CN107504850A - 一种异型管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异型管式换热器，包括主换热管和由多根U形管组成的换热管束，在主换热管左右两边的管壁上分别对称地设有若干椭圆形或圆形开口，主换热管包括入口主换热管和出口主换热管；换热管束共有两组，对称地设置在主换热管的左右两边，每一组换热管束的每一根U形管均包括上波浪管段、下波浪管段和U形管段，上波浪管段的首端和下波浪管段的尾端分别与入口主换热管、出口主换热管的椭圆形或圆形开口处固连，换热管束的每一根U形管内均设置有肋板，肋板贯穿于整根U形管。波浪段、肋板及整体结构的设计使得制备的换热器不易结垢、传热效率高、结构紧凑，并具有良好的耐热冲击性及密封性。

Description

一种异型管式换热器

技术领域

本发明属于热交换装置技术领域，具体涉及一种异型管式换热器。

背景技术

近年来，航空工业飞速发展，各国政府和环境保护组织越发关注其对环境的影响，对航 空工业的气体排放做出了严格要求，故航空发动机的制造商们着力于降低其耗油量和排放量， 因此节能减排将会成为下一代航空发动机的发展主题。

航空发动机生产商们针对大型飞机的燃料消耗和尾气排放急剧增加的问题，提出了间冷 回热技术的解决方法。航空发动机依靠吸取废气的热量对其进行二次利用，进而对高压压气 机排出的气体进行加热，随后将加热过的空气输送到燃烧室。燃烧室因为获得尾气热量进而 提高了进口温度，另一方面减少了燃料消耗和尾气排放。根据初步的估算，航空发动机间冷 回热技术的使用将会减少20％的CO₂，20％的燃料消耗以及80％的氮氧化物的排放。

要实现航空发动机节能减排的目的，需要一种结构紧凑，换热效率高的换热器。当前换 热器的传热表面可分为三类：管壳式换热器、板翅式换热器和主表面式换热器。壳管式换热 器耐热排气性好，对冲击载荷不敏感，但是结构不够紧凑。板翅式换热器通常由钎焊翅片相 连，可以避免在气压下不断膨胀，且结构紧凑，换热效率高，经济性好，被广泛的应用于机 械工业、原子能、石油化工等相关领域。然而板翅式换热器基体的高重量比限制了其航空发 动机中的应用。主表面式换热器结构紧凑，成本较低，可进行批量化生产，但其抗内压能力 相对较差。各种类型的换热器的性能及特征如表1所示。因此，当前的换热器均不能同时满 足航空发动机回热器结构紧凑、换热效率高、抗内压能力强的要求。故航空领域需要一种新 型的高效换热器。

表1各种换热管的比较

发明内容

针对现有的换热器不能将高耐热性、紧凑性、耐冲击载荷等集一身的特点，以及社会的 发展对换热器的高标准要求，本发明提出了一种异型管式换热器，设有主换热管和由多根U 形管组成的换热管束，换热管束的U形管带有波浪管段和U形管段，使所设计的换热器耐冲 击、结构紧凑、换热效果大大提高。

一种异型管式换热器，采用以下技术方案：

包括主换热管和由多根U形管组成的换热管束，所述主换热管包括入口主换热管和出口 主换热管，所述入口主换热管设于所述出口主换热管的上方，入口主换热管和出口主换热管 均为矩形，所述矩形的四个对角边均经过倒角处理，在入口主换热管和出口主换热管的左右 两边的管壁上分别对称地设置有若干椭圆形或圆形开口；所述换热管束共有两组，两组换热 管束对称地设置在所述入口主换热管和所述出口主换热管的左右两边，每一组换热管束的每 一根U形管的首尾两端均开口，所述U形管包括上波浪管段、下波浪管段和U形管段，所 述U形管段位于所述上波浪管段和所述下波浪管段之间，上波浪管段和下波浪管段分别作为 所述U形管的首尾两端，即上波浪管段作为所述U形管的首端，下波浪管段作为所述U形 管的尾端，上波浪管段的首端与所述入口主换热管的椭圆形或圆形开口处固连，下波浪管段 的尾端与所述出口主换热管的椭圆形或圆形开口处固连。

优选地，所述换热管束的每一根U形管内均设置有肋板，所述肋板贯穿于整根U形管并 将U形管平均分隔成两个流道。

优选地，所述上波浪管段和所述下波浪管段由若干弧度相同的圆弧管段平滑连接而成， 圆弧管段的波浪弯曲弧度为10°～90°。

优选地，所述入口主换热管和所述出口主换热管的左右两边的管壁上的开口为椭圆形。

优选地，所述上波浪管段、所述下波浪管段和所述U形管段的横截面为椭圆形。

优选地，主换热管(入口主换热管和出口主换热管)的左右两边的管壁上的椭圆形开口 均为错列方式开口，沿着主换热管由外到内的每一列开口中心距相同，沿着主换热管由外到 内的奇数列排布方式相同，偶数列排布方式相同，偶数列开口个数比奇数列少一个，偶数列 开口中心位于奇数列同列相邻开口中心连线的中点处，U形管与主换热管(入口主换热管和 出口主换热管)的开口排布一致。

优选地，所述肋板的高与所述椭圆形的短轴长度一致。

优选地，所述上波浪管段与所述入口主换热管的连接以及所述下波浪管段与所述出口主 换热管的连接均为钎焊连接。

优选地，所述入口主换热管、所述出口主换热管和所述U形管的材料选用Inconel625合 金。

优选地，冷气介质的流通方向为入口主换热管→上波浪管段→U形管段→下波浪管段→ 出口主换热管，热气介质的流通方向为由换热管束的下方至换热管束的上方。

本发明的有益效果：

(1)本异型管式换热器结合了板翅式换热器和壳管式换热器的优点，换热管的横截面为 椭圆形，不仅继承了壳管式换热器耐热排气，对冲击载荷不敏感的特点，也具备了板翅式换 热器结构紧凑的优点，大大提高了换热器的稳定性、强度，并且减小了换热器的体积，基本 解决了换热器占用空间大的问题；(2)换热管间设有一块肋板的隔板，增加了流体间的扰动， 破坏了换热管内部边界层的生成，提高了换热效率；(3)主换热管为矩形状，未采用传统的 圆形管，可有效地减轻航空发动机换热器的重量，其矩形管的设计不仅外形美观，而且与U 形管连接方便，兼备了管壳式换热器密封性好、操作能耗低、不易堵塞的优点以及板式换热 器金属材料消耗少的优点；(4)U形管截面分布均采用错列分布，这种排布方式目的在于增 加流体的湍动程度，扰动尾流来破坏传热边界层，因为它在流动方向上的长度较短，边界层 来不及增长就断裂破坏，因此传热效果好；(5)U形管两侧为波浪管，相比较于传统的直边 设计，波浪管传热效率高，当流体流动时，其特殊的波峰和波谷使得管内外由于连续不断的 突变进而形成强烈的湍流，据估算传热效率相对于传统的直边段管式换热器提高了2-3倍； 不污不堵不结垢，运行稳定(流体处于高度湍流状态，固体状的颗粒难以堆积结垢，并且由 于温差的影响，污垢和换热管之间会形成一个较大的拉脱力，即使有污垢沉着也因拉脱力作 用脱离破碎)；具备自动补偿的功能，波浪管特别的结构形状能够有效地降低热应力；(6)可 靠性高，钎焊结构杜绝了泄露的可能性，使用寿命长，强度高。

附图说明

图1为异型管式换热器的整体结构及换热媒质流通示意图。

图2为异型管式换热器整体对剖的剖分图。

图3为换热管束局部放大图。

图4为单个U形管结构图。

图5为单个U形管结构剖分图。

图6(a)、6(b)、6(c)为换热器结构尺寸图。

图7为钎焊位置图。

图8为钎焊过程的温度变化曲线图。

其中，1为主换热管，2为波浪管段，3为U形管段，4为换热管束，5为肋板，6为焊 缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1～7所示，一种异型管式换热器，包括主换热管1和由多根U形管组成的换热管束 4，主换热管1包括入口主换热管和出口主换热管，入口主换热管设于出口主换热管的上方， 入口主换热管和出口主换热管均为矩形，该矩形的四个对角边均经过倒角处理，在入口主换 热管和出口主换热管的左右两边的管壁上分别对称地设置有若干椭圆形或圆形开口；换热管 束4共有两组，两组换热管束4对称地设置在入口主换热管和出口主换热管的左右两边，每 一组换热管束4的每一根U形管的首尾两端均开口，U形管包括波浪管段2和U形管段3， 波浪管段2包括上波浪管段和下波浪管段，U形管段3位于上波浪管段和下波浪管段之间， 上波浪管段作为U形管的首端，下波浪管段作为U形管的尾端，上波浪管段的首端与入口主 换热管的椭圆形或圆形开口处固连，下波浪管段的尾端与出口主换热管的椭圆形或圆形开口 处固连。

其中上波浪管段与入口主换热管的连接以及下波浪管段与出口主换热管的连接均为钎焊 连接，上波浪管段和下波浪管段由若干弧度相同的圆弧管段平滑连接而成，圆弧管段的波浪 弯曲弧度为10°～90°。

实施例1：

在主换热管1的管壁上设有多个椭圆形的开口，即入口主换热管和出口主换热管的左右 两边的管壁上的开口为椭圆形，上波浪管段、下波浪管段和U形管段3的横截面为椭圆形。 将两组换热管束4的首尾两端分别对应于多个椭圆形开口分别固定在入口主换热管和出口主 换热管上。

进行热交换时，冷气介质流入入口主换热管后分成两股分别流入左右两侧的上波浪管段， 冷气介质横向冲击换热管(U形管)后分别经两侧的U形管段3改变流动方向，再分别沿两 侧的U形管段3分别流入两侧的下波浪管段，冷气介质在下波浪管段中再次横向冲击换热管 (U形管)流向出口主换热管，此时，左右两侧的冷气介质的气流汇集至出口主换热管，并 由出口主换热管的正面流出。而热气介质直接由换热管束4的下方进入，冲击换热管束4， 在换热管束4上与管内的冷气介质完成热交换，再由换热管束4的上方流出。冷气介质的正 面流入和正面流出与热气介质的下方流入和上方流出形成了一种冷气介质与热气介质的交叉 -逆流方式的换热，换热效率高，换热管(U形管)内不易结垢。

在换热管束4的每一根U形管内均设置有肋板5，肋板5的高与椭圆形的短轴长度一致， 肋板5贯穿于整根U形管并将U形管平均分隔成两个流道，肋板5的设计进一步增加了流体 间的扰动，破坏了换热管(U形管)内部边界层的生成，进一步提高了冷热介质的换热效率。

换热管束4由多根U形管组成，换热管束4的局部放大图见图3所示，U形管按照错列方式排布，主换热管1(入口主换热管和出口主换热管)的左右两边的管壁上的椭圆形开口为错列方式开口，其中每一列开口中心距相同，奇数列排布方式相同，偶数列排布方式相同， 但偶数列开口个数比奇数列少一个，且偶数列开口中心位于奇数列同列相邻开口中心连线的 中点处，U形管与主换热管1(入口主换热管和出口主换热管)开口排布一致。

单个U形管结构图及单个U形管结构剖分图见图4～5所示，肋板5长度和U形管长度一 致，肋板5贯穿于整根U形管并将U形管平均分隔成两个流道。

图6(a)、6(b)、6(c)为换热器各个结构方向、尺寸图，其中B为矩形主换热管的宽度，S为矩形主换热管的管壁厚度，D为矩形主换热管的边长；T、P、H、b、t、d、h、a为 换热管束及椭圆形截面的U形管的各部分结构及尺寸参数；结合图6(a)、6(b)、6(c)， 本发明的异型管式换热器的加工装配的具体步骤如下：

(1)根据换热条件确定主换热管的材质、宽度B、厚度S、边长D等参数。

(2)根据换热要求计算换热流量等，确定椭圆形截面U形管的个数以及详细的参数T、 P、H、b、t、d、h、a等尺寸。

(3)根据以上计算结果设计换热器图纸，按照图纸要求进行加工：主换热管1及椭圆型 截面U形管加工采用冷拔的方式获得，然后使用弯管机将椭圆截面的U形管分别弯曲为U 型段和圆弧段。根据椭圆形截面U形管的尺寸在主换热管上开孔，为便于安装，开孔尺寸可 略小于椭圆形换热管的尺寸，公差为-0.5mm，即过盈配合。

(4)将U形管与主换热管1进行装配：将U形管的头尾端固定好钎料后插入主换热管1 中，由内而外将换热管束4与主换热管1装配。将装配结构放入真空钎焊炉中进行钎焊连接； 最后待换热器冷却至室温后，加工装配即完成。钎焊位置如图7中位置6所示，整个钎焊过 程的温度变化如图8所示。

本发明的异型管式换热器可应用于航空发动机中，对航空发动机尾气进行热量交换，根 据航空发动机尾气的工况条件(内压3MPa，温度650摄氏度)，我们可以选用Inconel625合 金材料，相关尺寸见表2所示。

表2应用于航空发送机中的异型管换热器的各部件尺寸参数

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。

Claims (10)

1.一种异型管式换热器，其特征在于，包括主换热管和由多根U形管组成的换热管束，所述主换热管包括入口主换热管和出口主换热管，所述入口主换热管设于所述出口主换热管的上方，入口主换热管和出口主换热管均为矩形，所述矩形的四个对角边均经过倒角处理，在入口主换热管和出口主换热管的左右两边的管壁上分别对称地设置有若干椭圆形或圆形开口；所述换热管束共有两组，两组换热管束对称地设置在所述入口主换热管和所述出口主换热管的左右两边，每一组换热管束的每一根U形管的首尾两端均开口，所述U形管包括上波浪管段、下波浪管段和U形管段，所述U形管段位于所述上波浪管段和所述下波浪管段之间，上波浪管段作为所述U形管的首端，下波浪管段作为所述U形管的尾端，上波浪管段的首端与所述入口主换热管的椭圆形或圆形开口处固连，下波浪管段的尾端与所述出口主换热管的椭圆形或圆形开口处固连。

2.根据权利要求1所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述换热管束的每一根U形管内均设置有肋板，所述肋板贯穿于整根U形管并将U形管平均分隔成两个流道。

3.根据权利要求1所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述上波浪管段和所述下波浪管段由若干弧度相同的圆弧管段平滑连接而成，圆弧管段的波浪弯曲弧度为10°～90°。

4.根据权利要求2所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述入口主换热管和所述出口主换热管的左右两边的管壁上的开口为椭圆形。

5.根据权利要求4所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述上波浪管段、所述下波浪管段和所述U形管段的横截面为椭圆形。

6.根据权利要求5所述的一种异型管式换热器，其特征在于，入口主换热管和出口主换热管的左右两边的管壁上的椭圆形开口为错列方式开口，每一列开口中心距相同，奇数列排布方式相同，偶数列排布方式相同，偶数列开口个数比奇数列少一个，偶数列开口中心位于奇数列同列相邻开口中心连线的中点处，U形管与入口主换热管和出口主换热管的开口排布一致。

7.根据权利要求5所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述肋板的高与所述椭圆形的短轴长度一致。

8.根据权利要求1所述的一种异型管式换热器，其特征在于，所述上波浪管段与所述入口主换热管的连接以及所述下波浪管段与所述出口主换热管的连接均为钎焊连接。

9.根据权利要求1～8所述的任意一种异型管式换热器，其特征在于，所述入口主换热管、所述出口主换热管和所述U形管的材料选用Inconel625合金。

10.根据权利要求1所述的一种异型管式换热器，其特征在于，冷气介质的流通方向为入口主换热管→上波浪管段→U形管段→下波浪管段→出口主换热管，热气介质的流通方向为由换热管束的下方至换热管束的上方。