CN1291143C - 一次表面回热器 - Google Patents
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Abstract
一种一次表面回热器，用于燃气轮机热动系统技术领域。芯体位于回热器的内部中心，压力平衡件位于芯体的前后两端，进出口管路位于芯体上、下端和外壳上下表面，芯体由多个气室和室外边条组成，气室是由波纹板片和室内边条组成，波纹板片由波纹区和平面区组成，波纹区位于波纹板片的中心位置，平面区在波纹区的四周，从纵剖面来看，平面区处在波纹区的中平面上，波纹区由波纹通道组成，平面区由平板组成，两块波纹板片交叉叠放，室内边条将两块波纹板片连接在一起形成一个气室，多个气室通过室外边条依次焊接在一起形成芯体。本发明换热效率大幅度提高，结构紧凑，换热面导热热阻小且回热器重量轻，维修方便，可靠性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机技术领域的回热器，具体是一种应用于燃气轮机热动系统上的一次表面回热器。
背景技术
燃气轮机回热器的功效是将高温烟气的热量传给低温空气，以提高流入燃烧室用作氧化剂的空气温度，从而提高燃气轮机装置的效率。在换热器中，若换热表面是由单一厚度的材料构成，其中一侧流过热流体，另一侧流过冷流体，则它被称为一次表面，只有当所有的热交换表面都是一次表面时，该回热器才称为一次表面换热器；如果整个换热器既有一些一次表面又有一些非一次表面，则不能称为一次表面换热器，传统的换热器(如板翅式换热器)都不是一次表面回热器。
经检索发现，目前国内已有的用于燃气轮机的回热器大都是板翅式回热器，如专利申请号为02292133.8的实用新型专利，其特征自述为：一种微型燃气轮机回热器，由导流网格、集流箱和芯体依次连接而成，芯体为板翅式结构，采用逆流换热方式，在燃气进口处设置导流网格，本实用新型具有结构简单、燃气阻力小、气流能量损失小等特点。该专利技术只是对回热器的外部进行了改进，比如增加了导流网格，从而减小燃气热阻，但是其实质仍然是一种板翅式的换热器，并没有大幅度的提高换热性能和减小回热器的体积。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中存在的问题，提供了一种一次表面回热器，使其从根本上改变了燃气轮机回热器的形式，即用紧凑高效的一次表面回热器代替了传统的板翅式回热器。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一次表面回热器包括：芯体、进出口管路、连杆压力平衡件和外壳，芯体是回热器的核心部件，位于回热器的内部中心，压力平衡件位于芯体的前后两端，进出口管路包括低温空气进出口管和高温烟气进出口管，低温空气进出口管分别位于芯体的下端两侧和上端中部，外壳是回热器的外包装，芯体、压力平衡件和空气进出口管在外壳的内部，高温烟气进出口管分别位于外壳的上表面和下表面。
芯体是冷热工质进行热量交换的部件，它内部的换热表面的形式决定了回热器的换热性能和尺寸，本发明芯体采用一次表面结构，即本发明芯体内部的换热表面都是由单一厚度的材料构成，表面的一侧流过冷流体，表面的另一侧流过热流体，本发明用这种一次表面结构代替了传统的板翅式结构。芯体由气室和室外边条组成，每个气室是由波纹板片和室内边条组成的。波纹板片由波纹区和平面区组成，波纹区位于波纹板片的中心位置，平面区在波纹区的四周，从纵剖面来看，平面区处在波纹区的中平面上，波纹区由波纹通道组成，波纹通道的截面形状满足几何曲线(椭圆、抛物线或正弦)方程，波纹通道的当量直径为1.5mm，波纹通道与波纹板片的纵向对称轴成15°夹角，波纹区是工质进行换热的主要区域。平面区由平板组成，分为上导流平面区、下导流平面区和焊接平面区，上导流平面区位于波纹区的上方，下导流平面区位于波纹区的下方，上下导流平面区的作用是将工质导入和导出波纹区并辅助换热，焊接平面区位于波纹区的两侧。本发明波纹板片所采用的材料应具有耐高温抗高压且导热性能好的特性，优先采用奥氏体不锈钢，板片的厚度为0.1mm。两块波纹板片交叉叠放，它们的之间波纹通道成30°夹角，室内边条焊接于交叉叠放的两块波纹板片对应的焊接区之间的夹缝中，室内边条将这两块波纹板片连接在一起形成一个气室，多个气室通过室外边条依次焊接在一起形成一个芯体。
进出口管路是将回热器外的冷、热工质引入并分配至各流道和将工质送出回热器的部件。进出口管路包括高温烟气进口管、高温烟气出口管、低温空气进口管和低温空气出口管。低温空气进口管为两根，它们分别横向焊接于芯体的左下端和右下端，低温空气出口管横向焊接在芯体的上端中部，高温烟气进口管纵向焊接在壳体的上表面，高温烟气出口管焊接在壳体的下表面。
连杆压力平衡件支撑芯体，防止芯体在高温高压工质的作用下发生“鼓胀”现象。连杆压力平衡件由两块刚性端板和三根螺栓连杆组成，两块刚性端板分别覆盖在芯体的前后两端，刚性端板为正方形，两根螺栓连杆分别穿过前后两块端板的左上角和右上角，另一根螺栓连杆穿过前后端板的下端中部，刚性端板通过螺栓连杆夹紧芯体。
外壳是回热器的外包装，用于包装芯体，防止高温烟气漏出。外壳包括壳体、外壳前端板和外壳后端板，芯体、进出口管路和连杆压力平衡件位于壳体的内部，外壳前端板焊接于壳体前端，外壳后端板焊接于壳体后端。
本发明的一次表面回热器在工作时，低温空气通过低温空气进口管进入芯体的气室内部，低温空气从气室内侧波纹板片的下导流区流入波纹区，与波纹板片另一侧(气室外侧)的高温烟气进行换热，然后通过气室内侧波纹板片的上导流区流出芯体进入低温空气排气管排出；高温烟气通过高温烟气管进入芯体的气室外部，高温烟气从气室外侧波纹板片的上导流区进入波纹区，与波纹板片另一侧(气室内侧)的低温空气进行换热，然后通过气室外侧波纹板片的下导流区流出芯体进入高温烟气排气管排出。由于波纹板片两侧的工质存在温度差和压力差，所以波纹板片会有“鼓胀”趋势，压力连接平衡件用来抑制这种趋势。壳体用于防止高温烟气漏出。
本发明的优点为：1)高温工质和低温工质在工作过程中的所有换热表面都是一次表面，不存在类似板翅式换热器中的二次表面，换热效率大幅度提高，结构紧凑。2)芯体由气室构成的芯体和对应的进排气管路，可获得高温烟气和低温空气分流的机制。3)芯体内的波纹板片厚度仅为0.1mm，使得换热面导热热阻小且回热器重量轻。4)芯体由多个气室组成的结构使本回热器的组装、维修极为方便，对空气加热量的不同需求可通过调配气室的数量方便的给予满足。5)连杆压力件能够保证不需要在芯体内部令设结构杆件，有利于减少芯体的体积和重量。6)连杆压力平衡件有利于减少因众多波纹板片和较重支撑杆件受热情况不同而产生的内部热应力，保证系统的可靠性。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明结构俯视图
图3本发明结构侧视图
图4本发明带低温空气进出口管的芯体示意图
图5本发明图4的俯视图
图6本发明图4的侧视图
图7本发明不带边条的多个气室叠放示意图
图8本发明气室示意图
图9本发明图8的俯视图
图10本发明图8的侧视图
图11本发明波纹板片示意图
图12本发明波纹板片A-A位置剖视图
具体实施方式
如图1一图12所示，本发明包括：芯体1、进出口管路2、连杆压力平衡件3和外壳4。芯体1位于回热器的内部中心，压力平衡件3位于芯体1的前后两端，进出口管路2位于芯体1的上、下端和外壳4的上表面和下表面，外壳4是回热器的外包装，芯体1由多个气室17和室外边条20组成，气室17是由波纹板片19和室内边条18组成，波纹板片19由波纹区21和平面区22组成，波纹区21位于波纹板片19的中心位置，平面区22在波纹区21的四周，从纵剖面来看，平面区22处在波纹区21的中平面上，波纹区21由波纹通道组成，平面区22由平板组成，分为上导流平面区23、下导流平面区24和焊接平面区25，上导流平面区23位于波纹区21的上方，下导流平面区24位于波纹区21的下方，焊接平面区25位于波纹区21的两侧，两块波纹板片19交叉叠放，室内边条18焊接于交叉叠放的两块波纹板片19对应的焊接平面区25之间的夹缝中，室内边条18将两块波纹板片19连接在一起形成一个气室17，多个气室17通过室外边条20依次焊接在一起形成芯体1。
波纹通道的截面形状满足椭圆、抛物线或正弦曲线方程，波纹通道的当量直径为1.5mm，波纹通道与波纹板片19的纵向对称轴成15°夹角，两块波纹板片19交叉叠放，它们的之间波纹通道成30°夹角。
进出口管路2由高温烟气进口管7、高温烟气出口管8、低温空气进口管5和低温空气出口管6组成，低温空气进口管5为两根，它们分别横向焊接于芯体1的左下端和右下端，低温空气出口管6横向焊接在芯体1的上端中部，高温烟气进口管7纵向焊接在壳体14的上表面，高温烟气出口8管焊接在壳体14的下表面。
芯体1、压力平衡件3和低温空气进出口管5、6在外壳4的内部。
连杆压力平衡件3由刚性端板9、10和螺栓连杆11、12、13组成，前刚性端板9和后刚性端板10分别覆盖在芯体1的前后两端，刚性端板为正方形，螺栓连杆12和螺栓连杆13分别穿过前刚性端板9和后刚性端板10的左上角和右上角，另一根螺栓连杆11穿过前刚性端板9和后刚性端板10的下端中部。
外壳4包括壳体14、外壳前端板1 5和外壳后端板16，芯体1、进出口管路2和连杆压力平衡件3位于壳体4的内部，外壳前端板15焊接于壳体14前端，外壳后端板16焊接于壳体14后端。
Claims (6)
1、一种一次表面回热器，包括：芯体(1)、进出口管路(2)、连杆压力平衡件(3)和外壳(4)，其特征在于，芯体(1)位于回热器的内部中心，压力平衡件(3)位于芯体(1)的前后两端，进出口管路(2)位于芯体(1)的上、下端和外壳(4)的上下表面，芯体(1)由多个气室(17)和室外边条(20)组成，气室(17)是由波纹板片(19)和室内边条(18)组成，波纹板片(19)由波纹区(21)和平面区(22)组成，波纹区(21)位于波纹板片(19)的中心位置，平面区(22)在波纹区(21)的四周，从纵剖面来看，平面区(22)处在波纹区(21)的中平面上，波纹区(21)由波纹通道组成，平面区(22)由平板组成，分为上导流平面区(23)、下导流平面区(24)和焊接平面区(25)，上导流平面区(23)位于波纹区(21)的上方，下导流平面区(24)位于波纹区(21)的下方，焊接平面区(25)位于波纹区(21)的两侧，两块波纹板片(19)交叉叠放，室内边条(18)焊接于交叉叠放的两块波纹板片(19)对应的焊接平面区(25)之间的夹缝中，室内边条(18)将两块波纹板片(19)连接在一起形成一个气室(17)，多个气室(17)通过室外边条(20)依次焊接在一起形成芯体(1)。
2、根据权利要求1所述的一次表面回热器，其特征是，波纹通道的截面形状满足椭圆、抛物线或正弦曲线方程，波纹通道的当量直径为1.5mm，波纹通道与波纹板片(19)的纵向对称轴成15°夹角，两块波纹板片(19)交叉叠放，它们的之间波纹通道成30°夹角。
3、根据权利要求1所述的一次表面回热器，其特征是，进出口管路(2)由高温烟气进口管(7)、高温烟气出口管(8)、低温空气进口管(5)和低温空气出口管(6)组成，低温空气进口管(5)为两根，它们分别横向焊接于芯体(1)的左下端和右下端，低温空气出口管(6)横向焊接在芯体(1)的上端中部，高温烟气进口管(7)纵向焊接在壳体(14)的上表面，高温烟气出口(8)管焊接在壳体(14)的下表面。
4、根据权利要求1或者3所述的一次表面回热器，其特征是，芯体(1)、压力平衡件(3)和低温空气进出口管(5、6)在外壳(4)的内部。
5、根据权利要求1所述的一次表面回热器，其特征是，连杆压力平衡件(3)由刚性端板(9、10)和螺栓连杆(11、12、13)组成，前刚性端板(9)和后刚性端板(10)分别覆盖在芯体(1)的前后两端，刚性端板为正方形，螺栓连杆(12)和螺栓连杆(13)分别穿过前刚性端板(9)和后刚性端板(10)的左上角和右上角，另一根螺栓连杆(11)穿过前刚性端板(9)和后刚性端板(10)的下端中部。
6、根据权利要求1所述的一次表面回热器，其特征是，外壳(4)包括壳体(14)、外壳前端板(15)和外壳后端板(16)，芯体(1)、进出口管路(2)和连杆压力平衡件(3)位于壳体(4)的内部，外壳前端板(15)焊接于壳体(14)前端，外壳后端板(16)焊接于壳体(14)后端。
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