CN105043143B - 一种环形通道内管式气‑气换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低流阻，高换热，耐压性好环形通道内管式气‑气换热器，其包括若干沿环形通道周向均匀设置的换热单元；环形通道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流出集气管和热气流流入集气管，以及两端分别与热气流流出集气管和热气流流入集气管连通的若干换热管；换热管沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流出集气管的出口和热气流流入集气管入口位于换热单元的同一端，且同穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。采用若干换热管装配成换热束，通过分别设置在两端的热气流流出集气管和热气流流入集气管从而增加了热流体流道数目，管内流阻大幅降低，集气部件的阻力损失小。

Description

一种环形通道内管式气-气换热器

技术领域

本发明涉及气-气换热器领域，具体为一种环形通道内管式气-气换热器。

背景技术

风道广泛存在于各个工程领域，如航空、航天、船舶、车辆、核技术领域等。对于各个不同领域，风道具有不同的形式，比较常见的有方形、圆形、环形。对于一些复杂尖端领域，如空天预冷发动机外涵道，空气流速往往会达到跨音速或超音速，这时，换热器的传热设计和结构设计必须同时满足空气动力性能和热力性能的要求。环形风道常见于航空发动机和空天预冷发动机外涵道，这时，换热器除需满足流动与阻力特性外，还必须具备耐高温耐高压等特点。用于环形风道的气-气换热器有蛇形管换热器、板翅式换热器和原表面换热器。蛇形管换热器管内流程长，流道数目少，管内流阻高，且在流动布置上为顺流换热器，换热效果差。板翅式换热器和原表面换热器相比蛇管换热器而言结构紧凑，但耐压性和热膨胀自适应性差、密封性不好、适用温度和压力范围有限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低流阻，高换热，耐压性好环形通道内管式气-气换热器。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种环形通道内管式气-气换热器，包括若干沿环形通道周向均匀设置的换热单元；环形通道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流出集气管和热气流流入集气管，以及两端分别与热气流流出集气管和热气流流入集气管连通的若干换热管；换热管沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流出集气管的出口和热气流流入集气管入口位于换热单元的同一端，且同穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。

优选的，换热管在迎风面内呈弧形设置。

优选的，换热单元自由端与相邻的内壁或外壁呈间隙设置。

优选的，换热管束在环形通道的径向上呈管径相同的单排或多排设置。

优选的，热气流流出集气管和热气流流入集气管采用横截面为圆形的集气管或椭圆形的集气管。

优选的，换热管管外径为3mm～6mm。

优选的，换热管管内径为2mm～5mm。

优选的，换热管采用最低耐受温度为500℃，最低耐受压力为3MPa的镍铬合金管制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用若干换热管装配成换热束，通过分别设置在两端的热气流流出集气管和热气流流入集气管从而增加了热流体流道数目，使得管内流阻大幅降低；换热器集气管位于距离风道上下表面较近的位置，降低了集气部件对风道带来的阻力损失；采用管径不超过4mm的细换热管，可进一步增加换热器的紧凑度，流动布置为交叉流，提高了换热效果，同时降低管外阻力；管式的换热设置相比板翅式和原表面式换热器而言，具有更好的耐压性和密封性；可根据不同的换热需求，调整换热单元的数量，以及管束内换热管的数量，适应范围广。

进一步的，换热管呈弧形设置，通过对弯曲弧度的调整能够根据单元总换热面积的不同改变换热管长度：当所需单元换热器面积较大时，增加弯曲弧度同时增加换热管长度；当所需单元换热面积较小时，减小弯曲弧度同时减小换热管长度。

进一步的，换热管呈弧形设置及使换热器具备良好热膨胀自适应性。当温度升高时，换热管由于热膨胀性而增长，这时换热管的弯曲曲率变大；反之换热管的曲率变小。

进一步的，换热单元自由端的间隙设置进一步提升了换热器的热膨胀自适应性。换热器自由端即热流体出口集气管及附近连接部位。当温度升高时，换热管由于热膨胀性而增长，这时自由端间隙的设置为热膨胀提供了自由空间。

进一步的，换热管管束能够按总单元个数和总换热面积的不同布置成单排或多排，能够按单元管排数的不同将集气管设计为圆管或椭圆扁管。

进一步的，通过对换热管管径的限定，在采用更细的换热管在降低管外阻力的同时，提高了换热器紧凑度，使得换热器整体换热能力得到了明显提升。另外，换热器总装机重量在一定程度上也得到了降低。

附图说明

图1为本发明实例中所述的结构示意图。

图2中的a、b、c分别为本发明实例中所述的三种换热单元结构示意图。

图3为图1的纵剖面流动示意图。

图中：热气流流出集气管1，换热管2，热气流流入集气管3。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种环形通道内管式气-气换热器，如图1和图3所示，包括若干沿环形通道周向均匀设置的换热单元；环形通道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流出集气管1和热气流流入集气管3，以及两端分别与热气流流出集气管1和热气流流入集气管3连通的若干换热管2；换热管2沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流出集气管1的出口和热气流流入集气管3入口位于换热单元的同一端，且同穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。如图1所示，换热管束依次排列且弯折为弧形而形成鱼鳍式，优选的管子外径不超过4mm。每个换热器单元可根据具体情况由单排换热管或多排换热管组成。冷气流在环形通道内流动，热气流在换热管内流动。本发明换热器大幅增加了热流体流道数目，显著降低了管内流阻。换热管束为弧形鱼鳍式排布，有利于提高换热器的紧凑度和热膨胀自适应性。换热器单元可根据不同需求以不同数目均匀布置于环形通道内。其换热器单元由若干单根耐高温耐高压合金细管装配成管束并与集气管焊接组成。

换热单元能够根据不同的需求，采用不同的结构设置，如图2中a所示，其为单列式圆形集气管的换热器单元，b为多列式圆形集气管的换热器单元，c为多列式椭圆形集气管的换热器单元。

本发明由热流体入口集气管1，耐高温耐高压金属合金的换热管2，热流体出口集气管3组成。为了适应各种设计需求，换热管可以设计为不同的弯曲弧度和长度，集气管可以为椭圆扁管或圆管，换热器单元可由单列或多列管束构成。如图2所示，热端内流空气由热流体入口集气管引入，冷端风道空气通过换热管外，热端内流空气被冷却后由热流体出口集气管引出。图2a中采用圆形的集气管，其中换热管束采用单排的换热管；图2b中采用圆形的集气管，其中换热管束采用对称的双排的换热管；图2c中采用椭圆形的集气管，其中换热管束采用多排的换热管，本优选实例为五排。因此，该种鱼鳍列管换热器具有很好的灵活性。

Claims (8)

1.一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，包括若干沿环形通道周向均匀设置的换热单元；

环形通道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流出集气管(1)和热气流流入集气管(3)，以及两端分别与热气流流出集气管(1)和热气流流入集气管(3)连通的若干换热管(2)；

换热管(2)沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；

热气流流出集气管(1)的出口和热气流流入集气管(3)入口位于换热单元的同一端，且同穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。

2.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热管(2)在迎风面内呈弧形设置。

3.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热单元自由端与相邻的内壁或外壁呈间隙设置。

4.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热管束在环形通道的径向上呈管径相同的单排或多排设置。

5.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，热气流流出集气管(1)和热气流流入集气管(3)采用横截面为圆形的集气管或椭圆形的集气管。

6.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热管(2)管外径为3mm～6mm。

7.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热管(2)管内径为2mm～5mm。

8.根据权利要求1所述的一种环形通道内管式气-气换热器，其特征在于，换热管(2)采用最低耐受温度为500℃，最低耐受压力为3MPa的镍铬合金管制成。