燃气轮机回热器

Allied Signal Bowman
75
28.5
3.7
930
650
240
＜25ppm
75
45
22.5
4.3
—
650
305
—
35-200
Capstone
30
—
3.2
840
—
270
—
24-250
Elliott/Fra Baidu bibliotekGE
45
30
—
—
—
316
＜9ppm
45,80,2 00 30-200
NREC （ 样 机 ） 70
CU结构的主要缺点是需要两种不同的板型， 这使换热器加工量增加，成本上升
CW型结构的特点
CW型结构要比简单的直管型结构的性能 好
在生产过程中，波浪型是通过折叠形成 的，不能模压和锻压，以免发生破裂
和CW型比较相似的TCW型结构
TCW型的性能要优于直管型结构
制作过程的限制（锋利的拐角不易通过压制得 到），对于小尺寸的管道不大现实
实验结果表明，对于特定的燃气轮机回 热器来说，CC型结构的体积最小，重量 最轻 直波纹式CC型会比较容易通过自动化的 冲压、锻压和折叠而制造 CC型结构换热器的体积将比任何一种目 前商业领域中可以得到的换热器体积更 小，重量更轻
CU型结构的特点
CU型结构要比简单的直管型结构的性能好
CU型换热器的性能与结构的几何参数，比如 波纹和扰动方向之间的夹角以及皱纹的内部 高度都有很大的关系
Capstone 30
压比：3.2 燃料供应压力：415kPa (表压）
Capstone 60
燃料供应压力：570kPa (表压）
板翅式表面的优、缺点
优点： 可以承受比较大的内部压差 当量直径比较小 缺点： 体积比主表面式大 在增强回热效果的同时带来很大的压损有 些情况下得不偿失
CC型结构的特点
Utriainen对高温金属的实验（100μm）
实验的结果（以321型不锈钢为基准）
抗热变形性 在750℃的空气中，压力为100MPa，后三种合金的变 形都很小，特别是PM2000在875℃时也能保持良好的 性能（1300多小时） 抗腐蚀性 Incornel 625在700-800℃时有足够的抗氧化能力 而Haynes214和PM2000都可以使用在900 ℃的环境下 注：PM2000有很多突然失败的例子
CW型(Cross Wavy)结构
Pore 90TM同心管结构
2.回热器的材料
回热器的材料应该满足以下几个要求 ：
长时间耐高温（目前由于采用不锈钢，最高温 度局限于600℃-650℃） ★ 适宜于熔接或焊接 ★ 材料的塑造可通过冲压、模压或者折叠实现 ★ 抗热变形好，抗腐蚀性好
★ ★
费用低
目前的回热器材料
不锈钢
高温金属 陶瓷材料
不锈钢
347型不锈钢 研究工作正努力使其寿命在600℃650℃下，向30000小时接近
Utriainen对高温金属的实验（100μm）
实验的四种材料
★321型不锈钢（Fe-17%Cr-11%Ni-0.3%Ti） ★ Incornel 625（Ni-21%Cr-9%Mo-4%Fe-4%Nb） ★ Haynes 合金214（ Ni-16%Cr-4%Al-3%Fe） ★ Plansee 合金PM2000（Fe-19%Cr-5%Al-0.4%Ti-0.5Y2O3）
研究工作4
根据国内实际情况，做几种结构形式的回热器，
在新建的实验装置上进行热性能实验。
四、回热器实验系统设计参数
（以60kW为设计依据） 燃气侧入口最高设计温度600℃ 空气侧入口最高设计温度210℃ 设计最大气流量为0.5kg/s 系统能承受最大系统阻力50kPa（以压缩比4.8、 回热器最大相对压降5%考虑） 高压侧空气以常压模拟。 Re: 200~2250
接近或超过0.9
紧凑度高（>700m2/m3)，体积小，重量轻 压力损失<5% 可靠性高，热变形小，寿命长 造价低（不超过原材料价格的1.5倍） 加工难易程度 重量
二、回热器的研究现状
回热器的结构 回热器的材料
1.回热器的结构
板翅式
主表面型
(1)几种板翅式表面的几何形状
（2）主要的三种主表面型
微型燃气轮机回热器 实验系统建设
回热器研究概述
0、微型燃气轮机及回热循环
Pratt & Whltney公司的微型燃气轮机
●
Rated Power: - ISO day, (59º F,15℃) : 400kW - Hot day, (95º F,35 ℃) : 333kW
●
Thermal efficiency
壳管式、板翅式、主表面式回热器的比较
换热面结构 换热面几何形状 构成方式 流型 效率 % 紧凑度（m2/m3） 热流密度（MW/m3） 壳管式 管子 铜焊剂、焊接 交叉－逆流 < 85 900 10 板翅式 错列的翅形成二 次面 铜焊接 逆流 > 90 2000 15 主表面式 成型的板 焊接 逆流 > 90 2000 15
- recuperated : 30%
- simple cycle: 22%
PowerWorks公司70kW的燃气轮机
回热器
PowerWorks公司热电联供系统示意图
微型燃气轮机的主要技术参数
生产厂 电功率 kW 效率 % 压 比 进温 C 出温 C 排温 C 排放 NOx 功率 kW
Re
ul


ul

p Rg T
μ在低压下只是温度的函数，维持质量流量 不变即可满足。
Nu hl

,λ约每巴增加1%
童景山，《流体的热物理性质》，中国石化出版社
*T100 Microturbine CHP System
微燃机进口参数：950℃，4.5 Bar 微燃机出口参数：约650℃，环境压力 回热器出口温度：270℃ 废气温度：85℃ 空气流量：0.8 kg/s ( 0.9 kg/s for ventilation ) 发电效率：30%； 总效率：78% 燃料气体要求： 压力（最小/最大）：6.0 / 8.5 Bar； 温度（最小/ 最大）：0 /60℃
（Turbec,PowerWorks，C60等 ） 燃气进回热器温度：600—800℃ 燃气出回热器温度：240—340℃ 空气预热温度可达：500—620℃ 空气侧压力：3.2—4.8 bar 燃气侧压力：1.023 bar (约一个大气压)
2.回热器的性能指标
回热有效度：

Tair,out Tair,in Tgas ,in Tair,in
3、回热器的研究工作还应该包括
对于金属材料和陶瓷材料都要改善它们的高温 性能（对陶瓷材料还应包括抗热和抗化学腐蚀） 寻找新技术以更低成本来制造金属和陶瓷回热 器 通过减小当量直径和应用增强热交换技术来增 加紧凑度 以“标准化思想”来设计回热器部件
国外实验研究的新型主表面式回热器结构
德国研制、并已实验研究的新型回热 器结构模型的金属冲压和折叠过程
研究工作2
反映回热器性能的指标有很多，能否找
到一个综合指标？
若能，如何寻找？如何能反映出应用于
不同情况时的不同的侧重要求
研究工作3
已有的实验都是只对各种型面的某一种或相似
的某几种尺寸进行实验，有的结果还不公开，
现有资料关于记载针对我国具体情况的实验不
多，因而有必要做一些进一步的实验研究。研
究传热系数K与阻力系数的最佳值。
TCW结构的性能,强烈地依赖于与几何尺寸
Pore 90TM回热器的优点
回热效率达到90%，合适的尺寸以及最低的造价 回热器流动形式为逆流，环形流道，避免热短路 回热器高、低压两侧的压降小 应力小，能够使用价格低的材料 回热器能自由膨胀和压缩，避免了由温度梯度产生的 热应力 这种回热器结构制造时不需要特别的工具或加工过程 能够使用商业化的管材作为回热器的主体，使造价降 低
三、实验装置上可能做的 研究工作
研究工作1
回热器效率小时对整个机组效率的提高效果不大， 只是增加了机组的费用，但当回热器的效率增大到一 定值时，继续增大效率会使机组的代价飞速增加。
存在一个最佳的效率值，对提高机组效率而且增加的
费用也合理，另外，增加回热面积会提高回热器的效 率，那么在回热器的面积、传热系数以及效率之间应 该存在一个最优值。
批量生产的可行性
能否应用于回热式 燃气轮机
可能
可能
好
是
优秀
是
Rekuperator Svenska AB研制的完全激光 焊接的主表面逆流式回热器
RSAB的主表面逆流式回热器性能 （紧凑度大于1600m2/m3 ）
效 率
总 相 对 压 损
空气室内的流速
空气室内的流速
100kW热电联供系统的微型 燃气轮机上的回热器
Pore 90TM回热器流动简图
PowerWorks 公司的回热器外形图
CC（Corrugated undulated surface）型
CU（Corrugated Undulated surface ）型
CW（Cross Wavy surface ）型
Cross corrugated duct（CC型）结构
分配压差的CC型结构
已拆微燃机的回热器表面结构
CU型（Cross corrugated Undulated）
33
3.3
870
—
200
—
主要微型燃气轮机公司产品结构及性能比较
公司 回热器 功率（kW） 发电效 率
30%+
联合循环 效率
60-75%
Allied Signal
平板/肋 片式
50 ， 70 ， 200
估计费 用 （$/kW） 350
Allision Engine
Capston
有回热
50，250
30%
225-350
圆柱型
30
26-30%
<500
Elliott/G E
NERC Williams Internati onall
一些型号 有
有回热 有回热
45 ， 60 ， 80，200
30-250 40-400
30%+
85%
400-600
30%+
80%
一、回热器运行参数及性能指标
1.回热器运行参数