CN102084202A - 改进的热交换器管和空气对空气中间冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器管，可在空气对空气中间冷却器或其它空气对气空热交换器中使用。冷却管具有带有内表面和外表面的第一管与带有内表面和外表面的第二管。第二管位于第一管内。具有一个或多个从第一管的内表面延伸至第二管的外表面的壁部。多个翅片位于第一管的外表面上。翅片可采用单个圆形翅片的形式，或者一个或多个螺旋翅片的形式。

Description

改进的热交换器管和空气对空气中间冷却器
技术领域
本发明通常涉及一种用于燃气轮机的空气对空气(air-to-air)中间冷却器。更具体地，本发明涉及一种在空气对空气中间冷却器中使用的改进的管。
背景技术
如今，燃气轮机的使用在工业中变得普遍。用来驱动发电机的燃气轮机变得特别普遍。可在建立烧煤的发电站或核电站所必需的时间的一小部分内并以其成本的一小部分建立由燃气轮机点火的发电站。其也具有其它电源(例如，水电和风力发电)所没有的优点：其本质上可位于任何地方。燃气轮机压缩空气。此压缩大幅增加空气的温度。然后，将空气与燃料混合并燃烧。从此燃烧产生的力用来旋转涡轮机。为了减少各种污染物的排放，并且为了增加涡轮机效率，在第二级压缩之前用中间冷却器来冷却所压缩的空气。
用于燃气轮机的现有技术冷却系统包括中间冷却器和二级冷却器。中间冷却器典型地是壳体和管型热交换器。将从燃气轮机抽出的热压缩空气通过热交换器的壳体侧循环。将来自二级冷却器的冷水通过热交换器的管循环。将来自热空气和气体的热量传递至冷却水。然后，将冷却的压缩空气循环至燃气轮机，在那里，将压缩空气引导至第二级压缩器，最终与燃料混合并燃烧。二级冷却器典型地是翅片式热交换器。将已经在中间冷却器中加热的水通过二级冷却器中的多根管循环。一个或多个风扇在管的外侧上产生周围空气的气流。这导致将热量从水传递至周围空气。然后，将冷却的水通过中间冷却器循环，以冷却来自涡轮机的热压缩空气。这是目前最可行的解决方案。
减少燃气轮机所必需的装配和维修的量的理想解决方案将是，用空气对空气中间冷却器直接将其冷却，但是，一个很大的挑战是，空气无法运送像水一样多的热量。这样，将使用非常大的空气对空气中间冷却器，以驱散在燃气轮机中产生的热量。因为使用传统管的中间冷却器的内部体积过大，并在停机过程中对涡轮机产生危险，但是目前可获得的空气对空气热交换器在小型单元中无法提供足够的表面积，而使此选择似乎是合理的。
在燃气轮机和热交换器工业中需要的是，在紧凑包装中可提供足够的表面积以冷却燃气轮机的燃烧空气的空气对空气热交换器。
在燃气轮机和热交换器工业中进一步需要的是，能够不用二级冷却器便可冷却燃气轮机的空气对空气中间冷却器。
发明内容
本发明是一种可在空气对空气中间冷却器或其它空气对空气热交换器中使用的改进的冷却管。冷却管由两个嵌套的圆形物(circles)组成，两个嵌套的圆形物经由在挤压过程中形成的扁平金属条连接在一起。多个翅片位于第一管的外表面上。翅片可采用单个圆形翅片的形式，或者一个或多个螺旋翅片的形式。
改进的冷却管提供足够的表面积，以用作不使用二级冷却器的用于燃气轮机的中间冷却器。本发明的其它实施方式提供一种燃气轮机系统，其中，在空气对空气中间冷却器中使用管的设计。
附图说明
现在将进一步详细地描述本发明的优选实施方式。通过以下详细描述、所附权利要求和附图(其未按比例绘制)，本发明的其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中：
图1是使用中间冷却器和二级冷却器的现有技术燃气轮机系统的示意图。
图2是使用本发明的改进的冷却管的燃气轮机和空气对空气中间冷却器的透视图。
图3是改进的冷却管的透视截面图。
图4是改进的冷却管的横截面端视图。
图5是示出了包含在A形框设计强制通风中间冷却器中的本发明的示意图。
图6是示出了包含在V形框设计诱导通风中间冷却器中的本发明的示意图。
图7是示出了以U形框设计诱导通风中间冷却器的方式使用的本发明的示意图。
图8是包含在U形框设计强制通风中间冷却器中的本发明的示意图。
具体实施方式
现在参照附图，其中，在所有图中，相同的参考符号表示相同或相似的零件，图1示出了现有技术的系统，其中，中间冷却器20和二级冷却器22用于冷却用于燃气轮机24的压缩的燃烧空气。燃气轮机24典型地用来运行发电机26。将来自燃气轮机24的热压缩空气通过中间冷却器20循环。中间冷却器20典型地是壳体和管式热交换器。热压缩空气流过中间冷却器20的壳体侧。中间冷却器的管运送已由二级冷却器22冷却的水。来自热压缩空气的热量被传递至水中。将冷却的压缩空气传递回至燃气轮机，在那里，将压缩空气引导至第二级压缩器，最终与燃料混合并燃烧。
在冷却的水吸收中间冷却器中的热量之后，将其抽回至二级冷却器22。二级冷却器22典型地是翅扇式水对空气冷却器，其中，温水通过二级冷却器22中的多根管。然后，风扇用来产生经过这些管的周围空气的气流，从而冷却在管中运送的水并将其传递至周围空气。一旦已经在二级冷却器22中冷却水，便将其抽回至中间冷却器20，在那里，重复此循环。
现在参照图2，对于对发电机56提供动力的燃气轮机54，本发明的燃气轮机系统50用空气对空气冷却器52作为中间冷却器。从燃气轮机出口58抽出热压缩空气，并将其传递至冷却器52。热压缩空气通过多根管60。当热压缩空气通过管时，一个或多个风扇62在管60的外侧上产生周围空气的流动。将来自管子60中的热压缩空气的热量传递至周围空气，从而冷却热压缩空气。一旦已经冷却热压缩空气，便将其传递回至燃气轮机入口64。所冷却的压缩空气与燃料混合并燃烧。
为了在管60内部具有足够的表面积以传递来自热压缩空气的热量，必须使用本发明的改进的管60。
如图3所示，改进的管60由第一管80组成，其具有内表面82和外表面84。冷却管60具有位于第一管80内部的第二管86。在一些实施方式中，第一和第二管80和86可以是同心的。
第二管86具有内表面88和外表面90。一个或多个壁部92从第一管80的内表面82延伸至第二管86的外表面90。一个或多个翅片94位于第一管80的外表面84上。图3和图4示出了翅片94，其由多个单独的圆形翅片组成。然而，可用一个或多个位于第一管80的外表面84上的连续螺旋翅片94构造本发明。
图3和图4示出了使用八个壁部92的本发明。然而，根据用来构造这些零件的金属的热传递特性、在管子内部冷却的热压缩空气的温度以及在翅片94上流过的周围空气的预期温度，来确定壁部92的精确数量及其厚度、第一和第二管80和86的直径和壁厚以及翅片94的精确几何形状和数量。
本发明可包含在各种冷却器结构中。图5示出了使用强制通风的A形框设计100，其中，相对的管束102朝着彼此形成一定角度，从而形成A形框。然后，一个或多个风扇104迫使周围空气向上运动，并通过管束102，如箭头所指示的。
图6示出了V形框设计110，其中，相对的管束112形成一定角度，共同形成V形。用一个或多个风扇114将周围空气如箭头所指示地通过管束112抽出。
本系统还可利用具有诱导通风(induced draft)的U形框设计120，如图7所示。这里，相对的管束122彼此平行。然后，用一个或多个风扇124诱导周围空气的气流经过管束，如箭头所指示的。
本发明还可包含使用如图8所示的强制通风(forced draft)结构的U形框设计130。这里，相对的管束132彼此平行。然后，用一个或多个风扇134强制推动周围空气的气流经过管束132，如箭头所指示的。
以上描述详细说明了本发明的某些优选实施方式，并描述了所设想的最佳方式。然而，将理解，在不背离公开内容的实质和范围的前提下，可对结构的细节和零件的构造进行改变。因此，这里提供的描述将被认为是示意性的，而不是限制性的，并且，本发明的真正范围是由权利要求定义的范围和对其每个元件授权的等价物的全部范围。

Claims (15)

1.一种热交换器管，包括：
第一管，具有内表面和外表面；以及
第二管，具有内表面和外表面，所述第二管位于所述第一管内。
2.根据权利要求1所述的热交换器管，进一步包括一个或多个壁部，所述壁部从所述第一管的所述内表面延伸至所述第二管的所述外表面。
3.根据权利要求1所述的热交换器管，进一步包括从所述第一管的所 述外表面延伸的翅片。
4.根据权利要求3所述的热交换器管，所述翅片包括螺旋管。
5.根据权利要求1所述的热交换器管，进一步包括多个从所述第一管的所述外表面延伸的翅片。
6.根据权利要求1所述的热交换器管，进一步包括同心的所述第一和第二管。
7.一种发电系统，包括：
涡轮机；
空气对空气中间冷却器，具有带有内表面和外表面的第一管和带有内表面和外表面的第二管，所述第二管位于所述第一管内；
其中，所述第一和第二管与所述燃气轮机流体地连通。
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括一个或多个从所述第一管的所述内表面延伸至所述第二管的所述外表面的壁部。
9.根据权利要求7所述的系统，进一步包括从所述第一管的所述外表面延伸的翅片。
10.根据权利要求9所述的系统，所述翅片包括螺旋管。
11.根据权利要求7所述的系统，进一步包括多个从所述第一管的所述外表面延伸的翅片。
12.根据权利要求7所述的系统，进一步包括同心的所述第一和第二管。
13.根据权利要求7所述的系统，所述第一和第二管包括多个第一和第二管通道。
14.根据权利要求7所述的系统，进一步包括风扇，所述风扇被定位为诱导周围空气的气流经过所述管。
15.根据权利要求7所述的系统，进一步包括风扇，所述风扇被定位为强制周围空气的气流经过所述管。
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