CN110553519B - 管束式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管束式换热器，包括形成环形腔体的壳体，所述环形腔体中置有多个换热管排，各所述换热管排均沿所述环形腔体的轴向螺旋延伸；多个所述换热管排在所述环形腔体的周向上错开布置。本方案提供的管束式换热器具有结构紧凑、重量轻、换热能力强的优点。尤为重要的是，该管束式换热器在获得所需换热效率的前提下，外侧换热介质并不需要改变流动方向，即沿轴向进入，在环形腔体内部也是继续沿轴向流动并流出，避免了气流的来回折转，从而减少外侧换热介质的流动能量损失，该管束式换热器同样可耐高温高压，可以在需要超强换热能力且工作环境恶劣的条件下进行可靠地工作。

Description

管束式换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种管束式换热器。

背景技术

换热器作为一种能量交换的装置在能源、化工、电子、航空航天等各个领域得到广泛的应用。随着各领域技术的发展，其对换热器综合性能的要求也在不断的提高。

现有的换热器各具特点，如用于电子设备上的微通道换热器结构紧凑、重量轻，但是却无法在高温高压的环境下工作；用于化工设备上的管壳式换热器能够耐高温高压，但是体积大、重量重，换热器的单位重量换热量仅达到20kJ/kg的水平。

为此，近几年出现一种管束式换热器，结构紧凑、响应速度快、单位重量换热量大，可达到100kJ/kg以上。管束式换热器包括多个换热管排，换热管排由多根换热管并排形成，整个换热管排大致呈弧形，多个换热管排沿周向逐一错离叠加，最终多个换热管排叠加形成环形的管束式换热器。该管束式换热器的多个换热管排的供换热介质流入的分流管，处于环形管束式换热器的径向外侧，供换热介质流出的集流管处于环形管束式换热器的内侧。从整个流动方向来看，换热介质是沿管束式换热器的径向流动。

基于此，为了达到换热效率，换热管外的换热介质，流动方向也为径向，且最好与换热管内的换热介质流动方向相反。以空气换热为例，当空气向该换热器流动时，流动方向为沿该换热器轴向流动，则到达换热器之前，需要将其流向改为径向流入，然后换热流出时，再由径向调整为轴向。上述的管束式换热器虽然具有较高的换热效率，单位重量换热量大，但换热器外侧的换热介质(例如气流)需要改变流动方向，换热介质的来回折转给外侧的换热介质带来了很大的流动损失。以管束式换热器应用于飞行器的发动机为例，这种能量损失给发动机的热效率和工作带来严重的影响，甚至会导致高超声速飞行器无法完成起飞过程达到巡航状态。

发明内容

本发明提供一种管束式换热器，包括形成环形腔体的壳体，所述环形腔体中置有多个换热管排，各所述换热管排均沿所述环形腔体的轴向螺旋延伸；多个所述换热管排在所述环形腔体的周向上错开布置。

可选地，各所述换热管排的一端连接集流管，另一端连接分流管，内侧换热介质从所述分流管流入所述换热管排，并从所述集流管流出。

可选地，一根所述集流管和与之对应的所述分流管，连通至少一排所述换热管排。

可选地，所述环形腔体为圆环形，多排所述换热管排对应的所述集流管和所述分流管，沿所述环形腔体的周向均布，所述集流管和所述分流管与所述环形腔体的径向夹角为大于等于0度，小于90度。

可选地，对应的所述集流管、所述分流管，在对应的所述换热管排的螺旋形周向上，角度为0-360度。

可选地，所述管束式换热器还包括输入管和输出管，所有的所述分流管连通所述输入管，所有的所述输出管连通所述集流管。

可选地，所述换热管排的各换热管为圆管，且所述圆管的直径处于0.1mm-10mm；或，所述换热管排的各所述换热管为椭圆管，且所述椭圆管的长轴处于0.1mm-10mm。

可选地，所述壳体的两端设有安装法兰，所述安装法兰用于安装供外侧换热介质流动的管体。

本方案中的管束式换热器，换热时，外侧换热介质从环形腔体的一端进入，另一端流出，这样，外侧换热介质和内侧换热介质均是沿轴向流动，而且具有足够的换热面积，从而获得所需的换热效率。可见本方案提供的管束式换热器具有结构紧凑、重量轻、换热能力强的优点。尤为重要的是，该管束式换热器在获得所需换热效率的前提下，外侧换热介质并不需要改变流动方向，即沿轴向进入，在环形腔体内部也是继续沿轴向流动并流出，相较于背景技术方案，显然避免了气流的来回折转，从而减少外侧换热介质的流动能量损失，该管束式换热器同样可耐高温高压，可以在需要超强换热能力且工作环境恶劣的条件下进行可靠地工作。

附图说明

图1为本发明所提供管束式换热器一种具体实施例的结构示意图；

图2为图1中A部位的局部放大示意图；

图3为图1中多个换热管排的示意图；

图4为图3中单个换热管排的示意图；

图5为图1中管束式换热器设置安装法兰的示意图。

图1-5中附图标记说明如下：

1输入管、1a输入接口、2分流管、3换热管排、4集流管、5输出管、5a输出接口、6外壳、7内壳、8换热管、9第一安装法兰、10第二安装法兰。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供管束式换热器一种具体实施例的结构示意图；图2为图1中A部位的局部放大示意图；图3为图1中多个换热管排的示意图；图4为图3中单个换热管排的示意图。

本实施例所提供的管束式换热器，包括形成环形腔体的壳体，如图1所示，壳体包括外壳6和内壳7，内壳7嵌套在外壳6内，二者之间形成环形腔体。具体在本实施例中，外壳6和内壳7都是圆管结构，则构成的环形腔体为圆环形腔体。本实施例中，外壳6半径为135mm，长度为100mm，内壳7半径为95mm，长度为100mm，即环形腔体的径向宽度为40mm。当然，壳体的具体尺寸不限于此，可以根据实际换热需求进行调整。

该方案在壳体的环形腔体中置有多个换热管排3。可参考图2、4理解，换热管排3由多根换热管8并排排列形成，换热管8可以是圆管，也可以是椭圆管，或者其他截面形状的管体。采用圆管时，圆管的直径优选在0.1-10mm之间，采用椭圆管时，椭圆管的长轴长度优选为0.1-10之间，即采用的是微型的换热管8，则每一排的换热管排3具有多根换热管8，从而增加对流换热面积，提高换热效率，提高换热器的单位重量换热量，当然，换热管的尺寸并不限于此。

值得注意的是，本实施例中各换热管排3均沿环形腔体的长度方向螺旋延伸，且换热管排3是绕着环形腔体进行螺旋。图1、3中，换热管排3的螺旋轴线与环形腔体的轴线(即中线)重合，可以理解，不重合略有偏差也可以，只要是绕环形腔体进行螺旋即可，即每个换热管排3的至少一个螺旋环能够基本覆盖到环形腔体的横截面。此外，多个换热管排3在环形腔体的周向上错开布置。为了说明原理，这里将进入换热管8内的换热介质定义为内侧换热介质，将换热管8外的换热介质定义为外侧换热介质，外侧换热介质沿环向腔体的轴向进入。

由于换热管排3螺旋延伸，则内侧换热介质进入换热管8后，会沿着螺旋的方向流动，其运动轨迹是螺旋方向，但从整体介质流动方向来看，是从一端流向另一端，即沿环形腔体的轴向流动。从换热面积来看，由于换热管排3是绕环形腔体进行螺旋延伸，则在轴向上，换热管排3会呈现多层结构；而且，各换热管排3还沿环形腔体的周向错开布置，这样，换热管排3在周向上也布满，覆盖整个周向。可见，该布置方式，使得换热管排3的有效换热面积增大，从轴向、周向上均布满换热管8。

换热时，外侧换热介质从环形腔体的一端进入，另一端流出，这样，外侧换热介质和内侧换热介质均是沿轴向流动，而且具有足够的换热面积，从而获得所需的换热效率，优选的方案是外侧换热介质和内侧换热介质沿相反的方向流动，换热效率更高。可见本实施例提供的管束式换热器具有结构紧凑、重量轻、换热能力强的优点。尤为重要的是，该管束式换热器在获得所需换热效率的前提下，外侧换热介质并不需要改变流动方向，即沿轴向进入，在环形腔体内部也是继续沿轴向流动并流出，相较于背景技术方案，显然避免了气流的来回折转，从而减少外侧换热介质的流动能量损失，该管束式换热器同样可耐高温高压，可以在需要超强换热能力且工作环境恶劣的条件下进行可靠地工作。

再请看图1、4，为了实现内侧换热介质流入和流出换热管8，各换热管排3的一端连接集流管4，另一端连接分流管2，即螺旋形换热管排3的两端分别是集流管4和分流管2，所有的集流管4位于管束式换热器的一端，所有的分流管2位于管束式换热器的另一端。图1中，具体共设置15根集流管4和15根分流管2，且均布设置，每两根集流管4或每两根分流管2呈24度夹角，当然，集流管4和分流管2的设置数量和间距不限于此，可根据所需的换热管排3的数量进行调整。如此，内侧换热介质可先进入分流管2，再从分流管2流入换热管排3，沿轴向螺旋流动换热后，再从集流管4流出。

还可进一步设置输入管1和输出管5，由于设置多个换热管排3，此时也会有多根集流管4和分流管2，多根分流管2可同时连通输入管1，多根集流管4可同时连通输出管5，比如，每根集流管4和分流管2上可布置4排环排管排3，当然其他数量的换热管排数也是可以的。如图1所示，输入管1和输出管5设于壳体的端部，与壳体端部的形状适配，以便连通对应的集流管4或分流管2。图1中，环形腔体是圆环形，所以输入管1和输出管5也是圆环形，如此，沿周向分布的多根集流管4和多根分流管2可以接入输出管5、输入管1。图1中的输入管1和输入管1均设于壳体的外壳6端部的外侧，可以理解，均设于内壳7端部的内侧，或者一者设于外壳6端部内侧，一者设于内壳7端部内侧，均可。

可如图1所示，输入管1设有输入接口1a，输出管5设有输出接口5a，内侧换热介质从输入接口1a注入输入管1内，输出管5内的内侧换热介质从输出接口5a流出。

实际上，不设置输入管1或输出管5也可以，向各集流管4提供内侧换热介质、各分流管2分别流出内侧换热介质都是可以的，但显然设置输入管1和输出管5，结构上更为紧凑简单，且内侧换热介质的输入和输出较为均匀。

另外，上述实施例中，一根集流管4和一根对应的分流管2，可连通至少一排换热管排3，即可以多个换热管排3同时连通一根集流管4和一根分流管2，以充分利用集流管4、分流管2。

图1实施例中，环形腔体为圆环形，集流管4和分流管2，沿环形腔体的周向均布，此时，集流管4和分流管2与环形腔体的径向夹角在0-90度之间，不包括90度，图1中可看出集流管4沿径向延伸，与径向夹角为0度，多根集流管4呈发射状分布。当然，集流管4和分流管2偏离径向有一定夹角也是可以的，但是最好不与径向垂直，以便与设于壳体内侧或外侧的输入管1或输出管5连通。应当理解，集流管4和分流管2的设置方向可不做限制，各集流管4、分流管2的设置方向也可以不同，只要能够供介质流入和流出即可。另外，集流管4和分流管2也不限于图1中所显示的直管，例如可以是弯管。当集流管4并非直管时，与环形腔体径向的夹角，则是以弯管两端的连线与径向进行比较。

另外，对于一组集流管4、分流管2，即一个换热管排3两端的集流管4和分流管2，在对应的换热管排3的螺旋形的周向上，角度为0-360度，如此，集流管4和分流管2沿轴向进行投影时，二者不会重合，避免多个换热管排3在周向上错离布置时，相互干涉。图1中，同一组的集流管4和分流管2在周向上的夹角具体为288度。

该实施例中的管束式换热器在工作时，以外侧换热介质是空气为例，来流温度1300k，压力为0.3Mpa，流量18Kg/s，来流从管式换热器中设置分流管2的一端流入，进入环形腔体，由于多组换热管排3设于环形腔体中，来流实际上经换热管排3的换热管8之间的间隙流动，并从管式换热器中设置集流管4的一端流出。经过该管式换热器后，外侧空气温度可降为600K，外侧总压恢复系数为95％。内侧换热介质可为氦，来流温度300K，压力为10MPa，流量5kg/s，内侧换热介质从输送管1流入，并通过分流管2分配到换热管8中，在换热管8中与换热管8外侧的换热介质(例如上述的空气)进行换热后流向集流管4，最后经输出管5流出，内侧总压恢复系数为98％。可见，换热效率非常高，压力系数微小变动，能量损失很小。

上述实施例中，以环形腔体为圆环形为例进行说明，但实际上本方案并不对环形腔体的形状作限制。比如，环形腔体的截面可以是方环形、椭圆环形等，或者是其他轴对称的形状。环形腔体非圆环形时，换热管排3也是沿周向螺旋形布置，只是一个螺旋环的投影并非圆形，与环形腔体的形状适配即可，其目的是尽量布满环形腔体的空间，增加与外侧换热介质接触的面积。

请继续参考图5，图5为图1中管束式换热器设置安装法兰的示意图。

图5中，输入管1、输出管5均设于外壳6端部的外侧，内壳7两个端部的内侧均设置安装法兰，如图3所示的第一安装栏9和第二安装法兰10。安装法兰的设置便于安装管体，管体内流动外侧换热介质，以便外侧换热介质进入环形腔腔体内。显然，当输入管1、输出管5设于内壳7内侧时，则安装法兰也可以设置于外壳6的外侧。

上述的第一安装法兰9、第二安装法兰10、外壳6、内壳7、输入管1、输出管5、集流管4、分流管2、换热管8，材质均可采用GH4169(一种镍基金属合金)，此时，整个管式换热器的重量仅为120kg，重量很轻。

本发明实施例中所提供的管束式换热器，可用于航空航天、能源、化工、电子等需要紧凑快速强换热能力的领域，例如，设于发动机进气口、燃烧室出口等，满足快速强换热的需求。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.管束式换热器，其特征在于，包括形成环形腔体的壳体，所述环形腔体中置有多个换热管排(3)，各所述换热管排(3)均沿所述环形腔体的轴向螺旋延伸,螺旋轴线与所述环形腔体轴线重合或略有偏差；多个所述换热管排(3)在所述环形腔体的周向上错开布置。

2.如权利要求1所述的管束式换热器，其特征在于，各所述换热管排(3)的一端连接集流管(4)，另一端连接分流管(2)，内侧换热介质从所述分流管(2)流入所述换热管排(3)，并从所述集流管(4)流出。

3.如权利要求2所述的管束式换热器，其特征在于，一根所述集流管(4)和与之对应的所述分流管(2)，连通至少一排所述换热管排(3)。

4.如权利要求2所述的管束式换热器，其特征在于，所述环形腔体为圆环形，多排所述换热管排(3)对应的所述集流管(4)和所述分流管(2)，沿所述环形腔体的周向均布，所述集流管(4)和所述分流管(2)与所述环形腔体的径向夹角为大于等于0度，小于90度。

5.如权利要求2所述的管束式换热器，其特征在于，对应的所述集流管(4)、所述分流管(2)，在对应的所述换热管排(3)的螺旋形周向上，角度为0-360度。

6.如权利要求2所述的管束式换热器，其特征在于，所述管束式换热器还包括输入管(1)和输出管(5)，所有的所述分流管(2)连通所述输入管(1)，所有的所述输出管(5)连通所述集流管(4)。

7.如权利要求1-6任一项所述的管束式换热器，其特征在于，所述换热管排(3)的各换热管(8)为圆管，且所述圆管的直径处于0.1mm-10mm；或，所述换热管排(3)的各所述换热管(8)为椭圆管，且所述椭圆管的长轴处于0.1mm-10mm。

8.如权利要求1-6任一项所述的管束式换热器，其特征在于，所述壳体的两端设有安装法兰，所述安装法兰用于安装供外侧换热介质流动的管体。

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