CN109029030B - 一种汊逆流型双高换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汊逆流型双高换热器，包括中温高压换热器(1)、高温高压换热器(2)、高温高压补偿器(3)和安装螺栓，其中中温高压换热器(1)采用N6合金为散热器翅片的板翅式换热器结构，高温高压换热器(2)为采用06Cr25Ni20耐热型不锈钢的机加流道板翅式换热器结构。本发明由10个换热器芯子组成，冷边走5个流程，热边为1个流程，形成一种汊逆流结构，本发明相比现有产品体积、重量减小，加工难度降低。

Description

一种汊逆流型双高换热器

技术领域

本发明属于飞机环控系统热动力性能测试设备，涉及一种汊逆流型双高换热器结构设计。同时该类结构也可用于大型燃机、石油化工领域余热回收系统。

背景技术

大流量的低压高温空气就目前的技术手段来说，是比较容易实现的，可通过一台性能强劲的风机，将常温的空气进行一定的加压，并流过加热器，就能形成大流量低压高温空气，但要实现大流量的高温、高压空气就目前的技术手段，实现起来就比较困难。

飞机环控系统的工作原理就是从飞机发动机压气机引一定流量的高温高压空气，通过多级换热，对外做功、除水等工作后，向飞机机乘人员、航电系统、机电系统等提供合适温度的冷源。随着飞机升级换代，环控系统设计越来越复杂。能够模拟整套环控系统的热动力性能测试，就目前来说，国内还不具备。只能环控系统的各部附件承制厂商进行部件级的热动力性能测试。

系统级别的热动力性能测试，其主要难度就是在地面模拟系统从飞机发动机提取的高温高压空气，在不同包线下，弄清楚组成系统的各部件工作情况。为飞机如：引气系统、航电、机电系统、空气分配系统的设计需求等提供有效验证手段。

某研究所正投入大量的经费用于飞机环控系统级别的热动力新能试验台的建设工作。对如何模拟从飞机发动机提取的高温高压空气提出了如图1的技术方案，即：采用风机，加热器实现大流量的低压高温空气；低压高温空气通过双高换热器，加热来至于压缩机的高压低温空气，最终实现模拟飞机发动机中提取的高温高压空气。双高换热器是其功能实现的技术难点。

对双高换热器提出如下技术指标要求：

热侧：进口空气流量G_热＝10000kg/h

进口空气温度t_热in＝750℃

进口空气压力P_热＝0.1Mpa

热侧流阻ΔP_热≤7kpa

冷侧：进口空气流量G_冷＝8000kg/h

进口空气温度t_冷in＝750℃

进口空气压力P_冷＝3.5Mpa

冷侧流阻ΔP_冷≤100kpa

冷侧空气出口温度t_冷out≥700。

发明内容

本发明旨在提供一种汊逆流型双高换热器，在现有工艺手段及条件下，实现在一定的体积内满足技术指标要求。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

一种汊逆流型双高换热器，包括工作温度区间不同的中温高压换热器和高温高压换热器，高温高压换热器的高温高压换热器热边出口组件与中温高压换热器的中温高压换热器热边进口组件相连；

所述中温高压换热器包括多个串联的换热器芯子；

所述高温高压换热器包括多个串联的换热器芯子；

所述中温高压换热器的换热器芯子冷边出口与高温高压换热器的换热器芯子冷边入口通过连接弯管、高温高压补偿器相连。

所述中温高压换热器为采用N6合金为散热器翅片的板翅式换热器结构。

所述高温高压换热器为采用06Cr25Ni20耐热型不锈钢并通过机加工流道的板翅式换热器结构。

冷边进口通过中温高压集分流器与所述中温高压换热器相连。

冷边出口通过高温高压集分流器与外界设备连接。

所述中温高压换热器和高温高压换热器各包括5个换热器芯子。

本发明通过对技术指标要求进行设计分析后发现：若采用传统管壳式换热器结构，其单套体积将在10米³、重量将达到10吨，若采用汊流式板翅式换热器结构，其单套体积将在4米³、重量将达到3吨。板翅式结构是最有优方式。但就目前国内工艺设备能力而言，要完成单个芯子体积接近2米³、重量2.5吨的真空钎焊，其焊接成功率是非常低的，存在较大的加工风险。但通过对换热需求进行分析后，若将该双高换热器，按其工作温度，分为高温高压段、中温高压段独自设计，最终实现其技术要求。这样就能将芯子的体积、重量减小。如按此思路，又可将每个工作段分层若干个小的散热芯子，最终串联起来，其工程实现就变得不那么困难了。

本发明中汊逆流型双高换热器包括中温高压换热器和高温高压换热器，其中中温高压换热器满足中温高压段工况；高温高压换热器满足高温高压段工况。

汊逆流型双高换热器，大流量低压高温空气通过高温高压换热器热边进口，流经高温高压段的多个换热器芯子，通过热边出口与中温高压换热器热边进口通道，流经中温高压换热段的多个换热器芯子，最终通过中温高压换热器热边出口排出。

优选地，汊逆流型双高换热器中温高压换热器、高温高压换热器共由10个换热器芯子组成(中温高压换热器、高温高压换热器各有5个换热器芯子)，两两串联，大流量高压低温空气通过中温高压换热器，分走两个换热器芯子，行走5个流程，最终通过高温高压换热器冷边出口供给下一级设备使用。

本发明的汊逆流型双高换热器从单个换热芯子来看是一种典型的汊流结构，但从高温高压换热器总成来看，是一种逆流式结构，故该换热器是一种汊逆流型设计结构。

本发明的汊逆流型双高换热器，其中温高压段使用温度经计算热边进口550℃，冷边压力3.5Mpa，可采用较为成熟的以N6合金为散热器翅片的板翅式换热器结构，就能满足其使用工况需求。

本发明的汊逆流型双高换热器，其高温高压段使用温度经计算热边进口750℃，冷边压力3.5Mpa，需要采用06Cr25Ni20耐热型不锈钢，机加流道板翅式换热器结构，方能满足其使用工况。

本发明的汊逆流型双高换热器结构，其主体结构与传统板翅式结构相当，只对芯体部分按其使用温度工况进行了细分，并将原来体积、重量较大的单一芯体，工程实现性较差的设计结构进行了细分，分成若干个小的芯体，两两冷边串联，热边串联，使得芯体加工工程实现上变得可能。

通过本发明的设计，中温高压换热器单个产品1.8吨，高温高压换热器单个产品1.85吨，总重量为3.65吨，比单一板翅式换热器结构重0.65吨，但比传统管壳式换热器的轻6.35吨，体积与单一板翅式换热器相当，并可单个吊装。为试验台的安装、使用以及日常维护，减轻了工作难度。

本发明还能用于大型燃气轮机回热器、或大型的化工热交换器的结构设计提供了有效尝试。通过该设计思路，可大力推广板翅式换热器在此类领域的运用，取代传统管壳式换热器，避免大量原材料的使用浪费。

附图说明

图1为飞机环控系统测试实验台高温高压空气实现原理图；

图2为汊逆流式双高换热器示意图；

图3为中温高压换热器示意图；

图4为高温高压换热器示意图；

图5为高温高压换热器芯子示意图；

图6为机加流道示意图；

图7为高温高压补偿器示意图；

图8为图7的剖面图；

图中：1-中温高压换热器，2-高温高压换热器，3-高温高压补偿器，101-中温高压集分流器，102-第一中温高压换热器芯子,103-第二中温高压换热器芯子,104-第三中温高压换热器芯子,105-第四中温高压换热器芯子,106-第五中温高压换热器芯子,107-第一连接弯管,108-第二连接弯管,109-中温高压换热器热边进口组件，110-中温高压换热器热边出口组件，201-第一高温高压换热器芯子,202-第二高温高压换热器芯子,203-第三高温高压换热器芯子,204-第四高温高压换热器芯子,205-第五高温高压换热器芯子,206-高温高压集分流器,207-第三连接弯管,208-第四连接弯管，209-高温高压换热器热边进口组件，210-高温高压换热器热边出口组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述。

如图1所示，为模拟从飞机发动机提取的高温高压空气提出的技术方案，即采用风机，加热器实现大流量的低压高温空气；低压高温空气通过双高换热器，加热来至于压缩机的高压低温空气，最终实现模拟飞机发动机中提取的高温高压空气。

如图2所示，是本发明的汊逆流式双高换热器总图，该双高换热器由中温高压换热器1，高温高压换热器2，高温高压补偿器3以及连接螺栓等组成。将双高换热器按其工作温度区间进行划分成中温高压换热器1和高温高压换热器2两个部分组成，中间热边采用安装螺栓连接，冷边采用高温高压补偿器3连接。本发明由10个换热器芯子组成，冷边走5个流程，热边为1个流程，形成一种汊逆流结构。

大流量低压高温空气通过高温高压换热器热边进口，流经高温高压段的5个换热器芯子，通过热边出口与中温高压换热器热边进口通道，流经中温高压换热段的5个换热器芯子，最终通过中温高压换热器热边出口排出。中温高压换热器、高温高压换热器共由10个换热器芯子组成，两两串联，大流量高压低温空气通过中温高压换热器，分走两个换热器芯子，行走5个流程。最终通过高温高压换热器冷边出口供给下一级设备使用。从单个换热芯子来看是一种典型的汊流结构。但从高温高压换热器总成来看，是一种逆流式结构。故该换热器是一种汊逆流型设计结构。通过该设计思路，单个换热器芯子重量控制在250公斤，尺寸控制在780×125×900，单个换热芯子的真空钎焊工艺实现性得到大大提高。

如图3所示，是本明的中温高压换热器，该换热器由中温高压集分流器101，第一中温高压换热器芯子102,第二中温高压换热器芯子103,第三中温高压换热器芯子104,第四中温高压换热器芯子105,第五中温高压换热器芯子106,第一连接弯管107,第二连接弯管108,中温高压换热器热边进口组件109，中温高压换热器热边出口组件110等组成。

其中，换热器芯子是较为成熟的以N6合金为散热器翅片的板翅式换热器结构，这里不在论述。

具体来说，其中冷边进口从中温高压换热器1通过中温高压集分流器101分别进入第一中温高压换热器芯子102和第二中温高压换热器芯子103，第一中温高压换热器芯子102出口进入第三中温高压换热器芯子104；第二中温高压换热器芯子103出口进入第四中温高压换热器芯子105；第三中温高压换热器芯子104出口进入第五中温高压换热器芯子106；第四中温高压换热器芯子105出口进入第一连接弯管107；第五中温高压换热器芯子106出口进入第二连接弯管108；第一连接弯管107和第二连接弯管108通过高温高压补偿器3分别与高温高压换热器2的第三连接弯管207,第四连接弯管208进行连接。将冷边进口空气引入高温高压换热器的第一高温高压换热器芯子201和第二高温高压换热器芯子202，第一高温高压换热器芯子201出口进入第三高温高压换热器芯子203，第二高温高压换热器芯子202出口进入第四高温高压换热器芯子204，第三高温高压换热器芯子203出口进入第五高温高压换热器芯子205，第四高温高压换热器芯子204和第五高温高压换热器芯子205出口进入高温高压集分流器206，通过高温高压集分流器206与外界设备连接。

如图4所示，是本明的高温高压换热器2，该换热器由第一高温高压换热器芯子201,第二高温高压换热器芯子202,第三高温高压换热器芯子203,第四高温高压换热器芯子204,第五高温高压换热器芯子205,高温高压集分流器206,第三连接弯管207,第四连接弯管208，高温高压换热器热边进口组件209，高温高压换热器热边出口组件210等组成。

热边进口通过高温高压换热器2的热边进口组件209，流经5个换热器芯子后，进入高温高压换热器2的热边出口组件210，热边出口组件210通过螺栓与中温高压换热器1的热边进口组件109进行连接，流经5个换热器芯子后，进入中温高压换热器1的热边出口组件110与外界设备连接。

考虑该换热器需要承载温度为：750℃，压力为：3.5Mpa的高温高压空气，其使用条件极为恶劣。该换热器芯子组件采用06Cr25Ni20耐热型不锈钢，机加流道板翅式换热器结构，具体如图5所示。

如图6和图8所示，是本发明的高温高压换热器芯子组件中高温高压流道，高温高压换热芯子与典型板翅式散热器芯子不同之处就是，承载温度、压力都比典型板翅式散热器都高，故在高压、高温侧，采用耐热型不锈钢板06Cr25Ni20，采用机械加工方式加工出空气流道，流道宽度2mm，高度为2mm，流道间筋条厚度为1mm，来满足该换热对高温、高压的需求。

如图7所示，是本发明的中温高压换热器1与高温高压换热器2换热器芯子冷边之间连接的高温高压补偿器3，采用高温合金波纹管补偿器，是一种典型波纹管补偿器结构，这里不再论述。

Claims (4)

1.一种汊逆流型双高换热器，其特征在于：

用于模拟飞机发动机中提取的高温高压空气, 采用风机和加热器实现大流量的低压高温空气，低压高温空气通过双高换热器，加热来至于压缩机的高压低温空气；

双高换热器热侧进口空气流量G_热=10000 kg/h，热侧进口空气温度t_热in=750℃，热侧进口空气压力P_热=0.1 Mpa，热侧热侧流阻ΔP_热≤7 kpa；

双高换热器冷侧进口空气流量G_冷=8000 kg/h，冷侧进口空气压力P_冷=3.5 Mpa，冷侧流阻ΔP_冷≤100 kpa，冷侧空气出口温度t_冷out≥700℃；

双高换热器包括工作温度区间不同的中温高压换热器（1）和高温高压换热器（2），高温高压换热器（2）的高温高压换热器热边出口组件（210）与中温高压换热器（1）的中温高压换热器热边进口组件（109）相连；

所述中温高压换热器（1）为采用N6合金为散热器翅片的板翅式换热器结构，包括多个串联的换热器芯子；

所述高温高压换热器（2）为采用06Cr25Ni20耐热型不锈钢并通过机加工流道的板翅式换热器结构，包括多个串联的换热器芯子；

所述中温高压换热器（1）的换热器芯子冷边出口与高温高压换热器（2）的换热器芯子冷边入口通过连接弯管、高温高压补偿器（3）相连。

2.根据权利要求1所述的一种汊逆流型双高换热器，其特征在于：冷边进口通过中温高压集分流器(101)与所述中温高压换热器（1）相连。

3.根据权利要求1所述的一种汊逆流型双高换热器，其特征在于：冷边出口通过高温高压集分流器（206）与外界设备连接。

4.根据权利要求1所述的一种汊逆流型双高换热器，其特征在于：所述中温高压换热器（1）和高温高压换热器（2）各包括5个换热器芯子。

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