[发明专利]包括一组单元体的热交换器

说明书

一种适合用作微型燃气轮机中的同流换热器的热交换器(101)，包括一组(11)单元体(20)。每个单元体(20)包括一对(21)相互间隔开的板(22，23)和包含热交换元件的多个层，这些热交换元件布置在板(22，23)的外表面处以及板(22，23)之间。包括热交换元件的每个层优选包括结合多个元件的至少一个独立的空间部件(51)。热交换器(101)的供给集管(30)和排放集管(40)都优选由位于该组(11)单元体(20)的位置处的仅两个部件(31，33；41，43)组成。用于补偿热膨胀效应的装置同样为不复杂的设计，并且可以包括供给导管(26)的波纹管状的管部分(27)。

技术领域

首先，本发明涉及一种用在热交换器中的单元体(cell，单元)，包括一对相互间隔开的板，该对板被构造和布置成(特别在两板的彼此面对的两个内表面之间)限定该单元体的内部流体流路，以及(特别在两板的彼此远离的两个外表面处)限定单元体的外部流体流路，其中除了内部流体流路的至少一个入口和至少一个出口所在的位置之外，这些板沿着其外周彼此连接，并且其中多个热交换元件布置在每个流体流路中。

第二，本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括一组(一摞)如上所述的单元体和封装该组单元体的壳体。

第三，本发明涉及一种微型燃气轮机(gas turbine，燃气涡轮)，包括压缩机、涡轮、燃烧室和如上所述的热交换器，压缩机被设计用以将气体吸入并加压，燃烧室被设计用以从压缩机吸入加压的气体并基于燃料燃烧来产生热气体，涡轮被设计用以吸入由燃烧室产生的热气体并使其膨胀，而热交换器被配置和布置成用以通过允许加压的气体与从涡轮获得的膨胀气体进行热交换，从而在加压的气体被供给到燃烧室之前将加压的气体预热。

背景技术

本发明尤其适用于燃气轮机领域，特别是微型燃气轮机。微型燃气轮机的尺寸(规格)可以设计成例如产生高达30kW的电能，或者高达100kW的电能。微型燃气轮机的一个可能应用是热电联产(Combined HeatPower)的应用，这并不改变其他应用同样可行这一事实。举一例而言，微型燃气轮机和/或基于微型燃气轮机的热电联产系统可以用来代替在大型住宅、办公室、工厂、学校、商店等之中的传统锅炉，或者另举一例，其可以用在混合动力电动车辆中以便扩展这种车辆的范围。一般来说，微型燃气轮机以高可靠性、低维护需求和低噪音水平、以及高效率、低重量和低排放而闻名。

微型燃气轮机通常包括压缩机、涡轮以及称为同流换热器(recuperator，)的特定类型的热交换器。在微型燃气轮机运行期间，环境空气被注入压缩机中并被加压。压缩空气被输送到同流换热器并在该处被预热。接着，预热后的空气被供给到燃烧室，以增加更多的热量，进而获得达到所需温度水平的热气体，并输出此热气体，该热量由燃料燃烧产生。热的加压气体被供给到涡轮并在该处膨胀，从而为压缩机和联接到涡轮的发电机提供机械动力。发电机的机械功率被转换成电能，其为微型燃气轮机的第一类型的输出。如上所述，仍处于高温的膨胀气体从涡轮输送到同流换热器，用以预热被压缩机压缩的进入空气。流过同流换热器后仍存在于气体中的余热在气-液热交换器中被转移到水中，从而获得热水，其为微型燃气轮机的第二类型的输出。作为替代方案，如果在建筑物中使用强制空气加热(这在北美是常见的情况)，则来自空气加热系统的环境空气可以通过使用空气处理器来加热。

微型燃气轮机中使用的同流换热器是一种气-气热交换器。众所周知的是，鉴于同流换热器需要能够在苛刻环境下运行，包括高温、高温度梯度、加压的进入空气与废气之间的高压差以及高的启动-停止速率，因此这种同流换热器难以设计和制造。为了确保微型燃气轮机的最佳运行，由同流换热器协助的热交换过程的效率需要很高，超过80％，甚至约90％。此外，同流换热器中的压力损失应保持为较低，优选低于5％，因为压力损失涉及通过涡轮的膨胀比的降低，这对于功率输出是不利的。为了符合这些严格的规范，需要在热交换器内实现最佳流量分配，而允许最大的可用表面积来有助于热交换。