专利名称：蒸发式双工逆热交换器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及燃气涡轮机的发电，尤其涉及其中的热交换器。
背景技术：
在燃气涡轮机发动机中，环境空气在压缩机中加压并与燃料在燃烧室中混合以便产生热的燃烧气体。能量在涡轮机中从燃烧气体中获取，该涡轮机通过连接到压缩机上的轴从而向压缩机提供能量。输出能量从向压缩机供能的同一涡轮机获取，或从设置在其下游的低压涡轮机获取。在典型的应用中，输出轴的能量可用于驱动发电机。
涡轮机系统的效率在较大程度上基于空气的高效压缩，另外还基于用于产生燃烧气体的与燃料混合的空气的高效燃烧，由涡轮机从燃烧中获取能量。从压缩机排出的空气由于其压缩热因而较热，并且在进入燃烧室时具有相应的温度、压力、和密度。
各种形式的热交换器在涡轮机领域是已知的。在一个示例中，已知作为热回收器使用的热交换器利用热的燃烧气体以便在用于燃烧室之前进一步加热被压缩的空气。以这种方式，来自涡轮机的其它废热再次引入到涡轮机循环中。
另外，已知的是将蒸气喷射到燃烧气体中，以便增加其质量流量，从而增加涡轮机循环的总效率。然而，热回收器和蒸气喷射需要相应的设备，并且这增加了涡轮机系统的复杂性和成本。
在热交换器的独立发展中，蒸发式冷却可用于可冷却在空气的湿球温度之下的空气并且在改进的冷却循环中达到其露点温度。该Maisotsenko循环披露在不同专利中以不同结构中，其中包括美国专利5453223、6497107、和6581402。对于该循环的其它信息可以在网站www.idalextechnologies.com上获得。
因此，希望例如通过使用Maisotsenko循环的另一改进以便在涡轮机循环中改进热交换器的性能。
发明内容
一种双工交换器，其包括第一热交换器和第二热交换器，每一热交换器包括主流道和配合使用的逆热流道。第一逆热流道与第一主流道连接以便接收被冷却的主流体流。该第二逆热流道也与第一主流道连接，以便使得该主流体流分流。蒸发用冷却剂喷射到该第一逆热流道中，并且蒸发用饱和液喷射到第二逆热流道中。来自该初始为热的主流体流的热量在第一热交换器中使得在第一逆热流道中该冷却剂蒸发，以便使得第一主流道中的主流体流自冷却。来自被引导流经第二主流道的热的副流体流的热量在第二逆热流道中使得该饱和液蒸发，以便增加引导流经其中的主流体流的质量。
图1是涡轮机循环系统中的分流逆流式双工热交换器饱和器的示意图。
图2是依据用于高压应用场合的壳管式结构的由图1所示的双工热交换器饱和器的示意图。
图3是图2所示的沿线3-3截取的下部热交换器的截面图。
图4是图2所示的双工热交换器的翅片管的立体图。
图5是代替实施例的包括两个热交换器的单壳式双工热交换器饱和器的示意图。
图6是依据另一实施例的图1所示的饱和器的管板结构的局部截面图。
图7是图6所示的沿线6-6截取的饱和器的截面图。
图8是依据另一实施例的图1所示的饱和器的波纹板结构的局部截面图。
图9是图8所示的沿线9-9截取的饱和器的截面图。
图10是图8所示的沿线10-10截取的板式饱和器的一部分的截面图。
具体实施例方式
图1示意性地示出了燃气涡轮机10，其包括串联流动连通的多级压缩机12、燃烧室14、和涡轮机16，它们可具有任何常规的结构。环境空气18在工作中在压缩机中加压，并且在燃烧室内与燃料混合，以便产生向下游流向涡轮机的热的燃烧气体。
在涡轮机的转子叶片中从燃烧气体中可获取能量，转子叶片支承在与轴连接的转子盘上，通过轴可与压缩机转子叶片连接以便向其供能，输出功率可从高压涡轮机获得，或在另一常规结构中从设置在其下游的且安装在独立的(未示出的)驱动轴上的低压涡轮机获得输出功率。输出功率可以用于任何适当的用途，例如在典型的发电系统中向(未示出的)发电机供能。
如上所述，如图1所示的涡轮机系统的效率部分地基于环境空气18的压缩的效率、在燃烧室中空气和燃料的燃烧的效率、另外还部分地基于在涡轮机中从燃烧气体获取能量的效率。提高如图1所示的涡轮机系统的总效率的一种方式是使得从压缩机排出的加压空气18的质量增加，以便增加引导经过涡轮机的燃烧气体20的质量流量。
图1示意性地示出了蒸发式双工逆热交换器或热交换设备22，其构造称加湿器或饱和器，以便与涡轮机系统的部件一起使用，在工作中高效地将附加质量引入到压缩机排出气体18中。更具体地说，双工热交换器是包括第一或主热交换器24和与其一起使用的第二或副热交换器26的部件的组件。
第一热交换器包括第一主流道28，其用于从与其适当连接的压缩机接收示例形式为热的加压空气18的主气流。该第一热交换器还包括与第一主流道38流体连通的第一逆热流道(counterheat channel)30。
相应的是，第二热交换器26包括第二主流道32，其用于从与其适当连接的涡轮机16接收示例形式为热的燃烧气体20的副流体流。该第二热交换器还包括与第一热交换器流体连通的第二逆热流道34。
第一和第二逆热流道以任何适当的方式构造成便于引导流动，该流动与在相应的第一和第二主流道内引导的主流动相反或逆流，以便在它们之间进行热交换。因此，通常通过以常规方式沿与主流动相反的任何适当的方向引导逆流来实现逆热(counterheat)，并且通常是以蛇形方式相对于其呈倾斜的，其中具有相应量的侧向交叉流。在其它实施例中，逆热可仅通过侧向交叉流或通过其它形式的逆流引入。
在工作中用于将蒸发用流体38喷射到第一逆热流道30中的装置36设置在双工热交换器中。该喷射装置可具有任何常规形式，以便适当地将蒸发用流体喷射或分配或喷雾或芯吸到逆热流道中，以便与其中的主气流共同作用，这将在以下进行详细描述。在图1所示的示例应用中，可通过在其中引入水蒸气来增加加压空气18的质量，并且因此对于这种用途该蒸发用流体38可以简单为水，以便以任何常规方式进行喷射。
然而，双工热交换器可以用于其它各种应用场合，其中需要进行流体的冷却，或者需要以不同的量使得一种流体进入另一流体的饱和，并且因此蒸发用流体可以具有任何适当的形式，其中包括对于与涡轮机循环相关的特定示例的石油液体或柴油燃料，也可使用其它的蒸发用流体。
通过适当连接以使第二逆热流道34与第一主流道28的排出端流体连通，从而使这两个热交换器彼此配合使用。以这种方式，初始为热的主流体流18在第一主流道28内开始自冷却并且随后输送到在第二热交换器中的第二逆热流道34的入口端。
喷射装置36还设置呈用于将附图标记38表示的公用蒸发用流体或饱和液喷射到第二逆热流道34中，其方式与用于将蒸发用流体或冷却剂喷射到第一逆热流道中的方式相似。因为同一主流体流18被引导经过逆热流道30、34，所以在这两个热交换器中可使用相同的蒸发用流体38，以便用于相似的用途即在各阶段提供主流体流的蒸发冷却，以及在优选实施例中在各阶段中使其加湿和饱和以便在主流体流中达到完全饱和。
这两个热交换器在结构和工作上是相似的，其均包括用于引导主流体流和副流体流从其经过的主流道和逆热流道。主流体流18在第一主流道38的排出端处分支，其中具有被引导到第二逆热流道34的入口端的第一部分(优选为主要部分)和被引导到第一逆热流道30的入口端的主流体流分流的第二部分(优选为次要部分)。主流体流分流随后在两个主流道28、32之外以逆热方式流向其相对端。
在优选实施例中，第二逆热流道34接收来自第一主流道28的排出端的流体流，并且还连接成与第一逆热流道30的排出端流体连通，以便接收主流体流的第二分流部分，从而在第二逆热流道34的下游端附近与主流体流的第一分流部分再会合。该再会合的主流体流随后从第二热交换器26经过其适当的出口排出，该出口连接成与涡轮机系统的燃烧室14流体连通。
图1所示的双工热交换器22可按使用共用热交换器的常规形式的各种结构来实施。例如，图2示出了双工热交换器的第一实施例，其构造成在壳管式结构中用作分流逆流饱和器22以便与大致50个大气压的高压压缩机排出空气18一起使用。图2还以流程图形式示出了利用该双工热交换器饱和器22以便通过蒸发用流体38使得热的主气流18饱和的示例方法，该蒸发用流体的示例形式是水。
主气流18是来自所示的涡轮机系统中的压缩机12的加压排出空气，由于在压缩机中压缩因此该空气较热。该主流体流可以常规气体的形式，例如对于所示的涡轮机系统而言的天然气或氮气；或者可具有任何其它的化学成分，这些成分是用副流体使其饱和所希望的。
因此，热的主气流18最初被引导经过第一热交换器的第一主流道28以便在其中被冷却。在主流道28的排出端，该主流体流分成两个部分，以便流向相应的第一和第二逆热流道30、34。
在燃烧室14中产生的燃烧气体20在其流经涡轮机16之间仍然具有相当大的热量，并且可在饱和器22中加以利用。因此，较热的副流体流20适当地从涡轮机16的排出端被引导到第二主流道32的入口端，以便用于加热被引导流经第二逆热流道34的被冷却的主流体流。
以通常的方式，第一主流道38以并联流动方式靠近沿相反方向的第一逆热流道30，即逆流流道30。并且，第二主流道32以并联流动方式靠近沿相反方向的第二逆热流道34，即逆流流道34。热的流体流18、20被引导流经两个主流道，并且由主流体流分流蒸发式冷却，该主流体流分流被引导流经两个逆流流道30、34，以便相应地增大其温度和湿度。
蒸发用冷却剂38适当地被喷射到第一逆流流道30中，以便借助流经配合使用的第一主流道28的热的主流体流从而进行蒸发。因此，当冷却剂在该逆流流道中蒸发时，冷却剂相应地冷却在主流道中的主流体流。并且，该蒸发的冷却剂使得湿度加入到经第一逆流流道排出的被冷却的主流体流中，以便开始使其饱和。
同一的蒸发用流体38或饱和液相似地被适当地喷射到第二逆流流道34中，以便借助流经第二主流道32的热的副流体流从而进行蒸发。因此，热的副流体流20加热在第二逆流流道34中的被预冷的副主流体流，并且该饱和液的蒸发用于进一步对经第二逆流流道排出的被加热的该主流体流18进行加湿或使其饱和。
同一主流体流18优选为在第一主流道28的排出端处分流，以便高效地使用两个热交换器的两个逆流流道30、34。例如，主流体流的总流量的大约三分之一被引导回流经过第一逆流流道30，并且其余的三分之二的主流体流被引导回流经过第二逆流流道34。
两个主流体流分流独立地被引导流经两个逆流流道30、34，这两个主流体流分流将被不同地加热并加湿，但是在第二热交换器中的适当位置将会合到一起。例如，来自第一逆流流道30的主流体流分流18从其出口端排出，以便进入第二逆流流道34的中间阶段或部段，以使独立引导的主流体流分流的温度和湿度大致匹配。
在图2所示的下部或第一热交换器24中，加压空气18在一端处进入管侧主流道并流向其相对端，同时借助在第一逆流流道中被加入到管的外侧的水的蒸发使得加压空气在显热意义上被冷却。被冷却的加压空气的从第一主流道排出的第一部分排放到上部的或第二热交换器26并且以逆流方式被引导流过第二主流道的管。焓湿图分析显示，在第一热交换器中的空气的温度在显热意义上被冷却并且朝向加压空气的露点温度沿其中主流道的长度递增地被冷却。
理想的是，在第一热交换器中的加压空气在显热意义上被冷却，以便使其湿球温度降低到流入的加压空气的露点温度。当该被冷却的空气的第二部分离开第一主流道并且暴露于喷射的水时，其朝向先前被冷却的干空气的湿球温度被加湿。并且，当空气以逆流方式连续地流过第一主流道的外侧时，该空气被在主流道内的空气加热，以便使得逆流空气的露点温度升高，以确保其饱和度。
图2所示的上部或第二热交换器接收来自下部热交换器的两个空气流在第二逆流流道的入口端的一个空气流和在其下游靠近该热交换器的前端位于中间阶段的另一个空气流。该干冷却的空气流的离开第一主流道28的排出端的第一部分移动到上部热交换器并且以逆流于热的涡轮机废气的方式被引导，该涡轮机废气被引导流经第二主流道32。
在第二逆流流道中冷的加压空气被用水喷射，以便使该空气加湿或饱和，其方式与第一热交换器的方式相似。热的废气在第一主流道32中朝向在第二逆流流道34中的空气的湿球温度被冷却。
在第二逆流流道34中的空气的湿球温度随着其逆流于第一主流道32移动而增加，并且从副流体流20中吸收热量且使得逆流空气的湿度增加。在第二热交换器中的预定位置处，来自第一逆流流道30的第二空气流与第二逆流流道中的第一空气流会合，并且会合到一起的主流体流逆流于热的涡轮机废气移动，该涡轮机废气被引导流经第二主流道32。
因此，主流体流18在第一主流道28中被蒸发式冷却，以便朝向流入的主流体流的露点温度使其湿球温度下降。并且主流体流在第一逆流流道30中朝向被冷却的主流体流的湿球温度进行加湿或使其饱和，该被冷却的主流体流是从第一主流道28排出的。
相应的，在第一逆流流道30中被冷却的主流体流由在第一主流道28中的热的主流体流加热，以便使其露点温度升高并使其中的主流体流饱和。
在该第二热交换器中，蒸发用流体在第二逆流流道34中在主流体流中蒸发，并且由此使得在第二主流道中的副流体流朝向在第二逆流流道中的主流体流的湿球温度冷却。
随着被冷却的主流体流被引导流经第二逆流流道34，该被冷却的主流体流由在第二主流道32中的热的副流体流加热，以便增加其湿球温度并且增加其湿度或饱和度。因此该主流体流按需要被加湿或使其饱和，以便增加其有效质量并适当地从饱和器排回到燃烧室14从而在其中进行燃烧。主空气流的附加质量使得被引导流经涡轮机16的燃烧气体20的质量流量增加，以便增加涡轮机系统的效率。
如上所述，图1和2所示的流体喷射装置36可具有任何适当的结构，其中包括各种导管、喷嘴、和阀，以便控制被喷射到两个热交换器中的蒸发用流体的位置和流量。在一个实施例中，蒸发用流体可以仅沿开始阶段或第二逆流流道34的长度进行喷射，并且第二逆流流道的其余末端阶段不进行流体喷射，而且在第二主流道32的开始长度部分之上由具有最高温度的副流体流进行加热。因此副流体流的热量用于在其开始阶段下游在第二逆流流道34中加给主流体流18或使得主流体流过热。
相似地，蒸发用流体可仅沿第二逆流流道30的开始阶段喷射，以便通过使用流经第一主流道的热的主流体流从而沿第一逆流流道的出口端使得主流体流分流过热。
图2-4示意性地示出了双工热交换器饱和器的一个实施例具体地构造成用于高压主流体流。该第一热交换器24包括第一管组28，其共同地限定第一主流道，其中这些管支承在多个交替的第一挡板30中，该挡板共同地限定在下部壳体中围绕该第一管的第一逆流流道。
相似地，该第二热交换器26包括第二管组32，其共同地限定第二主流道。该第二管支承在多个交替的第二挡板34中，该挡板共同地限定在上部壳体中围绕该第二管的第二逆流流道。
管-挡板式的热交换器的各种结构是本领域公知的，并且可以按上述方式组合，并且可进行变型以便获得在此所述的改进的性能。
在图2所示的实施例中，第一热交换器24设置在第一管状壳体40内，并且第二热交换器26相似地设置在另一或第二管状壳体40内，该第二管状壳体具有相似的结构并且与第一壳体间隔开。这两个壳体提供双隔板，在其间相应地彼此分开为或分成两个热交换器24、26，以便在其间控制所需的流体流。例如，适当的导管设置在两个壳体之间，以便如上所述地从第一热交换器向第二热交换器独立地引导第一干冷却的主流体流分流和第二湿冷却的主流体流分流。
如图4所示，第一管28优选为包括外槽或翅片42，以便增加用于蒸发用流体的润湿性并增加其热交换表面面积。相应的第二热交换器26的管32可与第一热交换器的第一管相同并且相似地包括围绕其的外翅片。以这种方式，可增大对于在两个热交换器中围绕两组主管28、32的流体蒸发的效率。
依据图2所示的两个壳体的结构，第一热交换器24在其前端包括第一入口44，以便接收主流体流18并向第一管28提供该主流体流。第一热交换器在相对的后端还包括第一出口46，以便从第一管排出主流体流18的第一分流部分。第二出口48设置在该入口和第一热交换器的第一出口之间，以便从第二逆流流道30排出主流体流的第二分流部分。
相应的是，第二热交换器26在其前端包括相应的第一入口44，以便接收副流体流20并向第二管32提供该副流体流。相应的第一出口46设置在第一热交换器的后端，以便从第二管32排出作为较冷的废流体的副流体流20。
相应的第二出口48还设置在第二热交换器中靠近其第一入口44，以便使得饱和的主流体流18从第二逆流流道34回排到图1所示的涡轮机系统的燃烧室。第二热交换器还包括靠近其第一出口46的第二入口50，以便从第一热交换器的相应的第一出口46接收主流体流的第一部分。
为了实现第一和第二热交换器的配合使用，第二热交换器26还包括靠近其第一入口44的第三入口52，以便从第一热交换器24的相应的第二出口48接收主流体流的第二部分。
这两个热交换器的各种入口和出口与通常的逆流式热交换器一样使得其可独立工作，通过其间的附加的配合使用，可首先地冷却热的主流体流，使得初始干冷却的流体流分流，并且随后在这两个热交换器中加入质量或水分。因此，主流体流由主流体流和副流体流重新加热并且从第二热交换器排出，主流体流的质量借助使其饱和而增加，以便提高所述涡轮机系统的工作效率。
图5示出了双工热交换器饱和器的替代实施例，其以附图标记22B表示，其中两个热交换器24、26设置在共用的管状壳体40内，其中附加的隔板40b将该壳体分成两个用于热交换器的相应的隔室。图2所示的两个热交换器的各个部件相似地引入到图5所示的单壳体饱和器中，相应的入口和出口以图2所示的相似方式互连，以便提供配合使用的两主流道28、32和两个逆流流道30、34。
因此，图5所示的单壳体的热交换器的实施例在功能上与图2所示的双壳体的热交换器的实施例等同，这两者在图1中均示意性地示出了。应当注意，过量的蒸发用流体例如水可喷射到第一热交换器中并且其本身被冷却，该水在第一管28的排出端附近是最冷的。
因此，第一热交换器还包括一个或多个水出口54，以便排出过量的水，最冷的过量水在整个循环中被适当地再使用，例如喷射到热交换器的逆流流道中。第二热交换器26还包括一个或多个水出口54，以便从其中排出过量的蒸发用流体。双壳体的饱和器结构先前引入到两个临时专利申请中。以下对其特征再进行描述。
图2所示的双壳管式的加湿器或饱和器利用了涉及在显热意义上冷却气体并随后使得液体蒸发到该被冷却的气体流中的热力学原理。为了更好地描述该过程，将被冷却的气体认为是热的加压产品空气18，而将被蒸发的液体认为是水38。
该管式加湿器包含两个壳管式的热交换器下部热交换器24和顶部热交换器26。下部热交换器24包括设置在管板与在相对端处的完全挡板之间的长和短管28，附加的部分挡板30设置其间，还包括用于加压产品空气18的入口44。
长管的前端固定在管板中并且其后端固定在完全挡板中，该长管排出产品空气的第一部分。短管的前端固定在管板中并且其后端安装成没有完全挡板，以便形成逆流暗腔，以便在其中输送加压的产品空气18的第二部分。最终，该第二部分经由前导管引导到顶部热交换器26。并且，主流体流18的第一部分从下部热交换器24经由后导管引导到顶部热交换器26。
顶部热交换器26只包括长管，其布置在两个管板之间。顶部热交换器还包括在相对端处的用于烟气的入口44和出口46，以及用于加压的产品空气18的另一出口48。
所有管28、32具有外侧孔或带槽表面42，其由水38润湿。两个热交换器24、26还包含水托盘、供应器、入口、出口、和挡板，以便在管之间的开放空间中稳定地分配主空气流。
在下部热交换器24中，热的加压产品空气18进入管28并流向其相对端，同时在显热意义上被冷却。该被冷却的空气的第一部分随后直接经由后导管流向顶部热交换器26。该被冷却的加压空气的第二部分排放到在开放短管的后端处的逆流暗腔中并且以逆流方式被引导流过这些管。
水38由水供应器进行分配并且喷雾到空气的第二部分中，并且还在暗腔中润湿长管和短管28的外侧多孔表面。这使得加压的产品空气沿管的长度借助水蒸发到第二空气部分中从而被连续冷却。焓湿图分析显示，在管28中加压的产品空气的温度在显热意义上减低并且沿管长度朝向其露点温度递增地下降。
这是如此实现的，即在下部热交换器24的逆流暗腔中第二空气部分在显热意义上冷却到更低的湿球温度，其理想地等于流入空气的露点温度。当第二空气部分继续在暗腔中行进并以逆流方式流过管28的润湿的外侧多孔表面时，第二空气部分由在管28中经过的加压的产品空气被加热，以便该第二空气部分的湿球温度升高并且确保该第二空气部分处于饱和。
顶部热交换器26接收来自下部热交换器的主流体流的两个分流部分，每一分流部分在每一端附近。干冷却的空气的从下部热交换器24离开管28的第一部分经由后导管移动到顶部热交换器26并随后被引导成逆流于热的烟气20，该烟气在顶部热交换器的管32内流过。干冷却的加压空气的该第一部分在下部热交换器24具有加入的水以使该部分被加湿，并且使得顶部热交换器26的管32中的烟气20冷却到沿管32的润湿的外侧多孔表面的该第一空气部分的湿球温度。
随着空气流经管32以便从管内的烟气20吸收热量并增大该空气的绝对湿度时，该第一空气部分的湿球温度增高。在某一预定位置，第二空气部分经由前导管进入顶部热交换器以便与第一空气部分会合。随后空气的该第一和该第二部分逆流于来自涡轮机的烟气20一起移动。最终，热的饱和的加压产品空气18经由出口48被引导到燃烧室。
所希望的是，对该加压产品空气加入热量或使其过热，并且在顶部热交换器的管32的润湿的外侧多孔表面的一部分中在不喷射水的位置防止任何进一步的加湿，而仅仅是加入热量。在加压产品空气在下部热交换器的管28内被冷却的同时，过量的水在开放的短管的后端附近也被冷却到围绕其的空气的湿球温度。因此在短管的后端附近的水是最冷的。
因此，所希望的是，具有多个水入口和出口，以便最冷的水可用于冷却例如燃气涡轮机的多级压缩机的中间冷却器。附加的水入口是所希望的，以便有助于在顶部热交换器中调节过热的量。
加压的气体燃料或天然气通常具有比加压的产品空气18更低的水蒸气压力并且因此在相同的温度下具有低于加压的产品空气18的温度。这意味着气体燃料还可在更低的温度下吸收水蒸气。当使用加压的气体燃料代替加压的产品空气作为加湿器22中的主气流18时，水38可蒸发到该气体燃料中，来自烟气废气20的废热可用于增强高的蒸发率。
如果加压的气体燃料的露点温度降低到低于200°F，则在烟气中的水蒸气可以依据该烟气的湿度开始冷凝出来。这提供了烟气废气的显热和潜热形式的附加的废热回收。
双壳管式传热和传质交换器或饱和器22与已知设备相比具有许多优点，其中包括1.不需要在压缩热交换器之后用冷水冷却在进入饱和器之前来自饱和器的该加压的空气；2.在顶部热交换器中不需要包括功能为热回收器的装置；3.不需要不能使空气完全饱和并取决于热交换器的加湿塔；4.不需要锅炉以便更好低加湿该加压空气；5.只有可获得的热量限制该加压空气的加湿；6.加压空气的加湿和用废气来使该空气过热的控制简单地通过进入顶部热交换器的壳侧的水的量和位置来实现；高压空气和水蒸气混合物的特性不是已知，由此在现有的设备的确定尺寸和结构上产生了问题；由于加湿器22可以通过其结构进行自调节并且可容易地调节成任何所需的状态，因此对于加湿器，情况不是如此；7.如果需要，冷却水可从下部热交换器的冷水出口抽取；8.由于在设备中经过的较少的部件，因此压降较小；9.由于在管的外侧上进行蒸发而获得更高的传热率，因此需要更小的表面面积；10.由于管壁温度变为周围空气的湿球温度，因此温度差更大；11.初始成本和运行成本更低；12.在多种类型的设备中已经较好地证明了该构思；13.对于壳管式热交换器，清晰的且严格证明的传热和传质计算可用于确定尺寸；和14.板式热交换器也可使用同一构思。
在图6-10中示意性地示出了板式双工热交换器的示例。分流逆流板式饱和器在图6和7中由附图标记22C表示。上述的第一和第二热交换器24、26结合到适当安装在箱式壳体或框架58中的共用叠置薄板56中。
每一板包括与其成一体的第一管组28，其共同地限定第一热交换器的第一主流道；并且第一逆流流道30限定在第一管28外侧的板的相应部分之间。
相似地，每一板包括与其成一体的第二管组32，其共同地限定第二热交换器的第二主流道；并且第二逆流流道34限定在第二管外侧的板的相应部分之间。
如图7所示，第一管28和第二管32可以以任何常规的方式一体地形成板中并且突伸到侧向限定在叠置板之间的相应逆流流道30、34中。
如图6所示，在每一板中第一管28在板的前端处具有共用的入口44，并且在该板的相对端处具有分开的出口46，优选的是未达到相对端即终止，以便提供共用的两个逆流流道30、34流体连通。在每一板中第二管32也在板的前端处具有共用的入口44，并且在该板的相对端处具有共用的出口46。
以这样的方式，当副流体流20流经该箱体的上部时，副流体流20完全地被包含在第二主流道32内。主气流18被引导流经第一主流道28并且在其后端处排入到限定两个逆流流道30、34的叠置板之间的空间中。从叠置的第一主流道28中排出的冷的干主流体流随后以逆流方式在板之间回流到板的前端，以便经该壳体中的共用出口48排出。
图6和7所示的叠置板56还包括可选择的隔板或密封件40c，其将第一和第二管组28、32彼此分开。该隔板还使得第一和第二逆流流道30、34至少部分地在叠置板之间彼此分开。
如图6所示，隔板使得在隔板的后端处从第一管28排出的干冷的主流体流18进行分流，以便流经两个逆流流道30、34。这两个逆流流道在隔板40c的前端处会合，以便经共用的出口48排出该会合的且饱和的主流体流。
用于将蒸发用流体38喷射到两个逆流流道30、34中的装置36可以适当构造成便于板结构，以便在相邻板之间和在其相应的一体管28、32的外侧喷射该流体。
在此披露的各个实施例中，引导流经这两个热交换器的主气流的速度与实际上在任何适当位置喷射的蒸发用流体相当，其中该流体快速地分散到快速移动的主流体流中。
图8-10示出了构造成为由附图标记22E表示的分流逆流式饱和器的双工热交换器的另一实施例。在该实施例中，两个热交换器24、26包括叠置的交替的第一和第二板60、62，其适当地安装在由相对的端板限定的框架58内，端板由拉紧螺栓连接。每一板包括在其相应侧上的间隔件或密封件64，其共同地限定在交替成对的板之间的第一和第二主流道28、32。
相应的，第一和第二逆流流道30、34限定在不同交替成对的板之间位于每一叠置板的相对侧面上。以这样的方式，两个干侧主流道28、32设置在两个板之间，并且两个湿侧逆流流道30、34设置在邻接的两个板之间，并且该序列在叠置结构中在板之间交替。
如图8所示，每一第一板60还包括在其前端的入口孔44，以便引导主气流18进入第一主流道28。该第一板还包括在其相对的后端的出口孔或传递孔46，以便从第一主流道28排出主流体流。因为出口孔46延伸穿过该板，所以其提供了与第一和第二逆流流道30、34的直接流体连通，第一和第二逆流流道30、34设置在相应主流道28、32的背侧上。
第一板还包括在其前端的另一入口44，以便将副流体流20引入到第二主流道32中。并且，另一出口孔46设置第一板的后端以便从第二主流道排出副流体流。
相应的，在图8中所示的每一第二板62在其前端包括相应的出口孔48，以便向两个逆流流道30、34提供共用的出口。
如图8和10所示，两个板60、62还包括互补的人字形波纹66，其彼此邻接，并且围绕周边密封件68以便进一步在板的相应侧面之间限定第一和第二主流道28、32，并且在该板的相对侧面上限定配合使用的第一和第二逆流流道30、34，其中主流道和逆流流道在叠置板之间交替。
波纹板式热交换器是常规的并且可适当地变型，并且可构造成便于以图1所示的方式引入配合使用的两个热交换器。波纹66局部地形成在其它部分是薄且平的板60、62上，以便在平部分内限定不同的热交换器24、26。间隔件和周边密封件64、68位于平部分上，以便密封该热交换器的边界。
如图8-10所示，主空气流18适当地被平行引导流经在交替板之间的第一主流道28，并且经其后部出口孔46排出到邻接板之间的空间中。这些空间包括两个逆流流道30、34，经过该逆流流道该主流体流被引导回到板的前端。
相应的，热的副流体流被平行引导流经在交替板之间的第二主流道32，并且经后部出口孔46排出。
冷却剂和饱和液喷射装置36适当地引入到叠置板结构中，以便在第一板60中的后出口46的下游将共用的蒸发用流体38喷射到第一和第二逆流流道30、34中，在该处该出口使得第一主流道28与第一和第二逆流流道30、34连接。以这种方式，蒸发用流体喷射到两个逆流流道中，以便在两个主流道28、32中提供主流体流和副流体流的蒸发式冷却。
如果需要，图8所示的适当短隔板密封件40e可至少部分地设置在叠置的第一和第二板60、62之间，与间隔密封件64相对，以便分开相应的第一和第二逆流流道30、34。以这样的方式，主气流在这两个逆流流道的共用入口端处分流，以便沿其使得逆流分开并在板的前端处在从多个板中的共用出口孔48排出之前会合。
图8-10所示的人字形波纹66在每一板的两个侧上是相同的，但是对于两个类型的板60、62而言具有不同且互补的结构。以这样的方式，它们可以叠置在一起并且进行密封以便在其间限定不同的流动路径；在抵靠或邻接的重叠波纹之间流体流沿蛇形路径流动。
用于该板的相应的出口和入口以常规方式由其中的相应孔和板间的密封件以及其中的阻挡部分来限定。第一板60具有四个用于流动控制的主动孔，并且第二板62具有二个用于流动控制的主动孔；只有第一主流道28的后出口46对于叠置板共用的，以便在内部将主流体流18供应到在交替板之间形成两个逆流流道30、34。
因此，两个板60、62在其间共同地具有五个主动孔，它们以相应的对准方式同样地定位在整个叠置板中，以便提供经过其中的连续的入口、出口、和传递流动路径或总管。
以这样的方式，两个入口导管可设置在一个端板58中，如图8-10所示，以便分开地将进入的主流体流和副流体流18、20仅供应给每一板的第一和第二主流道28、32。适当的板间密封件限定该进入的流动，并且防止这些流体流的进入流动流向第一和第二逆流流道30、34。
第一主流道28的后出口孔46还限定对于第一和第二逆流流道30、34而言共用的入口，并且这些传送孔借助周边密封件68通过叠置板和边界进行对准，以便包含在叠置板内的流动。
并且，两个出口导管可设置在相对的端板58中，以便从由适当的板间密封件限定的相应的逆流流道34和第二主流道32中隔离地排出主流体流和副流体流。
如上所述，图1示出了形式为分流式逆流饱和器的蒸发式双工逆热交换器以及其中的配合使用的两个热交换器的示意图。主气流在主流道中借助在配合使用的逆流流道中的流体的蒸发从而在显热意义上被冷却。冷却的干的主流体流随后分流，以便经第一热交换器以及第二热交换器逆流返回。热的副流体流被引导流经第二热交换器的主流道，以便使得在相应逆流流道中的流体蒸发，从而使得先前被冷却的干的主流体流加湿或饱和。该主流体流随后从饱和器中排出，以便用于任何适当的用途，例如将质量加入到所示的涡轮机系统中的燃烧过程中。
图2-10示出了蒸发式双工逆热交换器特别地以图1所示的方式进行配合使用的各种形式。常规热交换器的任何形式包括壳管式和板式结构均可以进行构形和变型，以便用于图1所示的方式。图2-10仅示出了用于实现如上所述的改进分流式逆流结构的其它常规热交换器的各种示例形式。
分流式逆流饱和器可构造成便于用于任何其它的应用，其中所希望的是使得一种流体在另一流体中饱和。并且蒸发式双工逆热交换器可构造成和用于其它的应用，以便有利的使用饱和的主流体流、或冷却的副流体流、或冷却的蒸发用流体的冷凝液体。
尽管在此本发明参照优选实施例和示例进行描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可进行其它的变型，因此这些变型仍然是本发明要求保护的。
权利要求
1.一种双工交换器，其包括第一热交换器，其包括第一主流道和与其以流体连通方式连接的第一逆热流道；第二热交换器，其包括第二主流道和与该第一热交换器以流体连通方式连接的第二逆热流道；和用于将蒸发用冷却剂喷射到该第一逆热流道中的装置。
2.如权利要求1所述的双工交换器，其特征在于，该第二逆热流道与该第一主流道以流体连通方式连接。
3.如权利要求2所述的双工交换器，其特征在于，还包括用于将蒸发用饱和液喷射到该第二逆热流道中的装置。
4.如权利要求3所述的双工交换器，其特征在于，该第二逆热流道还与该第一逆热流道以流体连通方式连接。
5.一种使用如权利要求4所述的双工交换器的方法，其包括引导热的主气流流经该第一主流道；使该主流体流分流到该第一和该第二逆热流道中；将该蒸发用冷却剂喷射到该第一逆热流道中，以便借助流经该第一主流道的该热的主流体流从而蒸发，并且由此冷却在其中的该主流体流；引导热的副流体流流经该第二主流道，以便在该第二逆热流道中加热该被冷却的主流体流；和将该蒸发用饱和液喷射到该第二逆热流道中，以便借助流经该第二主流道的该热的副流体流从而蒸发，并且由此使得经该第二逆热流道排出的该主流体流饱和。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括将来自该第一逆热流道的该主流体流排入到该第二逆热流道的中间阶段中。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将该蒸发用饱和液沿该第二逆热流道的初始阶段喷射；和通过使用来自流经该第二主流道的该副流体流的热量，在该初始阶段的下游在该第二逆热流道中使得该主流体流过热。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将该蒸发用冷却剂沿该第一逆热流道的初始阶段喷射；和通过使用来自流经该第一主流道的该主流体流的热量，在该初始阶段的下游在该第一逆热流道中使得该主流体流过热。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将过量的蒸发用冷却剂喷射到该第一逆热流道中以便冷却，并且从该第一热交换器中排出所述被冷却的过量的蒸发用冷却剂。
10.如权利要求4所述的双工交换器，其特征在于，该第一热交换器包括成组的第一管，其共同地限定支承在多个交替的第一挡板中的该第一主流道，该第一挡板共同地限定围绕该第一管的该第一逆热流道；和该第二热交换器包括成组的第二管，其共同地限定支承在多个第二挡板中的该第二主流道，该第二挡板共同地限定围绕该第二管的该第二逆热流道。
11.如权利要求10所述的双工交换器，其特征在于，还包括将该第一和该第二热交换器分开以便控制其间的流动的隔板。
12.如权利要求11所述的双工交换器，其特征在于，该第一热交换器设置在第一管状壳体内，该第二热交换器设置在第二管状壳体内，并且所述壳体在其间提供双隔板。
13.如权利要求11所述的双工交换器，其特征在于，该第一和该第二热交换器设置在共用的管状壳体内，并且该隔板将该壳体分成用于所述热交换器的两个对应的隔室。
14.如权利要求11所述的双工交换器，其特征在于，该第一和第二管包括外翅片，以便增加对于该蒸发用冷却剂和饱和液的润湿的表面面积。
15.如权利要求11所述的双工交换器，其特征在于，该第一热交换器在前端处包括第一入口，以便向该第一管提供该主流体流，并在相对的后端处包括第一出口，以便从该第一管排出该主流体流的第一部分，并且还包括设置在该第一入口和该第一出口之间的第二出口，以便从该第一逆热流道排出该主流体流的第二部分；以及该第二热交换器在前端处包括第一入口，以便向该第二管提供该副流体流，并在相对的后端处包括第一出口，以便从该第二管排出该副流体流，并且还包括靠近所述其第一入口的第二出口，以便从该第二逆热流道排出该主流体流，以及靠近所述其第一出口的第二入口，以便接收来自该第一热交换器的该第一出口的该主流体流的该第一部分。
16.如权利要求15所述的双工交换器，其特征在于，该第二热交换器还包括靠近所述其第一入口的第三入口，以便接收来自该第一热交换器的该第二出口的该主流体流的该第二部分。
17.如权利要求4所述的双工交换器，其特征在于，该第一和该第二热交换器包括共用的叠置板；每一所述板包括与其成一体的成组的第一管，该第一管共同限定该第一主流道，并且该第一逆热流道限定在该第一管外侧位于所述板之间；和每一所述板还包括与其成一体的成组的第二管，该第二管相应地限定该第二主流道，并且该第二逆热流道限定在该第二管外侧位于所述板之间。
18.如权利要求17所述的双工交换器，其特征在于，该第一管在该板的前端具有共用入口并且在该板的相对端具有分开的出口，以便在所述板之间提供与该第一和该第二逆热流道的流体连通；和该第二管在该板的前端具有共用入口并且在该板的后端具有共用出口。
19.如权利要求18所述的双工交换器，其特征在于，还包括隔板，该隔板使得所述成组的第一管和第二管彼此分开，并且还在所述板之间使得该第一和该第二逆热流道分开。
20.如权利要求19所述的双工交换器，其特征在于，该冷却剂和饱和液的喷射装置构造成便于在所述板之间在该第一管和第二管外侧将所述冷却剂和饱和液喷射到其中。
21.如权利要求4所述的双工交换器，其特征在于，该第一和该第二热交换器包括叠置的交替的第一板和第二板；每一所述板包括间隔件，其在交替成对的所述板之间共同地限定该第一和第二主流道，并且该第一和第二逆热流道限定在所述不同的交替成对板之间；每一所述第一板在前端还包括用于该第一主流道的入口，并且在相对后端包括用于该第一主流道的出口，其设置成与该第一和该第二逆热流道流体连通，并且在该前端还包括用于该第二主流道的另一入口，并且在该后端包括用于该第二主流道的另一出口；和每一第二板在前端还包括用于该第一和第二逆热流道的出口。
22.如权利要求21所述的双工交换器，其特征在于，该第一和第二板还包括在周围的周边密封件内彼此邻接的互补波纹，以便在所述交替板之间进一步限定该第一和第二主流道和该第一和第二逆热流道。
23.如权利要求21所述的双工交换器，其特征在于，该冷却剂和饱和液喷射装置共同地将冷却和饱和流体在该第一板的该出口的下游喷射到该第一和第二逆热流道，该第一板使得该第一主流道与该第一和第二逆热流道连接。
24.如权利要求23所述的双工交换器，其特征在于，还包括至少部分地设置该第一和第二板之间以便分开该第一和第二逆热流道的隔板密封件。
25.一种用于使热的主气流饱和的方法，其包括引导该热的主流体流流经该第一主流道；引导热的副流体流流经该第二主流道；使从该第一主流道排出的该主流体流分流，以便在邻接该第一主流道的第一逆热流道中并在邻接该第二主流道的第二逆热流道中流动；将该蒸发用流体喷射到该第一逆热流道中，以便蒸发式冷却流经该第一主流道的该主流体流；和将蒸发用流体喷射到该第二逆热流道中，以便使得流经该第二逆热流道的该主流体流饱和。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括将来自该第一逆热流道的该主流体流排入到该第二逆热流道的中间阶段中。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括在该第一主流道中蒸发式冷却该主流体流，以便朝向该流入的主流体流的露点温度使得该主流体流的湿球温度降低；和朝向从该第一主流道排出的该被冷却主流体流的该湿球温度，在该第一逆热流道中使该主流体流饱和。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括由该第一主流道中的该热的主流体流来加热在该第一逆热流道中的该被冷却的主流体流，以便升高其露点温度并使其中的该主流体流饱和。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括在该第二逆热流道中使得在该主流体流中的该蒸发用流体蒸发，并且由此朝向该第二逆热流道中的该主流体流的湿球温度，冷却在第二主流道中的该副流体流。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括由该第二主流道中的该热的副流体流来加热在该第二逆热流道中的该被冷却的主流体流，以便升高其湿球温度和饱和度。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括将该蒸发用流体沿该第二逆热流道的初始阶段喷射；和通过使用来自流经该第二主流道的该副流体流的热量，在该初始阶段的下游在该第二逆热流道中使得该主流体流过热。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括将该蒸发用流体沿该第一逆热流道的初始阶段喷射；和通过使用来自流经该第一主流道的该主流体流的热量，在该初始阶段的下游在该第一逆热流道中使得该主流体流过热。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括将过量的蒸发用流体喷射到该第一逆热流道中以便冷却，并且从该第一热交换器中排出所述被冷却的过量的蒸发用流体。
全文摘要
一种双工交换器，其包括第一热交换器和第二热交换器(24、26)，每一热交换器包括主流道(28、32)和配合使用的逆热流道(30、34)。第一逆热流道与第一主流道连接以便接收被冷却的主流体流(18)。该第二逆热流道也与第一主流道连接，以便使得该主流体流分流。蒸发用冷却剂喷射到该第一逆热流道中，并且蒸发用饱和液喷射到第二逆热流道中。来自该初始为热的主流体流的热量在第一热交换器中使得在第一逆热流道中该冷却剂蒸发，以便使得第一主流道中的主流体流自冷却。来自被引导流经第二主流道的热的副流体流(20)的热量在第二逆热流道中使得该饱和液蒸发，以便增加引导流经其中的主流体流的质量。
文档编号F28F9/26GK1671465SQ03817361
公开日2005年9月21日 申请日期2003年7月15日 优先权日2002年7月20日
发明者V·S·迈索特森科, L·E·吉兰, T·L·希顿, A·D·吉兰 申请人:埃达雷克斯技术公司