CN1595041A - 一次表面回热器波纹板片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一次表面回热器波纹板片及其制作方法。用于燃气轮机热动系统技术领域。波纹板片的中心为波纹区，平面区在波纹区四周，从纵剖面看，平面区处在波纹区的中平面上，波纹区由波纹通道组成，波纹通道的当量直径在1.5mm，平面区由平板组成，其进口平面区位于波纹区上方，出口平面区位于波纹区下方，焊接平面区位于波纹区两侧。方法如下：用滚压机通过模具将不锈钢平板滚压为全波纹板；在全波纹板上做出一个矩形虚线，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板；在波纹倾斜的全波纹板上再做出一个矩形虚线，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外部分压平，形成波纹区周围的平面区；用线切割机将波纹板片进行外形修剪，成型。
Description
技术领域
本发明涉及一种波纹板片及其制作方法，具体是一种一次表面回热器波纹板片及其制作方法。用于燃气轮机热动系统技术领域。
背景技术
一次表面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。波纹板片是一次表面回热器的核心构件，它影响整个换热器的重量、价格、集成性和性能。目前国际上对波纹板片的研究已趋完善，采用波纹板片的一次表面回热器已经应用于工业燃气轮机。但由于涉及到商业机密，故国际上公开发表的文献都未对一次表面回热器波纹板片及其制作方法给出描述。
经检索发现，专利申请号为01120591.1的发明专利，其中提及波纹板片，但是该波纹板片是用于液-气或液-液换热，通道的尺寸都属于常规的大槽道，而对于用于气-气换热器的微小尺度通道的波纹板片的研究较少。
检索中还发现，梁红侠等人在《中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文集(下册)》，2003，第1075-1078页发表的“微型燃气轮机回热器换热表面的对比研究”一文，对这种回热器波纹板片的形状及布置形式对换热性能的影响进行了对比研究，但都是从理论计算方面进行的研究，并没有考虑实际加工工艺的限制，也没有提出一种工程上可实现的波纹板片设计及其加工方法。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中存在的问题，提供了一种一次表面回热器波纹板片及其制作方法，使其克服了加工限制，实现了波纹板片的工业制作，解决了一次表面回热器制作的核心问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明波纹板片由平面区和波纹区组成。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在1.5mm，波纹通道与波纹板片的纵向对称轴成15°夹角。平面区由平板组成，分为进口平面区、出口平面区和焊接平面区，进口平面区位于波纹区的上方，出口平面区位于波纹区的下方，焊接平面区位于波纹区的两侧。
本发明的波纹板片在工作时，工质首先流经进口平面区，进口平面区和出口平面区起导流和辅助传热的作用；工质然后进入波纹区，波纹区的两侧分别为低温工质和高温工质，工质通过波纹区进行换热，波纹区是主要换热区；工质流出波纹区，经过出口平面区流出。焊接平面区作为焊接边条的基板，用于波纹板片之间的联接。
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。
本发明上述波纹板片的制作方法，步骤如下：
1)利用滚压机通过模具将不锈钢平板滚压为全波纹板，即没有平面区的波纹板片。
2)在步骤1)所得的全波纹板上做出长W、宽L的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴成15°夹角，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板，波纹板片的长度W、宽度L根据燃气轮机对回热器的性能要求而定，一般要求W≤400mm、L≤400mm。
3)在步骤2)所得的波纹倾斜的全波纹板上做出长W-2c、宽L-a-b的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴重合，矩形的上边与波纹板的上边的距离为a，矩形的下边与波纹板的下边的距离为b，矩形的两个侧边与波纹板的相应侧边的距离都为c，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外的部分压平，形成波纹区周围的平面区，波纹区的长度W-2c，宽度L-a-b按照波纹区的面积占整个波纹板片的70-90％而定。
4)利用线切割机将步骤3)的波纹板片进行外形修剪，成型。
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换热表面，不存在二次表面，换热效率高，结构紧凑。2)波纹板片中间为波纹区四周为平面区的结构布置，可获得高温工质与低温工质分流的机制。3)传热表面的厚度仅为0.1mm，导热热阻小且重量轻。4)使一次表面回热器的加工制作成为现实，解决了一次表面回热器的加工制作的核心问题。5)波纹板片将使一次表面回热器具有轻重、价廉、高效、紧凑的优点。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明A-A位置剖视图
图3本发明的全波纹板片示意图
图4本发明的倾斜波纹板示意图
图5本发明的四周压平的波纹板示意图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明波纹板片包括：平面区1和波纹区2，波纹区2位于板片的中心位置，平面区1在波纹区2的四周，从纵剖面来看，平面区1处在波纹区2的中平面上，波纹区2由波纹通道组成，通道的当量直径在1.5mm，波纹通道与波纹板片的纵向对称轴成15°夹角，波纹通道满足椭圆、抛物线或正弦几何曲线方程，平面区1由平板组成，分为进口平面区3、出口平面区4和焊接平面区5，进口平面区3位于波纹区2的上方，出口平面区4位于波纹区2的下方，焊接平面区5位于波纹区2的两侧。焊接平面区5为焊接边条的基板，波纹板片之间通过焊接平面区5联接。
图3、图4和图5依次表示了板片的制作过程，分别为经过滚压得到的全波纹板片、经过线切割得到的倾斜波纹板和经过模压得到的四周压平的波纹板的示意图，图5所示的板片再经线切割成型后得到图1所示的波纹板片。
以下结合本发明内容提供以下实施例：
实施例1：
将波纹板片的波纹通道的形状定为正弦曲线形状。利用滚压机通过模具将0.1mm厚的不锈钢板滚压为通道形状为正弦曲线的全波纹板，在全波纹板上做出长205.8mm、宽207.6mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴成15°夹角，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板，在波纹倾斜的全波纹板上做出长189.8mm、宽132.4mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴重合，矩形的上边与波纹板的上边的距离为35.0mm，矩形的下边与波纹板的下边的距离为40.2mm，矩形的两个侧边与波纹板的相应侧边的距离都为8.0mm，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外的部分压平，形成波纹区周围的平面区，利用线切割机对波纹板片进行外形修剪、成型，利用激光焊接机通过边条将1000片波纹板片焊接成为一个单元，将16个单元体并联组成一个一次表面回热器，将该一次表面回热器用于3.7MW燃气轮机上(工作参数见表1)，测得的性能参数见表2。
实施例2：
将波纹板片的波纹通道的形状定为椭圆曲线形状。利用滚压机通过模具将0.1mm厚的不锈钢板滚压为通道形状为正弦曲线的全波纹板，在全波纹板上做出长205.8mm、宽207.6mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴成15°夹角，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板，在波纹倾斜的全波纹板上长189.8mm、宽132.4mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴重合，矩形的上边与波纹板的上边的距离为35.0mm，矩形的下边与波纹板的下边的距离为40.2mm，矩形的两个侧边与波纹板的相应侧边的距离都为8.0mm，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外的部分压平，形成波纹区周围的平面区，利用线切割机对波纹板片进行外形修剪、成型，利用激光焊接机通过边条将1000片波纹板片焊接成为一个单元，将16个单元体并联组成一个一次表面回热器，将该一次表面回热器用于3.7MW燃气轮机上(工作参数见表1)，测得的性能参数见表2。
实施例3：
将波纹板片的波纹通道的形状定为双曲线形状。利用滚压机通过模具将0.1mm厚的不锈钢板滚压为通道形状为正弦曲线的全波纹板，在全波纹板上做出长205.8mm、宽207.6mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴成15°夹角，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板，在波纹倾斜的全波纹板上做出长189.8mm、宽132.4mm的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴重合，矩形的上边与波纹板的上边的距离为35.0mm，矩形的下边与波纹板的下边的距离为40.2mm，矩形的两个侧边与波纹板的相应侧边的距离都为8.0mm，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外的部分压平，形成波纹区周围的平面区，利用线切割机对波纹板片进行外形修剪、成型，利用激光焊接机通过边条将1000片波纹板片焊接成为一个单元，将16个单元体并联组成一个一次表面回热器，将该一次表面回热器用于3.7MW燃气轮机上(工作参数见表1)，测得的性能参数见表2。
表1 3.7MW燃气轮机工作参数
工作参数 热侧 冷侧
工作介质 烟气 空气
质量流量(kg/s) 24.7 24.3
入口温度(℃) 430 175
出口温度(℃) 257 366
入口压力(MPa) 0.103 0.91
表2 波纹板片组成的一次表面回热器的性能参数
性能参数 正弦波纹 椭圆波纹 双曲线波纹
传热系数k(W/m2·℃) 132.3 128.0 131.3
平均温差Δt(℃) 72.6 72.6 72.6
换热量Q(KW) 4837 4837 4837
效能ε(％) 75 75 75
换热面积F(m2) 503 520 507
换热器体积V(m3) 0.3023 0.3186 0.3197
换热器重量M(Kg) 443.6 456.4 446.2
紧凑度comp(m2/m3) 1677 1741 1691
Claims (8)
1、一种一次表面回热器波纹板片，包括：平面区(1)和波纹区(2)，其特征在于，波纹区(2)位于波纹板片的中心位置，平面区(1)在波纹区(2)的四周，从纵剖面来看，平面区(1)处在波纹区(2)的中平面上，波纹区(2)由波纹通道组成，波纹通道的当量直径在1.5mm，平面区(1)由平板组成，分为进口平面区(3)、出口平面区(4)和焊接平面区(5)，进口平面区(3)位于波纹区(2)的上方，出口平面区(4)位于波纹区(2)的下方，焊接平面区(5)位于波纹区(2)的两侧。
2、根据权利要求1所述的一次表面回热器波纹板片，其特征是，波纹通道满足椭圆、抛物线或正弦几何曲线方程，波纹通道与波纹板片的纵向对称轴成15°夹角。
3、根据权利要求1所述的一次表面回热器波纹板片，其特征是，焊接平面区(5)为焊接边条的基板，波纹板片之间通过焊接平面区(5)联接。
4、根据权利要求1所述的一次表面回热器波纹板片，其特征是，波纹板片厚度为0.1mm。
5、一种一次表面回热器波纹板片的制作方法，其特征在于，步骤如下：
1)用滚压机通过模具将不锈钢平板滚压为全波纹板；
2)在步骤1)所得的全波纹板上做出长W、宽L的矩形虚线，利用线切割机沿着该虚线进行线切割，得到波纹倾斜的全波纹板；
3)在步骤2)所得的波纹倾斜的全波纹板上做出长W-2c、宽L-a-b的矩形虚线，该矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴重合，矩形的上边与波纹板的上边的距离为a，矩形的下边与波纹板的下边的距离为b，矩形的两个侧边与波纹板的相应侧边的距离都为c，利用液压机通过压平模具将波纹板上矩形虚线以外的部分压平，形成波纹区周围的平面区；
4)用线切割机将步骤3)的波纹板片进行外形修剪，成型。
6、根据权利要求5所述的一次表面回热器波纹板片的制作方法，其特征是，步骤2)中，所述的矩形的纵向对称轴与波纹板的纵向对称轴成15°夹角。
7、根据权利要求5所述的一次表面回热器波纹板片的制作方法，其特征是，波纹板片的长度W≤400mm，宽度L≤400mm。
8、根据权利要求5所述的一次表面回热器波纹板片的制作方法，其特征是，波纹区的长度W-2c，宽度L-a-b按照波纹区的面积占整个板片的70-90％而定。
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2004
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