模塊化構造的熱交換器的製作方法

2023-05-28 13:17:26

專利名稱：模塊化構造的熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模塊化構造的熱交換器，用於其中發生大的負荷變化和/或溫度 變化的設施，尤其是太陽能發電設備。
背景技術：
從申請人的DE 29510720 Ul中得知一種熱交換器，所述熱交換器已經得到了很好 的驗證，尤其是作為燃氣輪機的冷卻劑空氣冷卻器。所述熱交換器具有用於使散熱介質與 吸熱介質分開的管。迂曲管布置在入口岐管和出口岐管之間並且使得吸熱介質流過迂曲 管。散熱介質圍繞這些迂曲管流動。在從DE 29510720 Ul得知的熱交換器的輔助下，由於頻繁的負荷變化和溫度變化 而發生的機械性質和熱性質的應力可以被成功地降低。此外，管束的迂曲成型允許熱交換 器在性能不變的情況下「小型化」。儘管具有所列優點，但仍需要更加緊湊和高效的熱交換 器，這種熱交換器是靈活的，但可以以良好成本效益來製造。用於太陽能發電設備尤其是槽 形拋物面發電設備的熱交換器在具有高溫度梯度的情況下必須另外具有更快速的啟動速 度。因此，本發明基於這樣的目的進一步提高從DE 29510720 Ul得知的熱交換器， 以及詳述一種熱交換器，其允許具有更加緊湊的構造以使得熱交換器需要更小空間。此外， 除了降低製造成本之外，本發明的目的是允許具有靈活的構造。

發明內容
本發明目的由根據獨立權利要求的熱交換器來實現。優選實施例列於從屬權利要 求中。根據本發明的熱交換器為模塊化構造。熱交換器模塊可以為預熱器模塊、至少一 個蒸發器模塊和至少一個過熱器模塊，所述熱交換器模塊被布置在共用的外殼中，在所述 外殼中，散熱介質圍繞帶有迂曲管束的熱交換器模塊流動。因此，熱交換器將至少三個不同 的裝置統一於一體。熱交換根據逆流和/或錯流原理而發生。迂曲管具有流過迂曲管的吸 熱介質，例如水。由於管束的迂曲布置，減小了熱交換器的整體尺寸，改善了從散熱介質到 吸熱介質的熱傳遞，同時提高了構造的熱彈性。本發明尤其基於如下發現通過將各個熱交換器模塊布置在共用外殼中，大大減 小了熱交換器的整體尺寸，而使熱交換器的性能等同或者甚至被提高。模塊化構造的另一 優點是可以根據需要靈活地改裝單個熱交換器模塊。因此，例如能夠根據需要添加單個模 塊，或者能夠通過例如改變管束的長度僅調整單個模塊。因此，省卻了熱交換器的廣泛總體 設計中所涉及到的努力。另外，因為能夠使用相同零件和/或相同模塊，而不是高成本地單 個製造熱交換器的部件，所以能夠降低製造成本。由於節省了單個模塊之間的附加管連接 且由於緊湊的構造，不僅降低了材料成本，而且提高了熱交換器的效率，這是因為歸因於與 環境相接觸的表面的減少而有效地減少了進入環境的熱損耗。
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通過藉助於汽鼓平行地連接多個蒸發器模塊，進一步提高了靈活性和效率。另外， 能夠實現在較高溫度梯度情況下的更快速啟動，這在例如改變太陽能發電設備的負荷條件 和溫度條件的情形下具有重要的意義。根據本發明的優選實施例變型例，吸熱介質從特定 蒸發器模塊的出口岐管通過管流到汽鼓，所述管以這些管僅具有進入到汽鼓中的單一共用 入口的方式彼此連接。因此，進一步降低了材料成本以及進入環境的熱損耗。根據本發明的另一有益實施例，吸熱介質從汽鼓通過管流到特定蒸發器模塊的入 口岐管，所述管也能夠以這些管具有從汽鼓出來的單一共用出口的方式彼此連接。根據本發明的優選實施例變型例，能夠水平地或垂直地設置熱交換器。垂直設置 允許更好的區域利用。根據本發明的幾個熱交換器能夠在相對小的區域中彼此相鄰地並行 運行。尤其在太陽能發電設備中，因為槽形拋物面集熱器佔據非常大的空間，空間條件是不 利的。根據本發明的熱交換器的節省空間的構造允許進行幾乎位置無關的設置，以使得能 夠更加方便地縮短加熱過的介質到熱交換器的流路。散熱介質的溫度在進入熱交換器時較 高，從而產熱量較好。本發明的另一優選實施例變型例提供的是在水平設置中，熱交換器模塊具有多 個水平管層，其中，各個管層由相等數量的管形成，並且管層以各個管層的管在垂直方向上 精確地彼此疊置對準的方式來布置，其中吸熱介質在橫向於外殼的中心軸線布置的垂直相 鄰管段中的流動方向相反。單個管層中的管束的實施例使得可以得到非常緊湊的構造。因 為管在垂直方向上精確地彼此疊置，因此能夠在管之間使用常規的間隔件。在橫向於外殼 的中心軸線布置的垂直相鄰管段中的相反流動對於熱交換器中關於中心軸線的對稱溫度 分布是有利的。這也類似地適用於熱交換器的垂直設置。在這種情況下，管層在垂直方向 上彼此相鄰，關於水平設置樞轉90°，方便地使預熱器模塊在共用外殼中最低。入口岐管和出口岐管優選地具有環形剖面。管層的管在特定的入口岐管和出口岐 管的外周平面上以相等角度彼此偏置地連接至特定的入口岐管和出口岐管。由於為岐管的 焊接工作、機械加工或其他工作提供了足夠的空間，通過這種方式使得製造方法更容易。此外，相鄰管層的管優選地以如下方式連接至特定的入口岐管和出口岐管一個 管層的管關於相鄰管層的管在特定的入口岐管和出口岐管的相鄰外周平面上以一角度偏 置布置。通過這種方式能夠最優地利用入口岐管和/或出口岐管的外周區域，從而能夠緊 湊地設計管層的布置。仍舊為岐管的焊接工作、機械加工或其他工作保留了足夠的空間。根據本發明的一個優選實施例，熱交換器模塊的管被布置在共用內殼中，所述共 用內殼同心地布置在外殼的內部並且具有用於散熱介質的入口和出口。內殼的剖面輪廓優 選地為矩形，以使管束被該內殼儘可能緊密地包圍。通過熱交換部件的額外殼體來提供熱 交換器模塊與環境之間的進一步絕緣。可選擇地，外殼和內殼之間的空間能夠用作散熱介 質的另外的流動通道。通過這種方式，延長了散熱介質在熱交換器中的駐留時間，從而改善 了到吸熱介質的熱傳遞。


下面基於附圖對本發明進行更加詳細地說明。在示意圖中圖1顯示了通過第一實施例變型例的縱向剖面，描繪了垂直設置中的管側流路；圖2類似於圖1顯示了縱向剖面，描繪了殼側流路；
圖3顯示了通過第二實施例變型例的水平設置的縱向剖面；圖4顯示了圖3中的沿著線B-B的剖視圖；圖5顯示了圖8中的放大的細節視圖；圖6顯示了圖5的俯視圖；圖7顯示了圖3中的放大的細節視圖；圖8顯示了圖3中沿著線A-A的剖視圖。
具體實施例方式圖1示出了第一示例性實施例。熱交換器1以節省空間的方式水平地設置。具有 矩形剖面輪廓的內殼80位於外殼70中。單個熱交換器模塊10、20、30、40、50的迂曲管120 布置在內殼中。例如水的吸熱介質經由管道(pipe conduit)91進入預熱器模塊10的入口 岐管11。在流過預熱器模塊10的管120之後，吸熱介質經由預熱器模塊10的出口岐管12 以及經由管道92進入汽鼓60。加熱過的水經由管道93、94、95從汽鼓60進入平行連接的 蒸發器模塊20、30、40。來自蒸發器模塊20、30、40的水蒸汽混合物經由共用回流線路96流 回到汽鼓60中。汽鼓60具有這樣的構件(這裡未示出)所述構件用於使水與水蒸氣混 合物分開，以使幹蒸汽經由管道97到達用於過熱的過熱器模塊50的入口岐管51。在過熱 器模塊50中當前過熱的蒸汽經由管道98離開熱交換器並且到達下遊的渦輪機以用於例如 發電。圖2示出了與圖1相同的示例性實施例，儘管在這裡更加精確地描繪了散熱介質 的流路。散熱介質經由外殼70的入口連接器71以大約400°C的溫度進入，在該方案中散熱 介質為經由太陽能加熱的熱油。熱油經由由外殼70和內殼80形成的通道73進入內殼80， 在內殼80中，熱油順次地圍繞過熱器模塊50、三個蒸發器模塊40、30、20和預熱器模塊10 的管120流動，並且由此將熱量釋放到水中。冷卻的熱油隨後經由出口連接器72流出熱交 換器1。圖3示出了本發明的另一示例性實施例，這裡熱交換器1水平設置。圖4為圖3中的沿著線B-B的剖視圖，在圖4中，最佳地顯示了熱交換器1的模塊 化構造。帶有入口岐管11和出口岐管12的預熱器模塊10具有迂曲管120。其他的熱交換 器模塊，即蒸發器模塊20、30、40和過熱器模塊50的構造等同。這些模塊僅在尺寸上有差 別。然而，蒸發器模塊20、30、40完全等同。可以按需要改變蒸發器模塊20、30、40的數量。 完全等同的零件的使用帶來與製造成本有關的優點。而且，如果發生故障，能夠簡單地移除 一個以上有缺陷的熱交換器模塊並且用新的模塊來代替。根據本發明的岐管在圖5中被放大顯示。該岐管為第三個蒸發器模塊40的出口 岐管42。各個熱交換器模塊的入口岐管和出口岐管基本上彼此差別甚微。這裡也能領悟到 模塊化構造的優點。根據一個優選實施例，第一層100的管101、102、103、104通往岐管42 並且在水平面上繞相等角度α偏置。第二層110的管111、112、113、114也通往岐管42並 且以相同角度α偏置。圖6示出了岐管42的俯視圖。在該方案中，一層的一個管與相同層的下一個管偏 置的角度α分別為45°。在垂直方向上與第一層100相鄰的第二層110關於第一層100 精確地以β = 22. 5°偏置地布置在岐管42上，以使在圖6中第二層110的管111、112、
6113、114均在第一層100的管101、102、103、104之間的中央上可見。由於岐管42上接合點 的這種規則的水平和垂直偏置布置，儘管具有高緊湊度，仍為焊接工作或進一步製造步驟 保留了足夠的空間。圖7示出從圖3中放大的細節視圖「X」。不同層的所有管均以管在垂直方向上精 確地彼此疊置的方式來布置。由於水平和垂直方向的精確對準，能夠統一地布置簡單的間 隔件130。以層布置管120的另一優點是，橫向於外殼70的中心軸線200布置的垂直相鄰 管段210中的流動方向相反。圖8示出了本發明的另一優點。通過相鄰熱交換器模塊40、50的入口岐管42和 /或出口岐管51的相鄰布置，能夠進一步減少熱交換器1的總長度。岐管典型地布置在熱 交換器1的中心軸線200的中部。圖9和圖10示出了單個管層100和110的構造。在橫向於外殼70的中心軸線 200布置的管段210中，各個管在水平設置中關於其垂直相鄰管具有相反的管流動方向，或 者在垂直設置中關於其水平相鄰管具有相反的管流動方向。
權利要求
1.一種模塊化構造的熱交換器(1)，其尤其用於在大的負荷變化和/或溫度變化的情 況下運行的設施，所述熱交換器(1)具有外殼(70)和多個熱交換器模塊，其中，是預熱器 模塊(10)、蒸發器模塊O0、30、40)或過熱器模塊(50)的每個熱交換器模塊具有入口岐管 (11、21、31、41、51)、出口岐管(12、22、32、42、52)和迂曲管(120)，尤其為水的吸熱介質從 所述入口岐管(11、21、31、41、51)通過所述迂曲管(120)流到所述出口岐管(12、22、32、42、 52)中，並且所述熱交換器模塊被進一步布置在共用外殼(70)中，以使所述熱交換器模塊 具有圍繞它們流動的相同的散熱介質，其中所述蒸發器模塊O0、30、40)經由布置在所述 外殼(70)外部的汽鼓(60)平行地連接。
2.根據權利要求1所述的熱交換器(1)，其特徵在於，所述熱交換器(1)能夠被水平地或垂直地設置。
3.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器(1)，其特徵在於，在水平設置中，所述熱交換器模塊具有多個水平管層(100、110)，各個管 層(100，110)由相等數量的管形成，並且所述管層(100，110)以單個管層(100，110)的管 在垂直方向上精確地彼此疊置對準的方式來布置，其中，所述吸熱介質在橫向於所述外殼 (70)的中心軸線Ο00)布置的垂直相鄰管段Ο10)中的流動方向相反。
4.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器(1)，其特徵在於，在垂直設置中，所述熱交換器模塊具有多個垂直管層(100、110)，各個管 層(100、110)由相等數量的管形成，並且所述管層(100，110)以單個管層(100，110)的管 在水平方向上彼此相鄰精確地放置對準的方式來布置，其中，所述吸熱介質在橫向於所述 外殼(70)的中心軸線(200)布置的水平相鄰管段Ο10)中的流動方向相反。
5.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器，其特徵在於，所述入口岐管(11、21、31、41、51)和所述出口岐管(12、22、32、42、52)具 有環形剖面，並且管層(100)的管(101、102、103、104)在特定的入口岐管和出口岐管 (42)的外周平面上以相等角度(α )彼此偏置地連接至所述特定的入口岐管Gl)和出口岐 管(42)。
6.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器(1)，其特徵在於，相鄰管層(IOOUlO)的管(101、102、103、104、111、112、113、114)以如下 方式連接至特定的入口岐管Gl)和出口岐管G2)—個管層(110)的管(111、112、113、 114)關於相鄰管層(100)的管(101、102、103、104)在特定的入口岐管和出口岐管 (42)的相鄰外周平面上以角度(β)偏置地布置。
7.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器，其特徵在於，所述熱交換器模塊的管(120)被布置在共用內殼(80)中，所述共用內殼 (80)同心地布置在所述外殼(70)的內部並且具有用於所述散熱介質的入口和出口。
8.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器(1)，其特徵在於，所述吸熱介質從特定蒸發器模塊O0、30、40)的出口岐管02、32、42)通 過管(96a、96b、96c)流到所述汽鼓(60)，所述管(96a、96b、96c)以所述管(96a、96b、96c) 具有進入所述汽鼓(60)的單一共用入口(96)的方式彼此連接。
9.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器(1)，其特徵在於，所述吸熱介質從所述汽鼓(60)通過管(93、94，％)流到所述特定蒸發器模塊(20,30,40)的入口岐管(21、31、41)，所述管(93,94,95)以所述管(93,94,95)具有從 所述汽鼓(60)出來的單一共用出口的方式彼此連接。
全文摘要
本發明涉及一種模塊化設計的熱交換器(1)，其尤其用於在負荷和/或溫度大變化的情況下運行的系統，所述熱交換器(1)具有外殼(70)和多個熱交換器模塊，其中，是預熱器模塊(10)、蒸發器模塊(20、30、40)或過熱器模塊(50)的各個熱交換器模塊包括入口連接器(11、21、31、41、51)、出口連接器(12、22、32、42、52)和以迂曲方式延伸的管(120)，尤其為水的吸熱介質從所述入口連接器(11、21、31、41、51)通過所述迂曲管(120)流到所述出口連接器(12、22、32、42、52)中，並且所述熱交換器模塊被進一步布置在共用外殼(70)中，以使相同的散熱介質圍繞所述熱交換器模塊流動，其中所述蒸發器模塊(20、30、40)經由布置在所述外殼(70)外部的汽鼓(60)平行地連接。
文檔編號F28D7/16GK102149999SQ200980135138
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月8日 優先權日2008年9月8日
發明者威廉·布魯克曼, 沃爾夫岡·黑格納, 迪爾克·班德 申請人:巴爾克有限公司