CN102809310B - 一种变流道截面积回热换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的变流道截面积回热换热器，其由n段相互连通的子换热段、装在回热换热器高压端的高压入口连接件和高压出口连接件，以及装在回热换热器低压端的低压入口连接件和低压出口连接件组成，2≤n≤5的整数；每一子换热段均由一根外管和置于外管内的m根内管组成，3≤m≤30的整数，各子换热段内管数m相同；n段子换热段的外管头尾相接串接成一整体外管，n段子换热段的内管分别头尾相接，串接成m根头尾相接的整体内管；子换热段的外管管径和子换热段的内管管径均由回热换热器高压入口端/低压出口端至高压出口端/低压入口端逐渐减小顺序相连；其可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行,且易制造成本低。

Description

一种变流道截面积回热换热器

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域中的回热换热器，特别涉及一种变流道截面积回热换热器，该变流道截面积回热换热器制造成本低，用于深冷混合工质制冷系统中可有效提高系统效率。

背景技术

利用回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机具有高效、可靠及制造成本低等优点，可广泛应用于能源、化工以及低温工程领域，用于实现器件深度冷却和工业气体的液化等方面，例如低温冰箱、天然气液化等领域。深冷多元混合工质节流制冷系统的一个关键部件就是回热换热器，其通过将循环工质高、低压布置于间隔的不同通道内，以逆流方式实现高、低压间的回热换热，进而将系统的室温部分与低温部分有效地连接在一起，使系统实现大温跨下的制冷效果。

从表面上看，深冷多元混合工质节流制冷系统所采用的回热换热器与常规低温制冷系统所采用的间壁式逆流换热器相似，其核心功能都是通过循环工质高、低压间的回热换热，使系统有效实现更大的工作温跨。但是，由于具有典型非共沸特征的多元混合制冷剂的采用，使得深冷多元混合工质节流制冷系统与采用单相气体循环工质的常规低温制冷系统对回热换热器具有明显不同的要求。首先，虽然稳态下制冷系统的工质循环质量流量是恒定的，但深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器内由于存在强烈的相变过程，其任何一侧(高压或低压)的出、入口的体积流量之比与常规的低温气体制冷系统有1至2个数量级的差别。其二，深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器内的任何一侧(高压或低压)的从入口到出口通常都处于相变流动传热区且其全程的干度变化较大，而常规低温气体制冷系统中回热换热器内通常为单相流动。其三，常规的低温气体制冷系统中回热换热器通常可以通过简单方法增加换热面积来提高换热效率同时提高系统的热力学效率。深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器不仅换热效率与两相流动状态和工质组份浓度密切相关，而且由于两相流动的液体偏析还会通过对循环工质组份浓度的影响显著影响系统的热力效率。总体上讲，深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器的设计更为复杂，需要从相变传热、两相流动和与系统的热力耦合等诸多方面综合考虑。

研究表明：对于一定内部结构形式的深冷多元混合工质节流制冷系统用回热换热器，除仔细考虑其各并行子通道内两相流动的均匀性外，最为重要的是沿程流速的设计，尤其是有明显爬升的流道。在上升通道内，当流速小于某值时，两相流动就会发生气、液相分离，这会使得液相在部分子通道内累积，形成液体拥塞而使其失效，这不但影响回热换热器的传热效率，而且会改变循环工质组份浓度，甚至使整个深冷多元混合工质节流制冷系统失效。从理论上讲，可以采用多个不同流道参数设计的回热换热器，通过串联方式来满足上述沿程流速设计。但是，这种多回热换热器串联方式必须很好解决多次气液相均配问题，不仅技术上难度大，而且会增加制造成本和额外的压降损失。

在小型深冷多元混合工质节流制冷系统中，回热换热器目前通常采用一种称为林德型的逆流换热器结构，其是将多根细管穿于一根粗管内，根据实际需要沿长度方向整体制成一定形状，然后在两端将细管汇流，并分别接上高、低压的出、入口。该种结构的回热换热器的细管内流通高压流体，由细管外径与粗管内径形成的缝隙中逆流通过低压流体，形成高、低压间的回热换热，它具有制造简单、成本低等优点。目前，实际使用的上述结构形式的回热换热器通常采用全程等流通截面结构，即从室温端至低温端高、低压的流道截面积完全相等，为了解决前述问题，通常以上升通道内的流体最小流速大于两相流动气、液相发生分离的临界流速为具体结构尺寸的设计依据，这样虽然保证了制冷系统的正常工作，但会在高、低压均引入更大的压力损失为代价，使制冷系统效率无法进一步提高。基于上述认识，本发明提出一种更加适合深冷多元混合工质节流制冷系统高效工作的林德型逆流换热器结构低成本的变流道截面积回热换热器。

发明内容

本发明的目的在于：为兼顾回热换热器内的相变传热、两相流动及其与系统的热力耦合等诸多方面因素，而提供一种林德型逆流换热器结构低成本的变流道截面积回热换热器，其结构简单、容易制造且成本低，可应用于深冷多元混合工质节流制冷系统，进一步提高系统的制冷效率。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的变流道截面积回热换热器，其由n段相互连通的子换热段、装在变流道截面积回热换热器高压端的高压入口连接件Hin和高压出口连接件Hout，以及装在所述变流道截面积回热换热器低压端的低压入口连接件Lin和低压出口连接件（Lout）组成，所述n为整数，2≤n≤5，如图1所示；每一子换热段均由一根外管2和置于该外管2之内的m根内管1组成，所述m为整数，3≤m≤30，各子换热段的内管1的数量m相同，且所述外管2和各内管的轴心线相互平行，如图2所示；

所述n段子换热段的外管2头尾相接串接成一整体外管，所述n段子换热段的内管1分别头尾相接，串接成m根头尾相接的整体内管；

所述各子换热段的外管2管径和所述各子换热段的内管1管径均不相同；

所述子换热段的外管2管径和所述子换热段的内管1管径均由回热换热器高压入口端至高压出口端逐渐减小顺序相连；或者

所述子换热段的外管2管径和所述子换热段的内管1管径均由回热换热器低压出口端至低压入口端逐渐减小顺序相连。

所述一子换热段的外管内径稍大于与其相邻的下一段子换热段的外管外径，下一段子换热段的外管一端直接插入前一段子换热段的外管内，之后焊接成整体外管。

所述一子换热段的内管内径稍大于其相邻的下一段子换热段的内管外径，下一段子换热段的内管一端直接插入前一段子换热段的内管内，之后焊接成整体内管。

使用时，回热换热器高压端的高压入口连接件Hin连接制冷系统的冷凝器出口，高压出口连接件Hout连接制冷系统的节流元件；回热换热器低压端的低压入口连接件Lin连接制冷系统的蒸发器出口，低压出口连接件Lout连接制冷系统压缩机。

本发明的变流道截面积回热换热器，可使流道截面积从高压入口至高压出口实现数倍至数十倍的逐级变化，可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行，且易制造、成本低。

附图说明

图1为本发明的变流道截面积回热换热器的结构示意图；

图2为变流道截面积回热换热器的子换热段及截面示意图。

具体实施方式

实施例1：用于微型深冷多元混合工质节流制冷系统，实现100K温区制冷的本发明的低成本变流道截面积回热换热器。

如图1所示，本发明的变流道截面积回热换热器由n（n=5）段相互连通的子换热段（即R1、R2、R3、R4和R5）、装在该回热换热器高压端的高压入口连接件Hin和高压出口连接件Hout，以及装在该回热换热器低压端的低压入口连接件Lin和低压出口连接件Lout组成，

每一子换热段均由一根外管和同轴置于该外管内的m（m=3）根内管组成；

各子换热段外管尺寸分别为：R1子换热段外管Φ16×1.0，R2子换热段外管Φ14×1.0，R3子换热段外管Φ12×0.75，R4子换热段外管Φ10×0.75，R5子换热段外管Φ8×0.65；

各子换热段内管尺寸分别为：R1子换热段内管Φ6×0.5，R2子换热段内管Φ5×0.5，R3子换热段内管Φ4×0.4，R4子换热段内管Φ3.2×0.4，R5子换热段内管Φ2.4×0.35；各子换热段的内管数相等；

各子换热段外管头尾相接成一根整体外管；

各子换热段外管内的每根内管分别头尾相接，串接成3根整体内管；

本实施例的上一段子换热段外管的内径稍大于与其相邻的下一段子换热段外管的外径，下一段子换热段的外管一端直接插入上一段子换热段外管内，之后焊接成一根整体外管；

本实施例的上一段子换热段内管的内径稍大于与其相邻的下一段内管的外径，下一段子换热段的内管一端直接插入前一段子换热段的内管内，之后焊接成三根整体内管；该三根整体内管经检漏并调整后整体穿入所述整体外管内；

所述变流道截面积回热换热器的内、外管组装后，首先按实际安装需要整体成形，然后焊接两端的高、低压接口（即高压入口连接件Hin、高压出口连接件Hout、低压入口连接件Lin和低压出口连接件Lout）。

本实施例的变流道截面积回热换热器置于100K温区制冷的微型深冷多元混合工质节流制冷系统冷凝器与节流元件之间，高压入口连接件Hin连接制冷系统的冷凝器出口，高压出口连接件Hout连接制冷系统的节流元件；低压入口连接件Lin连接制冷系统的蒸发器出口，低压出口连接件Lout连接制冷系统压缩机。

由冷凝器出口流出的高温高压流体经高压入口连接件Hin进入变流道截面积回热换热器，经过换热后由高压出口连接件Hout流出，流道截面积从高压入口至高压出口实现数倍至数十倍的逐级变化；由蒸发器流出的低温低压流体经低压入口连接件Lin进入变流道截面积回热换热器，经过换热后由低压出口连接件Lout流出，流道截面积从低压入口至低压出口实现数倍至数十倍的逐级变化，可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行的要求。

实施例2：一种用于微型深冷多元混合工质节流制冷系统，实现150K温区制冷的低成本的变流道截面积回热换热器。

与实施例1基本相同，不同的是本实施例的变流道截面积回热换热器由2段子换热段组成，每一子换热段均由一根外管和同轴置于该根外管内的30根内管组成，各子换热段外管尺寸分别为Φ32×1.5、Φ28×1.0，各子换热段内内管尺寸分别为Φ4×0.4、Φ3.2×0.4。

实施例3：一种用于微型深冷多元混合工质节流制冷系统，实现120K温区制冷的低成本的变流道截面积回热换热器。

与实施例1基本相同，不同的是本实施例的变流道截面积回热换热器由3个子换热段组成，每一子换热段均由一根外管和置于该根外管内的15根内管组成，各子换热段外管尺寸分别为Φ28×1.0、Φ24×1.0、Φ20×1.0，各子换热段内内管尺寸分别为Φ4×0.4、Φ3.2×0.4、Φ2.4×0.35。

Claims (1)

1.一种变流道截面积回热换热器，其由n段相互连通的子换热段、装在变流道截面积回热换热器高压端的高压入口连接件(Hin)和高压出口连接件(Hout)，以及装在所述变流道截面积回热换热器低压端的低压入口连接件(Lin)和低压出口连接件(Lout)组成，所述n为整数，2≤n≤5；其特征在于，每一子换热段均由一根外管(2)和置于该外管(2)之内的m根内管(1)组成，所述m为整数，3≤m≤30，各子换热段的内管(1)的数量m相同，且所述外管(2)和各内管的轴心线相互平行；

所述n段子换热段的外管(2)头尾相接串接成一整体外管，所述n段子换热段的内管(1)分别头尾相接，串接成m根头尾相接的整体内管，所述外管的形成如下：一子换热段的外管内径稍大于与其相邻的下一段子换热段的外管外径，下一段子换热段的外管一端直接插入前一段子换热段的外管内，之后焊接成整体外管；所述内管的形成如下：一子换热段的内管内径稍大于其相邻的下一段子换热段的内管外径，下一段子换热段的内管一端直接插入前一段子换热段的内管内，之后焊接成三根整体内管；该三根整体内管经检漏并调整后整体穿入所述整体外管内；

所述各子换热段的外管(2)管径和所述各子换热段的内管(1)管径均不相同；

所述子换热段的外管(2)管径和所述子换热段的内管(1)管径均由回热换热器高压入口端至高压出口端逐渐减小顺序相连；或者

所述子换热段的外管(2)管径和所述子换热段的内管(1)管径均由回热换热器低压出口端至低压入口端逐渐减小顺序相连；

所述变流道截面积回热换热器置于100K温区制冷的微型深冷多元混合工质节流制冷系统冷凝器与节流元件之间，所述高压入口连接件(Hin)连接制冷系统的冷凝器出口，所述高压出口连接件(Hout)连接制冷系统的节流元件；所述低压入口连接件(Lin)连接制冷系统的蒸发器出口，所述低压出口连接件(Lout)连接制冷系统压缩机；

由冷凝器出口流出的高温高压流体经所述高压入口连接件(Hin)进入变流道截面积回热换热器，经过换热后由所述高压出口连接件(Hout)流出，流道截面积从高压入口至高压出口实现逐级变化；由蒸发器流出的低温低压流体经所述低压入口连接件(Lin)进入变流道截面积回热换热器，经过换热后由所述低压出口连接件(Lout)流出，流道截面积从低压入口至低压出口实现相应的逐级变化。