CN105715381B - 一种碟式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碟式换热器，其包括蜗壳、上、下盖板和碟式换热板，碟式换热板具有圆形区和波纹结构；上、下盖板具有流体出入口和肋片；蜗壳的上、下层环形结构均设有流体出入口；上、下盖板的肋片与波纹结构形成流体通道，该流体通道由上、下层环形结构所环绕并与其内部连通；冷、热流体经圆形区和流体通道实现热交换。该碟式换热器流体通道，换热面积大，换热效率高；流动折转少，流体损失小、通流性能好；力学性能好、膨胀性能好，无焊点不容易泄漏，易于加工，便于拆卸和清洗；在高温、高压环境下不易变形；热交换方式多样，换热效果好；可将多个碟式换热器串联在一起使用。

Description

一种碟式换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种碟式换热器。

背景技术

燃气轮机由于单机体积小和输出功率大等特点，广泛应用于电力、航空、石油化工等行业。涡轮轴燃气轮机工作原理是空气经过压气机压缩增压，通过燃烧室燃烧，燃料的化学能转变成燃气的热能和动能，再通过涡轮将热能和动能转变为机械能。机械能有一部分用来驱动压气机，另一部分通过输出轴用来驱动其它设备，可用作直升飞机动力、坦克动力、或者带动发电机发电。间冷回热方法是提高涡轮轴燃气轮机的效率的重要手段，间冷回热循环燃气轮机是在低压压气机和高压压气机之间加入间冷器，利用循环管路中的冷却液与低压压气机出来中引出来的热气进行换热，降低进入高压压气机的空气温度，从而减少了后面高压压气机在压缩空气过程中的消耗的功率；利用燃气轮机出口的回热器将燃气轮机排出的尾气引入回热器加热准备进入燃烧室的空气，这样可以充分利用尾气中的余热。间冷器和回热器的性能对于间冷回热循环燃气轮机的总体性能有着重要的影响。间冷器和回热器，需长期工作在高温差、高压差环境下，容易发生变形和泄露。目前涡轮轴燃气轮机上采用的间冷器和回热器存在结构复杂、流动损失大、容易泄露、不易维护保养的缺点，亟需一种新型结构简洁、流动损失小、不容易泄露、容易维护保养的换热器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种碟式换热器。

(二)技术方案

本发明提供的一种碟式换热器，其包括蜗壳30、上盖板20、下盖板20’和碟式换热板10，其中，所述碟式换热板10为双面圆形碟状结构，其上表面和下表面的中心部位为圆形区11，圆形区的四周为波纹结构；所 述上盖板20和下盖板20’为尺寸与碟式换热板10匹配的圆形盖板，其朝向外侧的一面设有流体出入口，其朝向内侧的一面上具有与波纹结构对应的肋片；所述蜗壳30为对称设置的双层环形结构，上层环形结构35和下层环形结构36均设有流体出入口；上盖板20的肋片与碟式换热板上表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的上层环形结构35所环绕，并与上层环形结构35内部连通；下盖板20’的肋片与碟式换热板下表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的下层环形结构36所环绕，并与下层环形结构36内部连通；流入碟式换热器的冷流体和热流体经圆形区11和流体通道实现热交换，并排出碟式换热器。

优选地，所述碟式换热板10的该波纹结构由N个波峰12和N个波谷13围绕圆形区11相间排列形成，波峰12和波谷13形成N个波纹型流体通道，流体通道由中心向外、沿径向分为内环过渡段14、平直段15和外环过渡段16，其中2≤N≤10000。

优选地，所述上、下盖板朝向外侧的一面的中心部位为第一流体出入口21，第一流体出入口21四周沿径向排列N个内环肋片23，其尺寸与碟式换热板的内环过渡段14匹配，内环肋片23沿径向四周为环形平面区22，其宽度与碟式换热板的平直段长度相同，环形平面区22沿径向四周为N个外环肋片24，其分别与N个内环肋片23位置正对，其尺寸与碟式换热板的外环过渡段16匹配，内环肋片23、环形平面区22和外环肋片24分别与碟式换热板的内环过渡段14、平直段15和外环过渡段16相咬合，形成封闭的流体通道，其中2≤N≤10000。

优选地，上、下盖板20、20’和碟式换热板的上、下表面咬合后与蜗壳30密封连接，碟式换热板上、下表面的碟式换热板出口19分别与上、下层环形结构的蜗壳入口31光滑连接，蜗壳入口31连接环状的蜗壳周向通道32，蜗壳周向通道末段为向外侧偏转的蜗壳出口段33，蜗壳出口段顶端为第二流体出入口34。

优选地，所述碟式换热器工作于同向换热模式，即冷、热流体均由第一流体出入口21流入碟式换热器、由第二流体出入口34流出碟式换热器；或均由第二流体出入口34流入碟式换热器、由第一流体出入口21流出碟 式换热器；或者，所述碟式换热器工作于逆向换热模式，即冷流体由第二流体出入口34流入碟式换热器、由第一流体出入口21流出碟式换热器，热流体由第一流体出入口21流入碟式换热器、由第二流体出入口34流出碟式换热器；或者热流体由第二流体出入口34流入碟式换热器、由第一流体出入口21流出碟式换热器，冷流体由第一流体出入口21流入碟式换热器、由第二流体出入口34流出碟式换热器。

优选地，M个所述碟式换热器的第一流体出入口21和第二流体出入口34对应连接，组成串联式碟式换热器组，其中2≤M≤10000。

优选地，所述圆形区11为平面或波纹结构；和/或流体通道引导线17为直线、曲线或折线，流体通道引导线17的方向沿径向或与径向成一定角度；和/或流体通道截面曲线18为正弦曲线、折线或圆弧加直线。

优选地，碟式换热板10经整体冲压、整体铸造或整体车铣工艺加工制成；和/或碟式换热板的材料为高温合金、不锈钢、铝或铜。

优选地，所述上、下盖板的直径与碟式换热板的直径相同；和/或内环肋片和外环肋片的数量与碟式换热板的波峰数量相同或者多于波峰数量。

优选地，蜗壳出口段33为扩张通道。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的碟式换热器具有以下有益效果：

(1)碟式换热器采用波纹结构的流体通道，换热面积大，换热效率高；

(2)在碟式换热器中，流体主要沿径向流动，流动折转少，流体损失小、通流性能好；

(3)碟式换热板采用一体化加工，力学性能好、膨胀性能好，无焊点不容易泄漏，易于加工，便于拆卸和清洗；

(4)盖板肋片可以加强换热器的结构强度，防止长期工作在高温、高压环境下换热器发生变形；

(5)蜗壳出口段采用扩张通道，可以使流体减速增压，提升从涡轮轴燃气轮机压气机排出流体的压力，而且降低流速还减小了流体流经换热器产生的流动损失；

(6)碟式换热器热交换方式多样，换热效果好；

(7)碟式换热器工作方式灵活，既可工作于同向换热模式，又可以工作于逆向换热模式，方便各种热交换系统的互联互通；

(8)碟式换热器具有良好的扩展性，可以根据需要，将多个碟式换热器串联在一起使用，进一步增大换热面积和换热时间，提高了换热效果。

附图说明

图1为本发明实施例的一种碟式换热器的三维图；

图2为图1所示碟式换热器的半剖图；

图3为图1所示碟式换热器略去上、下盖板的三维图；

图4为图1所示碟式换热器略去蜗壳的三维示意图；

图5为图1所示碟式换热器的碟式换热板的三维示意图；

图6为图1所示碟式换热器的碟式换热板的侧视图；

图7为图5所示碟式换热板截取一个流体通道的三维示意图；

图8为图7所示一个流体通道略去外环过渡段的三维示意图；

图9为图5所示碟式换热板引导线为折线且与半径成一定夹角的示意图；

图10为图1所示碟式换热器的上、下盖板三维示意图；

图11为图1所示碟式换热器的蜗壳三维示意图。

【符号说明】

10-碟式换热板；

11-圆形区；12-波峰；13-波谷；14-内环过渡段；15-平直段；16-外环过渡段；17-流体通道引导线；18-流体通道截面曲线；19-碟式换热板出口；

20-上盖板；20’-下盖板；

21-第一流体出入口；22-环形平面区；23-内环肋片；24-外环肋片；

30-蜗壳；

31-蜗壳入口；32-蜗壳周向通道；33-蜗壳出口段；34-第二流体出入口；35-上层环形结构；36-下层环形结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的碟式换热器，其包括蜗壳30、上盖板20、下盖板20’和碟式换热板10，其中，所述碟式换热板10为双面圆形碟状结构，其上表面和下表面的中心部位为圆形区11，圆形区的四周为波纹结构；所述上盖板20和下盖板20’为尺寸与碟式换热板10匹配的圆形盖板，其朝向外侧的一面设有流体出入口，其朝向内侧的一面上具有与波纹结构对应的肋片；所述蜗壳30为对称设置的双层环形结构，上层环形结构35和下层环形结构36均设有流体出入口；上盖板20的肋片与碟式换热板上表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的上层环形结构35所环绕，并与上层环形结构35内部连通；下盖板20’的肋片与碟式换热板下表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的下层环形结构36所环绕，并与下层环形结构36内部连通；流入碟式换热器的冷流体和热流体经圆形区11和流体通道实现热交换，并排出碟式换热器。

其中，所述碟式换热板10为双面圆形碟状结构，其上、下表面的中心部位为圆形区11，圆形区11沿径向向其四周逐渐过渡，形成一波纹结构，该波纹结构由N个波峰12和N个波谷13围绕圆形区11相间排列而成，波峰12为中间高、两端高度逐渐降低的突起状结构，波纹结构的波峰12和波谷13形成N个波纹型流体通道，流体通道由中心向外、沿径向分为内环过渡段14、平直段15和外环过渡段16，流体通道引导线17为沿径向的直线，流体通道截面曲线18为正弦曲线，波纹结构沿径向向其四周逐渐过渡为平面结构。其中2≤N≤10000。

其中，所述碟式换热板两面的波纹结构既可完全对称设置，也可以错开一定角度，使两面的流体通道不完全重合，流体沿径向流动，折转少，流体损失小、通流性能好、换热面积大。

其中，所述圆形区11既可以是平面，也可以采用波纹结构；流体通道引导线17也可以为曲线、折线，其也可以不沿径向而与径向成一定角度；流体通道截面曲线18也可以是折线、圆弧加直线；流体通道平直段的长度可以占流体通道整体长度的5％-95％，从而进一步增大换热面积，提高换热效率。

碟式换热板10加工方式可以为整体冲压、整体铸造、整体车铣，一体化加工，无焊点不容易泄漏，易于加工，便于拆卸和清洗；或者分块冲 压、分块铸造、分块车铣，然后焊接成一体；碟式换热板10的材料可以为高温合金、不锈钢、铝、铜。

所述上、下盖板20、20’为尺寸与碟式换热板10匹配的圆形盖板，其朝向外侧的一面的中心部位为第一流体出入口21，第一流体出入口21四周沿径向排列N个内环肋片23，其尺寸与碟式换热板的内环过渡段14匹配，内环肋片23沿径向四周为环形平面区22，其宽度与碟式换热板的平直段长度相同，环形平面区22沿径向四周为N个外环肋片24，其分别与N个内环肋片23位置正对，尺寸与碟式换热板的外环过渡段16匹配。盖板20的内环肋片23、环形平面区22和外环肋片24分别与碟式换热板的内环过渡段14、平直段15和外环过渡段16相咬合，形成封闭的流体通道，上、下盖板20、20’边缘和碟式换热板的平面结构形成碟式换热板出口19，上、下盖板20、20’第一流体出入口21正对碟式换热板的圆形区11。其中2≤N≤10000。

优选地，上、下盖板20、20’直径与碟式换热板10直径相同；上、下盖板20、20’内环肋片23和外环肋片24的数量与碟式换热板的波峰数量相同或者多于波峰数量；内环肋片23和外环肋片24可以加强换热器的结构强度，防止长期工作在高温、高压环境下换热器发生变形。

所述蜗壳30为对称设置的双层环形结构，上层环形结构35和下层环形结构36均设有流体出入口，上、下盖板20、20’和碟式换热板的上、下表面咬合后与蜗壳30密封连接，碟式换热板上、下表面的碟式换热板出口19分别与上、下层环形结构的蜗壳入口31光滑连接，蜗壳入口31连接环状的蜗壳周向通道32，蜗壳周向通道末段为向外侧偏转的蜗壳出口段33，蜗壳出口段顶端为第二流体出入口34。

其中，蜗壳出口段33可以是扩张通道、等截面通道、收缩通道，优选扩张通道，扩张通道可以使气体减速增压，提升从涡轮轴燃气轮机压气机排出气体的压力，而且降低流速还可以减小气体流经换热器产生的流动损失。

由此可见，本发明的碟式换热器力学性能好、膨胀性能好，可以有效吸收高温、高压下的变形，防止长期工作在高温、高压环境下换热器发生变形和泄漏。

本发明实施例的碟式换热器工作时，冷流体和热流体分别从上、下盖板20、20’的第一流体出入口21进入换热器，然后，冷、热流体垂直撞击在碟式换热板两面的圆形区11，并沿半径方向流动，经过流体通道内环过渡段14、平直段15和外环过渡段16，实现冷、热流体之间的热量交换，换热后的流体由碟式换热板出口19流出碟式换热板10，并经蜗壳入口31进入蜗壳周向通道32并沿圆周方向流动，最后，经蜗壳出口段33并由第二流体出入口34排出换热器。

本发明的碟式换热器热交换方式多样，换热效果好。冷流体和热流体的热交换方式包括冲击换热、对流换热、热传导和辐射换热，其中，冷、热流体垂直撞击在碟式换热板上的圆形区11时以冲击换热为主，流经碟式换热板上的流体通道时以对流换热为主。

优选地，所述碟式换热器可以工作于同向换热模式，即冷、热流体同时由第一流体出入口21流入换热器、由第二流体出入口34流出换热器；或同时由第二流体出入口34流入换热器、由第一流体出入口21流出换热器。

优选地，本所述碟式换热器也可以工作于逆向换热模式，即冷流体由第二流体出入口34进入换热器、由第一流体出入口21流出换热器，热流体由第一流体出入口21进入换热器、由第二流体出入口34流出换热器；反之，热流体由第二流体出入口34进入换热器、由第一流体出入口21流出换热器，冷流体由第一流体出入口21进入换热器、由第二流体出入口34流出换热器。

本发明的碟式换热器工作方式灵活，既可工作于同向换热模式，又可以工作于逆向换热模式，方便各种热交换系统的互联互通。

优选地，本发明的碟式换热器具有良好的扩展性，可以根据需要，将M个该碟式换热器的第一流体出入口21和第二流体出入口34对应连接，串联在一起使用，进一步增大换热面积和换热时间，以提高换热效果。其中2≤M≤10000。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的碟式换热器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式， 均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)换热板、盖板和蜗壳还可以选用其他结构；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明一种碟式换热器可用于航空、化工、发电、冶金等行业，能够解决现有换热器存在结构复杂、流动损失大、容易泄露、不易维护保养的缺点，本发明的换热器是一种结构简洁、流动损失小、不容易泄露、容易维护保养的换热器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碟式换热器，其特征在于，其包括蜗壳(30)、上盖板(20)、下盖板(20’)和碟式换热板(10)，其中，

所述碟式换热板(10)为双面圆形碟状结构，其上表面和下表面的中心部位为圆形区(11)，圆形区的四周为波纹结构；

所述上盖板(20)和下盖板(20’)为尺寸与碟式换热板(10)匹配的圆形盖板，其朝向外侧的一面设有流体出入口，其朝向内侧的一面上具有与波纹结构对应的肋片；

所述蜗壳(30)为对称设置的双层环形结构，上层环形结构(35)和下层环形结构(36)均设有流体出入口；

上盖板(20)的肋片与碟式换热板上表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的上层环形结构(35)所环绕，并与上层环形结构(35)内部连通；

下盖板(20’)的肋片与碟式换热板下表面的波纹结构形成由内至外的流体通道，该流体通道由蜗壳的下层环形结构(36)所环绕，并与下层环形结构(36)内部连通；

流入碟式换热器的冷流体和热流体经圆形区(11)并分别经两个所述流体通道中的其中一个实现热交换，并排出碟式换热器。

2.如权利要求1所述的碟式换热器，其特征在于，所述碟式换热板(10)的该波纹结构由N个波峰(12)和N个波谷(13)围绕圆形区(11)相间排列形成，所述流体通道为波峰(12)和波谷(13)形成的N个波纹型流体通道，所述流体通道由中心向外、沿径向分为内环过渡段(14)、平直段(15)和外环过渡段(16)，其中2≤N≤10000。

3.如权利要求2所述的碟式换热器，其特征在于，所述上、下盖板朝向外侧的一面的中心部位为第一流体出入口(21)，第一流体出入口(21)四周沿径向排列N个内环肋片(23)，其尺寸与碟式换热板的内环过渡段(14)匹配，内环肋片(23)沿径向四周为环形平面区(22)，其宽度与碟式换热板的平直段长度相同，环形平面区(22)沿径向四周为N个外环肋片(24)，其分别与N个内环肋片(23)位置正对，其尺寸与碟式换热板的外环过渡段(16)匹配，内环肋片(23)、环形平面区(22)和外环肋片(24)分别与碟式换热板的内环过渡段(14)、平直段(15)和外环过渡段(16)相咬合，形成封闭的流体通道，其中2≤N≤10000。

4.如权利要求3所述的碟式换热器，其特征在于，上、下盖板(20、20’)和碟式换热板的上、下表面咬合后与蜗壳(30)密封连接，碟式换热板上、下表面的碟式换热板出口(19)分别与上、下层环形结构的蜗壳入口(31)光滑连接，蜗壳入口(31)连接环状的蜗壳周向通道(32)，蜗壳周向通道末段为向外侧偏转的蜗壳出口段(33)，蜗壳出口段顶端为第二流体出入口(34)。

5.如权利要求4所述的碟式换热器，其特征在于，所述碟式换热器工作于同向换热模式，即冷、热流体均由第一流体出入口(21)流入碟式换热器、由第二流体出入口(34)流出碟式换热器；或均由第二流体出入口(34)流入碟式换热器、由第一流体出入口(21)流出碟式换热器；

或者，所述碟式换热器工作于逆向换热模式，即冷流体由第二流体出入口(34)流入碟式换热器、由第一流体出入口(21)流出碟式换热器，热流体由第一流体出入口(21)流入碟式换热器、由第二流体出入口(34)流出碟式换热器；或者热流体由第二流体出入口(34)流入碟式换热器、由第一流体出入口(21)流出碟式换热器，冷流体由第一流体出入口(21)流入碟式换热器、由第二流体出入口(34)流出碟式换热器。

6.如权利要求4所述的碟式换热器，其特征在于，M个所述碟式换热器的第一流体出入口(21)和第二流体出入口(34)对应连接，组成串联式碟式换热器组，其中2≤M≤10000。

7.如权利要求2所述的碟式换热器，其特征在于，所述圆形区(11)为平面或波纹结构；和/或流体通道引导线(17)为直线、曲线或折线，流体通道引导线(17)的方向沿径向或与径向成一定角度；和/或流体通道截面曲线(18)为正弦曲线、折线或圆弧加直线。

8.如权利要求2所述的碟式换热器，其特征在于，碟式换热板(10)经整体冲压、整体铸造或整体车铣工艺加工制成；和/或碟式换热板的材料为不锈钢、铝或铜。

9.如权利要求3所述的碟式换热器，其特征在于，所述上、下盖板的直径与碟式换热板的直径相同；和/或内环肋片和外环肋片的数量均与碟式换热板的波峰数量相同或者多于波峰数量。

10.如权利要求4所述的碟式换热器，其特征在于，蜗壳出口段(33)为扩张通道。