CN106839832A - 一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器 - Google Patents

一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器 Download PDF

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程文龙
丁淼
刘建
黄雯旭
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    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器。包括换热器芯体，换热器芯体由至少四对以上的换热板上下重叠组成，每对换热板由冷换热板和热换热板上下重叠组成，并实现交替布置；冷换热板的中部和热换热板的中部均布设有翅片状的变流通道，冷变流通道和热变流通道结构相同，均为喇叭形通道，方向相反；每对换热板中，冷流体在冷换热板上流动，热流体在热换热板上流动，相邻两个翅片间的距离逐渐变大的热变流通道上下重叠对应着相邻两个翅片间的距离逐渐变小的冷变流通道，从而实现提高换热效率。本发明换热器有效减小了压力损失约40%‑60%；改善了超临界流体在换热器中的流动特性，减小了湍流、反向流的形成，有效减小了流动阻力约60%。

Description

一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器
技术领域
本发明属于石油化工、制冷、能源、核能等工业中使用的超临界流体换热技术领域，具体涉及一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器。
背景技术
超临界流体换热器在石油化工、制冷、能源、核能等工业中有广泛应用，在超临界流体换热器中，冷热两种不同温度和压力的超临界流体通过换热板壁面进行热量交换。
超临界流体具有较低的热导率，同时在换热过程中物理参数变化大，所以传统的换热器往往体积比较大，这是超临界流体的换热及换热器设计一直是人们关心的问题，对换热器的流道进行合理的设计，很大程度上可以提高换热器的换热性能。现有的超临界流体印刷电路板换热器（PCHE）主要分为两类，一类芯体采用连续通道结构，如直通道结构、之字形结构；另一类芯体采用分离式翅片结构，如 S 型翅片结构、翼型翅片结构等。对第一类连续通道换热器，其流道的大小是固定的，而超临界流体在换热过程中，随着温度的升高或降低，其密度变化很大，从而导致超临界流体体积的减小或增大。从而可能增大超临界流体在换热过程中的流动阻力，极端情况下还会引起传热恶化，流体扰动也不够充分，这样会降低换热效率和安全性。而对第二类芯体采用分离式翅片结构的换热器，“Z”型、“S”型加入翅片的流道设计会增加流动的扰动以提高换热效率，但加入翅片结构的同时也会使流体的流程增加、压力损失增加，同时会在流道中的一些地方形成反向流和涡流，降低超临界流体的换热效率。
发明内容
为克服上述两类换热器的不足之处，同时在相同换热功率下减小换热器的体积，本发明提出一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器。
一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器包括换热器芯体3，换热器芯体3的一端设有热侧进口1和冷侧出口2，另一端设有热侧出口6和冷侧进口7；所述换热器芯体3由至少四对以上的换热板上下重叠组成，每对换热板由冷换热板5和热换热板4上下重叠组成，实现换热器芯体3中冷换热板5和热换热板4交替布置。
所述冷换热板5的中部均布设有翅片状的冷变流通道11，所述冷变流通道一端的进口连通着冷侧进口7，另一端的出口连通着冷侧出口2；所述热换热板4的中部均布设有翅片状的热变流通道10，所述热变流通道一端的进口连通着热侧进口1，另一端的出口连通着热侧出口6；且热变流通道的进口与冷变流通道的出口，对应位于一侧，热变流通道的出口与冷变流通道的进口对应位于另一侧，使换热器芯体形成对流结构，改进在于：
所述冷变流通道11和热变流通道10均为喇叭形通道，冷变流通道的进口侧通道的横截面积大于出口侧通道的横截面积，流道渐窄；热变流通道的进口侧通道的横截面积小于出口侧通道的横截面积，流道渐阔；
每对换热板中，冷流体在冷换热板5上流动、热流体在热换热板4上流动，相邻两个翅片12间的距离逐渐变大的热变流通道上下重叠对应着相邻两个翅片间的距离逐渐变小的冷变流通道，从而实现提高换热效率。
进一步限定的技术方案如下：
所述冷换热板5上的冷变流通道和热换热板4上的热变流通道均为连续直线型翅片流道或之字型翅片流道。
所述冷换热板5上的冷变流通道的中心线和热换热板4上的热变流通道的中心线同轴。
所述冷换热板5上的冷变流通道的两端分别通过分流通道连通着冷侧进口7和冷侧出口2；所述热换热板4上的热变流通道的两端分别通过分流通道连通着热侧进口1和热侧出口6；所述分流通道为翅片扇形通道。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明使超临界流体在换热器中改善流动特性，减小了湍流、反向流的形成，通过建立新型变流道换热器和传统换热器的简单模型，模拟两种换热器低压侧（如图8）和高压侧（如图9）的压力损失情况，结果表明，新型换热器的压力损失均低于传统换热器的压力损失，有效减小了压力损失约40%-60%。
2.本发明改善了超临界流体在换热器中的流动特性，减小了湍流、反向流的形成，有效减小了流动阻力约60%。
3.本发明在相同换热功率下降低换热器的尺寸，相同换热功率下，减小换热器体积约45%。增加了换热器的有效换热面积利用率。
4.本发明减小了湍流、反向流的形成，提高换热器内流体均匀性分布。
附图说明
图1是连续通道超临界流体变流道换热器示意图；
图2是每对换热板分解示意图；
图3是图2中的A-A剖视图；
图4是图2中的B-B剖视图；
图5是热换热板变流道区域俯视图；
图6是冷、热换热板交替分布示意图；
图7是本发明冷、热变流通道模型和普通流道模型示意图；
图8是两种换热器低压侧压力损失模拟结果；
图9是两种换热器高压侧压力损失模拟结果；
图10是相同换热功率下换热器单流道流量与换热器体积的关系的模拟结果。
上图中序号：热侧进口1、冷侧出口2、换热器芯体3、热换热板4、冷换热板5、
热侧出口6、冷侧进口7、扩流区8、分流通道9、热变流通道10、冷变流通道11、翅片12。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器包括换热器芯体3，换热器芯体3的一端设有热侧进口1和冷侧出口2，另一端设有热侧出口6和冷侧进口7。
参见图2，换热器芯体3由多对换热板上下重叠组成，每对换热板由冷换热板5和热换热板4上下重叠组成，参见图6，实现换热器芯体3中冷换热板5和热换热板4交替布置。
冷换热板5的中部均布设有翅片状的冷变流通道11，冷变流通道一端的进口连通着冷侧进口7，另一端的出口连通着冷侧出口2；热换热板4的中部均布设有翅片状的热变流通道10，热变流通道一端的进口连通着热侧进口1，另一端的出口连通着热侧出口6；且热变流通道的进口与冷变流通道的出口，对应位于一侧，热变流通道的出口与冷变流通道的进口对应位于另一侧，使换热器芯体形成对流结构。
热变流通道和冷变流通道均为喇叭形通道，参见图3和图4，热变流通道的进口侧通道的横截面积小于出口侧通道的横截面积，流道渐阔；冷变流通道的进口侧通道的横截面积大于出口侧通道的横截面积，流道渐窄；
每对换热板中，冷流体在冷换热板5上流动、热流体在热换热板4上流动，相邻两个翅片间的距离逐渐变大的热变流通道上下重叠对应着相邻两个翅片间的距离逐渐变小的冷变流通道，从而实现提高换热效率。
参见图6，换热器芯体3中冷换热板5和热换热板4和交替布置，冷流体和热流体实现逆流换热。
变流道换热器的工作过程为：流体从入口经过扩流区域进入各层换热板，在每层换热板上，有经过分流区域，流体被分配流入各个变流道换热通道，在变流道区域流体换热温度的变化导致体积的膨胀或压缩与流道横截面积的增大或减小相互耦合，进行充分的换热，最后再次经过分流区后汇合经扩流段流出换热器。
参见图7，图7（a）为普通流道模拟示意图，流道长度500mm，进、出口宽度、高度均为1mm；图7（b）为冷变流通道11和热变流通道10模拟示意图，冷变流通道11和热变流通道10结构相同，方向相反，其中流道长度均为500mm、进口宽度均为1mm、出口宽度均为2mm、高度均为1mm。
参见图8-10所示，通过数值模拟图7所示的两种流道换热得到的模拟结果，图8是两种换热器低压侧压力损失模拟结果，图9是两种换热器高压侧压力损失模拟结果，结果表明，新型换热器的压力损失均低于传统换热器的压力损失，有效减小了压力损失约40%-60%。图10为相同换热功率下换热器单流道流量与换热器体积的关系，模拟结果显示相同换热功率下，变流道换热器可以减小换热器体积约45%，增加了换热器的有效换热面积利用率。

Claims (4)

1.一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器，包括换热器芯体（3），换热器芯体（3）的一端设有热侧进口（1）和冷侧出口（2），另一端设有热侧出口（6）和冷侧进口（7）；所述换热器芯体（3）由至少四对以上的换热板上下重叠组成，每对换热板由冷换热板（5）和热换热板（4）上下重叠组成，实现换热器芯体（3）中冷换热板（5）和热换热板（4）交替布置；
所述冷换热板（5）的中部均布设有翅片状的冷变流通道（11），所述冷变流通道一端的进口连通着冷侧进口（7），另一端的出口连通着冷侧出口（2）；所述热换热板（4）的中部均布设有翅片状的热变流通道（10），所述热变流通道一端的进口连通着热侧进口（1），另一端的出口连通着热侧出口（6）；且热变流通道的进口与冷变流通道的出口，对应位于一侧，热变流通道的出口与冷变流通道的进口对应位于另一侧，使换热器芯体形成对流结构，其特征在于：
所述冷变流通道（11）和热变流通道（10）均为喇叭形通道，冷变流通道的进口侧通道的横截面积大于出口侧通道的横截面积，流道渐窄；热变流通道的进口侧通道的横截面积小于出口侧通道的横截面积，流道渐阔；
每对换热板中，冷流体在冷换热板（5）上流动，热流体在热换热板（4）上流动，相邻两个翅片（12）间的距离逐渐变大的热变流通道上下重叠对应着相邻两个翅片间的距离逐渐变小的冷变流通道，从而实现提高换热效率。
2.根据权利要求1所述一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器,其特征在于：所述冷换热板（5）上的冷变流通道和热换热板（4）上的热变流通道均为连续型直线翅片流道或之字型翅片流道。
3.根据权利要求1或2所述一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器,其特征在于：所述冷换热板（5）上的冷变流通道的中心线和热换热板（4）上的热变流通道的中心线同轴。
4.根据权利要求1所述一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器,其特征在于：所述冷换热板（5）上的冷变流通道的两端分别通过分流通道连通着冷侧进口（7）和冷侧出口（2）；所述热换热板（4）上的热变流通道的两端分别通过分流通道连通着热侧进口（1）和热侧出口（6）；所述分流通道为翅片扇形通道。
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