一次表面回熱器波紋板片及其製作方法

2023-06-24 22:35:31 2

專利名稱：一次表面回熱器波紋板片及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波紋板片及其製作方法，具體是一種一次表面回熱器波紋板片及其製作方法。用於燃氣輪機熱動系統技術領域。
背景技術：
一次表面回熱器的功效是將高溫煙氣的熱量傳給低溫空氣，以提高流入燃燒室用作氧化劑的空氣溫度，從而提高燃氣輪機裝置的效率。波紋板片是一次表面回熱器的核心構件，它影響整個換熱器的重量、價格、集成性和性能。目前國際上對波紋板片的研究已趨完善，採用波紋板片的一次表面回熱器已經應用於工業燃氣輪機。但由於涉及到商業機密，故國際上公開發表的文獻都未對一次表面回熱器波紋板片及其製作方法給出描述。
經檢索發現，專利申請號為01120591.1的發明專利，其中提及波紋板片，但是該波紋板片是用於液-氣或液-液換熱，通道的尺寸都屬於常規的大槽道，而對於用於氣-氣換熱器的微小尺度通道的波紋板片的研究較少。
檢索中還發現，梁紅俠等人在《中國工程熱物理學會傳熱傳質學學術會議論文集(下冊)》，2003，第1075-1078頁發表的「微型燃氣輪機回熱器換熱表面的對比研究」一文，對這種回熱器波紋板片的形狀及布置形式對換熱性能的影響進行了對比研究，但都是從理論計算方面進行的研究，並沒有考慮實際加工工藝的限制，也沒有提出一種工程上可實現的波紋板片設計及其加工方法。

發明內容
本發明的目的在於針對背景技術中存在的問題，提供了一種一次表面回熱器波紋板片及其製作方法，使其克服了加工限制，實現了波紋板片的工業製作，解決了一次表面回熱器製作的核心問題。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明波紋板片由平面區和波紋區組成。波紋區位于波紋板片的中心位置，平面區在波紋區的四周，從縱剖面來看，平面區處在波紋區的中平面上，波紋區由波紋通道組成，波紋通道滿足幾何曲線(橢圓、拋物線或正弦)方程，波紋通道的當量直徑在1.5mm，波紋通道與波紋板片的縱向對稱軸成15°夾角。平面區由平板組成，分為進口平面區、出口平面區和焊接平面區，進口平面區位于波紋區的上方，出口平面區位于波紋區的下方，焊接平面區位于波紋區的兩側。
本發明的波紋板片在工作時，工質首先流經進口平面區，進口平面區和出口平面區起導流和輔助傳熱的作用；工質然後進入波紋區，波紋區的兩側分別為低溫工質和高溫工質，工質通過波紋區進行換熱，波紋區是主要換熱區；工質流出波紋區，經過出口平面區流出。焊接平面區作為焊接邊條的基板，用于波紋板片之間的聯接。
本發明波紋板片所採用的材料應具有耐高溫抗高壓且導熱性能好的特性，優先採用奧氏體不鏽鋼，板片的厚度為0.1mm。
本發明上述波紋板片的製作方法，步驟如下1)利用滾壓機通過模具將不鏽鋼平板滾壓為全波紋板，即沒有平面區的波紋板片。
2)在步驟1)所得的全波紋板上做出長W、寬L的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸成15°夾角，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板，波紋板片的長度W、寬度L根據燃氣輪機對回熱器的性能要求而定，一般要求W≤400mm、L≤400mm。
3)在步驟2)所得的波紋傾斜的全波紋板上做出長W-2c、寬L-a-b的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸重合，矩形的上邊與波紋板的上邊的距離為a，矩形的下邊與波紋板的下邊的距離為b，矩形的兩個側邊與波紋板的相應側邊的距離都為c，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外的部分壓平，形成波紋區周圍的平面區，波紋區的長度W-2c，寬度L-a-b按照波紋區的面積佔整個波紋板片的70-90％而定。
4)利用線切割機將步驟3)的波紋板片進行外形修剪，成型。
本發明的優點為1)高溫工質和低溫工質在工作過程中的所有換熱表面都是一次換熱表面，不存在二次表面，換熱效率高，結構緊湊。2)波紋板片中間為波紋區四周為平面區的結構布置，可獲得高溫工質與低溫工質分流的機制。3)傳熱表面的厚度僅為0.1mm，導熱熱阻小且重量輕。4)使一次表面回熱器的加工製作成為現實，解決了一次表面回熱器的加工製作的核心問題。5)波紋板片將使一次表面回熱器具有輕重、價廉、高效、緊湊的優點。


圖1本發明結構示意2本發明A-A位置剖視3本發明的全波紋板片示意4本發明的傾斜波紋板示意5本發明的四周壓平的波紋板示意圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發明波紋板片包括平面區1和波紋區2，波紋區2位於板片的中心位置，平面區1在波紋區2的四周，從縱剖面來看，平面區1處在波紋區2的中平面上，波紋區2由波紋通道組成，通道的當量直徑在1.5mm，波紋通道與波紋板片的縱向對稱軸成15°夾角，波紋通道滿足橢圓、拋物線或正弦幾何曲線方程，平面區1由平板組成，分為進口平面區3、出口平面區4和焊接平面區5，進口平面區3位于波紋區2的上方，出口平面區4位于波紋區2的下方，焊接平面區5位于波紋區2的兩側。焊接平面區5為焊接邊條的基板，波紋板片之間通過焊接平面區5聯接。
圖3、圖4和圖5依次表示了板片的製作過程，分別為經過滾壓得到的全波紋板片、經過線切割得到的傾斜波紋板和經過模壓得到的四周壓平的波紋板的示意圖，圖5所示的板片再經線切割成型後得到圖1所示的波紋板片。
以下結合本發明內容提供以下實施例實施例1將波紋板片的波紋通道的形狀定為正弦曲線形狀。利用滾壓機通過模具將0.1mm厚的不鏽鋼板滾壓為通道形狀為正弦曲線的全波紋板，在全波紋板上做出長205.8mm、寬207.6mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸成15°夾角，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板，在波紋傾斜的全波紋板上做出長189.8mm、寬132.4mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸重合，矩形的上邊與波紋板的上邊的距離為35.0mm，矩形的下邊與波紋板的下邊的距離為40.2mm，矩形的兩個側邊與波紋板的相應側邊的距離都為8.0mm，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外的部分壓平，形成波紋區周圍的平面區，利用線切割機對波紋板片進行外形修剪、成型，利用雷射焊接機通過邊條將1000片波紋板片焊接成為一個單元，將16個單元體並聯組成一個一次表面回熱器，將該一次表面回熱器用於3.7MW燃氣輪機上(工作參數見表1)，測得的性能參數見表2。
實施例2將波紋板片的波紋通道的形狀定為橢圓曲線形狀。利用滾壓機通過模具將0.1mm厚的不鏽鋼板滾壓為通道形狀為正弦曲線的全波紋板，在全波紋板上做出長205.8mm、寬207.6mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸成15°夾角，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板，在波紋傾斜的全波紋板上長189.8mm、寬132.4mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸重合，矩形的上邊與波紋板的上邊的距離為35.0mm，矩形的下邊與波紋板的下邊的距離為40.2mm，矩形的兩個側邊與波紋板的相應側邊的距離都為8.0mm，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外的部分壓平，形成波紋區周圍的平面區，利用線切割機對波紋板片進行外形修剪、成型，利用雷射焊接機通過邊條將1000片波紋板片焊接成為一個單元，將16個單元體並聯組成一個一次表面回熱器，將該一次表面回熱器用於3.7MW燃氣輪機上(工作參數見表1)，測得的性能參數見表2。
實施例3將波紋板片的波紋通道的形狀定為雙曲線形狀。利用滾壓機通過模具將0.1mm厚的不鏽鋼板滾壓為通道形狀為正弦曲線的全波紋板，在全波紋板上做出長205.8mm、寬207.6mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸成15°夾角，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板，在波紋傾斜的全波紋板上做出長189.8mm、寬132.4mm的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸重合，矩形的上邊與波紋板的上邊的距離為35.0mm，矩形的下邊與波紋板的下邊的距離為40.2mm，矩形的兩個側邊與波紋板的相應側邊的距離都為8.0mm，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外的部分壓平，形成波紋區周圍的平面區，利用線切割機對波紋板片進行外形修剪、成型，利用雷射焊接機通過邊條將1000片波紋板片焊接成為一個單元，將16個單元體並聯組成一個一次表面回熱器，將該一次表面回熱器用於3.7MW燃氣輪機上(工作參數見表1)，測得的性能參數見表2。
表1 3.7MW燃氣輪機工作參數工作參數 熱側 冷側工作介質 煙氣 空氣品質流量(kg/s) 24.7 24.3入口溫度(℃) 430175出口溫度(℃) 257366入口壓力(MPa)0.103 0.91表2 波紋板片組成的一次表面回熱器的性能參數性能參數 正弦波紋橢圓波紋雙曲線波紋傳熱係數k(W/m2·℃) 132.3 128.0 131.3平均溫差Δt(℃) 72.672.672.6換熱量Q(KW) 483748374837效能ε(％) 75 75 75換熱面積F(m2) 503 520 507換熱器體積V(m3) 0.3023 0.3186 0.3197換熱器重量M(Kg) 443.6 456.4 446.2緊湊度comp(m2/m3) 16771741169權利要求
1.一種一次表面回熱器波紋板片，包括平面區(1)和波紋區(2)，其特徵在於，波紋區(2)位于波紋板片的中心位置，平面區(1)在波紋區(2)的四周，從縱剖面來看，平面區(1)處在波紋區(2)的中平面上，波紋區(2)由波紋通道組成，波紋通道的當量直徑在1.5mm，平面區(1)由平板組成，分為進口平面區(3)、出口平面區(4)和焊接平面區(5)，進口平面區(3)位于波紋區(2)的上方，出口平面區(4)位于波紋區(2)的下方，焊接平面區(5)位于波紋區(2)的兩側。
2.根據權利要求1所述的一次表面回熱器波紋板片，其特徵是，波紋通道滿足橢圓、拋物線或正弦幾何曲線方程，波紋通道與波紋板片的縱向對稱軸成15°夾角。
3.根據權利要求1所述的一次表面回熱器波紋板片，其特徵是，焊接平面區(5)為焊接邊條的基板，波紋板片之間通過焊接平面區(5)聯接。
4.根據權利要求1所述的一次表面回熱器波紋板片，其特徵是，波紋板片厚度為0.1mm。
5.一種一次表面回熱器波紋板片的製作方法，其特徵在於，步驟如下1)用滾壓機通過模具將不鏽鋼平板滾壓為全波紋板；2)在步驟1)所得的全波紋板上做出長W、寬L的矩形虛線，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板；3)在步驟2)所得的波紋傾斜的全波紋板上做出長W-2c、寬L-a-b的矩形虛線，該矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸重合，矩形的上邊與波紋板的上邊的距離為a，矩形的下邊與波紋板的下邊的距離為b，矩形的兩個側邊與波紋板的相應側邊的距離都為c，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外的部分壓平，形成波紋區周圍的平面區；4)用線切割機將步驟3)的波紋板片進行外形修剪，成型。
6.根據權利要求5所述的一次表面回熱器波紋板片的製作方法，其特徵是，步驟2)中，所述的矩形的縱向對稱軸與波紋板的縱向對稱軸成15°夾角。
7.根據權利要求5所述的一次表面回熱器波紋板片的製作方法，其特徵是，波紋板片的長度W≤400mm，寬度L≤400mm。
8.根據權利要求5所述的一次表面回熱器波紋板片的製作方法，其特徵是，波紋區的長度W-2c，寬度L-a-b按照波紋區的面積佔整個板片的70-90％而定。
全文摘要
一次表面回熱器波紋板片及其製作方法。用於燃氣輪機熱動系統技術領域。波紋板片的中心為波紋區，平面區在波紋區四周，從縱剖面看，平面區處在波紋區的中平面上，波紋區由波紋通道組成，波紋通道的當量直徑在1.5mm，平面區由平板組成，其進口平面區位于波紋區上方，出口平面區位于波紋區下方，焊接平面區位于波紋區兩側。方法如下用滾壓機通過模具將不鏽鋼平板滾壓為全波紋板；在全波紋板上做出一個矩形虛線，利用線切割機沿著該虛線進行線切割，得到波紋傾斜的全波紋板；在波紋傾斜的全波紋板上再做出一個矩形虛線，利用液壓機通過壓平模具將波紋板上矩形虛線以外部分壓平，形成波紋區周圍的平面區；用線切割機將波紋板片進行外形修剪，成型。
文檔編號F28F3/04GK1595041SQ20041002520
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者程惠爾, 王斌 申請人:上海交通大學