CN1560437A - 一种燃气轮机原表面回热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型燃气轮机的回热器，具体地说是一种为提高燃气轮机的热效率而使用的一种原表面换热器，能够提高紧凑度及回热器使用寿命。在回热器主体的右下角及左上角安装气体进出口通道，高压空气自空气进口通道流进回热器主体，从空气出口通道流出，通过间隔焊接换热板的左、右边框形成空气进出口，通过间隔焊接换热板的上、下部边框而形成燃气进出口，燃气从燃气进口流进回热器主体，从另一侧燃气出口流出，换热板的中心呈平行四边形的换热波纹片，位于换热波纹片左右两侧的三角形踏平区，踏平区用来安放导流片，换热板留有用来焊接及密封的边框条。采用改进的波纹板，使两侧流体流速相差不大，两侧介质的换热效果达到最佳，提高换热效果。

Description

一种燃气轮机原表面回热器

技术领域

本发明涉及一种微型燃气轮机的回热器，具体地说是一种为提高燃气轮机的热效率而使用的一种原表面换热器。

背景技术

回热器用在微型燃气轮机中，有效利用从涡轮出口的燃气余热来加热压气机出口的高压空气，从而提高装置的热效率。一般采用由平行薄平板叠加所组成的板式换热器，为强化换热并增加板片的刚度，在平板上压制出波纹，两相邻波纹板之间用设计的密封条隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。现借助附图1来说明一种现有技术的分体式回热器。

图1(a)、(b)所示为现有技术的分体式回热器结构示意图，其中，自压气机出来的空气沿9自左下方圆通道6流进回热器1，流经中心倾斜一定角度的波纹换热通道被加热，从右上方圆形通道7流出进入燃烧室。燃气从回热器侧面10进入回热器，与空气进行换热，冷却后从另一侧面10流出。形成一个换热通道的两块换热板2、3波纹方向成一定夹角，空气侧换热通道的两片换热板四周用两个“L”形密封条19密封，留出空气进、出口，这样形成空气进、出口通道4、5；两片换热板外面在上下边缘用平直密封条20密封形成燃气侧换热通道，两侧分别形成燃气进出口通道。由图可见，这种现有技术的回热器包括焊接成整体的波纹片，上下两个圆形空气进出口通道。

现有技术波纹板采用的是波纹尺寸相同的CC(Cross Corrugated，交错人字波纹)表面及改进的CC表面，这是两种强化换热表面，流体在这些表面形成的通道流动时，存在二次流可改变主流方向。对于前一种表面形成的两侧流体流动通道是相同的，流道的横截面面积也是相同的。

但是，目前的回热器存在下列的问题：

分体式回热器中采用的是CC波纹表面及改进的CC表面，从强化传热的机理来看，利用二次流并不断改变主流方向流体的流向可强化换热，以空气侧为例，空气自圆形通道进入回热器之后，有一次流和二次流两种形式，首先进入如图1(a)中所示的进、出口三角区8，然后进入换热板芯子部分平行四边形区，由于换热板通道具有一定的倾角，越靠近三角区8顶部，流动阻力越大，流动速度降低，导致流体流动分布的严重不均匀，特别是该结构使部分流体很难到达三角区顶部，空气很难流经回热器顶部区域与燃气进行换热，也即该结构回热器顶部存在空气很难到达的“死区”。这种情形不仅引起换热不均匀，换热效率显著下降，而且也影响回热器的寿命。

这种采用波纹表面的回热器，对于每块换热板三角区8的波纹进行了改进，换热板三角区的波纹高度低于芯子部分平行四边形区波纹高度，使得两块换热板2、3在三角区并未接触，三角区采用这种表面虽然能起到一定的导流作用，但是，这样使得回热器换热面积大大减小，降低了换热效率。

另外，这种回热器结构在形成一个换热通道时，两块换热板2、3在流动方向上交错成一定角度，交叉角度越大，加强了流体的纵向流动，换热性能越好，但同时压损也越大。尤其是对空气侧，燃气轮机系统是要靠提高空气的压力和温度用来对外作功的，而如果在回热器中压损太大的话，那对于整个燃气轮机效率来说是很不利的。事实上，压损是影响回热器效率的重要因素。此外随着压损的增大，使得回热器容易结垢堵塞。

对于采用CC表面的回热器，燃气侧、空气侧流道截面面积相等，这对于两侧体积流量相近时，换热效果较好，但是若两侧体积流量差别较大时，如在微型燃气轮机中燃气与空气两侧的体积流量相差3倍多，流速相差较大，换热效果明显下降。

现有技术中对于改进的CC表面，只是对这种表面波纹形状进行了改进，并未确定这种表面形成的空气、燃气两侧流道截面面积之比，也并未确定如何改进这种表面才能使回热器两侧介质换热效果最好。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能够使冷热流体均能按照更加合理形式流动的燃气轮机回热器结构，以提高回热器热交换效率，并大大提高紧凑度及回热器使用寿命的燃气轮机原表面回热器。

为了实现上述目的，本发明提供一种带导流片的原表面回热器，包括回热器主体，在回热器主体的右下角及左上角安装气体进出口通道，回热器主体是由若干换热板焊接而成，高压空气自空气进口通道流进回热器主体，从空气出口通道流出，通过间隔焊接换热板的左、右边框形成空气进出口，通过间隔焊接换热板的上、下部边框而形成燃气进出口，燃气从燃气进口流进回热器主体，从另一侧燃气出口流出，其改进之处在于，换热板分三部分构成：中心呈平行四边形的换热波纹片，位于换热波纹片左右两侧的三角形踏平区，换热板周围留有用来焊接及密封的边框条，其中，踏平区用来安放导流片。

对于回热器导流区，除了充分实现使流体均匀进入波纹换热区的作用外，由于导流部分面积在整个换热面积中占相当比例，对于紧凑式高效回热器，我们对导流区进行强化换热。本发明导流片我们可采用CC波纹片、平直翅片或锯齿形翅片的结构方式，使导流充分，压降减小，而且增大换热面积，有效提高换热效率，此外，采用导流片的换热板工艺简单，使回热器结构更加紧凑。

本发明对于相邻两块换热板波纹方向交叉角的选取考虑换热性能与压损的最佳匹配，选取为60°，流体进入换热通道后产生二次流动，这样不仅获得较高的换热效率，而且使压损不致过高，整个结构重量轻，紧凑性好，提高了回热器的使用寿命。

本发明换热板采用MCC(Modified Cross Corrugated，改进的交错人字波纹)波纹板进行了改进，即空气和燃气流通截面积不等，根据空气燃气两侧的压力恢复系数及体积流量确定，使两侧流体流速相差不大，两侧介质的换热效果达到最佳。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。发明中的其他目的和优点也可在其中得以体现。

附图说明

图1(a)是现有技术原表面回热器整体结构示意图；

图1(b)是现有技术原表面回热器换热板结构示意图；

图2(a)是本发明带导流片原表面回热器整体结构示意图；

图2(b)是本发明换热板结构示意图；

图3(a)是本发明带导流片及封条的原表面回热器部分芯子分解示意图；

图3(b)是图3(a)中沿A-A的剖面图；

图3(c)是图3(a)中沿B-B的剖面图；

图4(a)是本发明空气侧导流片采用CC波纹片的结构示意图；

图4(b)是本发明燃气侧导流片采用CC波纹片的结构示意图；

图5(a)是本发明空气侧导流片采用平直翅片的结构示意图；

图5(b)是本发明燃气侧导流片采用平直翅片的结构示意图；

图6(a)是本发明空气侧导流片采用锯齿形翅片的结构示意图；

图6(b)是本发明燃气侧导流片采用锯齿形翅片的结构示意图。

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例。

下面结合附图对本发明的具体内容作进一步详细说明：

参照图2(a)所示，原表面回热器由主体1与空气进、出口圆形通道6、7焊接组成，主体1由多块换热板2、3焊接在一起形成，换热板焊接时形成空气进、出口4、5，空气进、出口外接圆形通道6、7分别与空气入口4、空气出口5平行，被分别焊接在回热器两个对角，空气沿9所示的方向流进入口4，经导流片11进入换热波纹区12进而沿另一侧导流片11导出主体1，沿空气出口5流出回热器，燃气从回热器侧面沿10所示的方向进入主体1，沿另一侧10流出。

在形成一个空气侧换热通道时，空气进、出口4、5未被封住，将形成一系列各自平行的空气进、出口4、5，在空气进、出口4、5上分别焊接上对应的气体进、出口通道6、7，气体进、出口通道6、7焊接在主体1时，截面为切掉圆缺的圆，其圆缺的弦长分别与空气进、出口4、5宽度相吻合，而且，气体进、出口通道6、7还可以选用圆形、矩形、椭圆型等。

参照图2(b)所示，换热板2、3分两部分构成：中心呈平行四边形的换热波纹片12、13，位于换热板上的换热波纹片12、13左右两边的三角形的踏平区14，踏平区14用来安放导流片11。

回热器通过边框条上的密封条焊接在一起，利用中间换热波纹板波峰与波谷的接触为支撑。

参照图3(a)所示，换热波纹板2上四周预留有边框，相邻两个边框分别形成两个“L”形边框条19，位于换热板2的两个对角上，换热板2、3焊接形成空气通道时，“L”形密封条沿边框条19将换热板2、3焊接而成，未被封住段各自作为空气进、出口4、5，在空气进、出口4、5延伸进呈三角形的CC导流片11，  CC波纹片高度将与空气进、出口4、5高度尺寸相吻合，焊接时4、5将保持它们各自的尺寸。对于回热器主体1焊接只需对边框封条进行即可，置于三角踏平区的导流片只需点焊固定即可。

另外，换热波纹板3上、下部留有边框条20，直密封条沿边框条20将换热板3、2焊接形成了燃气换热通道，从而得到侧面边框上的燃气入口17和另一侧面边框上的燃气出口18。沿燃气进、出口17、18分别放置呈梯形的CC导流片11。在导流区安放CC波纹翅片11，方向与流体各自进、出回热器的方向一致，两块换热板上的导流片分别呈90°的夹角。

加工制造一台回热器，很重要的就是要具有尽可能高的面密度(即单位体积的换热面积)，要求尽可能以最佳介质流动方式，增加扰动，从而强化换热，为达到此目的，选择换热板的结构型式是很重要的。

参照图3(b)、(c)所示，波纹板2、3之间间隔分别形成空气、燃气流动通道15、16，换热板2芯子部分是呈平行四边形的波纹板12，波纹板12上的波形由波峰25和波谷26组成，同样的，换热板3芯子部分是呈平行四边形的波纹板13，波纹板13上的波形由波峰23和波谷24组成。当形成一个空气通道15时，波纹板12上的波谷26与波纹板13上的波峰23相接。相对的，波纹板12上的波峰25与波纹板13上的波谷24相接就形成了一个燃气通道16。波纹板12上的波峰25与波纹板13上波谷24的内切圆21尺寸相同，同样波纹板12上的波谷26与波纹板13上波峰23内切圆22尺寸相同。这样我们通过调节内切圆21和22的半径比，就可以得到空气通道截面15面积与燃气通道截面16面积的不同比。换热板2的波谷26的内切圆22半径与波峰25的内切圆21半径比值为空气与燃气的压比，同样，换热板3的波峰23的内切圆22半径与波谷24的内切圆21半径比值为空气与燃气的压比。当两块或更多换热板焊接时，波峰和波谷沿着流动通道延伸，流体在波峰和波谷之间流动，波峰与波谷形成的流动通道决定着介质流动的特性。

另一个实施例，为了取得适宜的压降分布，在装配换热板时为了得到不同类型的流动通道，波纹板可以有不同的模式。如图3(b)中，换热板2上的芯子部分波纹板12的波谷26和换热板3上的芯子部分波纹板13的波谷24取各自不同的深度，同样可以调节空气、燃气通道截面面积。

换热板2的波谷26和换热板3的波峰23相接形成一个空气侧换热通道，空气换热通道15由换热板2的波谷26和换热板3的波峰23交错一定的角度形成。换热板2的波谷26和换热板3的波峰23由于交叉有一个接触点，在换热板被焊接在一起时，加强了回热器的强度。波谷26和波峰23的交叉角度在45°～75°，最佳角度为60°。

回热器燃气侧换热通道是由换热板2的波峰25与换热板3的波谷24相接形成。换热板2的波峰25和换热板3的波谷24交错一定的角度形成燃气流动通道16。换热板2的波峰25与换热板3的波谷24具有相同的高度。在焊接时，采用具有适宜厚度的密封条使波峰25与波谷24有一个接触点。这将避免空气在另一流动通道15中流动时，因为具有较高的压力，从而使两侧的流动通道15、16发生变形。

通过焊接密封条形成了燃气换热通道，从而得到侧面边框上的燃气入口17和另一侧面边框上的燃气出口18。因空气、燃气两种介质质量流量相差不大，而燃气是由透平做功后排出来的，它的压力只比大气压略高，空气是经过压缩机压缩后压力可达到3～6bar，这里我们取3.8bar，因而空气密度比燃气密度大，为了使两侧流速相差不大，所以燃气进出、口比空气进、出口迎风横截面积要大。

此外，本发明的另一个实施例是空气出口5比空气进口4尺寸要大，对于功率100kW的微型燃气轮机，空气出口5比空气进口4尺寸宽16％，也即空气出口三角区要比空气入口三角区面积要大。这是因为随着空气的流动，空气温度升高，压力减小，密度减小，流速增大，为了使空气进、出口流体流速相差不大，所以增大空气的出口尺寸。

导流片11很重要的作用就是使介质在换热板中流动均匀，压损要尽可能的小，以保证高压空气在透平中做功最大。导流片我们采用了直通道，压损小，介质在导流片中的流动方向与各自进、出口流动方向一致。当两种介质分别从各自进口流入，对于每一股流体它们流经整个换热通道的路径是相同的，也即压降是相同的，避免了通道内流体流动不均。

参照图4(a)、(b)所示，导流区采用CC波纹表面，其表面将换热片冲压一定的波形，表面传热系数高，在传热阻力的综合性能方面具有相当大的优越性。

参照图5(a)、(b)所示，导流区采用平直翅片，其流动阻力系数较小，具有较高的承压强度。

参照图6(a)、(b)所示，导流区采用锯齿形翅片，它可以看作现有技术所采用平直翅片被切成许多短小的片断，相互错开一定的间隔而形成的间断式翅片。这种翅片能有效地对气体进行扰动，促进流体形成湍流，破坏边界层，从而有效的提高换热效率。实践表明，在压力损失相同的条件下，它的传热系数要比平直翅片高30％以上。由于这种翅片换热效率高，可以使回热器进一步紧凑。

本发明提供的带导流片的原表面回热器，其换热板分三部分构成：中心呈平行四边形的换热波纹片，位于每一个换热板左右两边三角形的用来安放导流片的踏平区，四周用来焊接及密封的边框条。加工换热板时，只是在中心平行四边形区的冲压波纹，换热板左右两边是预留的三角形平板区，由于冲压成形的波纹曲线尺寸非常小，空气、燃气侧通道平均当量直径只有1.5mm左右，所以波纹区与平板区分界线处褶皱较小，对流体流动阻力影响可忽略。然后，将加工好的导流片安放进平板区，只需点焊固定即可。导流片是分别按照空气、燃气各自的进、出口方向安放进去的，两块换热板上的导流片呈90°的夹角。采用这种带导流片的波纹板回热器，导流片的作用是非常明显的，可将两侧气体均匀的分布至换热板芯部进行换热，对于每一股流体它们流经整个换热通道的路径是相同的，也即压降是相同的，避免了因流动不均所引起的所谓“短路”现象。此外，在导流区流体流动的压降是很小的，充分实现使流体均匀进入波纹换热区的作用。

Claims (7)

1.一种燃气轮机原表面回热器，包括回热器主体(1)，在回热器主体(1)的右下角及左上角安装气体进出口通道(6、7)，回热器主体(1)是由若干换热板(2、3)焊接而成，高压空气自空气进口通道(6)流进回热器主体(1)，从空气出口通道(7)流出，通过间隔焊接换热板(2)的左、右边框形成空气进出口(4、5)，通过间隔焊接换热板(3)的上、下部边框而形成燃气进出口(17、18)，燃气从燃气进口(17)流进回热器主体(1)，从另一侧燃气出口(18)流出，其特征在于，换热板(2、3)分三部分构成：中心呈平行四边形的换热波纹片(12)，位于换热板的换热波纹片(12)左右两侧的三角形的踏平区(14)，周边留有用来焊接及密封的边框条(19、20)，其中，踏平区(14)用来安放导流片(11)。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，所述的踏平区(14)是光滑平板。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，导流片(11)是沿着空气和燃气各自进、出回热器主体(1)的方向安放进踏平区(14)，两块换热板(2、3)上的导流片(11)呈90°夹角。

4.根据权利要求1或4所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，所述的导流片(11)采用交错人字波纹CC波纹片或平直翅片或锯齿形翅片。

5.根据权利要求1或5所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，所述的导流片(11)是锯齿形翅片，该锯齿形翅片是由平直翅片切成的，相互错开一定的间隔而行成的间断式翅片。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，换热板(2)的波谷(26)的内切圆半径与波峰(25)的内切圆半径比值为空气与燃气的压比，同样，换热板(3)的波峰(23)的内切圆半径与波谷(24)的内切圆半径比值为空气与燃气的压比。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机原表面回热器，其特征在于，所述的换热板(2、3)在连接成换热通道时，在换热板(2)上换热波纹片(12)的波谷(26)与换热板(3)上换热波纹片(13)的波峰(23)在波纹方向交错45°-75°，两块换热板(2、3)的波纹片(12、13)是点接触。

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