CN112344771B - 用于布雷顿循环发电系统的换热器 - Google Patents

用于布雷顿循环发电系统的换热器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于布雷顿循环发电系统的换热器，所述换热器包括壳程和管程，所述管程设于所述壳程内，管程具有毛细管管束且管程中的管程流体沿换热器的轴向流动，壳程中设有分程隔板，壳程与管程间设有密封件，壳程流体通过分程隔板和密封件改变流向，由壳程中心沿换热器的径向流向壳程与管程间的外圈，再由外圈沿换热器的径向流向壳程中心，使壳程流体与管程流体换热。本发明的管程流体其流向为沿轴向流动，壳程流体从中心向外圈流动再由外圈流向中心流动，以此解决了流场分布不均和阻力损失大的问题。

Description

用于布雷顿循环发电系统的换热器
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，特别是涉及一种用于布雷顿循环发电系统的换热器。
背景技术
闭式布雷顿循环发电系统中透平出口的气体温度较高直接将其热量排到环境中去，造成能源浪费。一般系统中都有个回热器也就是一个气体/气体换热器，将透平出口的热量用于加热压气机出口的高压气体，将部分热量加以回收，这样可以提高整个系统的循环热效率。这个回热器运行温度高、效率要求高而且阻力损失要求严苛，使得传统工业上常规的管壳式换热器结构尺寸庞大。随着发电系统往高参数和可移动式方向发展，要求设备能够耐高温、高压并且效率高、体积小、重量轻。毛细管换热器具有体积小重量轻等特点，一般用于航空领域，但是设备热功率都较小，阻力损失比较大。
因此，需要一种解决流场分布不均和阻力损失大的新型换热器结构。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于布雷顿循环发电系统的换热器，解决现有技术中流场分布不均和阻力损失大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于布雷顿循环发电系统的换热器，所述换热器包括壳程和管程，所述管程设于所述壳程内，管程具有毛细管管束且管程中的管程流体沿换热器的轴向流动，壳程中设有分程隔板，壳程与管程间设有密封件，壳程流体通过分程隔板和密封件改变流向，由壳程中心沿换热器的径向流向壳程与管程间的外圈，再由外圈沿换热器的径向流向壳程中心，使壳程流体与管程流体换热。
优选的，所述管程采用模块化结构，其包括两个环形集管和至少两个换热芯体，环形集管的周向上均匀分布有多个管孔，管孔的个数与所述换热芯体的个数一致，所述换热芯体由至少两段芯体模块串接而成；且换热芯体的两端分别通过支管与两个环形集管上的管孔对应连通，每段所述芯体模块包括毛细管管束以及多块间隔设置的支撑板，支撑板上均匀分布多个过孔，支撑板用于支撑毛细管管束。
优选的，所述支撑板为弧形板，所有所述换热芯体环形分布且中间形成环形腔。
优选的，串接的相邻两段所述芯体模块中，其中一所述芯体模块端部的管板与另一所述芯体模块端部的管板焊接相连，且使相邻两段所述芯体模块间形成混流腔。
优选的，所述壳程包括承压筒体、两端板以及穿设在端板上的接管，两端板分别与承压筒体的两端密封相连，所述端板上具有供所述支管穿过的孔。
优选的，所述支管与所述端板的孔间采用反向螺母密封结构密封，所述反向螺母密封结构包括设于支管上的压紧螺母、密封圈和压紧法兰，所述压紧法兰位于端板的内侧，所述压紧螺母和密封圈位于所述端板的外侧且密封圈贴紧所述端板，所述压紧螺母和压紧法兰配合将密封圈压紧。
优选的，所述压紧螺母的外侧设有反向螺纹防松螺母，所述压紧法兰的内侧设有防松内六角构件。
优选的，所有所述换热芯体通过支撑圈支撑在所述承压筒体中。
优选的，所述换热芯体的两端均设有膨胀节。
优选的，所述支管通过柔性金属软管与第一法兰螺纹相连，所述环形集管上的管孔上焊接有第二法兰，第一法兰和第二法兰焊接。
如上所述，本发明的用于布雷顿循环发电系统的换热器，具有以下有益效果：管程具有毛细管管束，其内的管程流体其流向为沿轴向流动，即其为单管程结构、阻力损失小，而壳程流体从中心向外圈流动再由外圈流向中心流动，以此解决了流场分布不均和阻力损失大的问题。
附图说明
图1显示为本发明的用于布雷顿循环发电系统的换热器示意图。
图2显示为沿图1中CC线的剖视图。
图3显示为本发明的换热芯体的结构示意图。
图4显示为反向螺母密封结构的示意图。
图5显示为支撑管程的支撑圈的示意图。
元件标号说明
1 环形集管
2 换热芯体
3 承压筒体
4 端板
5 进口接管
6 出口接管
7 支撑圈
8 分程隔板
9 膨胀节
10 弹簧挡片
11 普通焊接法兰
12 压紧螺母
13 密封圈
14 压紧法兰
15 反向螺纹防松螺母
16 防松内六角构件
21 芯体模块
22 支管
23 支撑板
24 毛细管管束
25 柔性金属软管
26 螺纹法兰
27 管板
41 密封圈
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种用于布雷顿循环发电系统的换热器，其可作为氦气-氦气回热器使用，如图1及图2所示，本实施例中换热器包括壳程和管程，管程设于壳程内，管程具有毛细管管束且管程中的管程流体沿换热器的轴向流动，即沿图中箭头A方向流动；壳程中设有分程隔板，壳程与管程间设有密封件，壳程流体通过分程隔板和密封件改变流向，由壳程中心沿换热器的径向流向壳程与管程间的外圈，再由外圈沿换热器的径向流向壳程中心，即沿图中箭头B方向流动，使壳程流体与管程流体换热。
本发明的管程具有毛细管管束，其内的管程流体其流向为沿轴向流动，即其为单管程结构、阻力损失小，而壳程流体从中心向外圈流动再由外圈流向中心流动，即壳程为多流程，以此解决了流场分布不均和阻力损失大的问题。本实例中将热侧流体走壳程、冷侧流体走管程。实际应用中可以根据冷热流体的流量以及允许的阻力损失要求来确定管程、壳程的流体。本发明的换热器结构形式不局限于气态介质也使用于水、油等其他液体工质。
为便于检修安装，本实施例中管程采用模块化结构，见图1至图3所示，具体包括两个环形集管1和至少两根换热芯体2，环形集管1的周向上均匀分布有多个管孔，管孔的个数与换热芯体2的个数一致，换热芯体2由至少两段芯体模块21串接而成，且换热芯体2的两端分别通过支管22与两个环形集管1上的管孔对应连通，芯体模块21包括多块间隔设置的支撑板23，支撑板23上均匀分布多个过孔，支撑板23用于支撑毛细管管束24，本实施例中相邻芯体模块21间通过芯体模块端部的管板27串接，毛细管管束24与管板27之间采用钎焊连接，毛细管管束24之间有折柳栅或支撑板23支撑，增加刚度，防止管束流致振动；本实施例采用毛细管管束24作为换热管束，其耐压性能好、紧凑度高。本实施例中通过模块化的芯体模块21通过焊接后串联形成一个独立的换热芯体2，本实施例由八个换热芯体2组成一个环形结构，两端再与两个环形集管1分别组装，以此形成管程，芯体模块21的设置便于安装生产、也便于拆卸检修更换，其可适用于更大的换热需求，环形结构易于与轮机系统集成，使整体布局紧凑。
具体地，上述支撑板23和管板27均为弧形板，所有换热芯体2环形分布且中间形成环形腔。见图2所示，本实施例中采用八根换热芯体2环形分布，以此与两个环形集管1组装形成管程。见图3所示，串接的相邻两段芯体模块21中，其中一芯体模块端部的管板27与另一芯体模块端部的管板27焊接相连，且使相邻两段芯体模块21间形成混流腔，更具体地，本实施例中管板27与管板27间留出焊接凸台，使中间形成混流腔，混流腔使管程流体沿轴向分布均匀。
本实施例中支管22与环形集管1通过法兰焊接相连，见图4所示，为了防止由于焊接变形等引起的公差造成两法兰对接存在困难，上述支管22的端部通过柔性金属软管25与螺纹法兰26(即第一法兰)螺纹相连，环形集管1上的管孔上设有普通焊接法兰11(即第二法兰)，螺纹法兰26与普通焊接法兰11焊接相连，这样螺纹法兰26的使用，便于在拆卸时支管22可以从端板4上的孔中取出。本实施例中换热芯体2的两端均设有膨胀节9，管程采用膨胀节解决了壳程与换热芯体2的热膨胀不均匀问题，比壳程采用膨胀节节省了成本。
本实施例中壳程包括承压筒体3、两端板4以及穿设在端板4上的接管(见图2中的进口接管5和出口接管6)，两端板4分别与承压筒体3的两端密封相连，所述端板4上具有供上述支管22穿过的孔。见图2所示，本实施例中在承压筒体3内设有分程隔板8，在分程隔板8(其中心不开孔，有一个人孔盖便于检修)作用下，壳程流体直接横向冲刷毛细管管束24，见图2中B箭头方向，沿径向流动，从中心流向外圈，再通过管程与承压筒体3的环向间隙流向下一个流程，再沿径向由外圈向中心流动，壳程流体沿中心孔开始新的流程，即重复由中心向外圈、再沿径向由外圈向中心流动。本实施例通过分程隔板8和上述密封件(即弹簧挡片10)，使壳程流体交替由中心向外圈流动再由外圈向中心流动，开始下一个流程。见图2所示，本案例中壳程为四个流程。
本实施例中所有换热芯体2通过支撑圈7支撑在所述承压筒体3中，支撑圈7的结构见图5所示。更进一步地，本实施例所有换热芯体2通过支撑圈7(见图5)支撑在承压筒体3上，二者之间的间隙，通过弹簧挡片10来减小或防止流体漏流，即弹簧挡片10构成上述密封件，实现壳程在轴向上的密封，使壳程流体由外圈沿换热器的径向流向壳程中心。
为了防止壳程流体通过支管22与端板4间的间隙泄漏出去，同时考虑到需要方便安装与拆卸，本实施例支管22与端板4的孔间采用反向螺母密封结构密封，见图4所示，反向螺母密封结构包括设于支管22上的压紧螺母12、密封圈13和压紧法兰14，所述压紧法兰14位于端板4的内侧，所述压紧螺母12和密封圈13位于所述端板4的外侧且密封圈13贴紧端板4，所述压紧螺母12和压紧法兰14配合将密封圈13压紧，实现密封。更进一步地，压紧螺母12的外侧设有反向螺纹防松螺母15，以防止冷热循环过程中压紧螺母12松脱，造成压紧力减小而影响密封；压紧法兰14的内侧设有防松内六角构件16，方便在旋转压紧螺母12时，防止支管22转动。
本实施例换热器应用至布雷顿循环发电系统中，其内流体的具体换热过程为：见图2所示，管程流体(本实施例中可为氦气)从高压压气机出来后，压力较高、温度较低、体积流量小。从左侧的环形集管1进入后均匀进入八根换热芯体2中，也即进入管箱，分配给换热管束(即毛细管管束24)，沿箭头A轴向流动，本实施例中管程流体在相邻芯体模块21间的混流腔中均匀混合，最后通过出口集箱汇合到右侧的环形集管1中流出，通过管道进入下游设备。
壳程流体(本实施例中可为氦气)从透平出来，压力较低、温度较高，体积流量大，从从进口接管5进入壳程腔体，壳程腔体由承压筒体6围成，本实施例壳程腔体中没有中心筒，其也可加个中心筒可以做成单模块全逆流结构，本实施例中壳程具有四个流程，即壳程流体交替由中心向外圈流动再由外圈向中心流动，壳程流体最终从出口接管6流出。
壳程流体的密封通过端板4以及承压筒体6的端部法兰和密封圈41以及螺栓组件来实现密封。管程流体与壳程流体整体为逆叉流流动，也可以通过在承压筒体6中增加中心筒，布置成纯逆流结构。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于，所述换热器包括壳程和管程，所述管程设于所述壳程内，管程具有毛细管管束且管程中的管程流体沿换热器的轴向流动，所述管程包括两个环形集管和至少两个换热芯体，环形集管的周向上均匀分布有多个管孔，管孔的个数与所述换热芯体的个数一致；所述换热芯体由至少两段芯体模块串接而成，且换热芯体的两端分别通过支管与两个环形集管上的管孔对应连通，每段所述芯体模块包括毛细管管束以及多块间隔设置的支撑板，毛细管管束支撑在所有支撑板上，壳程中设有分程隔板，壳程与管程间设有密封件，壳程流体通过分程隔板和密封件改变流向，由壳程中心沿换热器的径向流向壳程与管程间的外圈，再由外圈沿换热器的径向流向壳程中心，使壳程流体与管程流体换热。
2.根据权利要求1所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述支撑板为弧形板，所有所述换热芯体环形分布且中间形成环形腔。
3.根据权利要求1所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：串接的相邻两段所述芯体模块中，其中一所述芯体模块端部的管板与另一所述芯体模块端部的管板焊接相连，且使相邻两段所述芯体模块间形成混流腔。
4.根据权利要求1所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述壳程包括承压筒体、两端板以及穿设在端板上的接管，两端板分别与承压筒体的两端密封相连，所述端板上具有供所述支管穿过的孔。
5.根据权利要求4所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述支管与所述端板的孔间采用反向螺母密封结构密封，所述反向螺母密封结构包括设于支管上的压紧螺母、密封圈和压紧法兰，所述压紧法兰位于端板的内侧，所述压紧螺母和密封圈位于所述端板的外侧且密封圈贴紧所述端板，所述压紧螺母和压紧法兰配合将密封圈压紧。
6.根据权利要求5所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述压紧螺母的外侧设有反向螺纹防松螺母，所述压紧法兰的内侧设有防松内六角构件。
7.根据权利要求4所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所有所述换热芯体通过支撑圈支撑在所述承压筒体中。
8.根据权利要求1所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述换热芯体的两端均设有膨胀节。
9.根据权利要求1所述的用于布雷顿循环发电系统的换热器，其特征在于：所述支管通过柔性金属软管与第一法兰螺纹相连，所述环形集管上的管孔上焊接有第二法兰，第一法兰和第二法兰焊接。
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