NO327475B1 - Varmeveksler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt varmevekslere med innvendige omløpsarrangementer som kan bli aktivert for å styre omløpet av varm gass rundt en varmeveksleroppstilling og å rette gasstrømmen inn i en omløpskrets. Den vedrører spesielt varmevekslere tilknyttet gassturbiner og gass/dieselmotorer for å ta ut varme fra disses eksosgasser.

Varmevekslere av typen benyttet for å gjenvinne varme fra gassturbin- eller gass/dieselmotoreksosgasser er vanligvis konstruert med en omløpskrets plassert utenfor varmeveksleropp stillingen og dens mantel, der eksosgasstrømmen til varmeveksleroppstillingskretsen og omløpskretsen styres av en eller to klaffeventiler eller lignende, der slike ventiler er kjent som spjeld. Arrangementer er kjent hvor et enkelt spjeld styrer strømmen gjennom begge kretser. Alternativt er to spjeldarrangementer kjent, der et spjeld styrer strømmen gjennom varmeveksleroppstillingskretsen og det andre spjeldet styrer strømmen gjennom omløpskretsen.

Begge typer er tunge, plassopptagende og kompliserte, og når slike spjeld har blitt kontinuerlig modulert for kontinuerlig variabel strømningsstyring har det blitt opplevd pålitelighetsproblemer. For eksempel, med to spjeldarrangementer, har skade i motorene blitt forårsaket av for stort mottrykk fordi begge spjeldene har blitt lukket samtidig, i stedet for at en krets alltid er åpen.

Av tidligere kjent teknikk kan spesielt nevnes DE 4207667 Al, hvor det er beskrevet en varmeveksler for gjenvinning av avgassvarme, hvor gasstrømmen gjennom henholdsvis varmeveksler og omløpskanal styres av en aksialt bevegelig muffe konsentrisk anbragt inne i avgasskanalen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en varmevekslerenhet for varmegjenvinning av varm røykgass, innbefattende: varmevekslerkanalinnretninger med innløpsinnretninger, utløpsinnretninger og en ytre grense dannet av en ytre mantel hos enheten; varmeveksleroppstillingsinnretninger plassert innenfor varmevekslerkanalinnretningene; omløpskanalinnretninger med innløpsinnretninger og utløpsinnretninger; et variabelt posisjonsventilarrangement innbefattende muffe-

innretning som danner en ytre grense for omløpskanalinnretningene og som er plasser-

bar innenfor enheten for å styre strømmen av varm gass gjennom omløpskanalinn-retningene og varmevekslerkanalinnretningene; aktiveringsinnretninger for å bevege muffeinnretningen; og en første tetting som er tilveiebragt for å samvirke med en første ende av muffeinnretningen i et bevegelsesytterpunkt for muffeinnretningen for derved å stenge innløpsinnretningene til varmevekslerkanalinnretningene; idet en andre tetting er

tilveiebragt for å samvirke med en andre ende av muffeinnretningen i en motsatt bevegelsesyttergrense for muffeinnretningen for derved å stenge utløpsinnretningene til omløpskanalinnretningene.

En fordel med den foreliggende oppfinnelse er at den modulerende muffeventil-mekanismen er en integrert del av varmevekslerenheten, i stedet for en separat utstyrsdel, og har en mye enklere konstruksjon enn det tidligere kjente spjeldet, som gjør moduleringen mer pålitelig. En ytterligere fordel er den iboende, sikre egenskapen til muffeventilarrangementet, der det ikke er mulig å stenge av begge gasstrømningsveiene samtidig, som derved beskytter oppstrømsutstyret fra overtrykksskader. En ytterligere fordel er at den foreliggende oppfinnelse er lettere og krever mindre plass enn de tidligere kjente arrangementer, som er en vesentlig fordel i oppshoreapplikasj oner.

Videre er det i de kjente konstruksjonene vanlig at det er en separat lyddemper installert i gasskretsen, enten oppstrøms eller nedstrøms av varmevekslerenheten. Med den foreliggende oppfinnelse er det mulig å fordelaktig konstruere enheten med lyddempingsforinger på en eller begge sidene av muffeinnretningen for å dempe lyden i omløpskanalen og/eller i varmevekslerkanalen. Det er også mulig å tilveiebringe omløpskanalen med en strømningsfordeler plassert i midten av muffeinnretningen, der strømfordeleren også har en lyddempende foring på sin overflate som vender mot muffeinnretningen. Disse tiltakene vil ha til hensikt å eliminere kravet om en separat demperinnretning.

Ytterligere trekk og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå fra den følgende beskrivelse og av kravene.

Utførelseseksempler av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til de medfølgende tegninger, der: figur 1 er et delvis snittriss langs midtlinjen til en varmevekslerenhet i henhold til oppfinnelsen, med en indre glidemuffeventil vist plassert for å lede varm gass gjennom en varmeveksleroppstilling;

figur 2 er et riss liknende figur 1, og som viser den samme varmevekslerenheten, men med muffeventilen vist plassert slik at varm gass ledes rundt varmeveksleroppstillingen og går gjennom en midtre passasje;

figur 3 er et riss liknende figur 2, som viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen;

figur 4A er et sideriss av muffeventilen som viser hvordan den kan bli styrt til å gli opp og ned inne i varmevekslerenheten;

figur 4B er et forstørret riss langs snittlinjen B-B i figur 4A;

figurene 4C og 4D viser i henholdsvis sideriss og planriss en forstørret detalj i føringsmekanismen, der figur 4D er et riss langs snittet D-D i figur 4C; og

figurene 5 og 6 er skisser delvis i sidesnittriss av alternative utførelsesformer av oppfinnelsen.

Varmevekslerenhetene vist i figurene er eksosgassvarmevekslerenheter som er egnet for bruk innen for eksempel offshoreindustrien for olje og gass. Enhetene har en generelt sylindrisk form, og er tegnet med sine hovedakser orientert vertikalt. Som vist i figur 1, er en slik enhet tiltenkt å motta varm gass 10 gjennom gassinnløpskanalen 34 fra en gassturbinmotor eller annen type motor (ikke vist), og avkjøle gassen ved varmeveksling med en fluid som sirkulerer i en varmeveksleroppstilling 2, og lede den avkjølte gassen 18 videre for å slippes ut fra gassutløpskanalen 7 til en skorstein, eller for ytterligere bruk. Varmevekslerfluidet 36 blir ledet inn og ut av varmeveksleroppstillingen 2 gjennom konsentriske rør 38, og kan bli benyttet som prosessfluid eller for å generere damp, eller liknende.

Ved å henvise til både figur 1 og 2, innbefatter varmevekslerenheten en generelt sylindrisk ytre manten eller skall 1, som inneholder en ringformet varmeveksleroppstilling 2, en innvendig muffeventil 3, og en ventilplugg 4. Muffeventilen 3 kan gli aksielt innenfor varmeveksleroppstillingen 2 mellom to ytterposisjoner. I figur 1 er muffeventilen 3 vist i sin øvre ytterposisjon, slik at ventilmuffens midtre passasje 19, betegnet som en omløpskanal, blir effektivt stengt, slik at hovedsakelig all eksosgass passerer gjennom varmeveksleroppstillingen 2. I denne posisjonen blir den påkrevede gasstettingen for å forhindre sfrømning gjennom omløpskanalen 19 tilveiebragt når en øvre "knivegg" 14 på muffeventilen 3 butter mot et ventilsete 13 som er tilveiebragt på ventilpluggen 4.

I figur 2 er muffeventilen 3 vist i sin nedre ytterposisjon, slik at hovedsakelig all varmgassen 10 passerer gjennom omløpskanalen 19, og slik ledes rundt varmeveksleroppstillingen 2. I denne posisjonen danner et kjeglestubbformet ventilsete 12 på bunnen av muffeventilen 3 en gasstetting med et komplementært kjeglestubbformet ventilsete II festet til skallet 1 under varmeveksleroppstillingen 2, og på denne måten får varmgassen 10 til å passere gjennom omløpskanalen 19 og ut forbi ventilpluggen 4 gjennom den ringformede åpningen 16 mellom pluggen 4 og de ytre komponentene. Pluggen 4 blir holdt i sin aksielle posisjon innenfor omløpskanalen 19, konsentrisk med skallet 1, ved hjelp av en midtstolpe 40 som strekker seg langs skallets langsgående akse. Midtstolpen 40 blir selv holdt av skallet 1 ved hjelp av avstivere 9 og 15 som er tilveiebragt henholdsvis ved toppen og bunnen av midtstolpen 40. Det bør være minst tre avstivere i hver av topp- og bunnposisjonene, der disse avstiverne er adskilt anordnet rundt sammenstillingen i like vinkler.

Som vist spesielt på den høyre (usnittede) delen av figur 1, er muffeventilen 3 festet i sin nedre ende til stenger 20 for å bevege muffeventilen aksielt opp og ned inne i varmevekslerenheten. Stengene går gjennom gasstettinger 17, og blir aktivert av en eller flere aktiveringsinnretninger 9 som er festet til gassinnløpskanalen 22 med støtteplater 30. Aktiveringsinnretningene 9 kan være hydraulisk og pneumatisk og elektrisk, eller manuelt operert. For eksempel kan stengene 20, og således muffeventilen 3, bli hevet og senket ved hjelp av kuleskrueinnretninger på styreskruer drevet av elektriske motorer. Igjen skal det nevnes at det bør være minst tre stenger 20, hver drevet av en aktiveringsinnretning, adskilt i like vinkler rundt sammenstillingen.

Luft 32 kan fordelaktig bli innført i det nedre varmevekslerrommet 21 gjennom gasstettingene 17, eller alternativt inn i et rom dannet av en multippel satt tetting (ikke vist) i den hensikt å utføre en tettende funksjon ved å oppnå fullstendig isolering av varmevekslerkretsen fra den varme gassen 10. I tillegg, eller alternativt, kan slik luft bli benyttet for å fjerne uønsket varme fra arbeidsfluidene inne i varmeveksleroppstillingen 2 når den varme gassen 10 passerer bare gjennom omløpskanalen 19.

For støyabsorpsjon inne i varmevekslerkanalen, er lyddempingsforinger 5 og 6 henholdsvis tilveiebragt på innsiden av skallet 1 og på utsiden av muffeventilen 3. Lyddempingsforingen har også en temperatuirsolerende funksjon for å redusere varmetapet gjennom veggene til varmevekslerkanalen.

Figur 3 viser en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Som i figur 2, er enheten vist med omløpskanalen i den åpne ytterposisjonen, men her er ventilpluggen 4 tilveiebragt med en nedoverrettet forlengelse 8 som går aksielt gjennom omløpskanalen 19, konsentrisk med skallet 1 og midtstolpen 40. Forlengelsen 8 fungerer som en strømningsoppdeler, og har et sylindrisk øvre parti og et nedre konisk endeparti. For å tilveiebringe forbedret lyddemping i omløpskanalen 19, har den ytre overflaten av det sylindriske partiet til strømningsfordeleren 8 som vender mot muffeventilen 3 en lyddempingsforing 34 over i det minste en del av sin lengde. I tillegg er den nedre delen av muffeventilen 3 tilveiebragt med en lyddempingsforing 42 på sin indre overflate. Imidlertid er den tilnærmelsesvis øvre femtedelen av muffeventilen 3 ikke dekket med foring 42 for å unngå å forstyrre eller hindre strømmen av gass gjennom det ringformede utløpet 16 av omløpskanalen.

Som vist i figurene 4A til 4D, er sidestøtte av muffen, i tillegg til den som tilveiebringes av stengene 20, påkrevet for å forhindre ugunstig vibrasjon av muffeventilen, og kan bli oppnådd på et antall ulike måter. I denne utførelsesformen er muffen 3 tilveiebragt med tre føringsskinner 24 festet til sin ytre overflate. Disse føringsskinnene 24 strekker seg i lengderetningen av muffen, og er adskilt anbragt i 120° rundt den. Tilsvarende er skallet 1 til enheten tilveiebragt med tre føringsskinner 22 som vender mot skinnene 2. Dimensjonene er valgt slik at det er en liten klaring 44 mellom de motvendende overflatene til skinnene. Par med føringsplater 23 er festet nær toppen og bunnen av skinnene 22, og strekker seg derifrå for å omslutte skinnene 24 med en liten klaring for å forhindre skinnene 24 på muffen 3 fra å bevege seg ut av inngrep med skinnene 22 på skallet 1. Som vist i figurene 4A, 4C og 4D, innbefatter bunnpartiet til hver skinne 24 på muffen 3 en rullemekanisme 24, der et hjul 46 fritt kan bevege seg langs overflaten til skinnen 22 ved å rotere om en aksel 47. Akselen 47 blir holdt i hver ende av lagerplater 49 som er festet til den øvre enden av en hjulkloss 48. Klossen 48 er i sin tur festet i sine øvre og nedre ender til skinnen 24 gjennom vibrasjonsabsorberende ledd 45. Som det fremgår av figur 4A, er en liknende hjulmekanisme tilveiebragt i den øvre enden av hver skinne 22 på skallet 1. Hjulmekanismen 25<1> skiller seg fra hjulmekanismen 25 bare ved at dens hjulkloss 48<1> er festet til skinnen 22, og dens hjul løper langs overflaten til skinnen 24.

Figurene 5 og 6 viser alternative utførelsesformer av oppfinnelsen for å vise alternative fremgangsmåter for å føre muffeventilen 3 på. I figurene 5 og 6 har like deler fått de samme henvisningstallene som i figur 1 til 4, og vil ikke bli ytterligere beskrevet, siden de bare er forskjellig med hensyn på detaljerte dimensjoner og med hensyn til form.

I figur 5 blir muffen 3, vist i sin laveste posisjon, ført av fire stenger 43 som i toppen og bunnen er forbundet med yttermantelen 1. Ventilpluggen 4 blir også støttet, og av stengene 53, for å innrettes sentrisk med muffen 3. Muffen 3 blir tillatt å gli langs stengene av rørformede lågere 54 festet til muffen 3. Et tilleggstrekk ved denne utførelsesformen er at ventilpluggen 4 blir tillatt å gli en liten aksiell lengde opp til stengene 53 for å tilveiebringe et middel for å begrense lasten påført muffen 3 og pluggen 4 av aktivatorinnretningene 9. Dette er for å forhindre skade på utstyret i et tilfelle med for stor aksiell oppoverbevegelse av muffen 3, av en eller annen grunn.

I figur 6 er enheten vist med muffen 3 i sin øverste posisjon, d.v.s. med omløpskanalen lukket. I denne utførelsesformen har pluggtettingen 4 en sylindrisk forlengelse 58 som strekker seg aksiell ned gjennom omløpskanalen 19 til en posisjon under ventilsetet 11. Den øvre enden av pluggen 4 blir sideveis støttet av pluggstøttestengene 55 som er festet til yttermantelen 1. Ventilmuffen 3 blir ført og støttet i sideretning fra pluggen 4 av to føringslagere 56.

Selv om figurene 1 til 6 viser muffeventilen 3 i sine to ytterposisjoner, skal det selvfølgelig forstås at posisjonen til muffen kan varieres i henhold til inngangen fra aktivatorene 9, slik at mellomposisjoner kan inntas, som dermed tillater litt av den varme gassen 10 å passere gjennom omløpskanalen 19 og litt av den å passere gjennom varmeveksleroppstillingen 2.

Videre, selv om muffen 3 i de ovenfor beskrevne arrangementene definerer både omløpskanalen 19 og den indre veggen til varmevekslerkanalen, vil det også være mulig å ha en indre konstruksjonsvegg, i tillegg til den bevegelige muffen 3, for å utføre funksjonen med å skille omløpskanalen fra varmeveksleroppstillingen.

Det er andre måter å anordne det indre av varmeveksleren på enn det som er vist i figur 1 til 6 ovenfor, som kan bli gjort innenfor omfanget av den foreliggende oppfinnelse.

Mantelen 1, varmevekslerkanalen og den indre omløpskanalen 19 er fortrinnsvis sylindriske, selv om former uten sirkulært tverrsnitt også er funksjonelle.

Varmeveksleren kan også være konfigurert for å operere med eksosgass strømmende i motsatt retning til det som er vist i figurene med bare relativt små endringer på innsiden.

Varmeveksleren er best egnet for operasjon i et vertikalt arrangement som vist i alle figurene, men kan imidlertid også opereres i en hvilken som helst annen posisjon, inkludert horisontalt og opp-ned, igjen med relativt små endringer på innsiden. Varmevekslerens innside kan også bli endret for å tillate pluggen å bli plassert i den andre enden av varmeveksleren, som kan være fordelaktig i visse applikasjoner. Posisjonen til aktivatorene og feste av aktivatorstengene kan bli endret fra den nedre enden av varmeveksleren til den øvre enden.

Muffen kan bli aktivert og ført av alternative innretninger til de som er beskrevet ovenfor og som er vist i figurene, igjen innenfor omfanget av denne oppfinnelsen.

Claims (15)

1. Varmevekslerenhet for varmegjenvinning av varm røykgass, innbefattende: varmevekslerkanalinnretninger med innløpsinnretninger, utløpsinnretninger og en ytre grense dannet av en ytre mantel (1) hos enheten; varmeveksleroppstillingsinnretninger (2) plassert innenfor varmevekslerkanalinnretningene; omløpskanalinnretninger (19) med innløpsinnretninger og utløpsinnretninger; et variabelt posisjonsventilarrangement innbefattende muffeinnretning (3) som danner en ytre grense for omløpskanalinnretriingene og som er plasserbar innenfor enheten for å styre strømmen av varm gass (10) gjennom omløpskanalinnretningene og varmevekslerkanalinnretningene; aktiveringsinnretninger (9,20) for å bevege muffeinnretningen (3); og en første tetting (11) som er tilveiebragt for å samvirke med en første ende (12) av muffeinnretningen i et bevegelsesytterpunkt for muffeinnretningen for derved å stenge innløpsinnretningene til varmevekslerkanalinnretningene; karakterisert ved at en andre tetting (13) er tilveiebragt for å samvirke med en andre ende (14) av muffeinnretningen i en motsatt bevegelsesyttergrense for muffeinnretningen for derved å stenge utløpsinnretningene til omløpskanalinnretningene.

2. Varmevekslerenhet i henhold til krav 1, karakterisert v e d at den andre tettingen innbefatter en ventilplugg (4) plassert sentrisk hos den andre enden (14) av muffeinnretningen (3).

3. Varmevekslerenhet i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert v e d at aktiveringsinnretninger (20) er festet til muffeinnretningen (3) i dens første ende.

4. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at muffeinnretningen (3) har en rettsidet sylindrisk form.

5. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den første tettingen (11) er montert på den ytre mantelen (1) til enheten.

6. Varmevekslerenhet i henhold til krav 5, karakterisert v e d å inkludere innretning (17) for å innføre tettingsluft (32) til et ringformet rom (21) mellom den første tettingen (11) og varmeveksleroppstillingen (2).

7. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at varmevekslerenheten er anordnet i rekke med en motor for å motta eksosgass (10) fra denne.

8- Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at omløpskanalen er tilveiebragt med en strømningsfordeler (8) for å hjelpe til og føre den varme gassen (10) gjennom enheten.

9. Varmevekslerenhet i henhold til krav 8 i avhengighet av krav 2, karakterisert ved at strømningsfordeleren (8) innbefatter en forlengelse av ventilpluggen (4).

10. Varmevekslerenhet i henhold til krav 8 eller 9, karakterisert ved at en lyddempingsforing (35) er tilveiebragt på strømningsfordeleren (8).

11. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at en lyddempingsforing (42) er tilveiebragt på muffeinnretningen (3).

12. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at utløpsinnretningene til omløpskanal-innretningene og varmevekslerkanalinnretningene åpnes inn i en konvergerende del av mantelen (1) som igjen fører til en eksoskanal (7) fra enheten.

13. Varmevekslerenhet i henhold til krav 12 i avhengighet av krav 2, karakterisert ved at den konvergerende delen av mantelen (1) rommer ventilpluggen (4).

14. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at muffeinnretningen (3) er bevegelig på i det minste tre føringsskinner (22) festet til mantelen (1) og adskilt anbragt rundt muffeinnretningen i like vinkler.

15. Varmevekslerenhet i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 13, karakterisert ved at muffeinnretningen (3) er bevegelig på en i lengderetning forløpende støttestolpe (40) plassert på midtlinjen til muffeinnretningen.