CN1312904A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

用于回收热燃气热量的热交换器装置有一组固定在筒形外壳(1)之间热交换管道内的热交换管列(2)和一可滑动的辅助内套筒(3)。此套筒(3)和位于此装置上端的塞状阀(4)一起形成了一位置可变的套筒阀装置,此阀门装置可以同时控制通过热交换管道和旁路管道的热燃气的流量。

Description

热交换器

本发明一般涉及具有内旁路装置的热交换器，操纵此热交换器便可以控制热交换器管列周围热燃气的旁路，并可以引导燃气流进入一旁路回路。本发明特别涉及与燃气涡轮或燃气发动机/柴油发动机连接在一起并从排气中吸取热量的热交换器。

此类通用于从燃气涡轮或燃气发动机/柴油发动机排气中回收热量的热交换器通常被设计得具有一位于热交换管列和其壳体以外的旁通回路，并且流向热交换器管列回路和旁路回路的排气流由一个或两个舌形阀或类似的阀门，如称之为阻尼器的阀门来控制。在那些众所周知装置中，只用一个阻尼器控制通过两个回路的燃气流。在另一类具有两个调节阀(阻尼器)的那些装置中，一个调节阀控制通过热交换器管列回路的气流，另一个调节阀则控制通过旁路回路的气流。这两种类型的装置都显得既笨重而又复杂，而且为了控制连续变化的燃气流而连续调整这些调节阀时，又遇到了可靠性问题。例如，在使用两个调节阀的装置中，曾由于两个调节阀同时关闭，而不是其中一个回路总是开着，以至造成反压过高而使发动机损坏。

按照本发明，用于回收排气中热量的热交换装置包括热交换管道装置、旁路管道装置、置于热交换管道装置内的热交换管列装置和可以改变流过旁路管道装置而不流过热交换管道装置之排气流量的而且位置可变的一套筒阀装置，热交换管列装置则围绕在位置可变的套筒阀装置的周围；该后者(套筒阀)则限定旁路管道装置和热交换管道装置的内壁；位置可变的套筒阀装置包括两个管道装置之轴向可移动的套筒装置，依此同时控制通过热交换管道装置和旁路管道装置的排气流量。

最好该套筒装置被制成可以相对于排气管道装置的进口装置和旁路管道装置的出口装置在两个极端位置之间连续轴向移动的，因而在一个极端位置，该热交换管道装置的进口装置是开启的，而套筒装置则关闭旁路管道装置的出口装置；在另一个极端位置，套筒装置关闭热交换管道装置的进口装置，而旁路管道装置的出口装置是开启的。

本发明的一个优点是该套筒阀调节机构是构成热交换器装置的一个组成部分，而不是此设备的一个分离构件；而且这种设计方案比以前的调节阀方案更为简单，调节工作也更为可靠。其另一个优点是，这种套筒阀装置固有的安全性，因为它不可能同时把两股气流的通道都关闭了，而可以保护上游不致因压力过高而损坏。它还有一个优点是，本发明的装置比较轻，所需的空间比现有技术的装置的更少，这对那些非地面用(offshore)设备来说是一个极为重要的优点。

此外，在那些已知的设计方案中，通常在热交换器装置的上游或下游的燃气回路中安装了一个单独的消音器。在本发明中，有可能更有利地设计在套筒的一侧或两侧设有消音衬以降低在旁路管道和/或热交换管道中的噪音。还可以在旁路管道设置一个位于套筒装置中心的气流分离器，并在此气流分离器面对套筒装置的表面上也敷以消音衬。这些措施都是为了避免使用单独的消音装置。

本发明的另外一些特征和优点将在下述介绍和权利要求中予以说明。

以下将参照附图介绍本发明的典型实施例，这些附图包括：

图1为，按照本发明，通过热交换中心线截取的一局部剖视图，此装置有一可移动的内套筒阀，图中所示的位置表明，热燃气正流过热交换器管列；

图2为类似于图1的一剖视图，图中示出了同一个热交换器装置，但是在图中所示的套筒阀位置，使热燃气旁路了(即未流过)热交换器管列，而由中心通道通过；

图3为类似于图2的一剖视图，图中示出了本发明的另一实施例；

图4A为套筒阀的一侧视图，图中示出了在热交换器内套筒阀是如何上下滑动的；

图4B为沿图4A的B-B截面的局部放大图；

图4C和图4D分别示出了引导机构的侧视和剖视放大平面详图，图4D为通过图4C的D-D截面的剖视图。

图5和图6为本发明的另两种实施例的局部剖侧视简图。

附图所示的那些热交换装置都适用于从排气中回收热量，例如可用于非地面使用的(offshore)油气行业。这些装置通常是圆筒形的，图中那些装置的主轴方向都画成了垂直的。如图1所示，这一装置正准备接纳来自一燃气涡轮发动机或其他发动机(图中未示出)的、并通过燃气进气管道34进入的热燃气10，燃气因与热奖器管列2中循环的流体热交换而被冷却，并且被冷却的燃气18向前流动从燃气出口管道7排出，流向一排气管，或另作他用。热交换流体36通过同心管38流进并流出热交换器管列2，此流体36则可用作工作流体，或用于产生蒸气，或其他类似用途。

现参阅图1和图2，热交换器装置包括一其内有一环形热交换器管列2的、通常为筒形的外壳或罩1，一内套筒阀3和一阀塞4。套筒阀3在热交换器管列2内两个极端位置间可以轴向移动。在图1中，所示套筒阀3正处于其上方极端位置，以到此阀的套筒的中央通道19，称为旁路通道，被完全关闭了，实际上所有排出的燃气从热交换器管列2(周围)流过。在此位置，当套筒阀3的上“刀口”14紧靠到设在阀塞4上的阀座13时，形成了阻止气流流过旁路通道19所需的气体密封。

在图2中，所示套筒阀3正处在其下方极端位置，故基本上所有热燃气10都从旁路通道19流过，而未流过热交换器管列2。在此位置，在套筒阀3底部的截锥形的阀座12与在热交换器管列2下面连接在外壳1上的互补截锥形阀座11一起形成了一气密结构，致使热燃气10只能流过旁路管道19，并经由阀塞4和出口组件之间的环形开口16流出阀塞4。

阀塞4在旁路管道19内由一沿外壳纵向轴线延伸的中心支撑杆40支撑在其轴向位置上，同时阀塞与外壳1同心。中心支撑杆40则由分别在它的顶部和底部设置的支杆9和支杆15支撑在外壳1上。在这些顶部和底部位置之每个上，应有至少三根支杆，而这些支杆又围绕此装置等角度间隔地配置。

图1的右边(非剖视部分)特别示出，套筒阀3在其下端与连杆20相连，以便套筒阀能在热交换器组件内轴向地上下移动。这些连杆20穿过气体密封垫17，并由支板30连接在燃气进口管道22上的操纵装置9来操纵。操纵装置9可以是液压的、气动的、电动的或手动的。例如，连杆20，因而还有套筒阀3，可以用球形螺旋装置在由电动机驱动的导螺杆上来升降。此外，至少应有三根连杆，每一根由一操纵装置驱动，而这些操纵装置围绕此装置等角间隔地配置。

有利方式是，可以把空气32通过气密封垫17引到热交换器下方的空间21中，或者引到由多个固定的密封件形成的空间(图中未示出)，以便用使热交换器回路与热燃气10完全隔绝的方法，达到密封的目的。再者，或者说，当热燃气10只是流过旁路管道19时，这部分空气可以用来吸收(除去)热交换器管列2内工作流体不需要的热量。

为了吸收热交换器管道内的噪音，在外壳1内侧和套筒阀3的外侧分别敷有消音衬5和6。这些消音衬还有隔温作用，因此可以减少通过热交换器管道壁面的热损失。

图3示出了本发明的一种较为优选的实施例。如图2所示，此装置处于旁路管道完全打开的状态，然而这里的阀塞4设有一向下延伸段8，它轴向地通过旁路管道19，与外壳1和中心支撑杆40同心。此延伸段8起着气流分离器的作用，它有一筒形的上部和一锥形的下端部。为了改善旁路管道19内的消音作用，至少在气流分离器8的部分长度上，与套筒阀3面对的、气流分离器8之筒形部分的外表面上敷有消音衬35。此外，在套筒阀3的下面部分的内表面上也敷有消音衬42。然而，套筒阀3上部约五分之一的部分并没有敷设消音衬42，以避免气流通过旁路管道的环形出口16时干扰气流或产生节流。

如图4A至图4D所示，除了那些连杆20提供的支撑外，套筒还需要横向支撑，以避免套筒阀过分的振动。可以通过各种不同的方法来解决这个问题。在此实施例中，套筒3装有固定在其外表面上的三条导轨24。这些导轨24在套筒的长度方向上延伸，它们围绕套筒在空间上各相隔120°地配置。相似地，此装置的外壳1也相应地装有与导轨24相面对的三条导轨22。导轨的尺寸应选择得使相对面的那些导轨的表面之间的间隙44比较小。有几对导板23安装在靠近导轨22的顶部和底部，并由此延伸以很小的间隙把导轨24围在其间，以防止套筒3上的导轨24移动时偏离与外壳1上导轨22的对准位置。如图4A、4C和4D所示，套筒3上每一条导轨24的底部都有一个滚轮机构25。在此滚轮机构中，滚轮46可以通过绕轴47转动沿导轨22的表面自由滚动。支承板49在该轴47的两端把轴47固定，而支承板49则连接在滚轮块48的上端。滚轮块48又通过减振接头45依次在其上下两端连接在导轨24上。从图4A还可以看到，外壳1上每一条导轨22的上端也装有一套类似的滚轮机构。滚轮机构25′与滚轮机构25不同，那是因为滚轮机构25′的滚轮块48′是连接在导轨22上的，而且它的滚轮是沿导轨24的表面滚动的。

图5和图6示出了本发明的另两个实施例，用以说明导引套筒3移动的另外两种方法。在图5和图6中，对相似的部件都标以与图1至图4相应部件相同的代号，但是不再对它们进行说明了，因为它们只是在尺寸和形状上有所不同。

在图5中，套筒3在所示的最低位置处由连接在外壳1顶部和底部的四根连杆53引导。阀塞4也由连杆53支撑，以便与套筒3保持同心。套筒3可以通过连接在套筒3上的管状轴承54沿连杆53滑动。此实施例的另一特征是阀塞4可以沿连杆53向上轴向地滑动一段小距离，这就提供了一种限制操纵装置9施加在套筒3和阀塞4上的负载的措施，从而可以防止因任何原因在套筒3向上轴向移动过量时，损坏设备。

如图6所示，套筒3正位于其最上端的位置，也就是旁路管道被关闭了。在此实施例中，阀塞4有一筒形延伸段58，此延伸段经过旁路管道19轴向向下延伸到阀座11以下的一位置。阀塞4的顶部由若干柱形支承杆55作横向支撑，而那些柱形杆又连接在外壳1上。阀套筒3由两个引导轴承56引导，并横向支撑在阀塞4上。

虽然在以上图1至图6中只示出了套筒阀3在其两个极端位置处的情况，但是应该理解为根据操纵装置9控制的不同输入(量)，套筒3的位置是可以变化的。因此，套筒阀3可以处于中间的位置，依此一部分热燃气10流过旁路管道19，另一部分则流过热交换器管列2。

此外，虽然在上述的装置中，套筒3限定了旁路管道19和热交换器管道的内壁，但是它也可能具有一在可移动的套筒3上附加的结构内壁，以达到把旁路管道与热交换器管列分开的目的。

除了以上图1至图6中介绍的热交换器内部设置方法外，还可以在本发明的范畴内引伸出其他设置方法。

外壳1、热交换器管道和内旁路管道19最好做成筒形的，然而制作成非圆形截面形状的此类构件也可以完成同样的功能。

热交换器的结构也可以做成燃气是向相反方向排出的，只需对图中所示相应部分的内部结构作很小的修改即可。

在本发明所示的所有附图中热交换器的位置都是最适宜动作的垂直结构配置，然而，对图中所示相应部分的内部结构作很小的修改后，它也可以在其他安放位置下工作，包括水平安放，甚至把它颠倒过来安放。还可以变换热交换器内部的结构，使阀塞位于热交换器的另一端，这种安排在某些应用场合可能是有利的。

操纵机构的位置和操纵机构连杆的连接也可以从热交换器的下端改变到上端。

除了以上文字和附图中介绍的以外，在本发明的范畴外，套筒还可以用其他方式来操纵和引导。

Claims (9)

1．一种用于回收热燃气热量的热交换装置包括热交换管道装置、旁路管道装置、位于热交换管道装置内的热交换管列装置和一用于改变流经旁路管道装置而不流经热交换管道装置的热燃气流量的位置可变的套筒阀装置，热交换管列装置围绕着位置可变的套筒阀设置，该位置可变的调节阀装置包括两个管道装置之轴向可移动的套筒装置由此同时控制流经热交换管道装置和旁路管道装置的热燃气流量。

2．按权利要求1的热交换装置，其特征在于，套筒装置限定该旁路管道装置和一热交换管道装置的内壁。

3．按权利要求1或2的热交换装置，其特征在于，套筒装置适于相对于热交换管道装置的进口装置和旁路管道装置的出口装置在两个极端位置间轴向移动，从而在一个极端位置，热交换管道装置的进口装置是打开的，而套筒装置则关闭了旁路管道装置的出口装置，在另一个极端位置，套筒装置关闭了热交换管道装置的进口装置，而旁路管道装置的出口装置却是开着的。

4．一带有实质上安全的内旁路阀的热交换装置包括：

一个外壳；

一组在外围并纵向延伸的热交换器管列；

一个相对于热交换器管列可以轴向移动的套筒阀；

一个阀塞；

一个外壳阀座；和

套筒阀的操纵装置；

因此，内套筒阀形成了实质上安全的阀门，由操纵装置操纵的热交换器之轴向可移动的套筒装置可在轴向行程的一个极端位置于阀塞上形成一气密封，致使燃气流经热交换器管列，而在其行程的另一个极端位置，可在外壳阀座处形成一气密封，致使燃气流经包括阀门套筒之中央通道的旁路管道，而未流经热交换器管列。

5．按权利要求4的热交换装置，其特征在于，包括把密封空气引到外壳阀座和热交换器管列之间的环形空间的装置。

6．按上述权利要求中任一的热交换装置，其特征在于，其与发动机成串联配置，以接纳发动机排出的燃气。

7．按上述权利要求中任一的热交换装置，其特征在于，旁路管道含有消音衬以降低由此装置发出的噪音能级。

8．按上述权利要求中任一的热交换装置，其特征在于，旁路管道装有一气流分离器以利于引导热燃气通过此装置。

9．按权利要求8并从属于权利要求4的热交换装置，其特征在于，该气流分离器包括一阀塞的延伸段。

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