CN107621180A - 一种换热器、燃气轮机、锅炉及换热器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换热器、燃气轮机、锅炉及换热器制备方法，其中换热器包括第一管体、第二管体和换热元件，所述第一管体的外径小于所述第二管体的内径，所述第二管体套设于所述第一管体外部；所述第一管体的管内壁以及所述第一管体的管外壁和第二管体的管内壁之间均附着连接有若干个换热元件，任意两个相邻的换热元件之间均设置有空隙；所述第一管体的管外壁与所述第二管体的管内壁之间的空间形成第一介质通道，所述第一管体所围成的空间形成第二介质通道。本发明中，换热器的换热效率较高，压力损失较小，且结构稳定性也较高，能够满足燃气轮机在尾气换热方面以及锅炉内高温余气与锅炉内水换热的需求。

Description

一种换热器、燃气轮机、锅炉及换热器制备方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种换热器、燃气轮机、锅炉及换热器制备方法。

背景技术

燃气轮机是一种以连续流动的高温高压气体作为工质，把热能转换为机械能的动力机械。燃气轮机排出的尾气仍然具有较高的温度和压力，为了提高燃气轮机的热效率，需要用换热器将该部分气体的热能进行回收。由于燃气轮机排气温度较高，排气管路受到的热应力很大，而且热变形也较大，因此，燃气轮机所需要的换热器应具有较高的换热效率和较小的压力损失，并且还应当具有较高的结构稳定性和抗疲劳性。

同样，燃气蒸汽联合循环发电站是利用燃气轮机、余热锅炉和汽轮机三大部件的组合来完成发电的电站，其中燃气轮机通过燃气的燃烧和压气机以及涡轮的组合功能来带动发电机，余热锅炉利用燃气轮机排出的高温余气产生高温高压蒸汽，汽轮机利用来自余热锅炉的蒸汽带动发电机，这就需要换热器在短时间内完成燃气轮机排出的高温余气与锅炉内的水的换热。

目前，换热器主要的结构形式有管翅式换热器、板翅式换热器和板式换热器等，其中，管翅式换热器换热效率低；板翅式换热器在换热前后，换热介质存在较大的压力损失；而板式换热器的加工工艺较为复杂，其结构稳定性较差。可见，现有换热器无法满足燃气轮机在尾气换热方面以及锅炉内高温余气与锅炉内水换热的需求。

发明内容

本发明提供一种换热器、燃气轮机、锅炉及换热器制备方法，以解决现有换热器无法满足燃气轮机在尾气换热方面以及锅炉内高温余气与锅炉内水换热的需求的问题。

第一方面，本发明提供一种换热器，包括第一管体、第二管体和换热元件，所述第一管体的外径小于所述第二管体的内径，所述第二管体套设于所述第一管体外部；

所述第一管体的管内壁以及所述第一管体的管外壁和第二管体的管内壁之间均附着连接有若干个换热元件，任意两个相邻的换热元件之间均设置有空隙；

所述第一管体的管外壁与所述第二管体的管内壁之间的空间形成第一介质通道，所述第一管体所围成的空间形成第二介质通道。

可选的，任意两个相邻的换热元件之间在沿所述第一管体的轴向方向和径向方向上均设置有空隙。

所述换热元件外形为规则结构或不规则结构。

可选的，所述换热元件外形为规则结构时，所述换热元件为波纹板、翅板或所述换热元件外形呈迎流方向的水滴状；

所述换热元件外形为不规则结构时，所述换热元件外形呈珊瑚状或毛刺状。

可选的，所述换热元件沿管体径向方向的高度范围为0.01微米至1微米之间。

可选的，所述换热器还包括N个管体，所述N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设于所述第二管体上，所述N为大于或者等于1的正整数；

相邻管体的管内壁和管外壁之间附着连接有若干个换热元件。

可选的，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至2毫米。

可选的，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至0.5毫米。

第二方面，本发明还提供了一种燃气轮机，包括燃气轮机本体、排气管、进气管和本发明第一方面所提供的任一种换热器，所述排气管设置于所述燃气轮机本体上；所述排气管与所述换热器的所述第一管体连接，所述进气管与所述换热器的所述第二管体连接。

第三方面，本发明还提供了一种锅炉，其特征在于，包括炉体、冷凝管路、第一换热器和第二换热器，所述第一换热器和第二换热器为第一方面中任一项所述的换热器，产生高温气体装置的排气管与所述第一换热器的第一管体连接，所述冷凝管路的出口与所述第二换热器的第一管体连接，所述炉体内的水分别与所述第一换热器的第二管体和所述第二换热器的第二管体连接。

第四方面，本发明还提供了一种换热器制备方法，包括：

向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质；

向所述第一管体的管外壁和管内壁上喷涂金属液体，使所述金属液体浸润并填充所述附着物质的孔隙；

在金属液体凝固前，将所述第二管体置于第一管体外，使所述第一管体外壁的金属液体凝固后分别连接所述第一管体外壁和所述第二管体内壁，所述第一管体的外径小于所述第二管体的内径；

在所述金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉所述附着物质，得到外形呈或不规则结构的换热元件。

可选的，所述向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质的具体步骤为：附着物质事先在模具上占位换热元件的形状，当附着物质落在管壁后，原模具占位拔模后留下的空穴，即为换热元件的形状。

可选的，所述金属液中含有絮片状石墨粉、陶瓷粉或金刚石粉。

可选的，所述附着物质包括石膏、塑料、树脂或黏土中的至少一种。

可选的，所述附着物质为颗粒状或粉末状，所述附着物质的直径范围为0.01微米至2毫米之间。

可选的，所述方法还包括：

将N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设于所述第二管体上，所述N为大于或者等于1的正整数；

向所述N个管体中相邻管体的管内壁和管外壁之间涂抹和/或喷洒附着物质；

向所述N个管体中相邻管体的管内壁和管外壁之间喷涂金属液体，使所述金属液体浸润并填充所述附着物质的孔隙；

在所述金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉所述附着物质，使所述N个管体中相邻管体的管内壁和管外壁之间形成外形呈规则结构或不规则结构的换热元件。

本发明中，通过在第一管体的管内壁以及所述第一管体的管外壁和第二管体的管内壁之间均附着连接有若干个换热元件，尤其是外形呈不规则结构的若干换热元件，一方面，使得换热器具有更高的比表面积，增加了换热器的换热面积，提升了换热器的换热效率；另一方面，换热元件的高度低，直径小，尤其是换热元件的外形为迎流方向的水滴状时，可以降低空气流阻，从而能够减少介质流动过程中的压力损失；另外，换热元件的形成采用化学成型的方式，使得换热器具备较高的工艺性，易加工，成本低，可实现量产，而且换热器的结构稳定性也较高。可见，本发明的换热器能够满足燃气轮机在尾气换热方面以及锅炉内高温余气与锅炉内水换热的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是本发明实施例提供的包括两个管体的换热器的结构示意图；

图2是图1中A-A向的结构示意图；

图3是图1中B部分的放大结构示意图；

图4是本发明实施例中换热元件的结构为迎流方向的水滴状时气流流动示意图；

图5是本发明实施例提供的包括四个管体的换热器的结构示意图；

图6是图4的截面图；

图7是本发明实施例提供的具有换热器的锅炉的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的换热器制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，一种换热器，包括第一管体1、第二管体2和换热元件3，第一管体1的外径小于第二管体2的内径，第二管体2套设于第一管体1外部；第一管体1的管内壁以及第一管体1的管外壁和第二管体2的管内壁之间附着连接有若干个换热元件3，任意两个相邻的换热元件3之间均设置有空隙；第一管体1的管外壁与第二管体2的管内壁之间的空间形成第一介质通道，第一管体所围成的空间形成第二介质通道。

本发明实施例的换热器可以适用于但并不限于燃气轮机或预热锅炉，该换热器通过两个套设的管体形成两个供换热介质流动的通道，其结构非常简单，且对换热介质流动过程中产生的阻力比现有技术要小，换热效率比现有技术要高。

这里，第一介质通道和第二介质通道即为两个供换热介质流动的通道，其中，换热介质可以是多种形式的介质，例如，第一介质通道内流动的换热介质可以是液体，也可以是气体，第二介质通道内流动的换热介质可以是液体，也可以是气体；另外，可以是第一介质通道供高温介质流动，第二介质通道供低温介质流动；还可以是第一介质通道供低温介质流动，第二介质通道供高温介质流动。

本发明实施例中，第一管体1管内壁以及第一管体1的管外壁和第二管体2的管内壁之间附着连接有若干个换热元件3，可以理解为，一方面，第一管体1与第二管体2通过换热元件3进行连接固定，以形成结构稳定的换热器；另一方面，热气在第二介质通道内流动时，热气中携带的热量可以通过第一管体1管内壁上的若干个换热元件3更快地传导至第一管体1，并继而通过第一管体1的管外壁和第二管体2的管内壁之间附着连接的若干个换热元件3将热量由冷空气吸收。可见，若干个换热元件3能够增加换热器在第一介质通道和第二介质通道的换热面积，能够提高换热器的换热效率。

如图1所示，以换热器适用于燃气轮机为例，第二介质通道为供燃气轮机排出的尾气(即热气)流动的通道，第一介质通道为供冷空气流动的通道。具体的换热过程如下：热气在第二介质通道中沿图中箭头方向流动，冷空气在第一介质通道中沿图中另一箭头方向流动，热气与冷空气的流动方向相反，在热气和冷空气的流动过程中通过第一管体1和若干换热元件3进行换热。此时，热气中携带的热量通过第一管体1传导至换热元件3，在第一介质通道内流动的冷空气与换热元件3的接触将热量吸收。

需要说明的是，换热元件3的外形呈不规则结构，换热介质可以自由随意地在流通通道内流动，从而可以降低流阻，减少对流动介质所造成的压力损失；同时，还具备较高的比表面积，能够大大提高换热器的换热面积，从而提升换热器的换热效率；另外，由于具备较高的换热效率，因此，换热器的结构可以更加紧凑。

可选的，任意两个相邻的换热元件3之间在沿第一管体1的轴向方向和径向方向上均设置有空隙。

为了进一步地降低换热器流阻，任意两个相邻的换热元件3之间在沿第一管体1的轴向方向和径向方向上均设置有空隙，这样，换热介质在流通通道内可以更加自由随意地流动，进一步减少了换热器对流动介质所造成的压力损失。

可选的，换热元件3外形为规则结构或不规则结构。

具体的，换热元件3外形为规则结构时，换热元件3可以为波纹板、翅板或所述换热元件外形呈迎流方向的水滴状。其中，如图4所示，若换热元件外形呈迎流方向的水滴状，能够进一步降低换热器的流阻。

换热元件3外形为不规则结构时，换热元件3外形可以呈珊瑚状或毛刺状。

可选的，第一管体1与第二管体2同中心轴设置。

本发明实施方式中，通过将第一管体1和第二管体2同中心轴设置，可以提高换热器的结构稳定性，且能够确保流动介质在流通通道内流动均匀。

可选的，换热元件3的外形为不规则的珊瑚状。

这里，不规则的珊瑚状可以理解为，换热元件3的外表带有不规则的凸起和凹陷，外形类似于珊瑚。这样，本发明实施方式可以进一步增大换热面积，从而进一步提升换热器的换热效率。

可选的，换热元件3为金属换热元件，换热元件3的热导率大于或者等于200瓦/(米·开尔文)。

本发明实施方式中，换热元件3应为热导率高，例如热导率大于或者等于200瓦/(米·开尔文)的金属换热元件，所选的金属材料可以是例如不锈钢、铝或铜等。在此基础上，所选的金属材料还应当耐高温，优选不锈钢。这样，换热器不易损坏，从而可以增加换热器的使用寿命。

可选的，换热元件3沿管体径向方向的高度范围为0.01微米至1微米之间。

例如，换热元件3沿第一管体1的径向方向的高度范围可以为0.01微米至1微米之间。例如，换热元件3沿第一管体1的周向方向的长度为0.05微米。这样，通过微米级别的换热元件可以进一步减少换热器对流动介质的压力损失。

可选的，第一介质通道的横截面积和第二介质通道的横截面积相等。

本发明实施方式中，将两个介质通道的横截面积设置为相等，可以使两种换热介质的流通体积基本相等，有利于热交换时两种换热介质更容易达到热平衡。

可选的，换热器还包括N个管体，N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设，N个管体套设于第二管体上，N为大于或者等于1的正整数；相邻管体的管内壁和管外壁之间附着连接有若干个换热元件3。

图5和图6示出了N为2，即换热器一共包括四个管体的情况。当换热器包括四个管体时，能够形成四个介质通道，四个介质通道用于分别供热气和冷空气交替通过。这样，第一介质通道由原来的一个增加到两个，第二介质通道同样由原来的一个增加到两个。由于介质通道增多，因此本发明实施例的换热器能够进一步提高换热效果。

需要说明的是，换热器还可以包括三个管体或五个管体，等等，可以根据换热器的具体工况进行灵活设置。

可选的，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至2毫米。

需要说明的是，针对相邻两管体之间的间隙为0.01微米至2毫米之间的距离，现有安装方法譬如焊接等无法实现，而本发明实施例所请求保护的换热器的制备方法适用于如此小尺寸缝隙内换热元件的固定安装。

进一步的，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至0.5毫米。

当相邻两管体之间的间隙不大于0.5mm时，空气在两管体之间的流动会产生附面层效应，会强制空气以层流形式在两管之间流动，这样，能够减少湍流或涡流等三维流动，从而减少流阻导致的压力损失。

其余均可以参照图1至图4所示的发明实施例，且具有相同的技术效果，为避免重复，对此不作赘述。

另一方面，本发明实施例还涉及一种燃气轮机，包括燃气轮机本体、排气管、进气管和本发明实施例中的任意一种换热器，排气管设置于燃气轮机本体上，排气管与换热器的第一管体连接，所述进气管与所述换热器的所述第二管体连接。

可选的，当换热器还包括N个管体时，排气管与换热器的所有第一介质通道相连通，进气管与换热器的所有第二介质通道相连通。

本发明实施例中，利用换热器来回收燃气轮机的排气余热，可以减少燃料的消耗，提高燃气轮机的效率和比功，从而提高燃气轮机的工作性能。

需要说明的是，换热器的所有实施方式均可以结合燃气轮机进行实施，且具有相同的技术效果，为避免重复，对此不作赘述。

如图7所示，本发明实施例还涉及一种锅炉，尤其是余热锅炉，包括炉体4、过压蒸汽管路5、冷凝管路6、第一换热器7、第二换热器8。炉体4内装有水，第一换热器7和第二换热器8浸入炉体4内的水中，第一换热器7和第二换热器8的第二管体均与炉体4内的水连通。炉体4和过压蒸汽管路5一体成型，过压蒸汽管路5两端分别与炉体4和蒸汽轮机10的高温蒸汽入口连通，冷凝管路6的两端分别与炉体4内的第二换热器8的第一管体和蒸汽轮机的低温蒸汽出口连通，第一换热器7的第一管体两端分别与燃气轮机9排气管以及大气连通。

本发明实施例的工作过程如下：

燃气轮机9通过排气管排出的高温气体进入第一换热器7的第一管体通过换热元件3与第一管体和第二管体间的水换热，换热后，高温气体温度下降至预定值排入大气，第一管体和第二管体间的水快速升温变为高温蒸汽，并通过过压蒸汽管路5进入蒸汽轮机10的高温蒸汽入口，为蒸汽轮机10的工作提供动力后形成低温蒸汽，低温蒸汽由蒸汽轮机10的低温蒸汽出口依次进入冷凝管路6和第二换热器8的第一管体，通过第二管体的换热元件与第二换热器的第一管体和第二管体间的水换热，换热后，第一管体和第二管体内的水温度升高，减少了变为水蒸气所需热量，低温蒸汽转变为水进入下一工作周期。

如图8所示，一种换热器制备方法，包括：

S1，向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质。

其中，向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质的具体步骤为：附着物质事先在模具上占位换热元件的形状，当附着物质落在管壁后，原模具占位拔模后留下的空穴，即为换热元件的形状。

需要说明的是，上述附着物质用于起预先填充的作用，因此，该附着物质应当为可通过化学试剂冲洗掉的物质。可选的，附着物质包括石膏、塑料、树脂或黏土中的至少一种。进一步的，附着物质为颗粒状或粉末状，附着物质的直径范围为0.01微米至2毫米之间。

S2、向第一管体的管外壁和管内壁上喷涂金属液体，使金属液体浸润并填充附着物质的孔隙。

可选的，金属液体中含有絮片状石墨粉、陶瓷粉或金刚石粉。

为了进一步提高换热器的换热效率，可以在金属液体中增加絮片状石墨粉、陶瓷粉或金刚石粉。其中，以石墨粉为例，具体步骤如下：对引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯，将足量的絮片状晶体均匀地混入金属液体中。这样，在S4中冷却成型为金属-石墨烯复合材料，其热导率可高达10³瓦/(米·开尔文)量级。

S3、在金属液体凝固前，将第二管体置于第一管体外，使第一管体外壁的金属液体凝固后分别连接第一管体外壁和第二管体内壁，第一管体的外径小于第二管体的内径。

可选的，通过工装保持第一管体和第二管体同中心轴，将第二管体置于第一管体外。

S4、在金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉附着物质，得到外形呈规则结构或不规则结构的换热元件。

可选的，所述换热器还包括N个管体，所述N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设于所述第二管体上，所述N为大于或者等于1的正整数；所述方法还包括：

向相邻两个管体中内管的管外壁上涂抹和/或喷洒附着物质；

向所述内管的管外壁上喷涂金属液体，使所述金属液体浸润并填充所述附着物质的孔隙；

在金属液体凝固前，将相邻两个管体中的外管置于所述内管外，使所述内管的管外壁的金属液体凝固后分别连接所述内管的管外壁和所述外管的管内壁；

在所述金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉所述附着物质，使所述内管的管外壁和所述外管的管内壁之间形成外形呈规则结构或不规则结构的换热元件。

本发明实施例中，换热元件通过化学成型方式制备，具有工艺性好、易加工、成本低、稳定性好、可实现量产等优点。可见，换热器的制备具备较高的工艺性，换热器的结构稳定性较好。

需要说明的是，本发明实施例提供的换热器制备方法制备出的换热器能达到本发明实施例中任意一种换热器的技术效果，为避免重复，对此不再赘述。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种换热器，其特征在于，包括第一管体、第二管体和换热元件，所述第一管体的外径小于所述第二管体的内径，所述第二管体套设于所述第一管体外部；

所述第一管体的管内壁以及所述第一管体的管外壁和第二管体的管内壁之间均附着连接有若干个换热元件，任意两个相邻的换热元件之间均设置有空隙；

所述第一管体的管外壁与所述第二管体的管内壁之间的空间形成第一介质通道，所述第一管体所围成的空间形成第二介质通道。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，任意两个相邻的换热元件之间在沿所述第一管体的轴向方向和径向方向上均设置有空隙。

3.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，所述换热元件外形为规则结构或不规则结构。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述换热元件外形为规则结构时，所述换热元件为波纹板、翅板或所述换热元件外形呈迎流方向的水滴状；

所述换热元件外形为不规则结构时，所述换热元件外形呈珊瑚状或毛刺状。

5.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，所述换热元件沿管体径向方向的高度范围为0.01微米至1微米之间。

6.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括N个管体，所述N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设于所述第二管体上，所述N为大于或者等于1的正整数；

相邻管体的管内壁和管外壁之间附着连接有若干个换热元件。

7.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至2毫米。

8.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，相邻两管体之间的间隙为0.01微米至0.5毫米。

9.一种燃气轮机，其特征在于，包括燃气轮机本体、排气管、进气管和如权利要求1至8中任一项所述的换热器，所述排气管设置于所述燃气轮机本体上，所述排气管与所述换热器的所述第一管体连接，所述进气管与所述换热器的所述第二管体连接。

10.一种锅炉，其特征在于，包括炉体、冷凝管路、第一换热器和第二换热器，所述第一换热器和第二换热器为权利要求1至8中任一项所述的换热器，产生高温气体装置的排气管与所述第一换热器的第一管体连接，所述冷凝管路的出口与所述第二换热器的第一管体连接，所述炉体内的水分别与所述第一换热器的第二管体和所述第二换热器的第二管体连接。

11.一种换热器制备方法，其特征在于，包括：

向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质；

向所述第一管体的管外壁和管内壁上喷涂金属液体，使所述金属液体浸润并填充所述附着物质的孔隙；

在金属液体凝固前，将所述第二管体置于第一管体外，使所述第一管体外壁的金属液体凝固后分别连接所述第一管体外壁和所述第二管体内壁，所述第一管体的外径小于所述第二管体的内径；

在所述金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉所述附着物质，得到外形呈规则结构或不规则结构的换热元件。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述向第一管体的管外壁和管内壁涂抹和/或喷洒附着物质的具体步骤为：附着物质事先在模具上占位换热元件的形状，当附着物质落在管壁后，原模具占位拔模后留下的空穴，即为换热元件的形状。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述金属液中含有絮片状石墨粉、陶瓷粉或金刚石粉。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述附着物质包括石膏、塑料、树脂或黏土中的至少一种。

15.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述附着物质为颗粒状或粉末状，所述附着物质的直径范围为0.01微米至2毫米之间。

16.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述换热器还包括N个管体，所述N个管体按照内径从小到大的顺序依次套设于所述第二管体上，所述N为大于或者等于1的正整数；所述方法还包括：

向相邻两个管体中内管的管外壁上涂抹和/或喷洒附着物质；

向所述内管的管外壁上喷涂金属液体，使所述金属液体浸润并填充所述附着物质的孔隙；

在金属液体凝固前，将相邻两个管体中的外管置于所述内管外，使所述内管的管外壁的金属液体凝固后分别连接所述内管的管外壁和所述外管的管内壁；

在所述金属液体沉积完毕并冷却成型后，洗掉所述附着物质，使所述内管的管外壁和所述外管的管内壁之间形成外形呈规则结构或不规则结构的换热元件。