CN1566619A - 用于小燃气轮机的回热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于小燃气轮机的回热器，该回热器为分体式回热器或者环形回热器，包括一个本体，本体内包含燃气腔和压缩空气腔，燃气腔和压缩空气腔之间设有换热面。所述本体外部的燃气通道与本体内的燃气腔相连通。该回热器还包括与燃气通道并联设置的燃气旁路，燃气通道和燃气旁路上分别设有一切换阀门。本发明的用于小燃气轮机的回热器实现了回热度的可调性，通过调节切换阀门来调节燃气流量和压缩空气的流量，可使从回热器出口进入余热锅炉的热焓值根据需要增加或减小。本发明的回热器还能够在可调回热度时，降低燃气和压缩空气通过回热器的流动阻力，优化匹配整个系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于小燃气轮机的回热器，更具体地说，本发明涉及一种用于小燃气轮机且回热度可调的回热器。
背景技术
微(小)型燃气轮机(Micro-Mini turbines)的输出功率在5KW至500KW之间。微型燃气轮机简单循环(即不使用回热器)的热效率不超过20％。要使微型燃气轮机的效率达到30％以上就必须在循环中使用回热器。当微型燃气轮机工作时，从涡轮出来的燃气通过回热器后排放到大气中；从压气机出来的压缩空气通过回热器再进入燃烧室。在回热器中，从涡轮出来的燃气与压气机出来的压缩空气换热，使排放燃气的热能传给进入燃烧室的空气，这样就节省了大部分燃料。为达到较高的热效率，30％或者更高，必须采用回热器。回热器是使微型燃气轮机获得较高效率的关键部件。
关于回热器，国际上相关的研究报道多针对回热器的性能、紧凑性等(参见文献：[1]C.Zimmerer，P.Gschwind，GGaiser and V.Kottke，Comparison of heat and masstransfer in different heat exchanger geometries with corrugated walls，ExperimentalThermal and Fluid Science 26(2002)269-273；[2]Colin F McDonald，Low-cost CompactPrimary Surface Recuperator Concept for Microturbines，Applied Thermal Engineering20(2000)471-497)。国际上几个小燃机公司在这几方面取得了值得关注的进展。
与该回热器领域相关的专利有：[3]US2002035830 Reversible recuperator；[4]WO0163175 Reveriseble recuperator；[5]US6293338 Gas turbine engine recuperator；[6]WO0239045 IMPROVED ANNULAR RECUPERATOR DESIGN；[7]US6158121Method and apparatus for making a recuperator cell；[8]US6112403 Method andapparatus for making a recuperator cell；[9]ZL 92225207.6，原表面全逆流式热交换器。所涉及的方面有，可逆回热器设计、制造回热器腔体的方法和设备、改进的环形回热器设计和一些回热器的制造方法等。
目前的小燃机系统已经从小型热电联产CHP(Combined Heating and Power)正走向高效利用能源资源的小型冷热电联供系统CCHP(Combined Cooling-Heating andPower)(参见文献：[10]朱成章，从小型热电联产走向冷热电联产，燃气轮机发电技术，2000年第2期；[11]李宇红，从天燃气利用看我国燃气轮机热电联产的发展，2000年第2期)。CCHP是一种建立在能量梯级利用概念的基础上，将制冷、供热及发电过程有机结合在一起的总能系统。通过吸收式制冷循环和供热循环的有机结合，使系统内的中低温热能得以更加合理的利用，提高能源利用效率，减少有害气体的排放。但是，考虑到冷热电联供的情况，目前的小燃机回热器的应用就受到了很大的限制，主要是不能进行变流量调节和切换，使冷热的供应难于根据需要进行调节。于是就需要有一种回热器，它能够根据冷、热的切换要求对回热度进行调节。在上述的公开文献和专利中均未提供一种可调回热度的回热器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有用于小燃气轮机的回热器回热度不可调的不足，从而提供一种用于小燃气轮机的回热器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于小燃气轮机的回热器，该回热器为分体式回热器，包括一个本体1，本体1内包含燃气腔2和压缩空气腔3，燃气腔2和压缩空气腔3之间设有换热面4，位于所述本体1外部的燃气进通道5和燃气出通道6与本体1内的燃气腔2相连通，位于所述本体1外部的压缩空气进通道7和压缩空气出通道8与本体1内的压缩空气腔3相连通。还包括一燃气旁路9，所述燃气旁路9的一端与燃气进通道5在第一接口10处相连通，燃气旁路9的另一端与燃气出通道6在第二接口11处相连通；在第一接口10和第二接口11之间的燃气通道5、6上设有第一切换阀门12；在所述燃气旁路9上设有第二切换阀门13。
该分体式回热器还包括一压缩空气旁路14。所述压缩空气旁路14的一端与压缩空气进通道7在第三接口15处相连通，所述压缩空气旁路14的另一端与压缩空气出通道8在第四接口16处相连通。在第三接口15和第四接口16之间的压缩空气通道7、8上设有第三切换阀门17；在所述压缩空气旁路14上设有第四切换阀门18。
所述燃气进通道5和压缩空气进通道7位于本体1的两侧。所述第一切换阀门12和第二切换阀门13联动设置。所述第三切换阀门17和第四切换阀门18联动设置。
本发明还提供一种用于小燃气轮机的回热器，该回热器为环形回热器，包括环形本体21，环形本体21内包括燃气腔2以及分别与燃气腔2连通的环腔22和圆腔23，环形本体21包覆一压缩空气腔3，燃气腔2和压缩空气腔3之间设有换热面4，位于所述环形本体21外部的燃气出通道6与环腔22相连通。还包括一燃气旁路9，所述燃气旁路9的一端与圆腔23相连通，燃气旁路9的另一端与燃气出通道6在第二接口11处相连通；在第二接口11和环腔22之间的的燃气出通道6上设有第一切换阀门12；在所述燃气旁路9上设有第二切换阀门13。
所述第一切换阀门12和第二切换阀门13联动设置。
本发明的用于小燃气轮机的回热器实现了回热度的可调性，通过调节燃气流量和压缩空气的流量，可使从回热器出口进入余热锅炉的热焓值根据需要增加或减小。本发明的回热器还能够在可调回热度时，降低燃气和压缩空气通过回热器的流动阻力，优化匹配整个系统的性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的分体式回热器的结构示意图；
图2是回热器的换热面的结构示意图；
图3是本发明实施例2的分体式回热器的结构示意图；
图4是本发明实施例3的环形回热器的结构示意图。
图面说明：
回热器本体1 燃气腔2 压缩空气腔3 换热面4
燃气进通道5 燃气出通道6 压缩空气进通道7 压缩空气出通道8
燃气旁路9 第一接口10 第二接口11 第一切换阀门12
第二切换阀门13 压缩空气旁路14 第三接口15 第四接口16
第三切换阀门17 第四切换阀门18 燃气19 压缩空气20
环形本体21 环腔22 圆腔23 燃烧室24
径向入口25 涡轮燃气出口26
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示的分体式回热器，包括一个本体1，本体1内包含有燃气腔2和压缩空气腔3，燃气腔2和压缩空气腔3之间设有换热面4。在本体1的外部，设有供燃气流动的燃气通道和供压缩空气流动的压缩空气通道，其中，燃气进通道5和燃气出通道6与本体1内的的燃气腔2相连通，压缩空气进通道7和压缩空气出通道8与本体1内的压缩空气腔3相连通。本发明的回热器应用在小燃气轮机时，压缩空气进通道7与压气机(图中未示)的出口相通，燃气轮机的燃烧室(图中未示)分别与压缩空气出通道8与和燃气进通道5相通，燃气出通道6与余热锅炉(图中未示)的燃气入口相通。当小燃气轮机工作时，从压气机出来的压缩空气20通过回热器的压缩空气腔3再进入到燃烧室。压缩空气在燃烧室内燃烧后，燃气19进入到回热器的燃气腔2中。在回热器中，燃气19与压气机出来的压缩空气20通过换热面换热，使得燃气19的热能传给即将进入燃烧室的压缩空气20。最后燃气19从回热器中排出，进入到余热锅炉中。其中，燃气进通道5和压缩空气进通道7优选布置在本体1的不同两侧，这样燃气19和压缩空气20以相对的方向进入回热器，形成逆流，换热效果较好。由于使用了回热器，使得整个小燃气轮机系统达到较高的热效率，可以节省大部分燃料。
为了使得进入余热锅炉的燃气19的焓值能够根据需要而调节，实现制冷或供暖的目的，本发明的回热器在燃气通道(包括燃气进通道5和燃气出通道6)上设置了一燃气旁路9。该燃气旁路9的两端分别与燃气进通道5和燃气出通道6相连通，其接口分别为第一接口10和第二接口11。在所述接口10和11之间的燃气进通道5或燃气出通道6上设有一第一切换阀门12，在燃气旁路9上设有第二切换阀门13。由于设置了燃气旁路9，就允许一部分或者全部燃气19不经过回热器内的换热过程而通过燃气出通道6的出口直接进入到余热锅炉中，并且通过调节第一切换阀门12和第二切换阀门13，可以改变调节19在燃气旁路9中的流量，从而调节进入余热锅炉的燃气19的焓值。这样，就可根据冷、热的切换要求，实现了对回热器回热度的调节。
其中，第一切换阀门12和第二切换阀门13可使用大流量的、可连续调节的电磁阀。这两个匹配的电磁阀可以通过计算机程序控制，实现联动调节。例如当需要进入余热锅炉的燃气19的焓值增加时，可将第一切换阀门12关闭到一定程度，而同时将第二切换阀门13打开到一定程度，反之也可，这样就实现了回热器的回热度调节。
本体1中的换热面4采用多层结构。如图2所示，燃气流道和压缩空气流道交叠：一层燃气流道，接着是一层压缩空气流道，再接着一层燃气流道，然后又是一层压缩空气流道，依次排列。在每相邻的两层流道之间是互相密封的，所有的燃气流道形成图1中的燃气腔2，所有的压缩空气流道形成图1中的压缩空气腔3。
实施例2：
如图3所示的回热器，其构造与实施例1基本相同。不同之处在于，该回热器还包括一压缩空气旁路14。压缩空气旁路14的一端与压缩空气进通道7在第三接口15处相连通，其另一端与压缩空气出通道8在第四接口16处相连通。在第三接口15和第四接口16的压缩空气通道7或8上设有第三切换阀门17；在压缩空气旁路14上设有第四切换阀门18。由于设置了压缩空气旁路14，就允许一部分或者全部压缩空气20不经过回热器内的换热过程而通过压缩空气出通道8的出口直接进入到燃烧室中，并且通过调节第三切换阀门17和第四切换阀门18，可以调节压缩空气20在压缩空气旁路14中的流量，从而调节压缩空气20在回热器内的流动阻力。
例如，当需要进入余热锅炉的燃气19的焓值增加时，将第一切换阀门12关闭到一定程度(例如一半)，而同时将第二切换阀门13打开到一定程度(例如一半)；与对燃气的调节相匹配，当需要进一步减小压缩空气20的流动阻力时，将第三切换阀门17关闭到一定程度(例如全闭)，而同时将第四切换阀门18打开到一定程度(例如全开)，则压缩空气20可直接进入燃烧室，从而减小压缩空气20在回热器内的流动阻力。
实施例3：
如图4所示的环形回热器，它与分体式回热器的区别在于环形回热器本体21和换热面4是包在燃烧室24外面的，呈环形。环形本体21包括有燃气腔2、环腔22和圆腔23，环腔22和圆腔23位于燃气腔2的两端并与其相连通。燃烧室24位于环形本体21的内腔中。环形本体21内的压缩空气腔3与燃气腔2之间设有换热面4。燃气出通道6与环腔22相连通，并从环腔22向环形本体21的外部延伸。
在图4中，箭头
表示压缩空气流，箭头
表示燃气流。当小燃气轮机工作时，从压气机出来的压缩空气通过回热器径向入口25进入回热器本体21，通过换热面4与燃气换热后，进入到燃烧室24内燃烧。燃烧后的燃气从涡轮燃气出口26出来进入换热器本体21内的圆腔23。然后，燃气从圆腔23进入到燃气腔2，并通过换热面4与压缩空气换热后进入到环腔22，燃气经环腔22收集后进入到燃气出通道6，最后从燃气出通道6进入到余热锅炉(图中未示)。
为了使得进入余热锅炉的燃气的焓值能够根据需要而调节，实现制冷或供暖的目的，本发明的环形回热器在圆腔23和燃气出通道6之间设置了一燃气旁路9。燃气旁路9的一端与圆腔23相连通，另一端与燃气出通道6在第二接口11处相连通。在第二接口11和环腔22之间的的燃气出通道6上设有第一切换阀门12，在燃气旁路9上设有第二切换阀门13。
虽然环形回热器没有如图1和图3那样的压缩空气进通道7和压缩空气出通道8，也就无法像实施例2那样通过设置压缩空气旁路来调节压缩空气的流量。但是，依然可以像实施例1那样通过设置燃气旁路9，通过第一切换阀门12和第二切换阀门13来调节燃气的流量，从而调节进入余热锅炉的燃气的焓值，实现回热度的可调。
其中，第一切换阀门12和第二切换阀门13可使用大流量的、可连续调节的电磁阀。这两个匹配的电磁阀可以通过计算机程序控制，实现联动调节。
Claims (7)
1、一种用于小燃气轮机的回热器，该回热器为分体式回热器，包括一个本体(1)，本体(1)内包含燃气腔(2)和压缩空气腔(3)，燃气腔(2)和压缩空气腔(3)之间设有换热面(4)，位于所述本体(1)外部的燃气进通道(5)和燃气出通道(6)与本体(1)内的燃气腔(2)相连通，位于所述本体(1)外部的压缩空气进通道(7)和压缩空气出通道(8)与本体(1)内的压缩空气腔(3)相连通；其特征在于，还包括一燃气旁路(9)，所述燃气旁路(9)的一端与燃气进通道(5)在第一接口(10)处相连通，燃气旁路(9)的另一端与燃气出通道(6)在第二接口(11)处相连通；在第一接口(10)和第二接口(11)之间的燃气通道(5、6)上设有第一切换阀门(12)；在所述燃气旁路(9)上设有第二切换阀门(13)。
2、根据权利要求1所述的用于小燃气轮机的回热器，其特征在于，还包括一压缩空气旁路(14)；所述压缩空气旁路(14)的一端与压缩空气进通道(7)在第三接口(15)处相连通，所述压缩空气旁路(14)的另一端与压缩空气出通道(8)在第四接口(16)处相连通；在第三接口(15)和第四接口(16)之间的压缩空气通道(7、8)上设有第三切换阀门(17)；在所述压缩空气旁路(14)上设有第四切换阀门(18)。
3、根据权利要求1或2所述的用于小燃气轮机的回热器，其特征在于，所述燃气进通道(5)和压缩空气进通道(7)位于本体(1)的两侧。
4、根据权利要求1或2所述的用于小燃气轮机的回热器，其特征在于，所述第一切换阀门(12)和第二切换阀门(13)联动设置。
5、根据权利要求2所述的用于小燃气轮机的回热器，其特征在于，所述第三切换阀门(17)和第四切换阀门(18)联动设置。
6、一种用于小燃气轮机的回热器，该回热器为环形回热器，包括环形本体(21)，环形本体(21)内包括燃气腔(2)以及分别与燃气腔(2)连通的环腔(22)和圆腔(23)，环形本体(21)包覆一压缩空气腔(3)，燃气腔(2)和压缩空气腔(3)之间设有换热面(4)，位于所述环形本体(21)外部的燃气出通道(6)与环腔(22)相连通；其特征在于，还包括一燃气旁路(9)，所述燃气旁路(9)的一端与圆腔(23)相连通，燃气旁路(9)的另一端与燃气出通道(6)在第二接口(11)处相连通；在第二接口(11)和环腔(22)之间的的燃气出通道(6)上设有第一切换阀门(12)；在所述燃气旁路(9)上设有第二切换阀门(13)。
7、根据权利要求6所述的用于小燃气轮机的回热器，其特征在于，所述第一切换阀门(12)和第二切换阀门(13)联动设置。
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