CN111279144B - 包括一组单元体的热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种适合用作微型燃气轮机中的同流换热器的热交换器(101)，包括一组(11)单元体(20)。每个单元体(20)包括一对(21)相互间隔开的板(22，23)和包含热交换元件的多个层，这些热交换元件布置在板(22，23)的外表面处以及板(22，23)之间。包括热交换元件的每个层优选包括结合多个元件的至少一个独立的空间部件(51)。热交换器(101)的供给集管(30)和排放集管(40)都优选由位于该组(11)单元体(20)的位置处的仅两个部件(31，33；41，43)组成。用于补偿热膨胀效应的装置同样为不复杂的设计，并且可以包括供给导管(26)的波纹管状的管部分(27)。

Description

包括一组单元体的热交换器
技术领域
首先，本发明涉及一种用在热交换器中的单元体(cell，单元)，包括一对相互间隔开的板，该对板被构造和布置成(特别在两板的彼此面对的两个内表面之间)限定该单元体的内部流体流路，以及(特别在两板的彼此远离的两个外表面处)限定单元体的外部流体流路，其中除了内部流体流路的至少一个入口和至少一个出口所在的位置之外，这些板沿着其外周彼此连接，并且其中多个热交换元件布置在每个流体流路中。
第二，本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括一组(一摞)如上所述的单元体和封装该组单元体的壳体。
第三，本发明涉及一种微型燃气轮机(gas turbine，燃气涡轮)，包括压缩机、涡轮、燃烧室和如上所述的热交换器，压缩机被设计用以将气体吸入并加压，燃烧室被设计用以从压缩机吸入加压的气体并基于燃料燃烧来产生热气体，涡轮被设计用以吸入由燃烧室产生的热气体并使其膨胀，而热交换器被配置和布置成用以通过允许加压的气体与从涡轮获得的膨胀气体进行热交换，从而在加压的气体被供给到燃烧室之前将加压的气体预热。
背景技术
本发明尤其适用于燃气轮机领域，特别是微型燃气轮机。微型燃气轮机的尺寸(规格)可以设计成例如产生高达30kW的电能，或者高达100kW的电能。微型燃气轮机的一个可能应用是热电联产(Combined Heat&Power)的应用，这并不改变其他应用同样可行这一事实。举一例而言，微型燃气轮机和/或基于微型燃气轮机的热电联产系统可以用来代替在大型住宅、办公室、工厂、学校、商店等之中的传统锅炉，或者另举一例，其可以用在混合动力电动车辆中以便扩展这种车辆的范围。一般来说，微型燃气轮机以高可靠性、低维护需求和低噪音水平、以及高效率、低重量和低排放而闻名。
微型燃气轮机通常包括压缩机、涡轮以及称为同流换热器(recuperator，)的特定类型的热交换器。在微型燃气轮机运行期间，环境空气被注入压缩机中并被加压。压缩空气被输送到同流换热器并在该处被预热。接着，预热后的空气被供给到燃烧室，以增加更多的热量，进而获得达到所需温度水平的热气体，并输出此热气体，该热量由燃料燃烧产生。热的加压气体被供给到涡轮并在该处膨胀，从而为压缩机和联接到涡轮的发电机提供机械动力。发电机的机械功率被转换成电能，其为微型燃气轮机的第一类型的输出。如上所述，仍处于高温的膨胀气体从涡轮输送到同流换热器，用以预热被压缩机压缩的进入空气。流过同流换热器后仍存在于气体中的余热在气-液热交换器中被转移到水中，从而获得热水，其为微型燃气轮机的第二类型的输出。作为替代方案，如果在建筑物中使用强制空气加热(这在北美是常见的情况)，则来自空气加热系统的环境空气可以通过使用空气处理器来加热。
微型燃气轮机中使用的同流换热器是一种气-气热交换器。众所周知的是，鉴于同流换热器需要能够在苛刻环境下运行，包括高温、高温度梯度、加压的进入空气与废气之间的高压差以及高的启动-停止速率，因此这种同流换热器难以设计和制造。为了确保微型燃气轮机的最佳运行，由同流换热器协助的热交换过程的效率需要很高，超过80％，甚至约90％。此外，同流换热器中的压力损失应保持为较低，优选低于5％，因为压力损失涉及通过涡轮的膨胀比的降低，这对于功率输出是不利的。为了符合这些严格的规范，需要在热交换器内实现最佳流量分配，而允许最大的可用表面积来有助于热交换。
WO 2006/072789 A1公开了一种热交换器，在其一个可行的实施例中，该热交换器是用于燃气轮机的同流换热器。在该热交换器中，第一集管(管)布置成用于第一流体的流入，第二集管(管)布置成用于第一流体在热交换器中被加热后的流出。热交换器的本体由一组相互间隔开的、大致呈矩形的板组成，其布置在第一流体的流入集管与流出集管之间，且(板的)相对边缘分别面向集管。这些板被布置成间隔开的多个对，除了用于第一流体的流入和流出的管道之外，这些(板)对均围绕它们的边缘被密封，以便提供相应的密封单元。
这些成对的板也相互间隔开，在它们之间具有间隔，该间隔构成用于第二流体的流体流路，该第二流体因此流过这些板对的外侧。流入集管的内侧通过相应的柔性弯曲管道与相应的板对的内侧连通。类似地，流出集管的内侧通过相应的柔性弯曲管道与相应的板对的内侧连通。
每对板在其上布置有多个销，这些销具有增大热交换表面的功能。这些销既桥接间隔开的板，又延伸到板对之间的间隔中。在热交换器的制造过程中，板和销之间的连接通过激光焊接进行，其中每个销固定到两个板之一上。鉴于热交换器可能包括成千上万个销，这是一个非常费力的过程。此外，制作弯曲管道并将它们连接在集管与板对之间是一种密集的(intensive，高强度的)过程。这些集管由连接到相应板对的多个部段组成。因此，热交换器的制造过程包括通过将这些部段组叠并使其经过诸如焊接等连接动作来组装集管的步骤。
在微型燃气轮机中使用同流换热器会使微型燃气轮机效率的显著提高。然而，由于其复杂的设计和相关的费工的制造过程，同流换热器是微型燃气轮机的非常昂贵的部件，这在很大程度上决定了微型燃气轮机的生产成本。本发明的一个目的是对适合用作微型燃气轮机中的同流换热器的热交换器的设计进行简化，该目的是通过对单元体的设计(可能还包括热交换器的其他部件的设计)进行简化而实现的，优选不会造成诸如效率降低或可靠性降低等不利影响。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供了一种用在热交换器中的单元体，其包括相互间隔开的一对板，所述一对板被构造和布置成特别在彼此面对的所述板的两个内表面之间限定单元体的内部流体流路，且特别在彼此背离的所述板的两个外表面处限定单元体的外部流体流路，其中除了进出内部流体流路的至少一个入口和至少一个出口所在的位置之外，所述板沿着其外周彼此连接，并且其中在每个流体流路中布置多个热交换元件，所述单元体包括从至少一个入口延伸到内部流体流路的至少一个供给导管，所述至少一个供给导管具有至少一个柔性部分，所述至少一个柔性部分在所述至少一个供给导管延伸的方向上是可压缩和可膨胀的。
根据本发明的单元体的一个显著特征是，该单元体的至少一个供给导管，即被布置用于提供通向内部流体流路的入口并且为此目的而与该内部流体流路的入口相关联的导管，其具有至少一个柔性部分，特别是在所述至少一个供给导管延伸的方向上为可压缩和可膨胀的至少一个柔性部分。例如，至少一个供给导管的至少一个柔性部分可以被设计成包括波纹管状的管部分。以这种方式，可以省略复杂的设计特征(例如从WO 2006/072789A1已知的柔性弯曲管)，同时保持设计补偿热膨胀效应的能力。它甚至可以使得仅在单元体的一侧具有灵活性就足够了。在这种情况下，如在单元体相对较冷的一侧实现灵活性则是优选的，因为在该侧的部件可能的材料和形状的选择性是最大的，而在另一侧，由于较高的温度要求而使选择受到限制。此外，至少一个供给导管可以包括喷嘴管部分，该喷嘴管部分在至少一个入口到内部流体流路的方向上分叉(diverge)。这种喷嘴管部分不需要复杂的设计，并且例如可以只是部分扁平的管部分。
在根据本发明的单元体的一实际实施例中，流体流路的多个热交换元件由至少一个独立的(discrete，分离的)空间部件限定，所述空间部件(spatialcomponent，三维部件)结合多个热交换元件的至少一部分，并且至少连接到相邻的一个所述板。以这种方式，不必依赖于提供多个销或类似元件来增加可用于热交换的表面积并优化流体穿越所述板的扩散效果、以便获得流体在板间的均匀分布。相反，(本发明)使用独立的空间部件以在各种流体流路中实现多个热交换元件。因此，在用于同流换热器的单元体的制造过程中，不需要激光焊接成千上万个需要单独或成组定位的销，也不需要特定的工具，如铸造模具、轨道焊接设备和定制的销焊接机。此外，也不需要其他工具，例如在制造被称为主表面同流换热器的同流换热器类型的过程中通常使用的昂贵的印模。为了完整起见，与从WO 2006/072789 A1已知的热交换器的销的功能的上述解释相一致，应该注意的是，热交换元件是被配置用以增加热交换器的热交换表面的元件。有利的是，热交换元件还具有将流体扩散到板中的功能。事实上，热交换器的优化效率与优化流量分配密切相关。在实际情况中，热交换元件的设计同时旨在最小化热交换元件的存在对热交换器中的压降的影响程度。
根据第一可行示例，该单元体可以包括至少一个独立的空间部件，该空间部件包括卷绕成线圈的线材(wire，金属丝)。在这种情况下，若单元体包括多个这样的空间部件，并且这些空间部件被定位成以基本平行的配置结构彼此并排延伸，同时以特定方式布置为使得流体流动不被阻塞并且流动分布被优化，则此方案可行。线圈的卷绕部对于热交换过程和待经受热交换过程的流体的扩散具有与传统的销相似的影响。线圈可以呈大致扁平的设计，以便将垂直于板的单元体的尺寸保持在可接受的限度内。根据第二可行示例，该单元体可以包括至少一个独立的空间部件，该空间部件包括金属丝网。在这种情况下，以热交换元件覆盖单元体的一个区域甚至更简单了。金属丝网可以设置为任何合适的形式，其中金属丝网可以采用任何合适的方式来折叠。此外，金属丝网可以特别包括纤维编织结构或纤维非编织结构。例如，金属丝网的金属丝可以采用开放式床垫(open mattress)的形式布置在编织结构中。设置金属丝网、金属线圈或另一种类型的独立的空间部件包括一次性地或仅在一个处理步骤中提供多个热交换元件，而设置销包括在一个接一个的过程中提供多个热交换元件。另一种类型的独立的空间部件的例子包括薄片(foil，金属箔)、百叶窗、任何合适形状的长形肋、金属泡沫等。
可以这样设置：当在板之间限定的内部流体流路中使用至少一个独立的空间部件时，独立的空间部件仅连接到其中一个板，特别是当另一个独立的空间部件也存在于内部流体流路中并且连接到另一个板时。另一方面，可以这样设置：内部流体流路中仅存在包括独立的空间部件的一个层，其中所述至少一个独立的空间部件同时连接到两个板。在任何情况下，本发明提供了实现具有一种夹层结构的单元体的可行方案，该夹层结构包括两个板、具有热交换元件的两个外层以及具有热交换元件的中间层。
根据本发明，没有必要在整个单元体中只使用一种设计的独立的空间部件(尽管这样也是可行的)。例如，本发明覆盖了在相应的流体流路中包括线圈和金属丝网的单元体的实施例，以及设有两种类型的线圈的单元体的实施例，即沿着两个相反的方向(即，顺时针和逆时针方向)卷绕的线圈，在这种情况下，可以使用两种类型的卷绕线圈对。
如果所述板上的独立的空间部件的传热效果小于使用传统的销时的情况，则通过设计具有更大尺寸的板和/或增加所要用于热交换器中的单元体的数量，可以容易地将传热效果提高到所需的水平，这不需要对热交换器的基本设置进行任何改变。
如同现有技术中的情况，板可以呈大致平面的设计，其中若板不是弯曲的并且具有基本呈矩形的外周，则是可行的。无论如何，若单元体的板和其他部件由金属材料制成，则是可行的。考虑到单元体在其使用过程中至少在一侧处经受高温的事实(该高温可能高于650℃，甚至高达750℃、800℃或更高)，使用通常称为“Inconel(铬镍铁合金)”的材料可能是有利的，该材料来自奥氏体镍铬基高性能合金族。如在本发明的上下文中所使用的，该镍合金的镍含量通常可以高于20％。耐热材料的例子包括Aisi 310、Inconel(合金)800、Inconel(合金)600、Inconel(合金)625。要注意的是，可能实际上仅在单元体的经受最高温度的一侧使用Inconel镍合金，而在另一侧使用其他材料，以节省成本。在使用包括卷绕成线圈的线材(金属丝)的独立的空间部件的情况下，这可以通过仅在单元体的一侧布置Inconel镍合金线圈并且在另一侧布置由另一种材料制成的线圈来容易地实现。
本发明还涉及一种热交换器，该热交换器包括一组多个如前文所述的单元体和封装该组单元体的壳体。
为了从相应的单元体的内部流体流路排出流体，该热交换器包括排出集管是可行的。根据本发明，排放集管可以具有比需要互连的传统的部段组简单得多的设计，包括设置有开槽式排放开口的连接板，该连接板抵靠单元体布置，并且每个开槽式排放开口与单元体的内部流体流路的出口对准。排放集管的这种设计实现了这样一种选择：根据该选择，排放集管仅由连接板和位于该组单元体的位置的封闭部件组成，连接板和封闭部件共同形成一管状整体。应理解的是，与在一组部段(实际为多于两个部段)的基础上形成管状整体结构相比，在不超过两个部件的基础上形成管状整体结构(其通常沿该整体结构的纵向方向设定尺寸)涉及的制造过程更简单。此外，提供如上所述的连接板和封闭部件允许简化将单元体焊接到集管的过程，因为这允许首先将单元体焊接到连接板上，然后通过封闭部件封闭集管。如果集管从一开始就设置成管道的形式，则单元体与集管的焊接应该在管道内部进行，这将更加麻烦。可以使用合适的耐热材料构成的管道部件，但是连接板和封闭部件也可以由弯曲成所需形状的薄板制成。
此外，为了向相应的单元体的内部流体流路供给流体，热交换器包括供给集管是可行的，并且相应的单元体的内部流体流路的至少一个入口通过单元体的至少一个供给导管连接到供给集管也是可行的。根据本发明，供给集管可以具有比需要互连的传统的部段组简单得多的设计，包括具有供给开口的连接板，其中单元体的至少一个供给导管在供给开口的位置处连接到连接板。根据上述关于排放集管的可行性的解释，供给集管可以仅由位于该单元体组的位置的连接板和封闭部件组成，所述连接板和封闭部件共同形成一管状整体。
热交换器可以包括用于将单元体支撑在供给集管上的保持器部件。例如，这种保持器部件可以被成形为类似于支架或多个相邻的支架，在这种情况下，支架可以被设计成能够接纳和保持相应单元体的一部分。与之相反，在通常的已知设计中，单元体是相互连接的，由此获得一种整体块结构，其具有高的内部热应力水平。
本发明还涉及一种微型燃气轮机，该微型燃气轮机包括压缩机、涡轮、燃烧室和如上所述的设计的热交换器，压缩机被设计为用以吸入气体并将其加压，燃烧室被设计为用以从压缩机吸入加压的气体并基于燃料燃烧产生热气体，涡轮被设计为用以吸入和膨胀由燃烧室产生的热气体，并且热交换器被配置和布置成通过允许加压的气体与从涡轮获得的膨胀气体进行热交换，从而在加压的气体被供给到燃烧室之前预热加压的气体。如上所述，当使用同流换热器时，微型燃气轮机的效率显著提高。在实际实施例中，热交换器的单元体的内部流体流路与压缩机连通，用以从压缩机吸入加压的气体，并且热交换器的单元体的外部流体流路与涡轮连通，用以从涡轮吸入膨胀气体。因此，在这样的实施例中，在微型燃气轮机运行期间，热交换器的每个单元体的板之间存在相对高的压力。特别是在热交换器的单元体包括位于内部流体流路中并且连接到两个板的至少一个独立的空间部件的情况下，热交换器能够非常好地承受相对高的压力。
当将本发明付诸实践时，尤其是当至少一个独立的空间部件结合了应用在单元体中的多个热交换元件的至少一部分时，该单元体可以基于一种方法来制造，在该方法中，提供并组叠用于限定从板的至少一个表面延伸的多个热交换元件的至少三个独立的空间部件和两个板，以便获得这样的组：所述组依次包括具有至少一个空间部件的第一外层、第一板、具有至少一个空间部件的至少一个中间层、第二板以及具有至少一个空间部件的第二外层，并且其中在板与空间部件之间形成连接以获得组叠的整体。如前所述，使用独立的空间部件来限定从板的至少一个表面延伸的多个热交换元件能够具有比传统工艺简单得多的制造工艺，在传统工艺中，热交换元件被一个接一个地连接到板。
板与独立的空间部件之间的连接可以通过任何合适的连接技术来实现。假设板和空间部件由金属材料制成，考虑到当应用真空钎焊时，形成连接基本上只需要向板提供合适的填充剂，组装板和空间部件的组，并在对该组施加压力的同时在烘箱中加热该组，真空钎焊是这种技术的一个有利的例子。
如上所述，以下选项适用于单元体的制造方法。首先，可以通过在板上设置多个空间部件来实现包括至少一个独立的空间部件的至少一个层，所述多个空间部件包括采用使空间部件以基本平行的配置结构彼此并排延伸的配置结构卷绕成线圈的线材。第二，可以通过仅提供三个空间部件来制造两个板和至少三个独立的空间部件的一组叠的整体，这三个空间部件除了两个板之外还包括一金属丝网，在这种情况下，根据本发明的单元体的制造过程甚至更加简化。第三，除了在板之间限定的内部流体流路具有至少一个入口和至少一个出口的位置之外，板沿着其外周彼此连接是可行的。在该过程中，可使用焊接作为合适的连接技术，尽管本发明也涵盖了其他可能性。在任何情况下，根据本发明，作为单元体制造方法中的一个步骤，不管单元体是否被设计成具有如上所述的独立的空间部件，至少三个独立的空间部件和两个板的组叠的整体结构被配置有至少一个供给导管，该供给导管具有至少一个柔性部分，该柔性部分在所述至少一个供给导管延伸的方向上是可压缩和可膨胀的，其中所述至少一个供给导管在所述至少一个内部流体流路的入口的位置处连接到组叠的整体。
这些独立的单元体适用于制造热交换器。这种热交换器是通过将这些单元体排列成一组(一摞)并将该组单元体封装在壳体中而制成的。
如上所述，以下选项适用于组成多个单元体的热交换器的过程。首先，通过提供具有开槽式排放开口的连接板、将连接板抵靠着单元体布置并且将每个开槽式排放开口与单元体的内部流体流路的出口对准、提供封闭部件以及将连接板和封闭部件互连以形成一管状整体，可以制造用于从限定在相应的单元体的板之间的内部流体流路排放流体的排放集管。第二，通过提供具有供给开口的连接板、在供给开口的位置将单元体的至少一个供给导管连接到连接板、提供封闭部件以及将连接板和封闭部件互连以形成一管状整体，可以制成用于将流体供给到限定在相应的单元体的板之间的内部流体流路的供给集管。第三，如果保持器部件被提供和布置成用于支撑供给集管上的单元体，这是可行的，该保持器部件可以特别地被成形为类似于支架或多个相邻的支架，在这种情况下，所述支架可以被设计成能够接纳和保持相应单元体的一部分。
附图说明
现将基于下文对同流换热器的示例及其各种部件的描述而进一步阐明本发明。将参照附图作描述，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件，图中：
图1示意性地示出了根据本发明的同流换热器的立体图；
图2示意性地示出了存在于该同流换热器中的单元体组、供给集管和排放集管的第一立体图；
图3示意性地示出了存在于该同流换热器中的单元体组、供给集管和排放集管的第二立体图，其中供给集管的部件被移除，从而可以看到该供给集管的连接板；
图4示意性地显示了取自同流换热器的单元体组的单个单元体的立体图；
图5示意性地示出了单元体的一部分的剖视图；
图6示意性地示出了存在于单元体中的线圈的布置结构的一部分的平面图；
图7示意性地示出了连接板的立体图，该连接板是供给集管的一部分；
图8示意性地示出了连接板的立体图，该连接板是排放集管的一部分；以及
图9示出了同流换热器在微型燃气轮机中的应用。
具体实施方式
如现在要说明的，这些附图涉及具有根据本发明的特征的同流换热器101。所示和所描述的同流换热器101仅代表本发明框架内所存在的许多可能性的一个例子。
在所示的例子中，同流换热器101旨在用作气-气热交换器，并且特别适合在微型燃气轮机的背景中应用，这并不改变同流换热器101在其他背景中的应用同样可行这一事实。
图1提供了同流换热器101的外部视图，示出了同流换热器101的壳体10，该壳体10用作封装同流换热器101的各种部件的外壳。图2示出了同流换热器101的内部部件，特别是单元体20的组(stack，堆叠)11、供给集管30和排放集管40构成的组件。图3中也示出了该组11单元体20和排放集管40，其中还部分地示出了供给集管30。图4显示了取自同流换热器101的单元体20的组11的单个单元体20。
所示的同流换热器101中使用的每个单元体20均包括相互间隔开的板22、23的一个(板)对21，所述板22、23具有基本呈矩形的外周并且大体是平坦的，即无弯曲。板22、23的这种特定设计在本发明的框架内不是必需的，且本发明的各种特定特征的公开不局限于这种特定设计。除了进出内部空间的入口24和出口25所在的位置以外，板22、23沿着其外周彼此连接，以便限定一内部空间。特别地，板22、23可设置有具特殊设计的边缘，其可以在单元体20的制造过程中被焊接和/或铜焊在一起，而不需要使用额外的框架之类。优选地，连接沿着实际上位于两个板22、23中间的线材进行，从而确保焊接过程中的局部热应力不会导致单元体20、尤其是板22、23中的一个发生变形。在同流换热器101的运行期间，单元体20的内部空间用作内部流体流路。此外，多个热交换元件50布置在内部流体流路中，并且还布置在板22、23的彼此背离的两个外表面22a、23a上，即在单元体20的外部流体流路中。
如图5所示，单元体20具有层状结构，其依次包括热交换元件50的第一外层1、第一板22、热交换元件50的中间层2、第二板23和热交换元件50的第二外层3。关于热交换元件50的中间层2，注意到该层2可以包括连接到两个板22、23的热交换元件50，但是该层也可以包括仅连接到板22、23之一的热交换元件50，其中可以使得多个热交换元件50连接到第一板22，并且热交换元件50的其余部分连接到第二板23。然而，考虑到使单元体20具有最佳的机械强度，第一种选择是优选的，因为在这种情况下，板22、23不仅沿着其外周彼此连接，而且还通过多个热交换元件50彼此连接。因此，单元体20可以非常好地适用于涉及相对高压力的应用。
根据一有利的选择，热交换元件50不是作为单独的部件提供的，而是作为包括多个热交换元件50的独立的空间部件的一部分而布置在相应的板22、23上。在如图所示的例子中，热交换元件50的每一层1、2、3均包括多个呈长形线圈形式的独立的空间部件51。如图6所示，每层1、2、3的线圈51布置成基本上彼此平行地延伸。
通过提供两个板22、23和多个线圈51，并且如所述那样以基本平行的布置结构来制造第一数量的线圈51的组12、如所述那样以基本平行的布置结构来制造第一板22、第二数量的线圈51、如所述那样以基本平行的布置结构来制造第二板23和第三数量的线圈51，来制造根据所示示例的单元体20。组12可被制备为适于真空钎焊，即，在将组12放在一起之前在适当的位置提供合适的填充剂，并且一旦组12放在一起就对其施加压力，并且在烘箱中加热，使得热交换元件50的相应的层1、2、3和板22、23相互连接。然后，在进行真空钎焊之后，沿着板22、23的外周进行板22、23的互连，或者其也通过真空钎焊来完成。高温真空钎焊工艺可以采取任何有益的方式进行，其中可以使用薄片、粉末或膏来进行必要的互连。为了避免钎焊过程的高成本，使用一次性陶瓷条和金属夹将陶瓷条保持在组12的边缘位置是可行的。
在同流换热器101的操作期间，一种流体流过单元体20的内部流体流路，而另一种流体流过单元体20的外部流体流路。热交换元件50具有增强两种流体之间热交换的功能。首先，热交换元件50构成了可发生热交换的表面的扩大部分。第二，热交换元件50有助于流体在板22、23上扩散。第三，热交换元件50在单元体20中的存在有利于单元体20的机械完整性，因为板22、23不仅沿着其外周互连，而且还可以通过热交换元件50互连。在单元体20中使用热交换元件50的这一方面特别有利，因为这使得单元体20能够在其内部空间的位置处承受相对高的压力。单元体20中使用的各种线圈51可以根据具体的操作环境进行调整，尤其就材料的选择而言。布置在单元体20的、可能变得非常热的一侧的线圈51可以由与布置在单元体20的较冷一侧的线圈51的材料不同的另一种材料制成。
用于限定热交换元件50的单元体20中的独立的空间部件不一定需要包括如图所示的线圈51。在本发明的框架内，空间部件的多种替代实施例是可行的。例如，在单元体20中可以使用金属丝网，其中金属丝网的尺寸可被选择成使得热交换元件50的层1、2、3可以仅通过一个金属丝网来实现。一般而言，空间部件被设计成在流体流路中提供热交换元件50，用以与流体流相互作用，其中，如果热交换元件50被成形为以越过单元体20的最小压力损失实现尽可能大的热交换表面，则是有利的。
除了该对(21)板22、23和热交换元件50的层1、2、3之外，单元体20还包括从入口24延伸/突出的供给导管26。在同流换热器101中，单元体20通过供给导管26连接到供给集管30，如图2和图3所示。在所示的例子中，供给导管26包括两个不同的部分，即波纹管状的管部分27和喷嘴管部分28，波纹管状的管部分27被设计用以补偿热膨胀效应并由此避免扭曲效应，喷嘴管部分28在入口24的方向上分叉。在同流换热器101中，供给导管26通过其一侧的波纹管状的管部分27连接到供给集管30，并通过其另一侧的喷嘴管部分28在入口24位置处连接到板22、23。波纹管状的管部分27和喷嘴管部分28都是基本的和简单的设计，使得单元体20的供给导管26的制造过程得以快速高效。一般来说，当供给导管26包括类似于至少一个柔性部分27的部分时，该柔性部分27在供给导管26延伸的方向上是可压缩和可膨胀的，该方向也可以被称为供给导管26的纵向方向，供给导管26适于补偿热膨胀效应，其中不需要涉及高成本、大体积/宽敞设计之类的复杂措施。
如图3所示，在单元体20的组11的位置处，供给集管30包括具有供给开口32的连接板31。连接板31在图7中单独示出。每个单元体20的供给导管26在连接板31的供给开口32之一的位置处连接到供给集管30。在单元体20的组11的位置处，通过弯曲的封闭部件33而获得供给集管30的管状外观，该封闭部件33被设计成沿着其纵向边缘结合到连接板31。可采用诸如焊接之类的合适的连接技术来组装供给集管30。为了避免单元体20仅通过供给导管26支撑在供给集管30上的情况，这将对供给导管26提出构造上的要求，支架状保持器部件34被布置成从供给集管30的连接板31延伸并与热交换元件50的层1、2、3及板22、23的组12的边缘部分接合。
单元体20的组11两侧的热膨胀效应不需要进行补偿，因此，单元体20包括仅在其一侧具有柔性部分27的导管26就足够了，只要柔性部分27被设计成覆盖部件的全部可能位移范围即可。因此，板22、23的组12和热交换元件50的层1、2、3可以直接连接到排放集管40。鉴于此，排放集管40包括设置有开槽式排放开口42的连接板41。连接板41在图8中单独示出。每个单元体20在排放开口42通向单元体20的出口25的位置处被接纳在连接板41中。在单元体20的组11的位置处，通过弯曲的封闭部件43获得排放集管40的管状外观，该封闭部件43被设计成沿着其纵向边缘结合到连接板41。可采用诸如焊接等合适的连接技术来组装排放集管40。在所示的例子中，连接板41和封闭部件43都设计成半管(half pipe)，使得当连接板41和封闭部件43放在一起时，获得完整的管。
如前所述，同流换热器101旨在用作气-气热交换器，并且特别适用于微型燃气轮机的情况。图9示出了微型燃气轮机100的各种部件的方案，其中流体流动由大箭头表示。微型燃气轮机1的尺寸可被设计成例如产生高达30kW的电力。除了同流换热器101之外，微型燃气轮机100包括压缩机102、涡轮103、燃烧室104、高速发电机105、热交换器106和排气装置107。高速发电机105布置在压缩机102和涡轮103的公共轴108上。当微型燃气轮机100运行时，空气被输入到压缩机102，燃料被输入到燃烧室104。压缩机102用于压缩空气，以将空气加压到大约3巴。将压缩空气供给到同流换热器101，在同流换热器101中，压缩空气在与来自涡轮103的废气进行热交换的作用下被预热。压缩空气被供给到燃烧室104，燃烧室104被构造和布置成在燃料燃烧产生的热量的影响下输出热气体。热的加压气体在涡轮103中膨胀，在此基础上获得用于驱动压缩机102和高速发电机105的机械动力。在该过程中，公共轴108如小弯曲箭头所示那样进行旋转运动。
如上所述，来自涡轮103的废气被供给到同流换热器101用以加热来自压缩机102的压缩空气。在通过同流换热器101之后，来自涡轮103的气体流过热交换器106，并最终流过排气装置107。热交换器106用于加热合适的介质(例如水)。因此，如上所述，在热交换器106和高速发电机105处实现微型燃气轮机100的输出，其中应注意后者被设计成用于将机械能转换成电能。
在同流换热器101中，来自涡轮103的低压热气体流过相应的单元体20的外部流体流路，而来自压缩机102的高压冷空气流过相应的单元体20的内部流体流路。在这方面，注意到同流换热器101的相对热侧位于排放集管40处，而同流换热器101的相对冷侧位于供给集管30处。鉴于此，有利的是在供给集管30一侧处具有用于补偿热膨胀的装置，如所示实例中的情况，其中波纹管状的管部分27被结合在单元体20的供给导管26中。这同样适用于单元体20的供给导管26的喷嘴管部分28。
因此，同流换热器101用于加热来自压缩机102的空气，该空气在经过燃烧室104之后将被供给到涡轮103，并且用于冷却来自涡轮103的气体，其中来自压缩机102的空气通过供给集管30被输送到同流换热器101的单元体20，并且通过排放集管40被输送离开单元体20。在微型燃气轮机100的情况下，考虑到同流换热器101的压缩机侧的温度可以为约250℃，并且来自压缩机102的空气压力可以为约3巴，而来自涡轮103的气体压力处于环境压力，同流换热器101的涡轮侧的温度可以高达750℃，或甚至800℃或者更高，并且同流换热器101两端的温度差和压力差都相对较高。在实践中，如图所示和在前面描述的设计的同流换热器101在极端情况下保持其功能，同时实现高效的热交换过程。因此，本发明提供了一种设计相对简单的同流换热器101，该同流换热器101同样能够根据需要执行热交换过程，并满足适用于该过程的各种要求，而且其寿命至少与传统设计的同流换热器(例如从WO2006/072789 A1已知的同流换热器)的寿命相当。其成本与传统设计的同流换热器相比可降低50％以上。
本领域技术人员应明确的是，本发明的范围不限于前面讨论的示例，而是在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行若干修改和修改。
此外，本领域技术人员应明确的是，本发明的各个方面是可独立应用的。在这方面，注意到以下项目是可行的：
-一种用在热交换器101中的单元体20，包括一对相互间隔开的板22、23，板22、23被配置及布置成特别在板22、23的彼此面对的两个内表面之间限定单元体20的内部流体流路、且特别在板22、23的彼此远离的两个外表面22a、23a处限定单元体20的外部流体流路，其中，除了内部流体流路的至少一个入口24和至少一个出口25所在的位置之外，板22、23沿着其外周彼此连接，并且其中多个热交换元件50布置在每个流体流路中，流体流路的多个热交换元件50是由至少一个独立的空间部件51限定，该空间部件51包括多个热交换元件50的至少一部分，并且至少连接到板22、23中的邻近的一个；
-一种热交换器101，其包括(多个)单元体20构成的组11和封装所述单元体20的组11的壳体10，每个单元体20包括一对相互间隔开的板22、23，板22、23被配置及布置成特别在板22、23的彼此面对的两个内表面之间限定单元体20的内部流体流路、且特别在板22、23的彼此背离的两个外表面22a、23a处限定单元体20的外部流体流路，其中，除了内部流体流路的至少一个入口24和至少一个出口25所在的位置之外，板22、23沿着其外周彼此连接，并且其中多个热交换元件50布置在每个流体流路中，热交换器101包括用于排放来自相应的单元体20的内部流体流路的流体的排放集管40，排放集管40包括设置有开槽式排放开口42的连接板41，连接板41被抵靠单元体20布置，并且每个开槽式排放开口42与单元体20的内部流体流路的出口25对齐；
-一种热交换器101，其包括(多个)单元体20构成的组11和封装所述单元体20的组11的壳体10，每个单元体20包括一对相互间隔开的板22、23，板22、23被配置及布置成特别在板22、23的彼此面对的两个内表面之间限定单元体20的内部流体流路、且特别在板22、23的彼此背离的两个外表面22a、23a处限定单元体20的外部流体流路，其中，除了内部流体流路的至少一个入口24和至少一个出口25所在的位置之外，板22、23沿着其外周彼此连接，其中多个热交换元件50布置在每个流体流路中，并且其中，在每个单元体20中，流体流路的多个热交换元件50由至少一个独立的空间部件51限定，该空间部件51包括多个热交换元件50的至少一部分，并且至少连接到板22、23中的邻近的一个。
-一种热交换器101，其包括(多个)单元体20构成的组11和封装所述单元体20的组11的壳体10，每个单元体20包括一对相互间隔开的板22、23，板22、23被配置及布置成特别在板22、23的彼此面对的两个内表面之间限定单元体20的内部流体流路、且特别在板22、23的彼此背离的两个外表面22a、23a处限定单元体20的外部流体流路，其中，除了内部流体流路的至少一个入口24和至少一个出口25所在的位置之外，板22、23沿着其外周彼此连接，其中多个热交换元件50布置在每个流体流路中，并且其中每个单元体20包括从至少一个入口24延伸到内部流体流路的至少一个供给导管26，热交换器101包括用于向相应的单元体20的内部流体流路供给流体的供给集管30，相应的单元体20的内部流体流路的至少一个入口24通过单元体20的至少一个供给导管26连接到供给集管30，供给集管30包括具有供给开口32的连接板31，并且单元体20的至少一个供给导管26在供给开口32的位置连接到连接板31；
-一种制造用于热交换器101中的单元体20的方法，其中两个板22、23以及构造成从板22、23的至少一个表面22a、23a延伸的多个热交换元件50被提供并组叠以便获得组12，所述组12依次包括具有热交换元件50的第一外层1、第一板22、具有热交换元件50的至少一个中间层2、第二板23和具有热交换元件50的第二外层3，其中在板22、23与热交换元件50之间形成连接以获得一个组叠的整体12，其中，除了进入和离开所述板22、23之间限定的内部流体流路的至少一个入口24和至少一个出口25所在的位置之外，板22、23沿着其外周彼此连接，其中包括热交换元件50的两个板22、23和层1、2、3的上述组叠的整体12设置有至少一个供给导管26，该供给导管26具有至少一个柔性部分27，优选是在至少一个供给导管26延伸的方向上是可压缩和可膨胀的柔性部分27，并且其中至少一个供给导管26在内部流体流路的至少一个入口24的位置处连接到组叠的整体12；
-一种制造热交换器101的方法，其中通过提供两个板22、23和多个热交换元件50来制造单元体20，所述热交换元件50被构造成从板22、23的至少一个表面22a、23a延伸，将板22、23和热交换元件50进行组叠以便获得组12，该组12依次包括具有热交换元件50的第一外层1、第一板22，具有热交换元件50的至少一个中间层2、第二板23以及具有热交换元件50的第二外层3，在板22、23和热交换元件50之间形成连接以获得一个组叠的整体12，并且沿着板22、23的外周将板22、23彼此连接，其中单元体20被布置成一个组11，其中单元体20的组11被封装在壳体10中，并且通过提供具有开槽式排出开口42的连接板41而制成排出集管40，该排出集管40用于排出来自限定在相应的单元体20的板22、23之间的内部流体流路的流体；将连接板41抵靠单元体20布置，并将每个开槽式排放开口42与单元体20的内部流体流路的出口25对准，提供封闭部件43，并将连接板41和封闭部件43互连，以形成管状整体；以及
-一种制造热交换器101的方法，其中通过提供两个板22、23和多个热交换元件50来制造单元体20，所述热交换元件50被构造成从板22、23的至少一个表面22a、23a延伸，将板22、23和热交换元件50进行组叠，以便获得一个组12，该组12依次包括具有热交换元件50的第一外层1、第一板22，具有热交换元件50的至少一个中间层2、第二板23和具有热交换元件50的第二外层3，在板22、23与热交换元件50之间形成连接，以获得一个组叠的整体12，沿着板22、23的外周将板22、23彼此连接，提供两个板22的组叠的整体12，23和具有至少一个供给导管26的至少三个独立的空间部件51，并且在内部流体流路的至少一个入口24的位置处将至少一个供给导管26连接到组叠的整体12，其中单元体20被布置成一个组11，其中单元体20的组11被封装在壳体10中，并且其中通过提供具有供给开口32的连接板31、在供给开口32的位置处将单元体20的至少一个供给导管26连接到连接板31、提供封闭部件33以及将连接板31和封闭部件33互连以形成一管状整体，来制造用于将流体供给到限定在相应的单元体20的板22、23之间的内部流体流路的供给集管30。
以下可作为本发明的概述。适合用作微型燃气轮机100中的同流换热器的热交换器101包括(多个)单元体20构成的组11。每个单元体20包括一对相互间隔开的板22、23和热交换元件50的层1、2、3，所述热交换元件50布置在板22、23的外表面22a、23a处以及位于板22、23之间。热交换元件50的这些层1、2、3中的每一层优选地包括至少一个独立的空间部件51，所述空间部件51包含多个热交换元件50。例如，热交换元件50的层1、2、3中的每一层均可包括多个线圈51或金属丝网。此外，热交换器101的供给集管30和排放集管40优选由位于单元体20的组11位置处的仅两个部件31、33；41、43组成。用于补偿热膨胀效应的装置的设计同样并不复杂，并且可包括供给导管26的波纹管状的管道部分27。
总的来说，本发明提供了一种热交换器101，其适合用作微型燃气轮机100中的同流换热器，同时仍然具有相对简单的设计。作为有利的结果，制造热交换器101的方法也相对不复杂，且不涉及昂贵的工具。此外，由于本发明提供了一种具有改善的内部强度和耐热性的设计的同流换热器，所以考虑到同流换热器的寿命期间的预期温度，本发明允许采用与通常所应用的材料相比为较低等级的材料来构建高温同流换热器。在实践中，甚至可以在通常需要诸如Inconel等高等级材料的区域使用不锈钢。本发明提供了多个措施(手段)，基于这些措施有可能获得旨在补偿热膨胀效应并仅在热交换器101的相对冷侧产生应力消除的结构特征，从而在材料选择方面提供了更多的设计自由度，并且还提供了使用标准部件和/或由容易获得的片材来制造部件的更多可能性，同时还使得由特殊的耐热材料来制作成复杂形状的需求得以避免/最小化。

Claims (17)

1.用于热交换器(101)中的单元体(20)，所述单元体包括一对(21)相互间隔开的板(22，23)，该对板被构造和布置成在所述板(22，23)的彼此面对的两个内表面之间限定所述单元体(20)的内部流体流路、以及在所述板(22，23)的彼此背离的两个外表面(22a，23a)处限定所述单元体(20)的外部流体流路，其中，除了进出所述内部流体流路的至少一个入口(24)和至少一个出口(25)所在的位置之外，所述板(22，23)沿着其外周彼此连接，并且其中在每个流体流路中布置有多个热交换元件(50)，所述单元体(20)包括从所述至少一个入口(24)延伸到所述内部流体流路的至少一个供给导管(26)，所述至少一个供给导管(26)具有至少一个柔性部分(27)，所述至少一个柔性部分在所述至少一个供给导管(26)的延伸方向上是能压缩和能膨胀的。
2.根据权利要求1所述的单元体(20)，其中，所述至少一个供给导管(26)的所述至少一个柔性部分(27)包括波纹管状的管部分(27)。
3.根据权利要求1或2所述的单元体(20)，其中，所述至少一个供给导管(26)包括喷嘴管部分(28)，所述喷嘴管部分在所述至少一个入口(24)至所述内部流体流路的方向上分叉。
4.根据权利要求1或2所述的单元体(20)，其中，流体流路的所述多个热交换元件(50)由至少一个独立的空间部件(51)限定，所述空间部件(51)结合所述多个热交换元件(50)的至少一部分，并且至少连接到所述板(22，23)中的一个邻近的板。
5.根据权利要求4所述的单元体(20)，包括至少一个独立的空间部件(51)，所述至少一个独立的空间部件位于所述内部流体流路中并且连接到两个所述板(22，23)。
6.根据权利要求4所述的单元体(20)，包括至少一个独立的空间部件(51)，所述空间部件包括卷绕成线圈的线材、金属丝网、薄片、百叶窗、长形肋和金属泡沫中的一种。
7.根据权利要求6所述的单元体(20)，包括多个独立的空间部件(51)，所述空间部件包括卷绕成线圈的线材，所述空间部件(51)以基本平行的配置结构并排延伸。
8.热交换器(101)，包括一组(11)根据权利要求1-7中任一项所述的单元体(20)以及封装该组(11)单元体(20)的壳体(10)。
9.根据权利要求8所述的热交换器(101)，包括用于排放来自相应的单元体(20)的内部流体流路的流体的排放集管(40)，所述排放集管(40)包括设置有多个开槽式排放开口(42)的连接板(41)，所述连接板(41)抵靠所述单元体(20)布置，并且每一个所述开槽式排放开口(42)均与单元体(20)的内部流体流路的出口(25)对准。
10.根据权利要求9所述的热交换器(101)，其中，所述排放集管(40)仅由位于该组(11)单元体(20)的位置处的封闭部件(43)和所述连接板(41)组成，所述连接板(41)和所述封闭部件(43)共同形成管状整体。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的热交换器(101)，包括用于将流体供给到相应的单元体(20)的内部流体流路的供给集管(30)，所述相应的单元体(20)的内部流体流路的至少一个入口(24)通过所述单元体(20)的所述至少一个供给导管(26)连接到所述供给集管(30)。
12.根据权利要求11所述的热交换器(101)，其中，所述供给集管(30)包括具有供给开口(32)的连接板(31)，并且其中所述单元体(20)的所述至少一个供给导管(26)在供给开口(32)的位置处连接到所述供给集管(30)的连接板(31)。
13.根据权利要求11所述的热交换器(101)，其中，所述供给集管(30)仅由位于该组(11)单元体(20)的位置处的封闭部件(33)和连接板(31)组成，所述供给集管(30)的连接板(31)和所述供给集管(30)的封闭部件(33)共同形成管状整体。
14.根据权利要求11所述的热交换器(101)，包括用于将所述单元体(20)支撑在所述供给集管(30)上的保持器部件(34)。
15.根据权利要求14所述的热交换器(101)，其中，所述保持器部件(34)的形状类似于一支架或多个相邻的支架，所述支架被设计成接纳和保持所述相应的单元体(20)的一部分。
16.微型燃气轮机(100)，包括压缩机(102)、涡轮(103)、燃烧室(104)和根据权利要求8-15中任一项所述的热交换器(101)，所述压缩机(102)被设计为用以吸入和加压气体，所述燃烧室(104)被设计为用以从所述压缩机(102)吸入加压的气体并基于燃料燃烧而产生热气，所述涡轮(103)被设计成吸入和膨胀由所述燃烧室(104)产生的热气，所述热交换器(101)被配置和布置成通过允许所述加压的气体与从所述涡轮(103)获得的膨胀的气体进行热交换，而在加压的气体被供给到所述燃烧室(104)之前预热加压的气体。
17.根据权利要求16所述的微型燃气轮机(100)，其中，所述热交换器(101)的单元体(20)的内部流体流路与所述压缩机(102)连通，用以从所述压缩机(102)吸入加压的气体，并且其中，所述热交换器(101)的单元体(20)的外部流体流路与所述涡轮(103)连通，用以从所述涡轮(103)吸入膨胀的气体。
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