CN110567299A - 原表面回热器换热芯 - Google Patents

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常国强
钱鑫
张衍
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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Abstract

本发明涉及一种原表面回热器换热芯，包括若干换热单元，所述的换热单元设置若干组，每两组换热单元交错设置，两组换热单元之间形成燃气通道；所述换热单元由两层原表面换热层交错设置而成，两组原表面换热层之间形成冷气通道；所述原表面换热层由若干菱形槽组合而成，换热单元包括第一原表面换热层及第二原表面换热层，所述第一原表面换热层的顶面设置燃气下壁面换热面，所述冷气通道与燃气通道相互垂直设置，在冷气通道及燃气通道的两侧设置密封件将通道两侧予以密封。本发明集成度高、质量轻；两层菱形槽形状的金属薄板紧密叠放，固定点多、强度较高、热变形小、可靠性高，有利于提高回热器使用寿命。

Description

原表面回热器换热芯
技术领域
本发明属于能源动力领域，涉及到微型燃气轮机回热器结构设计。
背景技术
随着微型燃气轮机( Micro Gas Turbine ) 的应用越来越广泛的受到关注。采用高效燃气轮机为动力建立分布式独立热、电、冷三联供系统的能源岛发电，具有清洁、高效、高度集成和灵活以及没有网络投资和损耗等特点，能源岛是不需联网的,不仅适用于机场、重要机关、军事基地和偏远地区等独立的用户。
作为微型燃气轮机的关键部件之一，回热器研究成为微型燃气轮机研制的重要组成部分，当采用回热器时，仅其发电部分的效率目前已接近30%。微型燃气轮机对回热器的要求是：高传热效率、低压力损失，体积和重量小，能够进行自动化大量生产。
原表面回热器是一种质量较轻、紧凑度较高的新型回热器结构，原表面回热器的所有换热面都是一次传热面，强化传热效果优于采用二次传热面的板翅式回热器。原表面回热器制造上采用激光自动焊接，比板翅式回热器采用的钎焊工艺更适合自动化大批量生产。
目前广泛应用的回热器换热效率偏低，回热度大大降低了微型燃气轮机的综合性能。本发明原表面回热器由倾斜角度不同的波纹板上下叠置而成，板与板之间形成点接触。本发明集成度高、质量轻；两层菱形槽形状的金属薄板紧密叠放，固定点多、强度较高、热变形小、可靠性高，换热面积大，换热效率高有利于提高回热器使用寿命及综合性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型燃气轮机原表面回热器的换热芯，能够增大原表面回热器的换热面，增强冷热流体的扰动，提高换热效果，以提高微型燃机工作效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种原表面回热器换热芯，包括若干换热单元，所述的换热单元设置若干组，每两组换热单元交错设置，两组换热单元之间形成燃气通道；
所述换热单元由两层原表面换热层交错设置而成，两组原表面换热层之间形成冷气通道；
所述原表面换热层由若干菱形槽组合而成，所述菱形槽顶部向下设置，菱形槽的边缘相互连接成为整体。
换热芯的长度L为10~1000mm，宽度∆R为10~1000mm。
所述换热单元设置100-500组，换热单元包括第一原表面换热层及第二原表面换热层，所述第一原表面换热层的顶面设置燃气下壁面换热面，第一原表面换热层的底面设置冷气上壁面换热面；所述第二原表面换热层的顶面设置冷气下壁面换热面，第二原表面换热层的底面设置燃气上壁面换热面；冷气上壁面换热面与冷气下壁面换热面相对设置形成冷气通道，燃气上壁面换热面与燃气下壁面换热面相对设置形成燃气通道；所述冷气通道与燃气通道相互垂直设置，在冷气通道及燃气通道的两侧设置密封件将通道两侧予以密封。
冷气通道上下层间距D1为0~10mm，燃气通道上下层间距D2为0~10mm。
菱形槽长对角线L1为1~200mm；菱形槽短对角线L2为1~100mm；菱形槽下锥角高h为1~10mm；菱形槽厚度为0.05~10mm。
本发明的技术优势在于：（1）原表面回热器集成度高、质量轻，适合于微型燃气轮机的小尺寸特点。（2）两层菱形凹槽形状的金属薄板紧密叠放，固定点多、强度较高、热变形小、可靠性高，有利于提高回热器使用寿命。（3）菱形凹槽形状的交错排布，增大了回热器实际换热壁面面积，提高了换热通道流体的均匀性；增强了通道内回转涡强度，增大了冷热流体的扰动和换热效果，有利于提高原表面回热器的回热度。
附图说明
图1是本发明的微型燃气轮机原表面回热器结构示意图；
图2是本发明的菱形槽的俯视图；
图3是本发明的菱形槽的前视图；
图4是本发明的菱形槽回热器换热单元结构示意图；
图5是本发明的菱形槽回热器换热单元冷热气流流动结构示意图；
图6是燃气轮机工作过程示意图。
附图标记说明如下：
1冷气下壁面换热面；2冷气上壁面换热面；3燃气下壁面换热面；4燃气上壁面换热面。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐述本发明。
微型燃气轮机通过回热器实现燃气与冷气之间的热交换，提高微型燃机效率。具体地说，空气从压气机流出至回热器加热，从回热器流出至燃烧室前端进口，而后进入燃烧室进行燃烧；燃气从微型燃机燃烧室流出至回热器热端进口，经过回热器换热后流出微型燃气轮机。
本发明要求保护的是微型燃气轮机的回热器所使用的的换热芯，具体的说，其包括若干换热单元，所述的换热单元设置若干组，每两组换热单元交错设置，两组换热单元之间形成燃气通道；
所述换热单元由两层原表面换热层交错设置而成，两组原表面换热层之间形成冷气通道；
所述原表面换热层由若干菱形槽组合而成，所述菱形槽顶部向下设置，菱形槽的边缘相互连接成为整体。
本发明中，换热芯的长度L为10~1000mm，宽度∆R为10~1000mm。
优选的，所述换热单元设置100-500组，换热单元包括第一原表面换热层及第二原表面换热层，所述第一原表面换热层的顶面设置燃气下壁面换热面3，第一原表面换热层的底面设置冷气上壁面换热面2；所述第二原表面换热层的顶面设置冷气下壁面换热面1，第二原表面换热层的底面设置燃气上壁面换热面4；冷气上壁面换热面2与冷气下壁面换热面1相对设置形成冷气通道，燃气上壁面换热面4与燃气下壁面换热面3相对设置形成燃气通道。
所述冷气通道与燃气通道相互垂直设置，在冷气通道及燃气通道的两侧设置密封件将通道两侧予以密封，这样可以保证温度较高的燃气与温度较低的空气更充分的换热，且不会出现混合。
本发明中，冷气通道上下层间距D1为0~10mm，燃气通道上下层间距D2为0~10mm，菱形槽长对角线L1为1~200mm；菱形槽短对角线L2为1~100mm；菱形槽下锥角高h为1~10mm；菱形槽厚度为0.05~10mm。
本发明的回热器设计思路及流动结构形成了冷气上端换热层结构（燃气下端换热层）和冷气下端换热层结构（燃气上端换热层），具体冷热流体流动结构如下：冷气C从压气机流入微型燃气轮机回热器。冷气C从回热器冷气进口流入冷通道，与冷气下壁面换热面1及冷气上壁面换热面2进行对流换热。由于冷气上端菱形槽换热层的作用，冷气C被分成三部分，一部分继续向前向上流动，另外两部分为向右侧流动的冷气A和向左侧流动的冷气B。向前流动的冷气C又流入右侧菱形槽成为冷气E；冷气E与冷气A混合，汇集成冷气D流出换热单元，冷气D流入燃气轮机燃烧室内进行燃烧。冷气C经过菱形槽结构的阻挡，均匀分布在回热器表面1、2上，增大了实际换热面积；冷气经历了诸多的爬坡过程，形成的回转涡有利于增强换热效果。燃气G从燃气轮机涡轮出口流出，燃气G进入回热器燃气通道，与冷气下壁面换热面3及冷气上壁面换热面4进行对流换热。由于菱形槽锥角的作用，燃气G被拆分成三部分，一部分继续向前，其他两部分为燃气H和燃气F继续沿着锥角绕流，燃气H和燃气F在燃气通道出口汇集流出燃气轮机外部。下面通过一些具体的例子来详细说明。
实施案例1
换热芯的长度L为70mm；微型燃机回热器沿周向布置，回热器宽度∆R为50mm，换热单元设置100组。冷气通道间距D1=1.8mm。燃气通道间距D2=1mm。菱形槽下锥角高h=0.9mm，菱形槽厚度=0.2mm。
实施案例2
换热芯长度L为100mm；微型燃机回热器沿周向布置，回热器宽度∆R为50mm。换热单元设置100组。冷气通道间距D1=1.6mm。燃气通道间距D2=1mm。菱形槽径向间距P=2.8mm；菱形槽展向间距W=0.8mm。菱形槽长对角线L1=5.6mm；短对角线L2为1.6mm；菱形槽下锥角高h=0.8mm，菱形槽厚度=0.1mm。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种原表面回热器换热芯，包括若干换热单元，所述的换热单元设置若干组，其特征在于：每两组换热单元交错设置，两组换热单元之间形成燃气通道；
所述换热单元由两层原表面换热层交错设置而成，两组原表面换热层之间形成冷气通道；
所述原表面换热层由若干菱形槽组合而成，所述菱形槽顶部向下设置，菱形槽的边缘相互连接成为整体。
2.根据权利要求1所述的原表面回热器换热芯，其特征在于：换热芯的长度L为10~1000mm，宽度∆R为10~1000mm。
3.根据权利要求1所述的原表面回热器换热芯，其特征在于：所述换热单元设置100-500组，换热单元包括第一原表面换热层及第二原表面换热层，所述第一原表面换热层的顶面设置燃气下壁面换热面，第一原表面换热层的底面设置冷气上壁面换热面；所述第二原表面换热层的顶面设置冷气下壁面换热面，第二原表面换热层的底面设置燃气上壁面换热面；冷气上壁面换热面与冷气下壁面换热面相对设置形成冷气通道，燃气上壁面换热面与燃气下壁面换热面相对设置形成燃气通道；所述冷气通道与燃气通道相互垂直设置，在冷气通道及燃气通道的两侧设置密封件将通道两侧予以密封。
4.根据权利要求1所述的原表面回热器换热芯，其特征在于：冷气通道上下层间距D1为0~10mm，燃气通道上下层间距D2为0~10mm。
5.根据权利要求1所述的原表面回热器换热芯，其特征在于：菱形槽长对角线L1为1~200mm；菱形槽短对角线L2为1~100mm；菱形槽下锥角高h为1~10mm；菱形槽厚度为0.05~10mm。
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