一種逆流換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種逆流換熱器，該換熱器為間壁式換熱器，冷熱氣體間無(wú)混合，可用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱回收，天然氣液化工藝過(guò)程天然氣的預(yù)冷以及其他氣-氣式的熱交換過(guò)程。所述換熱器包括同軸的內(nèi)筒和外筒以及布置在內(nèi)筒和外筒之間空間內(nèi)的換熱器芯體。所述換熱器芯體是由六邊形換熱器芯體基本單元繞換熱器軸線環(huán)形陣列而成，通過(guò)環(huán)形靜壓腔和漸縮漸擴(kuò)型圓環(huán)形氣道提高了換熱氣流在換熱器芯體進(jìn)出口斷面上靜壓分布的均勻性，使換熱器內(nèi)的流速分布更合理，使換熱器熱交換效率和流動(dòng)阻力得到優(yōu)化。換熱器設(shè)計(jì)中還采取了特殊的內(nèi)隔熱、內(nèi)冷卻、伸縮縫隙和緊固的設(shè)計(jì)措施，可有效降低承壓部件的溫度和熱應(yīng)力，提高換熱器的承壓能力和使用壽命。
【專利說(shuō)明】一種逆流換熱器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種換熱器，特別涉及一種采用逆流方式并能耐高溫高壓的換熱器。

【背景技術(shù)】
[0002] 許多工程領(lǐng)域中涉及到氣-氣式的熱交換，通過(guò)熱交換回收能量、提高熱效率或 更有效的實(shí)現(xiàn)特定的工藝過(guò)程。
[0003] 在開(kāi)式或閉式布雷頓動(dòng)力循環(huán)（燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)）過(guò)程中，膨脹機(jī)的排氣溫度可高 達(dá)到600-700°C。隨著現(xiàn)代離心式壓氣機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，布雷頓循環(huán)裝置將進(jìn)一步向多級(jí)壓縮 中間冷卻、大流量小壓比方向發(fā)展，使得壓氣機(jī)排氣溫度愈來(lái)愈低（<160°C )，膨脹機(jī)的排 氣溫度愈來(lái)愈高。此時(shí)，利用膨脹機(jī)排氣加熱壓氣機(jī)排氣可以在不降低循環(huán)做工的前提下 有效地減少加熱器的燃料消耗，提高循環(huán)的熱效率。但是，換熱器的高溫高壓工作環(huán)境（通 常工作壓力可達(dá)到I. 2MPa以上）給換熱器的設(shè)計(jì)提出了苛刻的要求。除此之外，移動(dòng)設(shè)備 動(dòng)力裝置還要求各部件結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。
[0004] 天然氣液化工藝過(guò)程中，高溫高壓（約120°c，I. 2MPa)的氣態(tài)天然氣需先經(jīng)過(guò)預(yù) 冷然后再進(jìn)入后續(xù)的液化流程。目前這一領(lǐng)域的熱交換設(shè)備主要是管殼式的換熱器，需通 過(guò)中間液體傳熱介質(zhì)以及另一個(gè)散熱器將熱量傳遞給環(huán)境大氣。
[0005] 目前市場(chǎng)上能提供的氣體與氣體之間直接換熱的氣-氣式換熱器主要應(yīng)用于低 壓或低溫環(huán)境，如工業(yè)爐窯尾氣余熱回收預(yù)熱空氣的換熱器，其工作壓力近似為一個(gè)大氣 壓，工作溫度不超過(guò)400°C，且設(shè)備體積龐大，不能滿足上述應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種逆流換熱器，使其具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作溫度范圍廣、 承壓能力強(qiáng)、換熱效率高的特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明具體的技術(shù)方案是一種逆流換熱器，包括同軸的內(nèi)筒和外筒以及布置在內(nèi) 筒和外筒之間空間內(nèi)的換熱器芯體，其特征在于，
[0008] 所述的換熱器芯體由若干換熱器芯體基本單元繞內(nèi)筒和外筒的軸線環(huán)形均布而 成，所述換熱器芯體基本單元由兩塊對(duì)合的換熱隔板沿邊緣焊接而成，換熱器芯體基本單 元的兩端伸出內(nèi)筒和外筒并分別具有一個(gè)開(kāi)口，這兩個(gè)開(kāi)口及兩塊換熱隔板封閉而成的空 間構(gòu)成換熱器的高壓側(cè)氣道1，在內(nèi)筒和外筒之間的相鄰兩個(gè)換熱器芯體基本單元之間的 空間構(gòu)成換熱器的低壓側(cè)氣道2。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述換熱器芯體基本單元的換熱隔板具有兩個(gè)區(qū)域，一是除換熱器 芯體基本單元的開(kāi)口處外，沿著換熱隔板的邊緣的平直的板條區(qū)，二是除平直的板條區(qū)外 的波紋板區(qū)，設(shè)定朝向換熱器芯體基本單元內(nèi)側(cè)的波紋板凸起為波谷，則每個(gè)換熱器芯體 基本單元的兩塊換熱隔板的波紋板區(qū)的波谷貼近或貼緊并交差設(shè)置，相鄰兩個(gè)換熱器芯體 基本單元之間的相對(duì)的兩塊換熱隔板的波紋板區(qū)的波峰也貼近或貼緊并交差設(shè)置。
[0010] 更進(jìn)一步地，還包括箍環(huán)和隔環(huán)，所述的換熱器芯體基本單元的換熱隔板的最大 投影形狀為一個(gè)長(zhǎng)方形切去其兩條長(zhǎng)邊兩端的四個(gè)角形成的六邊形結(jié)構(gòu)，該六邊形結(jié)構(gòu)具 有上下兩條平行的長(zhǎng)邊，以及上長(zhǎng)邊兩端的兩條第一短邊和下長(zhǎng)邊兩端的兩條第二短邊， 每個(gè)換熱器芯體基本單元的兩個(gè)換熱隔板最大投影形狀相同，在第一短邊處為所述的換熱 器芯體基本單元的開(kāi)口，在第二短邊處為換熱器芯體基本單元的兩塊換熱隔板邊緣的平直 的板條區(qū)貼合而形成的片狀的邊緣，所述的箍環(huán)內(nèi)側(cè)具有卡槽，每個(gè)換熱器芯體基本單元 的第一短邊外端處的片狀的邊緣卡在箍環(huán)內(nèi)側(cè)的卡槽內(nèi)，冷端箍環(huán)通過(guò)O形密封圈或膨脹 節(jié)等密封元件與外筒內(nèi)壁密封或與安裝在外筒冷端的端蓋密封，阻斷冷端端蓋內(nèi)靜壓腔與 換熱器芯體外圍圓環(huán)形氣隙之間的氣流，所述的隔環(huán)外側(cè)具有卡槽，每個(gè)換熱器芯體基本 單元的第一短邊內(nèi)端處的片狀的邊緣卡在隔環(huán)外側(cè)的卡槽內(nèi)，所述的隔環(huán)通過(guò)O形密封圈 或膨脹節(jié)等密封元件與安裝在內(nèi)筒上的端蓋內(nèi)氣道2的外壁面密封，相鄰兩個(gè)換熱器芯體 基本單元的開(kāi)口處的換熱隔板之間以及箍環(huán)和隔環(huán)與換熱器芯體基本單元之間的間隙進(jìn) 行氣密封焊，兩個(gè)箍環(huán)之間環(huán)形均布的換熱器芯體基本單元的外圍處設(shè)有氣密性的包扎圓 筒，包扎圓筒的兩端與箍環(huán)接觸處進(jìn)行氣密封焊。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述的包扎圓筒與外筒內(nèi)壁之間的氣隙內(nèi)設(shè)有隔熱層，隔熱層通過(guò) 熱端箍環(huán)和外殼內(nèi)壁之間的縫隙與高壓側(cè)氣道1的熱端端蓋內(nèi)的靜壓腔相連通，形成具有 柔性箍緊力的高壓氣墊式圓環(huán)形隔熱層。
[0012] 更進(jìn)一步地，所述的換熱隔板的波紋板區(qū)沿?fù)Q熱器徑向分成n不同的子區(qū)域，從 內(nèi)至外第1個(gè)子區(qū)域的半徑范圍是A?r 2，第2個(gè)子區(qū)域的半徑范圍是r2?r3，第3個(gè) 子區(qū)域的半徑范圍是r3?r4,......，第n個(gè)子區(qū)域的半徑范圍是;r n?rn+1，其中，rn為 第n個(gè)子區(qū)域的下邊緣距換熱器中心軸的垂直距離，rn+1為第n個(gè)子區(qū)域的上邊緣距換熱 器中心軸的垂直距離，設(shè)Pn為第n個(gè)子區(qū)域內(nèi)的波紋走向與換熱器中心軸的夾角，則有 ……〈P n，而且符合下式（I)，
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種逆流換熱器，包括同軸的內(nèi)筒和外筒以及布置在內(nèi)筒和外筒之間空間內(nèi)的換熱 器芯體，其特征在于， 所述的換熱器芯體由若干換熱器芯體基本單元繞內(nèi)筒和外筒的軸線環(huán)形均布而成，所 述換熱器芯體基本單元由兩塊對(duì)合的換熱隔板沿邊緣焊接而成，換熱器芯體基本單元的兩 端伸出內(nèi)筒和外筒并分別具有一個(gè)開(kāi)口，這兩個(gè)開(kāi)口及兩塊換熱隔板封閉而成的空間構(gòu)成 換熱器的高壓側(cè)氣道1，在內(nèi)筒和外筒之間的相鄰兩個(gè)換熱器芯體基本單元之間的空間構(gòu) 成換熱器的低壓側(cè)氣道2。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種逆流換熱器，其特征在于，所述換熱器芯體基本單元的換 熱隔板具有兩個(gè)區(qū)域，一是除換熱器芯體基本單元的開(kāi)口處外，沿著換熱隔板的邊緣的平 直的板條區(qū)，二是除平直的板條區(qū)外的波紋板區(qū)，設(shè)定朝向換熱器芯體基本單元內(nèi)側(cè)的波 紋板凸起為波谷，則每個(gè)換熱器芯體基本單元的兩塊換熱隔板的波紋板區(qū)的波谷貼近或貼 緊并交差設(shè)置，相鄰兩個(gè)換熱器芯體基本單元之間的相對(duì)的兩塊換熱隔板的波紋板區(qū)的波 峰也貼近或貼緊并交差設(shè)置。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種逆流換熱器，其特征在于，還包括箍環(huán)和隔環(huán)，所述的換熱 器芯體基本單元的換熱隔板的最大投影形狀為一個(gè)長(zhǎng)方形切去其兩條長(zhǎng)邊兩端的四個(gè)角 形成的六邊形結(jié)構(gòu)，該六邊形結(jié)構(gòu)具有上下兩條平行的長(zhǎng)邊，以及上長(zhǎng)邊兩端的兩條第一 短邊和下長(zhǎng)邊兩端的兩條第二短邊，每個(gè)換熱器芯體基本單元的兩個(gè)換熱隔板最大投影形 狀相同，在第一短邊處為所述的換熱器芯體基本單元的開(kāi)口，在第二短邊處為換熱器芯體 基本單元的兩塊換熱隔板邊緣的平直的板條區(qū)貼合而形成的片狀的邊緣，所述的箍環(huán)內(nèi)側(cè) 具有卡槽，每個(gè)換熱器芯體基本單元的第一短邊外端處的片狀的邊緣卡在箍環(huán)內(nèi)側(cè)的卡槽 內(nèi)，冷端箍環(huán)通過(guò)O形密封圈或膨脹節(jié)等密封元件與外筒內(nèi)壁密封或與安裝在外筒冷端的 端蓋密封，阻斷冷端端蓋內(nèi)靜壓腔與換熱器芯體外圍圓環(huán)形氣隙之間的氣流，所述的隔環(huán) 外側(cè)具有卡槽，每個(gè)換熱器芯體基本單元的第一短邊內(nèi)端處的片狀的邊緣卡在隔環(huán)外側(cè)的 卡槽內(nèi)，所述的隔環(huán)通過(guò)〇形密封圈或膨脹節(jié)等密封元件與安裝在內(nèi)筒上的端蓋內(nèi)氣道2 的外壁面密封，相鄰兩個(gè)換熱器芯體基本單元的開(kāi)口處的換熱隔板之間以及箍環(huán)和隔環(huán)與 換熱器芯體基本單元之間的間隙進(jìn)行氣密封焊，兩個(gè)箍環(huán)之間環(huán)形均布的換熱器芯體基本 單元的外圍處設(shè)有氣密性的包扎圓筒，包扎圓筒的兩端與箍環(huán)接觸處進(jìn)行氣密封焊。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種逆流換熱器，其特征在于，所述的包扎圓筒與外筒內(nèi)壁之 間的氣隙內(nèi)設(shè)有隔熱層，隔熱層通過(guò)熱端箍環(huán)和外殼內(nèi)壁之間的縫隙與高壓側(cè)氣道1的熱 端端蓋內(nèi)的靜壓腔相連通，形成具有柔性箍緊力的高壓氣墊式圓環(huán)形隔熱層。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種逆流換熱器，其特征在于，所述的換熱隔板的波紋板區(qū)沿 換熱器徑向分成n不同的子區(qū)域，從內(nèi)至外第1個(gè)子區(qū)域的半徑范圍是^?！^，第2個(gè)子 區(qū)域的半徑范圍是r 2?r3,第3個(gè)子區(qū)域的半徑范圍是r3?r4,……，第n個(gè)子區(qū)域的半 徑范圍是r n?rn+1，其中，rn為第n個(gè)子區(qū)域的下邊緣距換熱器中心軸的垂直距離，r n+1為第 n個(gè)子區(qū)域的上邊緣距換熱器中心軸的垂直距離，設(shè)Pn為第n個(gè)子區(qū)域內(nèi)的波紋走向與換 熱器中心軸的夾角，貝1』有P Z P P / 〈 P n，而且符合下式（I)， ^^ = ^^xa±o.i) ……⑴， sin A，i+1 - r0 式（I)中，i屬于1，……，n，r(l為選定的基圓半徑，使各子區(qū)的波形幾何相似。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種逆流換熱器，其特征在于，所述的氣道1內(nèi)流動(dòng)的被加熱 介質(zhì)為空氣，絕對(duì)壓力I. O?I. 3MPa，氣道2流動(dòng)的被冷卻介質(zhì)為煙氣，絕對(duì)壓力0. 1? 0. 2MPa，最高工作溫度為950°C，在兩股流體質(zhì)流量相差不到10%的工作條件下，在換熱器 隔板波紋板區(qū)各子區(qū)域相對(duì)于換熱器中心軸的最外側(cè)，換熱器隔板波紋型溝槽橫斷面上波 高與波長(zhǎng)之比等于〇? 35?0? 4,波峰處曲率半徑介于R0. 9mm?RL Imm之間，波谷處曲率 半徑介于R2. 7mm?R3. Omm之間，氣流1的流動(dòng)斷面積與氣流2的流動(dòng)斷面積之比介于 0.65?0.7之間。
7. 如權(quán)利要求1-6任一一項(xiàng)所述的一種逆流換熱器，其特征在于，換熱器高壓側(cè)氣道1 的進(jìn)口端和出口端均設(shè)有環(huán)形靜壓腔，換熱器低壓側(cè)氣道2的進(jìn)口端和出口端分別設(shè)有漸 擴(kuò)型和漸縮型圓環(huán)形氣道。
8. 如權(quán)利要求1-6任一一項(xiàng)所述的一種逆流換熱器，其特征在于，換熱器高溫承壓殼 體和端蓋與高溫氣流或換熱器芯體之間均設(shè)有內(nèi)隔熱層，內(nèi)端蓋上設(shè)有冷卻氣道并與內(nèi)筒 相連通，在內(nèi)筒內(nèi)形成冷卻氣流。
【文檔編號(hào)】F28D9/00GK104315900SQ201410539072
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】張孔明, 梁世希, 張帆, 金則兵, 王科, 任承欽, 李文軍, 朱建明, 謝昕, 周松景, 周群, 王彥超, 汪雄偉, 姜進(jìn) 申請(qǐng)人:綠能高科集團(tuán)有限公司, 北京綠能高科天然氣應(yīng)用技術(shù)研究院有限公司, 河南中原綠能高科有限責(zé)任公司, 山東綠能燃?xì)鈱?shí)業(yè)有限責(zé)任公司, 包頭中援綠能天然氣有限公司, 河南綠能融創(chuàng)燃?xì)庥邢薰?br>