專利名稱：具有聯(lián)箱管的熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有聯(lián)箱管的熱交換器。
發(fā)明簡要說明本發(fā)明提供一種用于在同流換熱器中使用的熱交換器單元。該單元包括間隔開從而在中間形成內(nèi)部空間的頂板和底板，所述頂板和底板中的每個都形成有入流開口和出流開口，所述入流開口和出流開口與內(nèi)部空間連通，用于流體相對于內(nèi)部空間流入和流出。該單元還包括位于內(nèi)部空間內(nèi)的多個內(nèi)部陣列散熱片，這些散熱片經(jīng)冶金處理結合到頂板和底板上。所述單元還包括位于內(nèi)部空間內(nèi)并在入流開口和陣列散熱片之間連通的多個入流聯(lián)箱管(header tube)，每個入流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的聯(lián)箱管上，并固定到頂板和底板上。所述單元還包括多個位于內(nèi)部空間內(nèi)并在陣列散熱片和出流開口之間連通的出流聯(lián)箱管，每個出流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的聯(lián)箱管上，并固定到頂板和底板上。
入流聯(lián)箱管可包括平的部分，所述平的部分剛性地固定到所述頂板和底板上，并固定到相鄰的入流聯(lián)箱管上。所述入流聯(lián)箱管可例如具有帶有四個平的側邊的大致呈矩形的橫截面，其中所述平的側邊中的兩個側邊剛性地固定到相應的頂板和底板上，而所述平的側邊中的另外兩個側邊剛性地固定到相鄰的入流聯(lián)箱管上。所述入流聯(lián)箱管可通過冶金方式彼此結合，并結合到所述頂板和底板上。


圖1為包括根據(jù)本發(fā)明的同流換熱器的微渦輪發(fā)動機的示意性視圖。
圖2為圖1的同流換熱器的內(nèi)核的透視圖。
圖3為圖2的同流換熱器的一個單元的分解圖。
圖4為圖3的同流換熱器的一個聯(lián)箱管的透視圖。
圖5為同流換熱器單元的聯(lián)箱管的一部分的橫截面圖。
圖6為公知的聯(lián)箱散熱片(header fin)的放大的橫截面圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的兩個相鄰的聯(lián)箱管的一部分的放大橫截面圖。
具體實施例方式
在詳細說明本發(fā)明的任何實施例之前，應理解本發(fā)明不限于應用到在以下描述中闡明的或在附圖中示出的詳細結構和部件布置中。本發(fā)明能夠有其他實施例，或者可通過各種方式加以實踐或實現(xiàn)。而且，應理解，這里使用的用語和術語是用于描述的目的，而不應被認為是限定性的。這里使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”及其變體，是指包括列在其后的物項和這些物項的等同物，以及其他的物項。寬泛地使用術語“安裝”、“連接”、“聯(lián)接”，這些術語包括直接和間接的安裝、連接和聯(lián)接。而且，“連接”和“聯(lián)接”不限于物理上或機械上的連接或聯(lián)接，而是可包括直接或間接的電連接或聯(lián)接。
微渦輪發(fā)動機是相對小和高效的電源。微渦輪可用來發(fā)電，和/或為諸如泵或壓縮機的輔助設備提供動力。在用于發(fā)電時，可獨立于設施電網(wǎng)使用微渦輪，或者使微渦輪與設施電網(wǎng)同步。一般而言，微渦輪發(fā)動機限于需要2兆瓦(MW)功率或以下的應用。然而，一些超過2MW的應用可利用一臺或多臺微渦輪發(fā)動機。
圖1示出了微渦輪發(fā)動機10，其包括壓縮機15、同流換熱器20、燃燒室25、氣體發(fā)生器渦輪30、動力渦輪35、以及發(fā)電機40?？諝庠趬嚎s機15中被壓縮，然后被運送到同流換熱器20中。還參照圖2，在同流換熱器20中，熱在熱氣體流45和壓縮空氣流50之間交換，從而對壓縮空氣流50進行預加熱。經(jīng)預加熱的空氣與燃料混合，而且混合物在燃燒室25中燃燒，從而產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物或熱廢氣的流動。采用同流換熱器20，來對空氣進行預加熱，使得能利用較少的燃料來達到燃燒產(chǎn)物流內(nèi)的理想溫度，從而提高發(fā)動機的效率。
熱廢氣的流動驅動氣體發(fā)生器渦輪30和動力渦輪35轉動，而氣體發(fā)生器渦輪30和動力渦輪35隨之分別驅動壓縮機15和發(fā)電機40。發(fā)電機40響應于動力渦輪35的轉動而產(chǎn)生電力。在從氣體發(fā)生器渦輪30和動力渦輪35排出之后，廢氣流還非常熱，并向著同流換熱器20流動，在該同流換熱器20處，熱廢氣流用作在對壓縮氣體流50進行預加熱中的上述熱氣體流45。廢氣然后排出同流換熱器20，并排放到大氣中，在其他過程(例如，采用第二熱交換器進行廢熱發(fā)電)中加以處理或利用。
示出的發(fā)動機10為多軸(多于一組轉動構件)發(fā)動機。作為圖1中所示和以上所述的結構的替代結構，單獨一個輻流式渦輪可同時驅動壓縮機15和發(fā)電機40。這一布置具有的優(yōu)點在于，減少了渦輪葉輪的數(shù)量。而且，示出的壓縮機15可以是具有響應于氣體發(fā)生器渦輪30的操作而轉動的轉動構件的離心式壓縮機。壓縮機15可以是單級壓縮機或多級壓縮機(在需要較高的壓力比時)?？商鎿Q的，可采用不同設計的壓縮機(例如，軸流壓縮機、往復壓縮機、渦旋壓縮機)，來向發(fā)動機10提供氣體。
氣體發(fā)生器渦輪30和動力渦輪35可以是徑向入流的單級渦輪，其中每個渦輪都具有直接或間接聯(lián)接到相應壓縮機15和發(fā)電機40上的轉動構件上的轉動構件?？商鎿Q的，可采用多極渦輪或軸流渦輪，用于氣體發(fā)生器渦輪30和動力渦輪35中的任何一個或兩個。齒輪箱或其他的減速器可用來將動力渦輪35的速度(該速度可以例如為50,000RPM的量級)降低到發(fā)電機40可使用的速度(例如，對60Hz系統(tǒng)為3600或1800RPM，或者對50Hz系統(tǒng)為3000或1500RPM)。盡管上述發(fā)電機40是同步式發(fā)電機，但在其他結構中，可采用永磁或其他非同步發(fā)電機，來替代該同步式發(fā)電機。
圖2示出了由多個熱交換器單元55構成的同流換熱器20。相對熱和冷的氣體45、50分別大致平行并彼此相對地流動通過同流換熱器20的中央部分(以下稱為陣列部分60)，其中熱氣體45在單元之間流動，而相對冷的氣體50在單元55內(nèi)部流動。單元55的聯(lián)箱部分61沿大致與陣列部分60中的流動路徑垂直的流動路徑，將壓縮空氣50引導至陣列部分60中。在這一意義上，示出的同流換熱器20可稱為具有橫流聯(lián)箱的逆流同流換熱器。
參照圖3，同流換熱器單元55包括頂板和底板63，它們沿它們的整個邊緣或周邊連接(例如，通過焊接、緊固、或其他方式，從而基本氣密地將板連接)在一起。板63的大致平的中央部分基本上彼此平行，并在它們之間形成內(nèi)部空間。單元55包括與內(nèi)部空間連通的入流和出流孔65、70。
內(nèi)部陣列散熱片75通過冶金處理(例如，通過焊接、銅焊或其他便于熱傳導的連接處理)結合到頂板和底板63的內(nèi)側表面上，并從而位于單元55的內(nèi)部空間內(nèi)。外部陣列散熱片80在內(nèi)部陣列散熱片75的上方和下方通過冶金處理結合到頂板和底板63的外表面上。內(nèi)部陣列散熱片75和外部陣列散熱片80在同流換熱器20的陣列部分60內(nèi)，而且它們的波紋狀散熱片基本彼此平行。流動通過單元55的流體50與在單元55之間流動的流體45之間的大部分熱交換發(fā)生在陣列部分60內(nèi)，并受到內(nèi)部陣列散熱片75和外部陣列散熱片80的幫助。因此，理想的是，使同流換熱器20在陣列部分60內(nèi)的熱交換能力最大。
參照圖3至5，聯(lián)箱管90以平行的方式布置在每個單元55的入流和出流聯(lián)箱部分61中。聯(lián)箱管90通過冶金方式結合到頂板和底板63上，并還通過冶金的方式彼此結合。聯(lián)箱管90具有帶頂壁、底壁和側壁的大致矩形的截面(例如，它們可以大致是方形，或具有其他的矩形形狀)。相鄰管90的側壁基本彼此平行，并彼此緊密靠近，并通過冶金的方式彼此結合。如圖4所示，每個聯(lián)箱管90的靠近入流開口65和出流開口70的端部91，可切割成或形成為與開口65、70的曲率(如所示的那樣)相符，或者可與管90的側壁和頂壁呈直角地切割。每根管90的靠近陣列散熱片75的端部93切割成這樣的角度，使得每根管90都與多個陣列散熱片連通。
為了構造同流換熱器內(nèi)核(如圖2所示)20，將每個單元55定位成其入流孔65和出流孔70與其他單元55的相應入流孔65和出流孔70對齊。每個單元55的頂板63沿入流孔65和出流孔70的邊緣，在單元55的底板63上連接到底板63上。層疊的入流孔65和出流孔70限定而產(chǎn)生的大致呈柱形的空間，分別成為同流換熱器20的入流歧管95和出流歧管100。入流歧管95將壓縮空氣50傳輸?shù)絾卧?5的內(nèi)部空間，而出流歧管100將預加熱的壓縮空氣50傳輸?shù)饺紵?5。
單元55的內(nèi)部空間被流動通過它們的壓縮空氣增壓。內(nèi)部陣列散熱片75以及聯(lián)箱管90必須承受將頂板和底板63彼此推開的壓力所產(chǎn)生的拉伸載荷。單元55的聯(lián)箱區(qū)域61的目的是，通過盡可能小的摩擦損失(即，壓降)，將壓縮空氣傳送至陣列部分60，或從陣列部分60傳送壓縮空氣，同時仍然維持聯(lián)箱部分61的結構穩(wěn)定性；使壓降最小是在聯(lián)箱部分61中比使熱傳導最大還要重要的設計考慮因素。陣列部分60的目的是，從在單元55之間流動的相對熱的氣體45傳導盡可能多的熱到在單元55內(nèi)流動的相對冷的氣體50上；使熱傳導最大在陣列部分60中是比使壓降最小還要重要的設計考慮因素。
內(nèi)部陣列散熱片75由具有相對高的散熱片密度的波紋狀材料(有時稱為“折疊散熱片”)構成。波紋狀材料在每個峰頂和波谷通過冶金的方式結合到頂板和底板63上。高的散熱片密度提供了更多的熱傳導和載荷承載路徑，從而增強陣列部分60中的熱傳導和結構穩(wěn)定性。
圖6示出了在采用波紋狀聯(lián)箱散熱片105時，單元55的聯(lián)箱部分61中的高壓的效果。聯(lián)箱部分61內(nèi)的散熱片密度通常保持為盡可能地低，以降低在聯(lián)箱部分61的壓降。然而，較低的散熱片密度也降低了聯(lián)箱部分61中承受拉伸應力的散熱片的數(shù)量。在聯(lián)箱部分61內(nèi)的散熱片密度降低時，頂板和底板63由于內(nèi)部壓力的原因而分開的程度增加。
頂板和底板63的分開，向將波紋狀散熱片105連接到頂板和底板63上的角材110施加彎曲應力。如這里所使用的那樣，術語“角材”是指布置冶金結合材料(例如，焊料、銅焊材料或任何其他冶金結合處理中使用的材料)，從而連接頂板和底板63以及示出的波紋狀聯(lián)箱散熱片105或聯(lián)箱管90(圖6所示)。更具體地，如圖6的虛線所示，在頂板和底板63運動分開時，散熱片105伸長，從而在角度θ減小的同時形成更陡的取向。這向角材110施加彎曲應力。
降低角材110上的彎曲應力的一種方法是，增加角材110的尺寸，從而覆蓋散熱片的整個角落(例如，圖6的虛線115所限定的角材)。然而，因為較大的角材趨于導致空隙，并在角材材料中產(chǎn)生可能削弱角材110的冶金變形，從而角材110的實際尺寸有著上限。
降低角材110上的彎曲應力的另一種方法是，增加散熱片的密度，以在聯(lián)箱部分61中提供更多的拉伸載荷承受路徑。這將減小或消除頂板和底板63能分離的程度，這又降低了散熱片的偏轉和作用在角材110上的彎曲應力。然而，由于所引起的壓降增加，從而對單元55的聯(lián)箱部分61內(nèi)的可接受的散熱片密度有著限制。
圖7示出了相鄰的矩形聯(lián)箱管90的角落。盡管示出的管90通過冶金方式彼此結合，并結合到底板和頂板63上，不過特別是因為聯(lián)箱部分61的熱傳導性能不是主要的設計因素，從而可替換地，管90可以以任何其他合適的方式彼此連接，并連接到頂板和底板63上。因此，可通過緊固件、夾具等機械地連接聯(lián)箱管90。然而，將管90連接到頂板和底板63并將它們彼此連接的最經(jīng)濟方式，目前認為是借助于銅焊、通過冶金的方式結合，如示出的那樣。
由于矩形管90的側邊彼此固定，從而一個側邊的任何偏轉都必將由相鄰管90的相鄰側邊共同承受。頂板和底板63的分離將需要角度θ和θ’減小。相鄰的管90從而彼此偏離，從而管90在沒有使它們的側邊偏轉并從而沒有在角材110上施加顯著彎曲應力的情況下產(chǎn)生拉伸載荷。這樣，可采用尺寸最佳的角材110，而且可將結構材料(例如，散熱片密度)的量保持為相對低，從而減小在聯(lián)箱部分61上的壓降。因為波紋狀材料的散熱片105沒有它們可通過冶金方式結合的任何相鄰散熱片，從而由波紋狀材料105(如圖6所示)構成的聯(lián)箱散熱片不能夠具有圖7所示的矩形管90的結構優(yōu)點。
盡管示出的聯(lián)箱管90具有矩形橫截面，但通過本發(fā)明可設想到其他的橫截面形式。例如，管在形狀上可以是大致圓形的，并具有可剛性地固定到頂板和底板上并可固定到相鄰管上的四個平的部分。聯(lián)箱管也可具有例如八邊形的多邊形橫截面形狀，該形狀提供平的表面，用于剛性地固定到底板和底板上，并固定到相鄰的管上。
權利要求
1.一種用于同流換熱器的熱交換器單元，該單元包括頂板和底板，所述頂板和底板分隔開，從而在它們之間形成內(nèi)部空間，所述頂板和底板中的每個都形成有入流開口和出流開口，所述入流開口和出流開口與所述內(nèi)部空間連通，用于流體相對于所述內(nèi)部空間分別流入和流出；多個內(nèi)部陣列散熱片，所述多個內(nèi)部陣列散熱片位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并通過冶金方式結合到所述頂板和底板上；多個入流聯(lián)箱管，所述多個入流聯(lián)箱管位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并在所述入流開口和所述陣列散熱片之間連通，每個入流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的入流聯(lián)箱管上，并固定到所述頂板和底板上；以及多個出流聯(lián)箱管，所述多個出流聯(lián)箱管位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并在所述陣列散熱片和所述出流開口之間連通，每個出流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的出流聯(lián)箱管上，并固定到所述頂板和底板上。
2.根據(jù)權利要求1所述的單元，其中，每個入流聯(lián)箱管包括平的部分，所述平的部分剛性地固定到所述頂板和底板上，并固定到相鄰入流聯(lián)箱管上。
3.根據(jù)權利要求1所述的單元，其中，每個入流聯(lián)箱管具有帶有四個平的側邊的、大致呈矩形的橫截面，其中所述平的側邊中的兩個側邊剛性地固定到相應的頂板和底板上，而所述平的側邊中的另外兩個側邊剛性地固定到相鄰的入流流聯(lián)箱管上。
4.根據(jù)權利要求1所述的單元，其中，所述入流聯(lián)箱管通過冶金的方式彼此結合，并結合到所述頂板和底板上。
5一種微渦輪發(fā)動機，其包括壓縮機，該壓縮機提供壓縮空氣流；同流換熱器，該同流換熱器接收來自所述壓縮機的壓縮空氣流，并通過來自廢氣流的熱量加熱所述壓縮空氣流；燃燒室，該燃燒室接收來自所述同流換熱器的被加熱的壓縮空氣流，將所述壓縮空氣流與燃料混合，并燃燒燃料與壓縮空氣的混合物，從而產(chǎn)生廢氣流；至少一個渦輪，所述至少一個渦輪接收來自所述燃燒室的廢氣流，并響應于所述廢氣流而轉動，所述至少一個渦輪的轉動驅動所述壓縮機；以及發(fā)電機，所述發(fā)電機響應于所述至少一個渦輪的轉動而產(chǎn)生電力；其中，所述廢氣流從所述至少一個渦輪流向所述同流換熱器，用于對所述壓縮空氣流進行加熱；其中，所述同流換熱器包括多個單元，每個單元包括頂板和底板，所述頂板和底板分隔開，從而在它們之間形成內(nèi)部空間，所述頂板和底板中的每個都形成有入流開口和出流開口，所述入流開口和出流開口與所述內(nèi)部空間連通，用于所述壓縮空氣流相對于所述內(nèi)部空間分別流入和流出；多個內(nèi)部陣列散熱片，所述多個內(nèi)部陣列散熱片位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并通過冶金方式結合到所述頂板和底板上；多個入流聯(lián)箱管，所述多個入流聯(lián)箱管位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并在所述入流開口和所述陣列散熱片之間連通，每個入流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的入流聯(lián)箱管上，并固定到所述頂板和底板上；以及多個出流聯(lián)箱管，所述多個出流聯(lián)箱管位于所述內(nèi)部空間內(nèi)，并在所述陣列散熱片和所述出流開口之間連通，每個出流聯(lián)箱管都剛性地固定到至少一個相鄰的出流聯(lián)箱管上，并固定到所述頂板和底板上；其中，所述壓縮空氣流在流入到所述燃燒室之前，通過所述入流聯(lián)箱管流入到所述內(nèi)部空間內(nèi)，然后通過所述陣列散熱片，然后通過所述出流聯(lián)箱管；而且其中，所述廢氣流以與通過所述單元內(nèi)的所述陣列散熱片的所述壓縮空氣流大致呈逆流關系地、流動通過所述單元之間的所述同流換熱器。
6.根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，每個入流聯(lián)箱管包括平的部分，所述平的部分剛性地固定到所述頂板和底板上，并固定到相鄰的入流聯(lián)箱管上。
7.根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，每個入流聯(lián)箱管具有帶有四個平的側邊的、大致呈矩形的橫截面，其中所述平的側邊中的兩個側邊剛性地固定到相應的頂板和底板上，而所述平的側邊中的另外兩個側邊剛性地固定到相鄰的入流流聯(lián)箱管上。
8.根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，所述入流聯(lián)箱管通過冶金的方式彼此結合，并結合到所述頂板和底板上。
全文摘要
一種用于同流換熱器的熱交換器單元，包括頂板和底板，所述頂板和底板分隔開，從而在它們之間形成內(nèi)部空間。在內(nèi)部空間中存在多個內(nèi)部陣列散熱片連通的入流聯(lián)箱管和出流聯(lián)箱管。所述聯(lián)箱管剛性地固定到至少一個相鄰的聯(lián)箱管上，并固定到所述頂板和底板上。所述聯(lián)箱管可具有矩形橫截面，而且可例如通過冶金方式結合到所述頂板和底板上，并通過銅焊而彼此結合。彼此剛性固定的聯(lián)箱管減小了作用在將所述管連接到所述頂板和底板上的角材上的應力。這又使得能在所述單元的所述聯(lián)箱部分中使用較少的結構材料，并降低通過聯(lián)箱的壓降。
文檔編號F02C7/10GK1985138SQ200580020576
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月20日 優(yōu)先權日2004年6月21日
發(fā)明者邁克爾·K·科斯滕, 切扎爾·I·莫伊夏德 申請人:英格索爾-蘭德能源系統(tǒng)公司