CN100516757C - 用于同流换热器的热交换器单元和微涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种用于同流换热器的热交换器单元，包括顶板和底板，所述顶板和底板分隔开，从而在它们之间形成内部空间。在内部空间中存在多个内部阵列散热片连通的入流联箱管和出流联箱管。所述联箱管刚性地固定到至少一个相邻的联箱管上，并固定到所述顶板和底板上。所述联箱管可具有矩形横截面，而且可例如通过冶金方式结合到所述顶板和底板上，并通过铜焊而彼此结合。彼此刚性固定的联箱管减小了作用在将所述管连接到所述顶板和底板上的角材上的应力。这又使得能在所述单元的所述联箱部分中使用较少的结构材料，并降低通过联箱的压降。

Description

用于同流换热器的热交换器单元和微涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种具有联箱管的热交换器。

发明简要说明

本发明提供一种用于在同流换热器中使用的热交换器单元。该单元包括间隔开从而在中间形成内部空间的顶板和底板，所述顶板和底板中的每个都形成有入流开口和出流开口，所述入流开口和出流开口与内部空间连通，用于流体相对于内部空间流入和流出。该单元还包括位于内部空间内的多个内部阵列散热片，这些散热片经冶金处理结合到顶板和底板上。所述单元还包括位于内部空间内并在入流开口和阵列散热片之间连通的多个入流联箱管(header tube)，每个入流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的联箱管上，并固定到顶板和底板上。所述单元还包括多个位于内部空间内并在阵列散热片和出流开口之间连通的出流联箱管，每个出流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的联箱管上，并固定到顶板和底板上。

入流联箱管可包括平的部分，所述平的部分刚性地固定到所述顶板和底板上，并固定到相邻的入流联箱管上。所述入流联箱管可例如具有带有四个平的侧边的大致呈矩形的横截面，其中所述平的侧边中的两个侧边刚性地固定到相应的顶板和底板上，而所述平的侧边中的另外两个侧边刚性地固定到相邻的入流联箱管上。所述入流联箱管可通过冶金方式彼此结合，并结合到所述顶板和底板上。

附图说明

图1为包括根据本发明的同流换热器的微涡轮发动机的示意性视图。

图2为图1的同流换热器的内核的透视图。

图3为图2的同流换热器的一个单元的分解图。

图4为图3的同流换热器的一个联箱管的透视图。

图5为同流换热器单元的联箱管的一部分的横截面图。

图6为公知的联箱散热片(header fin)的放大的横截面图。

图7为根据本发明的两个相邻的联箱管的一部分的放大横截面图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何实施例之前，应理解本发明不限于应用到在以下描述中阐明的或在附图中示出的详细结构和部件布置中。本发明能够有其他实施例，或者可通过各种方式加以实践或实现。而且，应理解，这里使用的用语和术语是用于描述的目的，而不应被认为是限定性的。这里使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”及其变体，是指包括列在其后的物项和这些物项的等同物，以及其他的物项。宽泛地使用术语“安装”、“连接”、“联接”，这些术语包括直接和间接的安装、连接和联接。而且，“连接”和“联接”不限于物理上或机械上的连接或联接，而是可包括直接或间接的电连接或联接。

微涡轮发动机是相对小和高效的电源。微涡轮可用来发电，和/或为诸如泵或压缩机的辅助设备提供动力。在用于发电时，可独立于设施电网使用微涡轮，或者使微涡轮与设施电网同步。一般而言，微涡轮发动机限于需要2兆瓦(MW)功率或以下的应用。然而，一些超过2MW的应用可利用一台或多台微涡轮发动机。

图1示出了微涡轮发动机10，其包括压缩机15、同流换热器20、燃烧室25、气体发生器涡轮30、动力涡轮35、以及发电机40。空气在压缩机15中被压缩，然后被运送到同流换热器20中。还参照图2，在同流换热器20中，热在热气体流45和压缩空气流50之间交换，从而对压缩空气流50进行预加热。经预加热的空气与燃料混合，而且混合物在燃烧室25中燃烧，从而产生燃烧产物或热废气的流动。采用同流换热器20，来对空气进行预加热，使得能利用较少的燃料来达到燃烧产物流内的理想温度，从而提高发动机的效率。

热废气的流动驱动气体发生器涡轮30和动力涡轮35转动，而气体发生器涡轮30和动力涡轮35随之分别驱动压缩机15和发电机40。发电机40响应于动力涡轮35的转动而产生电力。在从气体发生器涡轮30和动力涡轮35排出之后，废气流还非常热，并向着同流换热器20流动，在该同流换热器20处，热废气流用作在对压缩气体流50进行预加热中的上述热气体流45。废气然后排出同流换热器20，并排放到大气中，在其他过程(例如，采用第二热交换器进行废热发电)中加以处理或利用。

示出的发动机10为多轴(多于一组转动构件)发动机。作为图1中所示和以上所述的结构的替代结构，单独一个辐流式涡轮可同时驱动压缩机15和发电机40。这一布置具有的优点在于，减少了涡轮叶轮的数量。而且，示出的压缩机15可以是具有响应于气体发生器涡轮30的操作而转动的转动构件的离心式压缩机。压缩机15可以是单级压缩机或多级压缩机(在需要较高的压力比时)。可替换的，可采用不同设计的压缩机(例如，轴流压缩机、往复压缩机、涡旋压缩机)，来向发动机10提供气体。

气体发生器涡轮30和动力涡轮35可以是径向入流的单级涡轮，其中每个涡轮都具有直接或间接联接到相应压缩机15和发电机40上的转动构件上的转动构件。可替换的，可采用多极涡轮或轴流涡轮，用于气体发生器涡轮30和动力涡轮35中的任何一个或两个。齿轮箱或其他的减速器可用来将动力涡轮35的速度(该速度可以例如为50,000RPM的量级)降低到发电机40可使用的速度(例如，对60Hz系统为3600或1800RPM，或者对50Hz系统为3000或1500RPM)。尽管上述发电机40是同步式发电机，但在其他结构中，可采用永磁或其他非同步发电机，来替代该同步式发电机。

图2示出了由多个热交换器单元55构成的同流换热器20。相对热和冷的气体45、50分别大致平行并彼此相对地流动通过同流换热器20的中央部分(以下称为阵列部分60)，其中热气体45在单元之间流动，而相对冷的气体50在单元55内部流动。单元55的联箱部分61沿大致与阵列部分60中的流动路径垂直的流动路径，将压缩空气50引导至阵列部分60中。在这一意义上，示出的同流换热器20可称为具有横流联箱的逆流同流换热器。

参照图3，同流换热器单元55包括顶板和底板63，它们沿它们的整个边缘或周边连接(例如，通过焊接、紧固、或其他方式，从而基本气密地将板连接)在一起。板63的大致平的中央部分基本上彼此平行，并在它们之间形成内部空间。单元55包括与内部空间连通的入流和出流孔65、70。

内部阵列散热片75通过冶金处理(例如，通过焊接、铜焊或其他便于热传导的连接处理)结合到顶板和底板63的内侧表面上，并从而位于单元55的内部空间内。外部阵列散热片80在内部阵列散热片75的上方和下方通过冶金处理结合到顶板和底板63的外表面上。内部阵列散热片75和外部阵列散热片80在同流换热器20的阵列部分60内，而且它们的波纹状散热片基本彼此平行。流动通过单元55的流体50与在单元55之间流动的流体45之间的大部分热交换发生在阵列部分60内，并受到内部阵列散热片75和外部阵列散热片80的帮助。因此，理想的是，使同流换热器20在阵列部分60内的热交换能力最大。

参照图3至5，联箱管90以平行的方式布置在每个单元55的入流和出流联箱部分61中。联箱管90通过冶金方式结合到顶板和底板63上，并还通过冶金的方式彼此结合。联箱管90具有带顶壁、底壁和侧壁的大致矩形的截面(例如，它们可以大致是方形，或具有其他的矩形形状)。相邻管90的侧壁基本彼此平行，并彼此紧密靠近，并通过冶金的方式彼此结合。如图4所示，每个联箱管90的靠近入流开口65和出流开口70的端部91，可切割成或形成为与开口65、70的曲率(如所示的那样)相符，或者可与管90的侧壁和顶壁呈直角地切割。每根管90的靠近阵列散热片75的端部93切割成这样的角度，使得每根管90都与多个阵列散热片连通。

为了构造同流换热器内核(如图2所示)20，将每个单元55定位成其入流孔65和出流孔70与其他单元55的相应入流孔65和出流孔70对齐。每个单元55的顶板63沿入流孔65和出流孔70的边缘，在单元55的底板63上连接到底板63上。层叠的入流孔65和出流孔70限定而产生的大致呈柱形的空间，分别成为同流换热器20的入流歧管95和出流歧管100。入流歧管95将压缩空气50传输到单元55的内部空间，而出流歧管100将预加热的压缩空气50传输到燃烧室25。

单元55的内部空间被流动通过它们的压缩空气增压。内部阵列散热片75以及联箱管90必须承受将顶板和底板63彼此推开的压力所产生的拉伸载荷。单元55的联箱区域61的目的是，通过尽可能小的摩擦损失(即，压降)，将压缩空气传送至阵列部分60，或从阵列部分60传送压缩空气，同时仍然维持联箱部分61的结构稳定性；使压降最小是在联箱部分61中比使热传导最大还要重要的设计考虑因素。阵列部分60的目的是，从在单元55之间流动的相对热的气体45传导尽可能多的热到在单元55内流动的相对冷的气体50上；使热传导最大在阵列部分60中是比使压降最小还要重要的设计考虑因素。

内部阵列散热片75由具有相对高的散热片密度的波纹状材料(有时称为“折叠散热片”)构成。波纹状材料在每个峰顶和波谷通过冶金的方式结合到顶板和底板63上。高的散热片密度提供了更多的热传导和载荷承载路径，从而增强阵列部分60中的热传导和结构稳定性。

图6示出了在采用波纹状联箱散热片105时，单元55的联箱部分61中的高压的效果。联箱部分61内的散热片密度通常保持为尽可能地低，以降低在联箱部分61的压降。然而，较低的散热片密度也降低了联箱部分61中承受拉伸应力的散热片的数量。在联箱部分61内的散热片密度降低时，顶板和底板63由于内部压力的原因而分开的程度增加。

顶板和底板63的分开，向将波纹状散热片105连接到顶板和底板63上的角材110施加弯曲应力。如这里所使用的那样，术语“角材”是指布置冶金结合材料(例如，焊料、铜焊材料或任何其他冶金结合处理中使用的材料)，从而连接顶板和底板63以及示出的波纹状联箱散热片105或联箱管90(图6所示)。更具体地，如图6的虚线所示，在顶板和底板63运动分开时，散热片105伸长，从而在角度θ减小的同时形成更陡的取向。这向角材110施加弯曲应力。

降低角材110上的弯曲应力的一种方法是，增加角材110的尺寸，从而覆盖散热片的整个角落(例如，图6的虚线115所限定的角材)。然而，因为较大的角材趋于导致空隙，并在角材材料中产生可能削弱角材110的冶金变形，从而角材110的实际尺寸有着上限。

降低角材110上的弯曲应力的另一种方法是，增加散热片的密度，以在联箱部分61中提供更多的拉伸载荷承受路径。这将减小或消除顶板和底板63能分离的程度，这又降低了散热片的偏转和作用在角材110上的弯曲应力。然而，由于所引起的压降增加，从而对单元55的联箱部分61内的可接受的散热片密度有着限制。

图7示出了相邻的矩形联箱管90的角落。尽管示出的管90通过冶金方式彼此结合，并结合到底板和顶板63上，不过特别是因为联箱部分61的热传导性能不是主要的设计因素，从而可替换地，管90可以以任何其他合适的方式彼此连接，并连接到顶板和底板63上。因此，可通过紧固件、夹具等机械地连接联箱管90。然而，将管90连接到顶板和底板63并将它们彼此连接的最经济方式，目前认为是借助于铜焊、通过冶金的方式结合，如示出的那样。

由于矩形管90的侧边彼此固定，从而一个侧边的任何偏转都必将由相邻管90的相邻侧边共同承受。顶板和底板63的分离将需要角度θ和θ’减小。相邻的管90从而彼此偏离，从而管90在没有使它们的侧边偏转并从而没有在角材110上施加显著弯曲应力的情况下产生拉伸载荷。这样，可采用尺寸最佳的角材110，而且可将结构材料(例如，散热片密度)的量保持为相对低，从而减小在联箱部分61上的压降。因为波纹状材料的散热片105没有它们可通过冶金方式结合的任何相邻散热片，从而由波纹状材料105(如图6所示)构成的联箱散热片不能够具有图7所示的矩形管90的结构优点。

尽管示出的联箱管90具有矩形横截面，但通过本发明可设想到其他的横截面形式。例如，管在形状上可以是大致圆形的，并具有可刚性地固定到顶板和底板上并可固定到相邻管上的四个平的部分。联箱管也可具有例如八边形的多边形横截面形状，该形状提供平的表面，用于刚性地固定到底板和底板上，并固定到相邻的管上。

Claims (8)

1.一种用于同流换热器的热交换器单元，该单元包括：

顶板和底板，所述顶板和底板分隔开，从而在它们之间形成内部空间，所述顶板和底板中的每个都形成有入流开口和出流开口，所述入流开口和出流开口与所述内部空间连通，用于流体相对于所述内部空间分别流入和流出；

多个内部阵列散热片，所述多个内部阵列散热片位于所述内部空间内，并通过冶金方式结合到所述顶板和底板上；

多个入流联箱管，所述多个入流联箱管位于所述内部空间内，并在所述入流开口和所述阵列散热片之间连通，每个入流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的入流联箱管上，并固定到所述顶板和底板上；以及

多个出流联箱管，所述多个出流联箱管位于所述内部空间内，并在所述阵列散热片和所述出流开口之间连通，每个出流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的出流联箱管上，并固定到所述顶板和底板上。

2.根据权利要求1所述的单元，其中，每个入流联箱管包括平的部分，所述平的部分刚性地固定到所述顶板和底板上，并固定到相邻入流联箱管上。

3.根据权利要求1所述的单元，其中，每个入流联箱管具有带有四个平的侧边的、呈矩形的横截面，其中所述平的侧边中的两个侧边刚性地固定到相应的顶板和底板上，而所述平的侧边中的另外两个侧边刚性地固定到相邻的入流流联箱管上。

4.根据权利要求1所述的单元，其中，所述入流联箱管通过冶金的方式彼此结合，并结合到所述顶板和底板上。

5.一种微涡轮发动机，其包括：

压缩机，该压缩机提供压缩空气流；

同流换热器，该同流换热器接收来自所述压缩机的压缩空气流，并通过来自废气流的热量加热所述压缩空气流；

燃烧室，该燃烧室接收来自所述同流换热器的被加热的压缩空气流，将所述压缩空气流与燃料混合，并燃烧燃料与压缩空气的混合物，从而产生废气流；

至少一个涡轮，所述至少一个涡轮接收来自所述燃烧室的废气流，并响应于所述废气流而转动，所述至少一个涡轮的转动驱动所述压缩机；以及

发电机，所述发电机响应于所述至少一个涡轮的转动而产生电力；

其中，所述废气流从所述至少一个涡轮流向所述同流换热器，用于对所述压缩空气流进行加热；

其中，所述同流换热器包括多个单元，每个单元包括：顶板和底板，所述顶板和底板分隔开，从而在它们之间形成内部空间，所述顶板和底板中的每个都形成有入流开口和出流开口，所述入流开口和出流开口与所述内部空间连通，用于所述压缩空气流相对于所述内部空间分别流入和流出；多个内部阵列散热片，所述多个内部阵列散热片位于所述内部空间内，并通过冶金方式结合到所述顶板和底板上；多个入流联箱管，所述多个入流联箱管位于所述内部空间内，并在所述入流开口和所述阵列散热片之间连通，每个入流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的入流联箱管上，并固定到所述顶板和底板上；以及多个出流联箱管，所述多个出流联箱管位于所述内部空间内，并在所述阵列散热片和所述出流开口之间连通，每个出流联箱管都刚性地固定到至少一个相邻的出流联箱管上，并固定到所述顶板和底板上；

其中，所述压缩空气流在流入到所述燃烧室之前，通过所述入流联箱管流入到所述内部空间内，然后通过所述阵列散热片，然后通过所述出流联箱管；而且

其中，所述废气流以与通过所述单元内的所述阵列散热片的所述压缩空气流呈逆流关系地、流动通过所述单元之间的所述同流换热器。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中，每个入流联箱管包括平的部分，所述平的部分刚性地固定到所述顶板和底板上，并固定到相邻的入流联箱管上。

7.根据权利要求5所述的发动机，其中，每个入流联箱管具有带有四个平的侧边的、呈矩形的横截面，其中所述平的侧边中的两个侧边刚性地固定到相应的顶板和底板上，而所述平的侧边中的另外两个侧边刚性地固定到相邻的入流流联箱管上。

8.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述入流联箱管通过冶金的方式彼此结合，并结合到所述顶板和底板上。

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