢允褂寐菪尾糠值囊粋€具體領(lǐng)域為在“裂化器”中。許多裂化過程產(chǎn)生比在原料中所具有的分子多的分子，并且其產(chǎn)量依賴于低壓環(huán)境，以防止分子的重新組合。這可以通過在冷卻塔中冷卻產(chǎn)品，并且通過該冷卻塔使裂化爐之間至裂化的氣體壓縮機的壓力損失為最小來達(dá)到(因為產(chǎn)量與壓力損失成反比)。使用螺旋形部分代替直管可以減少壓力損失，因此使產(chǎn)量增加。當(dāng)然，該螺旋形部分也可以用在石油化工處理工廠的其他區(qū)域中。
另外，由于在該流動中的在平面中的混合的改善，這種形式的螺旋管也可以用作混合器。第一種流體可以在螺旋形管中輸送，第二種流體可以通過一根支管送入。該支管也可以為螺旋形管，在這種情況下，希望二根管具有相同的“右旋或左旋的方向”。這種改善的混合與更均勻的滯留時間綜合意味著該螺旋形管可也作為反應(yīng)器管道。
雖然說明了螺旋形管路的具體應(yīng)用，但應(yīng)該理解該管路的使用不是僅限于這些應(yīng)用場合，該管路可以用在其具有的優(yōu)點(更均勻的速度分布，改善的平面內(nèi)混合，軸向分散減小，減小滯流等)是有利的任何應(yīng)用場合。
權(quán)利要求
1.一種包括一個其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路，其中該螺旋線的振幅小于或等于該管路內(nèi)徑的一半。
2.如權(quán)利要求1所述的管路，其特征為，該部分具有多個螺旋形的圈。
3.如權(quán)利要求1或2所述的管路，其特征為，該部分沿著其長度具有基本上相同的振幅和螺旋角度。
4.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的管路，其特征為，該部分沿著該管路的全長延伸。
5.如權(quán)利要求1～3中任何一條所述的管路，其特征為，該部分只沿著該管路的一部分延伸。
6.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的管路，其特征為，螺旋線的回轉(zhuǎn)軸線為一直線。
7.如權(quán)利要求1～5中任何一條所述的管路，其特征為，螺旋線的回轉(zhuǎn)軸線是彎曲的。
8.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的管路，其特征為，它用作混合器。
9.一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟將一根直的撓性管道部分放在另一個直的撓性件附近，使該撓性管道部分和該撓性件互相圍繞著扭轉(zhuǎn)，處理該撓性管道部分使它保持其形狀。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征為，在扭轉(zhuǎn)過程中，要防止該撓性管道部分鉸結(jié)，或以不希望的其他方式變形。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征為，在扭轉(zhuǎn)前，將密貼配合的螺旋彈簧插入該管道部分中。
12.如權(quán)利要求9～11中任何一條所述的方法，其特征為，該撓性管道部分由可以處理使其保持其形狀的材料制成，例如熱固性塑料，可用紫外線硬化的樹脂等。
13.如權(quán)利要求9～12中任何一條所述的方法，其特征為，該撓性直的件為第二個撓性管道部分。
14.一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供一個擠出直管的擠出機；在所述擠出機的下游，提供一個成形裝置，用于將擠出的管成形為螺旋形的；和由該擠出機擠出直管和利用該成形裝置將該管制成螺旋形狀。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征為，該成形裝置包括一個回轉(zhuǎn)件，其回轉(zhuǎn)軸線基本上與擠出軸線平行，該回轉(zhuǎn)件具有一個管子可通過的孔，該孔的位置使其中心與回轉(zhuǎn)軸線偏移，當(dāng)管子通過時，驅(qū)動該回轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動，將該管作成螺旋形狀。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，在該回轉(zhuǎn)件中的孔的位置使回轉(zhuǎn)軸線通過該孔，但與該孔的中心偏移，以形成一個螺旋形部分；其特征還在于，該螺旋線的振幅小于或等于管路內(nèi)徑的一半，和沿著該部分的長度相對地固定不變。
17.一種實現(xiàn)如權(quán)利要求14～16中任何一條所述的方法的裝置。
18.一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供一個螺旋形心軸；將一根撓性管卷繞在該螺旋形心軸周圍，使該管成為螺旋線幾何形狀；處理該管，使它保持其形狀；和從該心軸上取下該螺旋形管。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，該管比該螺旋線心軸長很多，并且其一端卷繞在該心軸上，沿著該螺旋形心軸運動，并經(jīng)過處理使它保持其形狀；該管的另一端則從該心軸上松開。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征為，該管的外徑比該心軸的內(nèi)徑大，使得所生產(chǎn)的螺旋線管的振幅小于或等于該管的內(nèi)徑的一半。
21.如權(quán)利要求18～20中任何一條所述的方法中使用的一種螺旋形心軸。
22.一種制造包括一其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路的方法，所述方法包括下列步驟提供多個管子的短部分，每一個短部分具有直的中心線，并且具有不在平行平面中的末端表面，使得該部分具有一個最長的邊和與該最長的邊直徑上相對的一個最短的邊；將二個短的部分連接在一起，使一個部分的最長邊稍微轉(zhuǎn)動，偏離下一個部分的最長邊；和連接另一些短的部分，每一個短部分稍微轉(zhuǎn)動，與上一部分偏移相同的量。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括一個其中心線跟隨一個基本上為螺旋形途徑的部分的管路，其中，該螺旋線的振幅小于或等于該管路的內(nèi)徑的一半。當(dāng)流體在這種管路中流動時，可使流動成為漩渦。它有許多優(yōu)點，例如改善平面內(nèi)的流體的混合，提高了滯留時間的均勻性等。本發(fā)明還涉及制造這種管路的各種方法。
文檔編號B29C53/58GK1791763SQ200480013638
公開日2006年6月21日 申請日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者科林·G·卡羅, 尼克拉斯·V·沃特金斯 申請人:帝國大學(xué)改革有限公司