CN101600928A - 蒸发冷却器及其应用、以及带有蒸发冷却器的燃气轮机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却气体流、特别是空气流的蒸发冷却器，该蒸发冷却器带有布置在流动通道(6)内的多个冷却元件(12)，所述冷却元件(12)可通过供给设备(16)加载待蒸发或待汽化的液体、优选为水，该蒸发冷却器应设计成在非临界运行特性和简单的处理下对于液体的汽化或蒸发具有特别高的效率，且因此在液体通过量较低的情况下对气体流实现了一种特别高的冷却效率。为此，根据本发明建议，使得冷却元件(12)的至少一个的表面至少在一个用于形成液体膜的特定部分区域内具有亲水性特征。

Description

蒸发冷却器及其应用、以及带有蒸发冷却器的燃气轮机设备
技术领域
本发明涉及一种用于冷却气体流、特别是空气流的蒸发冷却器，该蒸发冷却器带有布置在流动通道内的多个冷却元件，所述冷却元件可通过供给设备加载待蒸发或待汽化的液体、优选为水。本发明还涉及此类蒸发冷却器的使用以及带有蒸发冷却器的燃气轮机设备。
背景技术
燃气轮机内的能量转换效率且特别是燃气轮机的功率取决于通过压缩机供给燃烧室的燃烧空气的吸入温度。通常，从环境吸入的空气的温度越低，则压缩机的效率越高。燃气轮机的升高的总功率可归因于更冷的吸入空气的更高的密度且因此可实现的更大的冷却空气质量流。因此，在夏季可实现的能量产额通常明显低于冬季。相应地，通过吸入空气的冷却，经常能够明显提高燃气轮机的总功率和总效率-这也考虑到了用于冷却的能量。在此，对于环境有利的副作用还在于一氧化氮和/或CO2的排放降低。
尤其是在环境空气的相对湿度相对较低的区域或地点，吸入空气的温度能够通过蒸发冷却原理以相对简单有效的方式降低，且因此提高燃气轮机的效率和功率：通过在大表面上的喷射和分布，将液体(合适地为水)大量蒸发到干燥的热空气中。所要求的蒸发能从环境空气获取，环境空气因此被冷却。在此，与地点和系统相关，温度差可达5K至20K。同时，空气的湿气含量升高。虽然此类冷却系统的投资成本不高，然而典型的分期付款时间为1至3年，这已导致此系统的大量使用。
不同于通过例如以布置在压缩机入口前方的喷淋栅格将水喷入空气流中来直接将吸入空气加湿，在蒸发冷却中，水通过绝热汽化或蒸发由空气接收。以此，明显降低了相对于空气湿度而言水的过量喷入或过饱和的风险。将在燃气轮机中通常在带有蜂窝形冷却元件的蒸发冷却器内降低吸入空气的温度的蒸发冷却原理在技术上转化和实现，所述冷却元件例如位于用于新鲜空气的进气过滤器的过滤器级之前或之间。为此，借助合适的供给设备为多个通常垂直竖立的、级联布置的冷却元件或冷却挡板(有时也称为喷洒挡板或下垂挡板)从上方供水(例如，淋洒或喷水)，使得水尽可能在在各元件或挡板上形成水膜的情况下流下。
与之垂直地，将吸入空气引导到由大量壳体壁限定边界的流动通道(以所谓的交叉流)。流下的水的部分通过进入蒸发冷却器内的相对热的吸入空气蒸发或汽化，以此使从冷却设备出来的空气流的温度降低。未蒸发的剩余的水汇集在冷却挡板的底板上且借助于低压泵设备泵送回到输出点，使得总体上实现开放的级联形式的冷却水回路。
所谓的下垂膜汽化器类似于蒸发冷却器而构建，但其中不对气流进行冷去，蒸汽生成作为设计目的出现，且在此下垂膜汽化器中，通常供给有待汽化的水的大量下垂挡板或下垂管以电加热设备从内部加热。
常规蒸发冷却器的冷却元件或冷却挡板通常由不锈钢制成，但有时也例如由塑料或基于纸的材料制成，其中所供给的水在供使用的表面上相对差且不均匀地分布。如果各冷却元件的整个表面用于蒸发，即用于有效地冷却吸入的空气流，则必须以较多过量水来淋洒。这导致相对厚的水膜。然而厚的水膜提高了水被空气流夹带走且使水滴到燃气轮机的叶片组(特别是其压缩机)的可能性，这能够引起不希望的腐蚀效果。
因此，在实践中在带有开放冷却水回路的所有蒸发冷却器或汽化冷却器中，问题是调节正确的水量，使得水滴不被夹带到叶片组内，但也在蒸发冷却器内引入充足的水，以保证尽可能最优地冷却吸入空气。在一种保守的、考虑安全性的设计的范畴中，将水量主要调节为在任何情况中都避免水滴的冲击。在此，理论上可实现的冷却潜力必然未充分利用，因为蒸发表面或汽化表面未被最优地利用。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是给出前述类型的蒸发冷却器，所述蒸发冷却器在非临界运行状态和简单的处理下对于供给其的冷却液体的汽化或蒸发实现特别高的效率，且因此对于流过它的气态流动介质、特别是空气具有实现特别高的冷却作用。特别地，在将此类蒸发冷却器用作燃气轮机的吸气冷却器时，应保持对在其流动介质侧后接的设备部件、特别是压缩机叶片的腐蚀风险较低。此外，应给出带有特别高的效率且带有高的总功率的具有此类蒸发冷却器的燃气轮机设备。
对于蒸发冷却器，此技术问题根据本发明通过如下方式解决，即，使至少一个冷却元件的表面在一个用于形成液体膜的特定部分区域内具有持久的亲水性特征。
本发明出于如下考虑，即由待蒸发或待汽化液体(尤其是水)在冷却元件表面上形成的液体膜的厚度恰好使得液体膜尽管由于所预计到的通过蒸发或汽化导致了液体损失也不在湿润的表面上导致液体膜的破裂。这总体上导致汽化的下降且因此也导致可实现的冷却效果的降低。另一方面，对于有效的蒸发或汽化，液体膜应不厚于绝对必要的厚度。这特别地适合于用于冷却燃气轮机的吸入气体流的蒸发冷却器，以将液体滴被夹带到压缩机叶片组内的风险保持得尽可能低。
为在不均匀的液体供给或淋洒时也能够以简单和毫无困难的方式调节这一关系，应将通常蜂窝形的冷却元件或冷却挡板的表面这样地实现，使得通过特定类型的液体-固体相互作用而在一定程度上自动形成特别一致均匀的液体膜，或至少支持这样的膜的形成。在此应尽可能使用冷却元件的所有可供使用的表面，即由待蒸发的液体浸湿。
根据现在建议的构思，因此冷却元件的可使用性通过有针对性地亲水地形成或修改的表面-至少在相关的湿润区域内-得以改进。为产生亲水性特性而进行的相应的表面处理也称为亲水化。其结果是，与亲水性表面接触的液体滴以平的盘形或平的截球面形大面积地扩展，或在各冷却元件的倾斜或垂直地布置的情况下作为平的带在冷却元件上流下，且在此特别好地粘附在表面上。由于此良好的粘附效果，可靠地避免了被气体或空气流夹带走。为实现对于冷却元件的表面的充分湿润，与未处理或未修改的表面相比，需要明显更少过量的水，这明显降低了所需要的膜厚度，且同时有助于降低由于液体滴的脱离或被夹带走而导致的风险。
在此，液体滴在带有液体滴的冷却元件表面上形成的所谓的接触角能够用作如此处理的表面的亲水性的定量评价。一般地，亲水性表面与水的接触角小于90°。然而，优选地，各冷却元件的经处理的表面与水的接触角小于40°，特别地小于20°，且特别地优选地小于10°。有利地，亲水特性这样地选择，使得经处理的表面的亲水特征在随后的使用寿命中尽可能持久或长期保持，使得原来调整的接触角不增加或仅不明显地增加。
有利地，蒸发冷却器的表面连同壁和装配件(Einbauten)被亲水化-它们由于被供给有液体而支持蒸发或汽化过程，所述亲水化与其构造、布置、定向和各基底材料无关地进行。例如，除勾挂在流动通道内的蜂窝状冷却元件外，冷却器壳体的位于内部的、限定用于气态流动介质的流动通道的边界的壁段也设计成由水加载，且相应地具有有针对性地亲水性地构造的表面。
在有利的构造中，各冷却元件包括基体，例如由金属材料制成的基体，所述基体在安装在蒸发冷却器内之前或在蒸发冷却器启用之前在合适地选择的涂敷过程期间以亲水性表面层覆盖。
导致特别有利的结果，特别是导致相对于水的低接触角的第一涂敷过程是所谓的外溶胶-凝胶法。
“外溶胶-凝胶涂层”的概念理解为首先在所谓的外溶胶-凝胶过程中分别在金属、陶瓷或塑料制成的基底材料(基质)上涂敷涂层。在外溶胶-凝胶法中，通常在第一步骤中将水溶剂或有机溶剂中的小直径-典型地1nm至大约100nm(所谓的纳米微粒)-的固体微粒的胶体悬浮液或悬液通过外溶胶-凝胶过渡(凝胶化)转化为无定形的纳米结构的凝胶状态。在外溶胶-凝胶转化中，导致溶剂内的纳米微粒的三维交联，以此使凝胶获得固体特征。然后，在第二步骤中将凝胶或施加在基底材料上的凝胶覆层通过热处理或以光化学方式硬化(烧结)，且以此转化为带有陶瓷或玻璃状特征的材料或稳定和可耐久的涂层。
用于制造也称为溶胶的胶体涂层溶液的原材料(所谓的前体)例如包括：硅酸乙酯、硅酸甲酯、硅酸钠或糖簇，以及另外不同的金属有机聚合物，特别是金属醇盐和/或金属酯。通过将附加的有机分子与不同的官能团混合，和/或通过添加无机微粒和/或纳米微粒，可以以良好地可调节和可控的多种方式，有针对性地影响随后的涂层的化学和物理特征。在此处所述的应用情况中，在选择用于胶体溶液的前体时，决定性的设计目的是制造带有尽可能强的亲水性表面的涂层。次级目的能够是例如在基质上良好的可耐久性、高的抗划伤强度、高的耐热性以及实现对于被涂层覆盖的通常为金属的基质的良好的耐腐蚀保护。
通常通过大量在此进行的水解或聚合反应而制成的溶胶例如通过喷射、浸渍或沉淀施加在基质上。为涂敷更大的相当平的表面，优选地使用所谓浸渍-涂层方法(Dip-Coating)。在此方法中将待涂敷的基质，在此特别是各冷却元件浸入到溶胶内且再以恒定的速度拉出，使得在基质表面上保持粘附液体溶胶膜。最初的液体溶胶膜在短时干燥后或多或少转化为固体凝胶膜，该固体凝胶膜例如在含氧气氛(空气)下受到热后处理。在直至大约400℃的温度下，金属有机聚合物的有机成分分解，且主要以二氧化碳和水的形式析出。剩下的无定形且纳米多孔的金属氧化物膜在超过500℃的温度下开始烧结。同时发生晶核形成和晶体生长，使得由无定形的多孔的凝胶膜生成纳米晶体的致密氧化物陶瓷膜。
化学溶胶成分、层沉积条件(例如，析出速度)以及热处理参数(加热速度、温度、持续时间)对于层的性质具有显著影响，且根据已解释的目标方针来调节。由于在层和基质之间形成共价键，所以实现了高的附着值，这有利于使涂层具有较长的寿命且承受较高的机械负荷。
作为纯氧化物陶瓷溶胶-凝胶层的替代或补充，也能够使用有机-无机混合层，以此一般可实现更大的层厚和更高的韧性值。在一定的情况下，处理温度也可以明显低于300℃。作为热处理的替代或补充，也能够提供通过紫外光或可见光的硬化。
作为溶胶-凝胶方法的替代，也能够使用另外的涂层或处理方法来实现蒸发表面或汽化表面的亲水化，这些另外的方法部分地更简单地应用，导致更低的成本，以及导致释放更少的不希望的副产品、例如溶剂。
例如，可建议在冷却元件的基体上施加由合适的湿化学漆形成的涂层，且因此制成希望的亲水性表面。在此方面，可想到的是丙烯酸脂漆或基于聚酯树脂、聚硅氧烷、环氧化物、聚亚安酯或聚羟基硅的漆。表面的多孔性是亲水性的前提且因此是对于水的良好可润湿性的前提。漆树脂内的极性官能团有助于提高表面能且因此有助于表面对于水的更好的可润湿性。制造亲水性漆的开端因此基于构建相应的化学官能团，例如-OH、-COOH、-NH2、-SH。此外，能够通过添加特定的填料微粒、特别是亲水性的气相二氧化硅(Aerosile)来将漆调节成亲水的。对于专业人员，相应的细节已从此类漆的另外的应用和使用领域中已知，例如包括眼镜、探照灯玻璃和头盔面罩(Helmvisieren)的防雾涂层。此外，例如提供带有此类亲水性涂层的特定医疗技术产品。
大气和真空支持的不同类型的等离子涂敷方法提供了产生希望的表面性质的另外的可能性。通过所谓的化学气相沉积或化学蒸气沉积(CVD)，能够在表面上沉积具有层的形式的反应性硅烷化合物。在此，由于化学反应，固体成分从气相沉积到加热的基质表面上。因此，在使用相应的硅前体时也可实现亲水性覆层。沉积既能够在低压等离子条件下也能够在大气条件下进行。目前，此方法也应用于防雾涂层以及医学应用中。通过所谓的物理气相沉积或物理蒸气沉积(PVD)，也能够在真空条件下进行层的沉积，特别是在塑料基质上的金属或金属有机物覆层，这导致表面能的升高，且因此改善基质的可润湿性。与CVD方法不同，在PVD方法中，层直接通过原材料的材料蒸气的凝结形成。
无定形的高度交联的硅酸盐层通过可燃的含硅烷的气体在基质材料上的火焰涂层(Flammbeschichtung)或火焰烟火沉积(flammpyrolytischAbscheidung)也已知为Pyrosil方法，此方法提供了一种用于有针对性地修改材料的表面特性、特别是用于提高表面能和用于亲水化的另外的可能性。为此，将待处理的表面引导通过气体火焰的氧化区域，在所述气体火焰中事先限定地掺入含硅的物质、即所谓的前体。基于此方法的硅酸盐涂层通常具有20nm至40nm之间的厚度，且因此导致表面的明显的亲水化。
此外，存在不同的方法，它们在术语上能够总结为上位概念“物理氧化”，且它们通过有针对性地将表面氧化使表面能的极性部分提高，且以此有利于对于水的可润湿性。在此意义上，例如反应性的等离子氧化性地起作用，例如在目前的氧、氩或空气的等离子处理中。此过程既能够在真空中也能够在大气条件下执行。在也属于物理氧化类的电晕放电或电晕处理方法中，如目前在塑料技术中用于改进塑料薄膜的可压性和可粘贴性的通行的做法，使基质暴露于放电，其中将例如空气的包围电极和基质的气体离子化。施加火焰也是用于氧化塑料表面的方法，以此能够调节亲水性特性。相比之下，电解质氧化主要适合于修改铝表面。
通过使用强氧化性液体(例如过氧化氢)或通过使用强氧化性气体(例如臭氧)进行处理，也可提高表面的极性且因此提高亲水性。目前，在塑料技术领域以及例如在薄膜技术中或者在处理由塑料制成的燃料箱时已知例如臭氧化或氟化。此类方法可以被总结为“化学氧化”。
最后，也可建议，在蒸发冷却器的冷却元件中，通过化学腐蚀或苛化(
Figure A20088000389100091
)或通过表面磷化来调节希望的亲水性表面特性。腐蚀是以酸，例如以盐酸、硫酸或硝酸(酸洗)，或以碱，例如苛性钠(碱洗)来处理金属表面，它目前主要用去去除如锈迹、锈蚀(verzunderung)等污垢。在磷化时，以磷酸盐水溶液处理金属基质。在此，通过化学反应在金属表面上形成无机转换层，所述无机转换层具有防腐效果和良好的可涂敷性，即亲水性。
以本发明实现的优点在于，通过对于提供在蒸发冷却器内的、用于液体汽化或蒸发的部件和冷却元件-特别是蜂窝状冷却挡板-的有针对性的表面处理和亲水化，由于改进了的可润湿性而实现对于主动换热面的放大和有效使用。在使用此类蒸发冷却器来冷却气体流时，例如用在燃气轮机的吸气冷却器内时，以此也以相对节约的液体供给实现特别高的冷却效果。同时，明显抑制或防止气体流将液体滴夹带走，以此降低了例如后接于蒸发冷却器的活塞热机或流体热机、特别是燃气轮机受到腐蚀和侵蚀的风险。由于吸气冷却器的高效率，也提高了后接于吸气冷却器的燃气轮机的效率和功率产额。
在此所提出的构思的另外的优点在于，由于更好地利用表面，因而在相同的冷却功率下，用于蒸发冷却器的部件深度能够低于目前的部件深度。由于降低的部件深度，可实现紧凑的壳体构造且因此可实现制造成本的降低。另外，在进气路径上出现比目前更低的压力损失。
汽化表面或蒸发表面的亲水化构思此外也可以在下垂膜汽化器中有利地用于效率提高，其主要目的不是冷却气体流而是蒸汽的产生本身，例如在液体混合的蒸馏等中的方法技术。作为通过热气体流的加热的替代或补充，在此情况中例如也能够对下垂挡板或下垂管提供电加热。
附图说明
本发明的实施例根据附图在下文中详细解释。在此，图1示出蒸发冷却器的部分截面视图。
具体实施方式
在图1中示出的蒸发冷却器2作为吸气冷却器用于冷却从环境抽吸的、且供给到在此未图示的燃气轮机压缩机的吸入空气。蒸发冷却器2为此具有由封闭的壳体4包围的流动通道6，所述流动通道6带有空气入口8和空气出口10，在流动通道6内布置有多个分别联合为组或冷却模块的冷却元件12或冷却挡板。平的冷却元件12分别垂直且平行于运行中被冲击的空气流的流动方向14定向，且通过布置在壳体4的顶板区域内或在各冷却元件12的上侧上的供给装置16在双侧上可供给以水。以此，在运行中在各冷却元件12的“前侧”以及“后侧”上形成从上向下流下的水膜，通过流动通道6引入的吸入空气在该水膜上方流过。根据蒸发冷却的原理，在此流下的水的部分蒸发或汽化，以此一方面增加空气流的相对湿度且另一方面降低空气流的温度。从冷却元件12流下的水的未汽化的部分在底板区域内汇集在此处未详细图示的收集设备内，且然后以开放的回路的方式以此处未图示的泵送回到供给设备16，其中通过添加新鲜水-优选地为日常的自来水-补偿由蒸发造成的回路内的液体损失。
引入蒸发冷却器2内的(环境)空气越干燥则可实现的冷却效果越大。此外，为实现高效率，应尽可能将冷却元件12的可供使用的全部表面充分用作蒸发面，其中所形成的水膜尽管有所预计到的蒸发但却不会在任何位置破裂。另一方面，每单位时间供给的水量应保持尽可能低，使得水滴不从冷却元件12脱离，否则水滴能够通过空气流动被带入后接于蒸发冷却器2的压缩机的叶片组内，且在该处能够产生腐蚀性损害。
为此，在相反的设计目的上相互协调，现有的蒸发冷却器12的冷却元件12通过涂敷在基本材料(在实施例中在此为不锈钢)上的溶胶-凝胶涂层设计为具有对于冷却液体、特别是对于水的特别好的可润湿性。特别地，在标准或正常运行条件下，例如在空气入口温度为15℃且空气压力为1013mbar时，对于水的接触角达到小于40°，优选地小于20°，或甚至小于10°。亲水性涂层导致即使在供给相当少的水量时水在冷却元件12上也能特别均匀地分布。即使在不均的喷洒和高蒸发量或汽化量时，也促进均匀的相对薄的水膜的形成，且同时降低空气流夹带水滴的风险。
根据以上阐述，应当理解的是溶胶-凝胶涂层例如用于完全另外的一系列方法，以此方法以有针对性的方式可导致冷却元件12的与蒸发相关的表面的亲水化。为此，特别地也包括带有亲水性湿化学漆的涂层、等离子涂层、火焰涂层、表面的物理和化学氧化以及使用酸或碱的化学腐蚀和苛化。当然，特别合适的亲水化方法的选择根据制成冷却元件12的(基体)材料进行，但也根据另外的方面，例如成本和费用、涂层或修改的表面在运行条件下的耐久性等。特别地优选的方法是不要求昂贵的真空设备且因此也很灵活且可局部使用-即在当地使用-的方法。

Claims (12)

1.一种用于冷却气体流、特别是空气流的蒸发冷却器(2)，该蒸发冷却器带有布置在流动通道(6)内的多个冷却元件(12)，所述冷却元件(12)可通过供给设备(16)加载待蒸发或待汽化的液体、优选为水，所述冷却元件(12)的表面至少在用于形成液体膜的特定部分区域内具有亲水性特征。
2.根据权利要求1所述的蒸发冷却器(2)，其中亲水性的所述表面对于水的接触角小于20°，且优选地小于10°。
3.根据权利要求1或2所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个包括具有亲水性表面涂层的基体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有根据溶胶-凝胶方法产生的亲水性表面涂层的基体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有通过涂敷湿化学漆产生的亲水性表面涂层的基体。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有通过等离子涂层产生的亲水性表面涂层的基体。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有通过火焰涂层产生的亲水性表面涂层的基体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有通过物理氧化、特别是通过大气的或基于真空的等离子处理、通过电解质氧化、通过电晕放电或通过火焰处理产生的亲水性表面涂层的基体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)中的至少一个具有一个设有通过化学氧化、特别是以臭氧、过氧化氢或氟作为氧化剂产生的亲水性表面涂层的基体。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的蒸发冷却器(2)，其中，所述冷却元件(12)的至少一个具有一个设有通过以酸或碱腐蚀或苛化产生的亲水性表面涂层的基体。
11.一种根据权利要求1至10中任一项所述的蒸发冷却器(2)作为用于对供给到活塞热机或流体热机、特别是燃气轮机的吸入或燃烧空气进行冷却的吸气冷却器的应用。
12.一种燃气轮机设备，所述燃气轮机设备带有压缩机、燃烧室和燃气轮机，其中，所述压缩机在进气侧前接有根据权利要求1至10中任一项所述的蒸发冷却器(2)。
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