一种逆流换热器的制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种逆流换热器，该换热器为间壁式换热器，冷热气体间无混合，可用于实现发动机排气热回收，天然气液化工艺过程天然气的预冷以及其他气-气式的热交换过程。所述换热器包括同轴的内筒和外筒以及布置在内筒和外筒之间空间内的换热器芯体。所述换热器芯体是由六边形换热器芯体基本单元绕换热器轴线环形阵列而成，通过环形静压腔和渐缩渐扩型圆环形气道提高了换热气流在换热器芯体进出口断面上静压分布的均匀性，使换热器内的流速分布更合理，使换热器热交换效率和流动阻力得到优化。换热器设计中还采取了特殊的内隔热、内冷却、伸缩缝隙和紧固的设计措施，可有效降低承压部件的温度和热应力，提高换热器的承压能力和使用寿命。
【专利说明】一种逆流换热器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种换热器，特别涉及一种采用逆流方式并能耐高温高压的换热器。
【背景技术】
[0002] 许多工程领域中涉及到气-气式的热交换，通过热交换回收能量、提高热效率或 更有效的实现特定的工艺过程。
[0003] 在开式或闭式布雷顿动力循环（燃气轮机循环）过程中，膨胀机的排气温度可高 达到600-700°C。随着现代离心式压气机技术的进步，布雷顿循环装置将进一步向多级压缩 中间冷却、大流量小压比方向发展，使得压气机排气温度愈来愈低（<160°C )，膨胀机的排 气温度愈来愈高。此时，利用膨胀机排气加热压气机排气可以在不降低循环做工的前提下 有效地减少加热器的燃料消耗，提高循环的热效率。但是，换热器的高温高压工作环境（通 常工作压力可达到I. 2MPa以上）给换热器的设计提出了苛刻的要求。除此之外，移动设备 动力装置还要求各部件结构紧凑、尺寸小。
[0004] 天然气液化工艺过程中，高温高压（约120°c，I. 2MPa)的气态天然气需先经过预 冷然后再进入后续的液化流程。目前这一领域的热交换设备主要是管壳式的换热器，需通 过中间液体传热介质以及另一个散热器将热量传递给环境大气。
[0005] 目前市场上能提供的气体与气体之间直接换热的气-气式换热器主要应用于低 压或低温环境，如工业炉窑尾气余热回收预热空气的换热器，其工作压力近似为一个大气 压，工作温度不超过400°C，且设备体积庞大，不能满足上述应用领域的技术要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的发明目的是提供一种逆流换热器，使其具有结构紧凑、工作温度范围广、 承压能力强、换热效率高的特点。
[0007] 本发明具体的技术方案是一种逆流换热器，包括同轴的内筒和外筒以及布置在内 筒和外筒之间空间内的换热器芯体，其特征在于，
[0008] 所述的换热器芯体由若干换热器芯体基本单元绕内筒和外筒的轴线环形均布而 成，所述换热器芯体基本单元由两块对合的换热隔板沿边缘焊接而成，换热器芯体基本单 元的两端伸出内筒和外筒并分别具有一个开口，这两个开口及两块换热隔板封闭而成的空 间构成换热器的高压侧气道1，在内筒和外筒之间的相邻两个换热器芯体基本单元之间的 空间构成换热器的低压侧气道2。
[0009] 更进一步地，所述换热器芯体基本单元的换热隔板具有两个区域，一是除换热器 芯体基本单元的开口处外，沿着换热隔板的边缘的平直的板条区，二是除平直的板条区外 的波纹板区，设定朝向换热器芯体基本单元内侧的波纹板凸起为波谷，则每个换热器芯体 基本单元的两块换热隔板的波纹板区的波谷贴近或贴紧并交差设置，相邻两个换热器芯体 基本单元之间的相对的两块换热隔板的波纹板区的波峰也贴近或贴紧并交差设置。
[0010] 更进一步地，还包括箍环和隔环，所述的换热器芯体基本单元的换热隔板的最大 投影形状为一个长方形切去其两条长边两端的四个角形成的六边形结构，该六边形结构具 有上下两条平行的长边，以及上长边两端的两条第一短边和下长边两端的两条第二短边， 每个换热器芯体基本单元的两个换热隔板最大投影形状相同，在第一短边处为所述的换热 器芯体基本单元的开口，在第二短边处为换热器芯体基本单元的两块换热隔板边缘的平直 的板条区贴合而形成的片状的边缘，所述的箍环内侧具有卡槽，每个换热器芯体基本单元 的第一短边外端处的片状的边缘卡在箍环内侧的卡槽内，冷端箍环通过O形密封圈或膨胀 节等密封元件与外筒内壁密封或与安装在外筒冷端的端盖密封，阻断冷端端盖内静压腔与 换热器芯体外围圆环形气隙之间的气流，所述的隔环外侧具有卡槽，每个换热器芯体基本 单元的第一短边内端处的片状的边缘卡在隔环外侧的卡槽内，所述的隔环通过O形密封圈 或膨胀节等密封元件与安装在内筒上的端盖内气道2的外壁面密封，相邻两个换热器芯体 基本单元的开口处的换热隔板之间以及箍环和隔环与换热器芯体基本单元之间的间隙进 行气密封焊，两个箍环之间环形均布的换热器芯体基本单元的外围处设有气密性的包扎圆 筒，包扎圆筒的两端与箍环接触处进行气密封焊。
[0011] 更进一步地，所述的包扎圆筒与外筒内壁之间的气隙内设有隔热层，隔热层通过 热端箍环和外壳内壁之间的缝隙与高压侧气道1的热端端盖内的静压腔相连通，形成具有 柔性箍紧力的高压气垫式圆环形隔热层。
[0012] 更进一步地，所述的换热隔板的波纹板区沿换热器径向分成n不同的子区域，从 内至外第1个子区域的半径范围是A?r 2，第2个子区域的半径范围是r2?r3，第3个 子区域的半径范围是r3?r4,......，第n个子区域的半径范围是;r n?rn+1，其中，rn为 第n个子区域的下边缘距换热器中心轴的垂直距离，rn+1为第n个子区域的上边缘距换热 器中心轴的垂直距离，设Pn为第n个子区域内的波纹走向与换热器中心轴的夹角，则有 ……〈P n，而且符合下式（I)，
[0013]
【权利要求】
1. 一种逆流换热器，包括同轴的内筒和外筒以及布置在内筒和外筒之间空间内的换热 器芯体，其特征在于， 所述的换热器芯体由若干换热器芯体基本单元绕内筒和外筒的轴线环形均布而成，所 述换热器芯体基本单元由两块对合的换热隔板沿边缘焊接而成，换热器芯体基本单元的两 端伸出内筒和外筒并分别具有一个开口，这两个开口及两块换热隔板封闭而成的空间构成 换热器的高压侧气道1，在内筒和外筒之间的相邻两个换热器芯体基本单元之间的空间构 成换热器的低压侧气道2。
2. 如权利要求1所述的一种逆流换热器，其特征在于，所述换热器芯体基本单元的换 热隔板具有两个区域，一是除换热器芯体基本单元的开口处外，沿着换热隔板的边缘的平 直的板条区，二是除平直的板条区外的波纹板区，设定朝向换热器芯体基本单元内侧的波 纹板凸起为波谷，则每个换热器芯体基本单元的两块换热隔板的波纹板区的波谷贴近或贴 紧并交差设置，相邻两个换热器芯体基本单元之间的相对的两块换热隔板的波纹板区的波 峰也贴近或贴紧并交差设置。
3. 如权利要求2所述的一种逆流换热器，其特征在于，还包括箍环和隔环，所述的换热 器芯体基本单元的换热隔板的最大投影形状为一个长方形切去其两条长边两端的四个角 形成的六边形结构，该六边形结构具有上下两条平行的长边，以及上长边两端的两条第一 短边和下长边两端的两条第二短边，每个换热器芯体基本单元的两个换热隔板最大投影形 状相同，在第一短边处为所述的换热器芯体基本单元的开口，在第二短边处为换热器芯体 基本单元的两块换热隔板边缘的平直的板条区贴合而形成的片状的边缘，所述的箍环内侧 具有卡槽，每个换热器芯体基本单元的第一短边外端处的片状的边缘卡在箍环内侧的卡槽 内，冷端箍环通过O形密封圈或膨胀节等密封元件与外筒内壁密封或与安装在外筒冷端的 端盖密封，阻断冷端端盖内静压腔与换热器芯体外围圆环形气隙之间的气流，所述的隔环 外侧具有卡槽，每个换热器芯体基本单元的第一短边内端处的片状的边缘卡在隔环外侧的 卡槽内，所述的隔环通过〇形密封圈或膨胀节等密封元件与安装在内筒上的端盖内气道2 的外壁面密封，相邻两个换热器芯体基本单元的开口处的换热隔板之间以及箍环和隔环与 换热器芯体基本单元之间的间隙进行气密封焊，两个箍环之间环形均布的换热器芯体基本 单元的外围处设有气密性的包扎圆筒，包扎圆筒的两端与箍环接触处进行气密封焊。
4. 如权利要求3所述的一种逆流换热器，其特征在于，所述的包扎圆筒与外筒内壁之 间的气隙内设有隔热层，隔热层通过热端箍环和外壳内壁之间的缝隙与高压侧气道1的热 端端盖内的静压腔相连通，形成具有柔性箍紧力的高压气垫式圆环形隔热层。
5. 如权利要求3所述的一种逆流换热器，其特征在于，所述的换热隔板的波纹板区沿 换热器径向分成n不同的子区域，从内至外第1个子区域的半径范围是^?！^，第2个子 区域的半径范围是r 2?r3,第3个子区域的半径范围是r3?r4,……，第n个子区域的半 径范围是r n?rn+1，其中，rn为第n个子区域的下边缘距换热器中心轴的垂直距离，r n+1为第 n个子区域的上边缘距换热器中心轴的垂直距离，设Pn为第n个子区域内的波纹走向与换 热器中心轴的夹角，贝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属于1，……，n，r(l为选定的基圆半径，使各子区的波形几何相似。
6. 如权利要求5所述的一种逆流换热器，其特征在于，所述的气道1内流动的被加热 介质为空气，绝对压力I. O?I. 3MPa，气道2流动的被冷却介质为烟气，绝对压力0. 1? 0. 2MPa，最高工作温度为950°C，在两股流体质流量相差不到10%的工作条件下，在换热器 隔板波纹板区各子区域相对于换热器中心轴的最外侧，换热器隔板波纹型沟槽横断面上波 高与波长之比等于〇? 35?0? 4,波峰处曲率半径介于R0. 9mm?RL Imm之间，波谷处曲率 半径介于R2. 7mm?R3. Omm之间，气流1的流动断面积与气流2的流动断面积之比介于 0.65?0.7之间。
7. 如权利要求1-6任一一项所述的一种逆流换热器，其特征在于，换热器高压侧气道1 的进口端和出口端均设有环形静压腔，换热器低压侧气道2的进口端和出口端分别设有渐 扩型和渐缩型圆环形气道。
8. 如权利要求1-6任一一项所述的一种逆流换热器，其特征在于，换热器高温承压壳 体和端盖与高温气流或换热器芯体之间均设有内隔热层，内端盖上设有冷却气道并与内筒 相连通，在内筒内形成冷却气流。
【文档编号】F28D9/00GK104315900SQ201410539072
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】张孔明, 梁世希, 张帆, 金则兵, 王科, 任承钦, 李文军, 朱建明, 谢昕, 周松景, 周群, 王彦超, 汪雄伟, 姜进 申请人:绿能高科集团有限公司, 北京绿能高科天然气应用技术研究院有限公司, 河南中原绿能高科有限责任公司, 山东绿能燃气实业有限责任公司, 包头中援绿能天然气有限公司, 河南绿能融创燃气有限公司