CN113137477A - 一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封的气体换热器，包括气缸、设置在气缸内部的静环、穿过气缸的转子、设置在转子上的前动环和后动环，前动环和后动环分别设置在静环的两侧，前动环与静环构成第一道干气密封，后动环与静环构成第二道干气密封。静环的底部设置抽气通道，抽气通道连接抽气管线的一端，抽气管线的另一端连接气缸，抽气管线上设置有增压泵。本发明利用一个静环和两个动环形成双级干气密封，并在静环设置抽气，通过双级干气密封和中间抽气显著降低了以超临界二氧化碳为工质的涡轮设备轴端气体泄漏量，通过在静环上设置抽气通道，降低了静环温度，使得该干气密封装置可用于高温工况。

Description

一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器

技术领域

本发明涉及超临界压力流体换热器领域，更具体地讲，涉及一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器。

背景技术

换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

超临界CO2布雷顿循环是以超临界压力CO2为工质的布雷顿循环，与传统循环相比具有压缩耗功低、总体效率高、结构紧凑的优势，作为其主要工质的超临界压力CO2具有密度较高、粘度低、扩散性和渗透性强等特点，因此超临界CO2布雷顿循环在航空发动机、第四代核反应堆和太阳能热发电等领域具有广阔的发展前景。由于循环中压缩机进口处CO2状态接近临界状态，其显著的变物性现象导致了其对流换热规律极为复杂,因此对换热器内部流动与换热规律的研究十分必要。

现有技术已有研究表明，干气密封是优选的换热设备的超临界二氧化碳涡轮设备轴端密封方案。相对经典的迷宫密封，干气密封一定程度降低了超临界二氧化碳涡轮设备轴端泄漏量，但二氧化碳泄漏量仍然较大。对于长期运行的涡轮设备，需要设置专门的补气装置持续补充二氧化碳，这既增大了运行成本，又使得系统运行更加复杂。

此外，目前干气密封静环采用橡胶密封圈实现与外界密封，橡胶密封圈适用温度较低，限制了干气密封使用温度。如何在有效降低二氧化碳泄漏量的同时，也实现干气密封装置高温工况应用的技术难题，成为本方案重点考虑解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封换热器，解决了如何在有效降低二氧化碳泄漏量的同时，也实现干气密封装置高温工况应用的技术难题，利用一个静环和两个动环形成双级干气密封，并在静环设置抽气，通过双级干气密封和中间抽气，显著降低了以超临界二氧化碳为工质的涡轮设备轴端气体泄漏量，在有效降低二氧化碳泄漏量的同时，实现了干气密封换热器高温工况应用。

一种笼式微通道换热器，包括压力容器、笼式换热器，笼式换热器笼式换热器由换热板、进口接管和出口接管组成构成，笼式换热器的进口接管和出口接管都有根支管，分别于块换热板的进出口接管连接。压力容器1是装载超临界二氧化碳的容器，是压力控制的对象。

一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，包括气缸、设置在所述气缸内部的静环、穿过所述气缸的转子、设置在所述转子上的前动环和后动环，所述前动环和所述后动环分别设置在所述静环的两侧，所述前动环与所述静环构成第一道干气密封，所述后动环与所述静环构成第二道干气密封。

所述静环的底部设置抽气通道，所述抽气通道连接抽气管线的一端，所述抽气管线的另一端连接所述气缸，所述抽气管线上设置有增压泵。

所述第一道干气密封泄漏的二氧化碳经过抽气口进入抽气管线增压后重新注回气缸内部，被抽走的二氧化碳流经静环时降低了静环的温度，使得干气密封可用于高温环境。

所述前动环和所述后动环之间设置有推力盘和推力轴承，所述推力盘和所述推力轴承均固定在所述转子上。

所述推力轴承包括前推力轴承和后推力轴承，所述推力轴承和所述推力盘均采用推力盘中置的方式布置，形成夹心饼型定位结构。

推力轴承与推力盘作用可同时实现第一道干气密封和第二道干气密封的定位和限位。

所述抽气管线中增压泵为隔膜泵。

所述抽气管线上还设置有止回阀。

所述止回阀为特斯拉阀。

所述抽气管线的一端设置有螺纹部，所述螺纹部与所述抽气通道连接。

所述抽气管线上设置有冷却装置；所述冷却装置包括设置在所述抽气管线上的冷却筒、分别设置在所述冷却筒两端的进水管和排水管、水槽，所述进水管上设置有水泵，所述进水管和排水管的一端部均通入水槽内。

所述水槽设置在所述气缸上，所述抽气管线通过密封结构穿过所述水槽的底部；

所述抽气管线上设置有气孔，所述气孔沉浸在所述水槽内，所述气孔上设置有可拆卸的封闭塞。

本发明达到的技术效果：

（1）设置有第一道干气密封和第二道干气密封，不仅实现了二氧化碳密封的效果，同时被抽走的二氧化碳流经静环，还降低了静环的温度，实现了干气密封装置高温工况应用；同时，二氧化碳通过抽气管线再次循环回到气缸中，有助于降低二氧化碳的泄漏量；

（2）设置有推力轴承和推力盘，并采用推力盘中置的布置方式，同时实现第一道干气密封和第二道干气密封的定位和限位；

（3）设置有冷却装置，通过冷却筒，对抽气管线进行冷却，进而实现对二氧化碳气体的冷却，此外，将气孔设置在水槽内，还可以通过气孔来判断气密性，判断是否发生漏气，即冷却装置既起到冷却二氧化碳的作用，又起到判断气密性或者二氧化碳是否泄露的作用。

附图说明

图1为本发明实施例中二氧化碳密封装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中冷却装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中的抽气管线和冷却筒的结构示意图。

其中，附图标记为：1、静环；2、前动环；3、后动环；4、推力盘；5、推力轴承；6、气缸；7、转子；8、隔膜泵；9、止回阀；10、抽气管线；10-1、冷却筒；10-2、排水管；10-3、进水管；10-4、水泵；10-5、水槽；10-6、螺纹部；10-7、气孔。

具体实施方式

为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

笼式微通道换热的压力非能动控制装置包括压力容器、笼式换热器，笼式换热器笼式换热器由换热板、进口接管和出口接管组成构成，笼式换热器的进口接管和出口接管都有根支管，分别于块换热板的进出口接管连接。压力容器1是装载超临界二氧化碳的容器，是压力控制的对象。

图1示出了根据本发明示例性实施例低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置包括静环1、前动环2、后动环3、推力盘4、推力轴承5、气缸6、转子7、隔膜泵8、止回阀9。

其中，静环1固定在气缸6上，前动环2和后动环3固定在转子7上，前动环2与静环1构成第一道干气密封，后动环3与静环1构成第二道干气密封。

静环1的底部设置抽气口，第一道干气密封泄漏的大部分二氧化碳经过抽气口进入抽气管线增压后重新注回气缸6内部。被抽走的二氧化碳流经静环1时降低了静环1的温度，使得干气密封可用于高温环境。

推力盘4和推力轴承5位于第一道干气密封和第二道干气密封间，并固定在转子上，推力轴承5采用前、后两个推力轴承，前后推力轴承和推力盘采用推力盘中置的布置方式，推力轴承5与推力盘4作用可同时实现第一道干气密封和第二道干气密封的定位和限位。

隔膜泵8、止回阀9及相应连接管线构成了抽气管线10，隔膜泵8的进口与静环1的抽气口通过管道连接，隔膜泵8出口与止回阀9的进口通过管道连接，止回阀9的出口与气缸6通过管道连接。抽气管线将第一道干气密封泄漏的大部分二氧化碳抽走并增压后注回气缸，降低了第二道干气密封的进口压力，降低泄漏量。

抽气管线10的一端设置有螺纹部10-6，螺纹部10-6与抽气通道连接。

参见图2和图3，抽气管线10上设置有冷却装置；冷却装置包括设置在抽气管线10上的冷却筒10-1、分别设置在冷却筒10-1两端的进水管10-3和排水管10-2、水槽10-5，进水管10-3上设置有水泵10-4，进水管10-3和排水管10-2的一端部均通入水槽10-5内。

水槽10-5设置在气缸6上，抽气管线10通过密封结构穿过水槽10-5的底部；抽气管线10上设置有气孔10-7，气孔10-7沉浸在水槽10-5内，气孔10-7上设置有可拆卸的封闭塞。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种笼式微通道换热器，包括压力容器、笼式换热器，笼式换热器笼式换热器由换热板、进口接管和出口接管组成构成，笼式换热器的进口接管和出口接管都有根支管，分别于块换热板的进出口接管连接。压力容器1是装载超临界二氧化碳的容器，是压力控制的对象。

2.一种低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器，其特征在于，包括气缸、设置在所述气缸内部的静环、穿过所述气缸的转子、设置在所述转子上的前动环和后动环，所述前动环和所述后动环分别设置在所述静环的两侧，所述前动环与所述静环构成第一道干气密封，所述后动环与所述静环构成第二道干气密封。

3.根据权利要求2所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器，其特征在于，所述静环的底部设置抽气通道，所述抽气通道连接抽气管线的一端，所述抽气管线的另一端连接所述气缸，所述抽气管线上设置有增压泵。

4.根据权利要求3所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器，其特征在于，所述前动环和所述后动环之间设置有推力盘和推力轴承，所述推力盘和所述推力轴承均固定在所述转子上。

5.根据权利要求4所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封气体换热器，其特征在于，所述推力轴承包括前推力轴承和后推力轴承，所述推力轴承和所述推力盘均采用推力盘中置的方式布置，形成夹心饼型定位结构。

6.根据权利要求5所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，其特征在于，所述抽气管线上还设置有止回阀。

7.根据权利要求6所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，其特征在于，所述止回阀为特斯拉阀。

8.根据权利要求7所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，其特征在于，所述抽气管线的一端设置有螺纹部，所述螺纹部与所述抽气通道连接。

9.根据权利要求2-8任一项所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，其特征在于，所述抽气管线上设置有冷却装置；所述冷却装置包括设置在所述抽气管线上的冷却筒、分别设置在所述冷却筒两端的进水管和排水管、水槽，所述进水管上设置有水泵，所述进水管和排水管的一端部均通入水槽内。

10.根据权利要求9所述的低泄漏耐高温的超临界二氧化碳密封装置，其特征在于，所述水槽设置在所述气缸上，所述抽气管线通过密封结构穿过所述水槽的底部；

所述抽气管线上设置有气孔，所述气孔沉浸在所述水槽内，所述气孔上设置有可拆卸的封闭塞。

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