CN102149999A - 模块化构造的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化设计的热交换器(1)，其尤其用于在负荷和/或温度大变化的情况下运行的系统，所述热交换器(1)具有外壳(70)和多个热交换器模块，其中，是预热器模块(10)、蒸发器模块(20、30、40)或过热器模块(50)的各个热交换器模块包括入口连接器(11、21、31、41、51)、出口连接器(12、22、32、42、52)和以迂曲方式延伸的管(120)，尤其为水的吸热介质从所述入口连接器(11、21、31、41、51)通过所述迂曲管(120)流到所述出口连接器(12、22、32、42、52)中，并且所述热交换器模块被进一步布置在共用外壳(70)中，以使相同的散热介质围绕所述热交换器模块流动，其中所述蒸发器模块(20、30、40)经由布置在所述外壳(70)外部的汽鼓(60)平行地连接。

Description

模块化构造的热交换器
技术领域
本发明涉及一种模块化构造的热交换器，用于其中发生大的负荷变化和/或温度变化的设施，尤其是太阳能发电设备。
背景技术
从申请人的DE 29510720 U1中得知一种热交换器，所述热交换器已经得到了很好的验证，尤其是作为燃气轮机的冷却剂空气冷却器。所述热交换器具有用于使散热介质与吸热介质分开的管。迂曲管布置在入口岐管和出口岐管之间并且使得吸热介质流过迂曲管。散热介质围绕这些迂曲管流动。
在从DE 29510720 U1得知的热交换器的辅助下，由于频繁的负荷变化和温度变化而发生的机械性质和热性质的应力可以被成功地降低。此外，管束的迂曲成型允许热交换器在性能不变的情况下“小型化”。尽管具有所列优点，但仍需要更加紧凑和高效的热交换器，这种热交换器是灵活的，但可以以良好成本效益来制造。用于太阳能发电设备尤其是槽形抛物面发电设备的热交换器在具有高温度梯度的情况下必须另外具有更快速的启动速度。
因此，本发明基于这样的目的：进一步提高从DE 29510720 U1得知的热交换器，以及详述一种热交换器，其允许具有更加紧凑的构造以使得热交换器需要更小空间。此外，除了降低制造成本之外，本发明的目的是允许具有灵活的构造。
发明内容
本发明目的由根据独立权利要求的热交换器来实现。优选实施例列于从属权利要求中。
根据本发明的热交换器为模块化构造。热交换器模块可以为预热器模块、至少一个蒸发器模块和至少一个过热器模块，所述热交换器模块被布置在共用的外壳中，在所述外壳中，散热介质围绕带有迂曲管束的热交换器模块流动。因此，热交换器将至少三个不同的装置统一于一体。热交换根据逆流和/或错流原理而发生。迂曲管具有流过迂曲管的吸热介质，例如水。由于管束的迂曲布置，减小了热交换器的整体尺寸，改善了从散热介质到吸热介质的热传递，同时提高了构造的热弹性。
本发明尤其基于如下发现：通过将各个热交换器模块布置在共用外壳中，大大减小了热交换器的整体尺寸，而使热交换器的性能等同或者甚至被提高。模块化构造的另一优点是可以根据需要灵活地改装单个热交换器模块。因此，例如能够根据需要添加单个模块，或者能够通过例如改变管束的长度仅调整单个模块。因此，省却了热交换器的广泛总体设计中所涉及到的努力。另外，因为能够使用相同零件和/或相同模块，而不是高成本地单个制造热交换器的部件，所以能够降低制造成本。由于节省了单个模块之间的附加管连接且由于紧凑的构造，不仅降低了材料成本，而且提高了热交换器的效率，这是因为归因于与环境相接触的表面的减少而有效地减少了进入环境的热损耗。
通过借助于汽鼓平行地连接多个蒸发器模块，进一步提高了灵活性和效率。另外，能够实现在较高温度梯度情况下的更快速启动，这在例如改变太阳能发电设备的负荷条件和温度条件的情形下具有重要的意义。根据本发明的优选实施例变型例，吸热介质从特定蒸发器模块的出口岐管通过管流到汽鼓，所述管以这些管仅具有进入到汽鼓中的单一共用入口的方式彼此连接。因此，进一步降低了材料成本以及进入环境的热损耗。
根据本发明的另一有益实施例，吸热介质从汽鼓通过管流到特定蒸发器模块的入口岐管，所述管也能够以这些管具有从汽鼓出来的单一共用出口的方式彼此连接。
根据本发明的优选实施例变型例，能够水平地或垂直地设置热交换器。垂直设置允许更好的区域利用。根据本发明的几个热交换器能够在相对小的区域中彼此相邻地并行运行。尤其在太阳能发电设备中，因为槽形抛物面集热器占据非常大的空间，空间条件是不利的。根据本发明的热交换器的节省空间的构造允许进行几乎位置无关的设置，以使得能够更加方便地缩短加热过的介质到热交换器的流路。散热介质的温度在进入热交换器时较高，从而产热量较好。
本发明的另一优选实施例变型例提供的是：在水平设置中，热交换器模块具有多个水平管层，其中，各个管层由相等数量的管形成，并且管层以各个管层的管在垂直方向上精确地彼此叠置对准的方式来布置，其中吸热介质在横向于外壳的中心轴线布置的垂直相邻管段中的流动方向相反。单个管层中的管束的实施例使得可以得到非常紧凑的构造。因为管在垂直方向上精确地彼此叠置，因此能够在管之间使用常规的间隔件。在横向于外壳的中心轴线布置的垂直相邻管段中的相反流动对于热交换器中关于中心轴线的对称温度分布是有利的。这也类似地适用于热交换器的垂直设置。在这种情况下，管层在垂直方向上彼此相邻，关于水平设置枢转90°，方便地使预热器模块在共用外壳中最低。
入口岐管和出口岐管优选地具有环形剖面。管层的管在特定的入口岐管和出口岐管的外周平面上以相等角度彼此偏置地连接至特定的入口岐管和出口岐管。由于为岐管的焊接工作、机械加工或其他工作提供了足够的空间，通过这种方式使得制造方法更容易。
此外，相邻管层的管优选地以如下方式连接至特定的入口岐管和出口岐管：一个管层的管关于相邻管层的管在特定的入口岐管和出口岐管的相邻外周平面上以一角度偏置布置。通过这种方式能够最优地利用入口岐管和/或出口岐管的外周区域，从而能够紧凑地设计管层的布置。仍旧为岐管的焊接工作、机械加工或其他工作保留了足够的空间。
根据本发明的一个优选实施例，热交换器模块的管被布置在共用内壳中，所述共用内壳同心地布置在外壳的内部并且具有用于散热介质的入口和出口。内壳的剖面轮廓优选地为矩形，以使管束被该内壳尽可能紧密地包围。通过热交换部件的额外壳体来提供热交换器模块与环境之间的进一步绝缘。可选择地，外壳和内壳之间的空间能够用作散热介质的另外的流动通道。通过这种方式，延长了散热介质在热交换器中的驻留时间，从而改善了到吸热介质的热传递。
附图说明
下面基于附图对本发明进行更加详细地说明。在示意图中：
图1显示了通过第一实施例变型例的纵向剖面，描绘了垂直设置中的管侧流路；
图2类似于图1显示了纵向剖面，描绘了壳侧流路；
图3显示了通过第二实施例变型例的水平设置的纵向剖面；
图4显示了图3中的沿着线B-B的剖视图；
图5显示了图8中的放大的细节视图；
图6显示了图5的俯视图；
图7显示了图3中的放大的细节视图；
图8显示了图3中沿着线A-A的剖视图。
具体实施方式
图1示出了第一示例性实施例。热交换器1以节省空间的方式水平地设置。具有矩形剖面轮廓的内壳80位于外壳70中。单个热交换器模块10、20、30、40、50的迂曲管120布置在内壳中。例如水的吸热介质经由管道(pipe conduit)91进入预热器模块10的入口岐管11。在流过预热器模块10的管120之后，吸热介质经由预热器模块10的出口岐管12以及经由管道92进入汽鼓60。加热过的水经由管道93、94、95从汽鼓60进入平行连接的蒸发器模块20、30、40。来自蒸发器模块20、30、40的水蒸汽混合物经由共用回流线路96流回到汽鼓60中。汽鼓60具有这样的构件(这里未示出)：所述构件用于使水与水蒸气混合物分开，以使干蒸汽经由管道97到达用于过热的过热器模块50的入口岐管51。在过热器模块50中当前过热的蒸汽经由管道98离开热交换器并且到达下游的涡轮机以用于例如发电。
图2示出了与图1相同的示例性实施例，尽管在这里更加精确地描绘了散热介质的流路。散热介质经由外壳70的入口连接器71以大约400℃的温度进入，在该方案中散热介质为经由太阳能加热的热油。热油经由由外壳70和内壳80形成的通道73进入内壳80，在内壳80中，热油顺次地围绕过热器模块50、三个蒸发器模块40、30、20和预热器模块10的管120流动，并且由此将热量释放到水中。冷却的热油随后经由出口连接器72流出热交换器1。
图3示出了本发明的另一示例性实施例，这里热交换器1水平设置。
图4为图3中的沿着线B-B的剖视图，在图4中，最佳地显示了热交换器1的模块化构造。带有入口岐管11和出口岐管12的预热器模块10具有迂曲管120。其他的热交换器模块，即蒸发器模块20、30、40和过热器模块50的构造等同。这些模块仅在尺寸上有差别。然而，蒸发器模块20、30、40完全等同。可以按需要改变蒸发器模块20、30、40的数量。完全等同的零件的使用带来与制造成本有关的优点。而且，如果发生故障，能够简单地移除一个以上有缺陷的热交换器模块并且用新的模块来代替。
根据本发明的岐管在图5中被放大显示。该岐管为第三个蒸发器模块40的出口岐管42。各个热交换器模块的入口岐管和出口岐管基本上彼此差别甚微。这里也能领悟到模块化构造的优点。根据一个优选实施例，第一层100的管101、102、103、104通往岐管42并且在水平面上绕相等角度α偏置。第二层110的管111、112、113、114也通往岐管42并且以相同角度α偏置。
图6示出了岐管42的俯视图。在该方案中，一层的一个管与相同层的下一个管偏置的角度α分别为45°。在垂直方向上与第一层100相邻的第二层110关于第一层100精确地以β＝22.5°偏置地布置在岐管42上，以使在图6中第二层110的管111、112、113、114均在第一层100的管101、102、103、104之间的中央上可见。由于岐管42上接合点的这种规则的水平和垂直偏置布置，尽管具有高紧凑度，仍为焊接工作或进一步制造步骤保留了足够的空间。
图7示出从图3中放大的细节视图“X”。不同层的所有管均以管在垂直方向上精确地彼此叠置的方式来布置。由于水平和垂直方向的精确对准，能够统一地布置简单的间隔件130。以层布置管120的另一优点是，横向于外壳70的中心轴线200布置的垂直相邻管段210中的流动方向相反。
图8示出了本发明的另一优点。通过相邻热交换器模块40、50的入口岐管42和/或出口岐管51的相邻布置，能够进一步减少热交换器1的总长度。岐管典型地布置在热交换器1的中心轴线200的中部。
图9和图10示出了单个管层100和110的构造。在横向于外壳70的中心轴线200布置的管段210中，各个管在水平设置中关于其垂直相邻管具有相反的管流动方向，或者在垂直设置中关于其水平相邻管具有相反的管流动方向。

Claims (9)

1.一种模块化构造的热交换器(1)，其尤其用于在大的负荷变化和/或温度变化的情况下运行的设施，所述热交换器(1)具有外壳(70)和多个热交换器模块，其中，是预热器模块(10)、蒸发器模块(20、30、40)或过热器模块(50)的每个热交换器模块具有入口岐管(11、21、31、41、51)、出口岐管(12、22、32、42、52)和迂曲管(120)，尤其为水的吸热介质从所述入口岐管(11、21、31、41、51)通过所述迂曲管(120)流到所述出口岐管(12、22、32、42、52)中，并且所述热交换器模块被进一步布置在共用外壳(70)中，以使所述热交换器模块具有围绕它们流动的相同的散热介质，其中所述蒸发器模块(20、30、40)经由布置在所述外壳(70)外部的汽鼓(60)平行地连接。
2.根据权利要求1所述的热交换器(1)，
其特征在于，所述热交换器(1)能够被水平地或垂直地设置。
3.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器(1)，
其特征在于，在水平设置中，所述热交换器模块具有多个水平管层(100、110)，各个管层(100，110)由相等数量的管形成，并且所述管层(100，110)以单个管层(100，110)的管在垂直方向上精确地彼此叠置对准的方式来布置，其中，所述吸热介质在横向于所述外壳(70)的中心轴线(200)布置的垂直相邻管段(210)中的流动方向相反。
4.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器(1)，
其特征在于，在垂直设置中，所述热交换器模块具有多个垂直管层(100、110)，各个管层(100、110)由相等数量的管形成，并且所述管层(100，110)以单个管层(100，110)的管在水平方向上彼此相邻精确地放置对准的方式来布置，其中，所述吸热介质在横向于所述外壳(70)的中心轴线(200)布置的水平相邻管段(210)中的流动方向相反。
5.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，
其特征在于，所述入口岐管(11、21、31、41、51)和所述出口岐管(12、22、32、42、52)具有环形剖面，并且管层(100)的管(101、102、103、104)在特定的入口岐管(41)和出口岐管(42)的外周平面上以相等角度(α)彼此偏置地连接至所述特定的入口岐管(41)和出口岐管(42)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器(1)，
其特征在于，相邻管层(100、110)的管(101、102、103、104、111、112、113、114)以如下方式连接至特定的入口岐管(41)和出口岐管(42)：一个管层(110)的管(111、112、113、114)关于相邻管层(100)的管(101、102、103、104)在特定的入口岐管(41)和出口岐管(42)的相邻外周平面上以角度(β)偏置地布置。
7.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，
其特征在于，所述热交换器模块的管(120)被布置在共用内壳(80)中，所述共用内壳(80)同心地布置在所述外壳(70)的内部并且具有用于所述散热介质的入口和出口。
8.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器(1)，
其特征在于，所述吸热介质从特定蒸发器模块(20、30、40)的出口岐管(22、32、42)通过管(96a、96b、96c)流到所述汽鼓(60)，所述管(96a、96b、96c)以所述管(96a、96b、96c)具有进入所述汽鼓(60)的单一共用入口(96)的方式彼此连接。
9.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器(1)，
其特征在于，所述吸热介质从所述汽鼓(60)通过管(93、94，95)流到所述特定蒸发器模块(20、30、40)的入口岐管(21、31、41)，所述管(93、94，95)以所述管(93、94，95)具有从所述汽鼓(60)出来的单一共用出口的方式彼此连接。
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