热交换器制造技术

一种包含压力容器（１）的热交换器。多个蛇形管（８）使待加热的流体沿一个方向流过压力容器（７）。包围蛇形管（８）的气道（９）使第二流体沿相反方向流动，以便放热给第一流体上。该气道（９）与压力容器（１）间隔开，并用隔热件（２３）包围。气道（９）上的开口可以使气道（９）的内部和外部之间的压力相等，该气道还受到支承以反作用于气道（９）内侧的压力超过气道（９）外侧的压力导致的膨胀。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热交换器。本专利技术适用于任何类型的使第一流体流的热量与第二流体流的热量进行交换的热交换器。本专利技术特别适用于一种使用离开高温源例如炉子或燃气轮机的热气体来加热进入的空气的换热器。这种换热器可以用在WO 94/12785图4中公开的发动机中。在这种发动机中，采用逆流换热器来预加热用于燃烧室中的冷的等温压缩气体，利用燃烧室排出的已膨胀的排放气体进行加热。该发动机可制成为可利用燃气轮机技术(例如Solar Mercury 50)的常规换热器来工作，然而WO 94/12785的发动机排放气体的压力和温度大于燃气轮机中的压力和温度。例如发动机的排气压力为5×105Pa(5巴)，而燃气轮机为大气压。进入换热器的空气例如对于燃气轮机为2×106Pa(20巴)，而对于发动机为1×107Pa(100巴)。对于发动机，换热器的热端(即热的排放气体进入和被加热的气体离开的一端)为750-800℃，而对于燃气轮机为500-600℃。换热器“热”端和“冷”端的温差对于发动机也比较大，离开“冷”端的被冷却排放气体的温度通常在200-300℃。因此，虽然常规换热器适合于用在发动机中，但它被设计成在很高的流速和较低的压力下具有最佳的效率。本专利技术目的在于提供一种热交换器，这种热交换器在较高的压力和较低的流量时可以高效地工作。CH195866披露了一种热交换器，该热交换器具有装在压力容器中的气道和多个穿过该气道的管。在气道的管壁上形成若干小孔，以平衡在气道两侧的压力。尽管这种设置可以有效地减小或消除由气道壁两侧压力的稳定的空间均匀的压差造成的应力，但是它没有解决作用在气道上其它应力的问题。首先在气道壁上存在由管束中稳定压降引起的应力，这种应力造成气道壁两侧不均匀的压力差。沿气道长度设置若干小孔，可以平衡气道不同位置的压差，这样便可克服此问题。然而这导致气流在气道外边的空间中流动，这样便阻碍该空间适当地起绝热件的作用，因而减小了热交换器的效率。第二种其它的应力起源于压力脉冲，这种脉冲是由于流体流动的不稳定性造成的，这种不稳定性或者是正常操作的一部分，或者是出现故障的结果。CH 195866的热交换器不能够适应这些状态，因而不适合作现今的高压热交换器。按照本专利技术，热交换器包括压力容器；形成在多个管内第一通道，其用于沿一个方向穿过该压力容器的第一流；用于沿相反方向穿过该容器的第二流的第二通道，该第二通道包括与该压力容器间隔开的并包围该管的气道，使得经该管的壁发生热传递；用于使该气道内侧和该气道与该压力容器之间的空间的压力大致相等的装置；位于该气道和该压力容器的内表面之间的隔热件；以及支承件，其支承该气道以反作用于气道内侧的压力超过气道外侧的压力而产生的膨胀。在局部，管形成可以获得很好传热性的交叉流热交换器。但是，就整体而言，它们形成逆流热交换器，这种热交换器可使两种气流之间达到最小的温差。然而使用管以及高温高压排放废气需要适当的能承受高温的压力容器，可以满足这两种功能的材料非常昂贵而难于采用，例如镍合金。为此，本专利技术具有一形成第二通道的气道，该气道与压力容器隔开一定距离，并且还利用隔热件与压力容器分开，因此可以防止压力容器受到高温排放废气的影响。另外，还采取了多个措施来减少由于高压流体穿过气道引起的作用在气道上的应力。具体是，使气道内部和外部之间压力大致相等的装置可以确保气道不会受到任何大压力的作用，如不会受到整个排气压力的作用。利用支承件可以接收其它的应力，例如沿管的压降产生的应力以及在气道内部压力脉冲产生的应力。因此，压力容器设计为可以在较低的温度下承受排放废气的整个压力，而气道则必须能够承受最大的系统温度，但是不需要承受排放废气的全部压力，因此可以用较薄的材料制作，这样，容器需要的价格昂贵的高温材料远比承受全部系统压力和温度的容器少得多。使气道内部和气道与压力容器之间空间的压力大致相等的装置可以是形式为向气道和压力容器之间的空间中输送加压流体，并按照气道内的压力控制输送流体，以使压力相等。然而，使压力相等的装置最好是在气道壁上形成一个或多个孔。这样便可以简单地使气道中的流体流到压力容器中，该流入的流体被收集，从而达到压力平衡。如果在热交换器冷端上形成一个通孔，则此通孔可以确保流入压力容器中的气体其温度最低，因此不会损坏该压力容器。另外，如果压力容器发生漏气，则从气道冷端排出的气体可限制随后产生的损坏。另外，为了避免任何气体沿充满隔热件的空间流动，该通孔最好都大体沿一个平面设置，该平面垂直于通过压力容器的流体流动方向。隔热部件的作用是使压力容器的内壁不受到气道内高温的作用，因此，隔热件可以设置成完全充满气道外壁和压力容器内表面之间的空间(只要该隔热件是完全透气的)，也可以在压力容器的内表面上设置该隔热件，或者可以利用气道本身的壁形成该隔热件。然而现在的优选方案是使隔热件紧靠气道的外壁设置。虽然在气道内部和外部之间压力在名义上相等，但是在某些情况下，不稳定的气流可能造成增加的或减小的压力脉冲，如果在气道两侧存在压降，则也可能使气道受到应力作用。支承件可以是内部支承件，例如多个系杆，然而这种支承件必须精心制作，以避免与管发生干扰。因此该支承件最好设置在气道的外面，并最好基本上围绕该气道。外部支承件例如可以通过增强肋设置，然而现在支承气道的最好方法是通过支承件使绝热件包围气道，使该绝热件紧靠在气道的壁上。该支承件最好由一个或多个缆绳设置，这些缆绳围绕气道的主要部分。这些缆绳可以固定在压力容器的内壁上，或绕气道一整圈。最好用弹簧拉紧每个缆绳，使得气道可以膨胀，而将隔热件向外推，而在气道热收缩时，可以推回该隔热件使其紧靠在气道壁上。这样便使得隔热件可以对气道提供支承，因而气道可以作成薄壁结构。并且还可以确保隔热件保持着紧贴气道，由此在所有时间可以保持适当地支承。最好将每个缆绳支承在一脊状部上或一系列直立件上，该脊状部从一延伸过隔热件外表面的平面向外凸出。这样由缆绳提供的支承可以作用在每个隔热块的外表面上，而不只是简单地作用在棱角上。气道最好放在压力容器内的底座上。隔热件最好设置在该底座和气道之间。该底座最好可以从压力容器中卸下来，从而简化制作、装配和容器内部的维护。为了容许气道在压力容器中进行水平热膨胀，最好这样支承该气道，即，使得它可以在水平方向自由膨胀。气道最好只在热端固定于该底部，以允许这种膨胀。管也很容易发生热膨胀。例如，可利用管上形成的弯头的弯曲吸纳这种热膨胀。在一定的热负载下这是可行的。然而当热负载增加时，在已经受到很高内压力作用的管上的应力可能上升到不能接受的水平。因此，任何其它由热引起的应力将减小管的蠕变寿命。因此，为了减小应力，延长管的寿命，最好在管冷却状态，在管上加上预应力。当管在使用中受到加热时，热膨胀只是造成该预应力的减小。管最好用穿过压力容器壁的系杆拉紧。管和气道可以用一种能够承受作用于它们的最大温度和压力的单一材料制作。然而，在热交换器上温度和压力变化相当大，所以气道和/或管最好用多个串接的分别用不同材料的不同部分制成。这样便可以减小能够承受整个系统温度和压力的昂贵材料的使用，有助于减少昂贵材料。优选的是，集流管组件包括多个集流管，该组件最好装在压力容器的每个端部，以便于将流体输送到管或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热交换器，其包括：压力容器；形成在多个管内第一通道，其用于沿一个方向穿过该压力容器的第一流；用于沿相反方向穿过该容器的第二流的第二通道，该第二通道包括与该压力容器间隔开的并包围该管的气道，使得经该管的壁发生热传递；用于使该气道内侧和该气道与该压力容器之间的空间的压力大致相等的装置；位于该气道和该压力容器的内表面之间的隔热件；以及支承件，其支承该气道以反作用于气道内侧的压力超过气道外侧的压力而产生的膨胀。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AB威尔逊，MWE科尼，DJ古奇，B纳斯，A珀维尔，
申请(专利权)人：因诺吉公众有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]