CN110822957B - 换热方法及其换热机构、换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种换热方法及其换热机构、换热器。换热机构包括：热腔、冷腔以及转动柱体；热腔和冷腔至少共用同一个所述转动柱体的外侧壁作为各自的内壁。这种换热机构和换热器的热交换效率高，可以满足一些特殊工况下高温换热的工程需要。

Description

换热方法及其换热机构、换热器

技术领域

本发明涉及特种工程传热方面的高温换热领域，具体涉及一种换热方法及其换热机构、换热器。

背景技术

现在传统间壁式换热器的换热方法是冷、热工质被金属管壁隔开，热量必须穿透金属管壁，从金属管壁的一侧传导至另一侧，才能完成换热过程，但是这种换热方式及相应的换热器换热温度因为受制于金属材料的耐热性限制，不能高于600℃，当换热温度高于600℃时，金属管壁温度也会高于600℃，会发生金属材料的蠕变（屈服强度降低引起的），无法保证换热器长期稳定的正常运行。在工程上，往往需要换热温度超过≥1000℃的换热，例如，火力发电厂超（超）临界发电机中的过热蒸汽再加热工况，换热温度越高，煤电转换效率越高；斯特林发动机热交换系统中的加热器、回热器换热温度越高，单位工质做功能力越强、综合热效率越高等。因此，为了满足上述特殊工程高温换热的需要，需要特殊种类的不受耐热材料限制的换热器。

发明内容

本发明提供了一种新的换热方法和换热机构，意图解决因金属材料耐热性限制导致的换热温度不能超过600℃的难题，使换热载体在≥1000℃工况下，也能长期稳定安全可靠地运行。

本发明整体思路是变传统静止换热器热量穿透金属管壁的换热方法为通过换热器中换热体运动、依靠运动体表面携带热量而进行换热的方法，其换热承载体由静止固定的间壁式换热器变为运动的“同步运动组合体”。

在发明内容部分中，引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种换热机构，其包括：热腔、冷腔以及转动柱体；

所述转动柱体能转动，热腔和冷腔至少共用同一个所述转动柱体的外侧壁作为各自的内壁，所述热腔用于供热工质通过，所述冷腔用于供冷工质通过。

根据本发明的一个实施例，所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述转动柱体设置有多个，多个所述转动柱体的轴线相互平行，多个所述转动柱体呈矩阵状排列且相邻两个所述转动柱体的外侧壁相互抵接，相互抵接的两个所述转动柱体在转动时相互接触的部分方向相同、线速度相等、相互间没有滑动摩擦；

多个所述转动柱体围合的热腔和冷腔交替排列。

根据本发明的一个实施例，要围成热腔和冷腔所述转动柱体至少设置两行三列。

根据本发明的一个实施例，所述换热机构还包括直筒形且横截面为矩形的外壳、设置在所述外壳的内周壁上的多个轮架以及设置在所述轮架上且轴线与所述转动柱体的轴线相互平行的滚轮；

每一行所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接位于最外侧的两个所述转动柱体的外侧壁；每一列所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体的外侧壁。

根据本发明的一个实施例，所述换热机构还包括多个调整器，所述轮架通过所述调整器安装在所述外壳上；

所述调整器用于调整所述滚轮与所述外壳之间的距离，通过调整滚轮与外壳之间的距离以施加转动柱体之间的密封压力。

根据本发明的一个实施例，所述调整器包括与所述外壳螺纹配合的螺杆以及手柄；

所述手柄和所述轮架分别设置在所述螺杆的两端。

根据本发明的一个实施例，所述转动柱体包括金属筒体、覆盖在所述金属筒体的外侧壁上的隔热层以及覆盖在所述隔热层上的耐热层；

所述金属筒体内设置有轴向延伸的冷却流道。

根据本发明的一个实施例，所述耐热层的表面粗糙。

根据本发明的一个实施例，此换热机构的另一类形式还可以包括外转动体和内转动体，所述转动柱体设置有多个；

外转动体构造为圆筒；

内转动体的外轮廓构造为圆柱形且能绕自身轴线转动，内转动体的外径与两个转动柱体外径之和等于外转动体的内径；内转动体设置在所述外转动体内且与所述外转动体同轴设置；

转动柱体的外轮廓构造为圆柱形且能绕自身的轴线转动，其轴线平行于所述外转动体的轴线，设置在所述外转动体与所述内转动体之间的环形间隙内，且其外侧壁分别抵接于所述外转动体的内侧壁以及所述内转动体的外侧壁；

其中，多个所述转动柱体之间由热腔和冷腔相互隔开并交替布置，所述热腔和所述冷腔以所述转动柱体为界也交替设置于所述外转动体与所述内转动体之间的环形间隙内，所述外转动体与所述转动柱体相互接触的部分方向相同、线速度相等且相互间无滑动摩擦，所述内转动体与所述转动柱体相互接触的部分的方向相同、线速度相等且相互间无滑动摩擦。

根据本发明的一个实施例，多个所述转动柱体均匀地分布在所述内转动体的周围。

根据本发明的一个实施例，外转动体和内转动体夹紧转动柱体以使得外转动体与转动柱体之间形成密封、内转动体与转动柱体之间形成密封。

根据本发明的一个实施例，

所述外转动体包括金属套筒、覆盖在金属套筒内侧壁上的隔热层以及覆盖在隔热层上的耐热层；

所述内转动体包括金属轴、覆盖在金属轴外侧壁上的隔热层以及覆盖在隔热层上的耐热层；

所述转动柱体包括金属筒体、覆盖在金属筒体外侧壁上的隔热层以及覆盖在隔热层上的耐热层；

所述金属筒体内设置有轴向延伸的冷却流道，所述金属轴内设置有轴向延伸的冷却通道。

根据本发明的一个实施例，所述外转动体耐热层、所述内转动体耐热层和所述转动柱体耐热层的表面粗糙。

根据本发明的一个实施例，所述换热机构还有第三类形式，还可以包括密封传热带，所述转动柱体设置有多个且相互平行；

所述密封传热带构造成环形，且所述密封传热带具有柔性；

所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述密封传热带箍在至少三个排列成行的转动柱体上，密封传热带与转动柱体之间形成密封，转动柱体与密封传热带相接触的部分方向相同、线速度相等且相互间无滑动摩擦。

根据本发明的一个实施例，所述换热机构还包括箱体，密封传热带和转动柱体均设置在所述箱体内。

根据本发明的一个实施例，所述转动柱体至少设置有三排，三排转动柱体的排列方向相同；

两个密封传热带分别箍在第一排转动柱体和第三排转动柱体上，两个密封传热带的外侧壁分别从第二排转动柱体的两侧抵接第二排转动柱体。

根据本发明的一个实施例，所述转动柱体包括金属筒体、覆盖在金属筒体外侧壁上的隔热层以及覆盖在隔热层上的耐热层；

所述金属筒体内设置有轴向延伸的冷却流道。

根据本发明的一个实施例，转动柱体的直径相同或不同。

本发明提出了这类换热器，包括如上所述的换热机构。

本发明提出一种换热方法，包括：

使传热体表面与热工质和冷工质密封接触；及

使该传热体运动，进而实现热工质和冷工质之间的换热。

根据本发明的一个实施例，该传热体转动以使得传热体表面通过辐射换热和强对流换热将热工质的热量带给冷工质。

根据本发明的一个实施例，使多个传热体的表面相互接触以密封热工质和冷工质，传热体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等。

根据本发明的一个实施例，传热体表面的运动线速度为5-15米/秒。

由上述技术方案可知，本发明换热机构的工艺描述：

热工质和冷工质均为流体，所在位置的热工质的温度比所在位置的冷工质的温度高。将热工质和冷工质分别互为逆流通入到热腔和冷腔中，由于热腔和冷腔之间共用至少一个转动柱体的侧壁，在该转动柱体转动时，其部分侧壁接触热腔中的热工质而吸热后，然后继续转动到冷腔中，接触到冷腔中的冷工质后进行放热，从而达到将热工质的热量传递到冷工质上的目的。转动柱体的侧壁吸热后，热工质的热量附着在转动柱体的表面；转动柱体的侧壁放热时，冷工质吸收转动柱体耐热层表面的热量。转动柱体转动的速度越快其换热效率越高。相对于传统的间壁式换热器，转动柱体进行传热时不需要穿透转动柱体，仅需在其耐热层表面（厚度约0.1-3 mm）进行换热，故相同导热系数材料，达到工况所需要的温度所需的时间较短，其换热能力几乎与其材料的比热容、导热系数无关，主要取决于运动线速度，其线速度越高，换热能力越强，尤其是，转动柱体在转动时带动热工质和冷工质扰动，这样，热工质和冷工质分别在热腔和冷腔中形成紊流，热工质、冷工质与转动柱体的侧壁之间的传热更快。由于换热仅发生在表面耐热层，其内部金属承载体被隔热层隔开并可以通风冷却，材料强度不受表面高温影响，致使可以实现高温换热。

本发明的实施方式中的优点：

图1是这三类同步运动换热承载体机构的轴向工质逆流换热示意图，而最能充分反映本发明指导思想及技术特征的是图2、图3、图4、图5、图14、图15、图16，即转动柱体按矩形方阵排列的同步运动组合体。其特征如下：

许多根转动柱体等径等长设置如图2、图3、图4，或者转动柱体不等径设置图14、图15、图16，即大小直径的转动柱体交替设置，不等径设置时分为两类转动柱体，即大直径，一般为硬质设置，弹性模量小，耐热层厚；小直径一般为软性设置，弹性模量大，耐热层相对较薄；大小直径比不能超过2.4：1，一般选取2：1；并且，大小转动柱体交替布置。这些设置既能保证转动柱体位置相对稳定，又容易形成转动柱体之间的弹性面接触，便于密封，有利于增强对流换热，并且容易加工，能保证质量；

转动柱体表面容易粗糙加工，容易喷涂耐高温层，容易包裹隔热层，其内部容易加工成冷却通道，并可使圆柱管具有一定壁厚，形成弹性模量，有利于密封。

以形成截面积较大的热腔和冷腔：其截面积为（4-π）R² （R为转动柱体半径），这个截面积可以通过填充物来控制，这对于斯特林发动机要求有较小的死容积很重要。

方便冷、热流工质进出换热器。

方便施加可调预紧力。

方便两端面密封。

由于其四面都受到加紧压力，压力方向指向轴心，作用力与反作用力大小相等方向相反，所以转动柱体材料可以采用耐高温的非金属材料如碳化硅、钢玉及非金属基复合材料。

方便拆装维修。

而图7、图8为滚柱轴承式同步运动组合体，图12、图13为履带式同步运动组合体。

通过对实施例的描述，应该能显现本发明的优点和积极效果在于：

①运动物体的表面换热能够解决高温（≥1000℃）的换热难题，可以绕开金属材料耐热性对高温换热的限制。

②同步运动组合体的运动特性（运动方向相同、运动线速度相等、相互间无任何相对滑动摩擦现象，允许施加可调预紧力，保证接触点间的密封压力大于漏失压力），能够实现冷、热工质的高温宽压差（0.05≤P≤35Mpa）的逆流换热。

③换热仅发生在运动体耐热层表面（深入内部约0.1~3mm），达到完成换热所需的时间极短，换热能力几乎与其材料的热容和导热系数无关，仅与转动柱体的根数和其运动线速度有关：转动柱体根数越多，运动线速度越快，换热能力越强。

④热腔、冷腔的器壁都在运动，带动冷、热工质径向扰动，形成紊流，造成热工质、冷工质与转动柱体的侧壁之间的传热更快。

⑤能够有效利用高温热辐射进行换热，并且可实现换热温度越高，换热效果越好。

附图说明

通过结合附图，对以下本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是一种换热机构的冷、热工质进出逐项示意图；

图2是实施例一中示出的一种换热机构的相同直径转动柱体立体示意图；

图3是实施例一中示出的一种换热机构的剖视示意图；

图4是实施例一中示出的一种换热机构的相同直径转动柱体的剖视放大示意图；

图5是实施例一中示出的一种相同直径转动柱体受力分析示意图；P1是预紧力，P2是冷工质压力，P3是热工质压力；

图6是实施例一中示出的一种转动柱体的剖视示意图；

图7是实施例二中示出的一种换热机构的立体示意图；

图8是实施例二中示出的一种换热机构的剖视示意图；

图9是实施例二中示出的一种转动柱体的剖视示意图；

图10是实施例二中示出的一种外转动体的剖视示意图；

图11是实施例二中示出的一种内转动体的剖视示意图；

图12是实施例三中示出的一种换热机构的剖视示意图；

图13是实施例三中示出的一种转动柱体的剖视示意图。

图14是实施例四中示出的一种换热机构的不同直径转动柱体立体示意图；

图15是实施例四中示出的一种换热机构的不同直径转动柱体的剖视放大示意图；

图16是实施例四中示出的一种不同直径圆柱体受力分析示意图；P1是预紧力，P2是冷工质压力，P3是热工质压力；

具体实施方式

现在将参考附图进行更全面地描述示例实施方式，然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为仅限于在此阐述的实施方式，相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并能将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

实施例一

参照图2、3，本实施例中的换热机构2包括热腔21、冷腔22以及多个转动柱体23。转动柱体23的直径相同。转动柱体23的外轮廓构造为圆柱形。每个转动柱体23均能绕自身轴线转动。转动柱体23的轴线均相互平行。热腔21和冷腔22均由多个转动柱体23围合而成。

在本实施例中，多个转动柱体23呈矩阵状排列且相邻两个转动柱体23的外侧壁相互抵接，相邻两个转动柱体23的转动方向相反。相互抵接的两个转动柱体23在转动时相互接触的部分方向相同线速度相等且接触点间没有滑动摩擦。四个相互靠近的转动柱体23能围合出一个腔（流道）。多个转动柱体23至少排列成两行三列，即至少需要设置六个转动柱体23来围合出一个热腔21和一个冷腔22。

热腔21内的热工质和冷腔22内的冷工质至少能通过两者之间的两个转动柱体23的转动来传递热量，同时，由于相互抵接的两个转动柱体23在转动时相互接触的部分方向相同线速度相等且接触点间没有滑动摩擦，相邻两个转动柱体23在转动时不会打滑，且能实现良好的密封。

进一步地，转动柱体23的数量大于或等于9个，这些转动柱体23布置成正方形矩阵。热腔21和冷腔22在正方形矩阵中交替排列。

参照图4，在热腔21内，热工质的温度高于热腔21的内壁温度，热工质对热腔21的内壁进行辐射放热和强对流换热，换热结果使热腔21的内壁面温度升高，热工质温度下降，热工质与热腔21的内壁的温差为≦50℃，热量被转动柱体23的表面质点携带，表面质点从A1处进入热腔21开始吸热升温起，到该表面质点运动到B1处，离开热腔21吸热升温止，转动柱体23表面完成一个90度1/4周长的吸热过程；在冷腔22内，冷工质的温度低于冷腔22的内壁温度，冷工质对冷腔22壁进行辐射吸热和强对流换热，换热结果使冷工质温度升高，冷腔22壁温度下降，冷工质与冷腔22壁的温差为≦50℃，表面质点从B1进入冷腔22开始进行放热降温起，到该表面质点运动到A2离开冷腔22放热降温止，转动柱体23表面完成一个90度1/4周长的放热过程。同样，壁面质点从A2到B2，然后再从B2到A1，又完成一次吸热和放热过程。如图3、4所示，在矩阵型方阵排列中，除边缘层的转动柱体23外，其内排的转动柱体23每转一圈360度，就完成两次90度即1/4周长的吸热、放热过程。

至少有三个转动柱体23接触热腔21中的热工质也同时分别接触与该热腔21相邻的两个冷腔22中的冷工质，在这三个转动柱体23转动时，能同时将热腔21中热工质的热量带给这两个冷腔22中的冷工质。相应的，接触冷腔22中的冷工质的至少三个转动柱体23也同时分别接触与该冷腔22相邻的两个热腔21中的热工质，在这三个转动柱体23转动时，能同时将这三个热腔21中热工质的热量传递到该冷腔22中。由此，大大提升了冷、热工质的换热效率，排布成矩阵状的转动柱体23的数量越多则整个换热机构2的换热效率越高。

进一步地，该换热机构2还包括外壳24、多个轮架25以及多个滚轮26。外壳24为直筒形，外壳24的横截面为矩形。多个轮架25设置在外壳24的内周壁上。滚轮26设置在轮架25上，可以是每个滚轮26对应于一个轮架25设置。滚轮26设置在轮架25背离外壳24的一侧。滚轮26的轴线与转动柱体23的轴线相互平行。滚轮26能绕自身的轴线转动。

每一行转动柱体23设置在每两个滚轮26之间，这两个滚轮26分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体23的外侧壁。每一列转动柱体23设置在每两个滚轮26之间，这两个滚轮26分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体23的外侧壁。

这样设置后，外壳24能对换热机构2进行进一步地密封，同时，多个滚轮26能支撑住多个转动柱体23并且能避免转动柱体23与外壳24之间相互摩擦。

进一步地，换热机构2还包括多个调整器27，轮架25通过调整器27安装在外壳24上。调整器27用于调整所述滚轮26与所述外壳24之间的距离。在本实施例中，调整器27包括螺杆271和手柄272。螺杆271上设置有外螺纹。外壳24上设置有螺纹孔，螺纹孔贯穿该外壳24。螺杆271与该螺纹孔之间能实现螺纹配合。螺杆271拧入在螺纹孔中时，螺杆271的两个端部位于螺纹孔外。手柄272和轮架25分别设置在螺杆271的两端，手柄272设置在螺杆271伸出外壳24的一端上，轮架25设置在螺杆271伸入外壳24的另一端上。

拧动手柄272能调节螺杆271伸入到外壳24内的长度，从而能调整滚轮26施加给转动柱体23的预紧力。传动体之间的预紧力越大则其密封性能越好，这样就能通过调节传动体之间的预紧力来调节传动体之间的密封性能。

进一步地，参照图6，转动柱体23包括金属筒体231、耐热层233和隔热层232。金属筒体231为圆筒结构。隔热层232覆盖在金属筒体231的外侧壁上。隔热层232由现有的隔热材料制成，传热慢。隔热层232的厚度均匀。耐热层233覆盖在隔热层232的外表面上。耐热层233可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，耐热层233的厚度可以是1-10mm。耐热层233也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基金属复合材料，其厚度不超过10 mm。金属筒体231内设置有轴向延伸的冷却流道234，该冷却流道234用于通入冷却流体，以避免金属筒体231温度超过600摄氏度而使机械强度和刚度受到高温影响而变低。

这种结构的换热机构2能实现在宽压差（0≤P≤35MPa）的环境下，对温度超过1000℃的热工质进行高温换热。

进一步地，耐热层233的表面粗糙。耐热层233的表面越粗糙，转动柱体23在转动时转动柱体23表面的流体越紊乱，增大其换热系数和换热面积，从而转动柱体23与工质之间的换热效率越高。同时，耐热层233的表面粗糙还有利于相邻两个转动柱体23之间的密封性能。

在本实施例中，冷、热工质以各自的速度在冷、热腔内沿轴向互为逆流流动，冷、热腔壁沿各自的圆周方向运动，且与工质流动方向呈90度夹角，对工质形成强烈的扰动，扰动的效果随线速度的增加而增加，其线速度一般控制在5~15米/秒，对转动柱体矩形排列可以达到25米/秒，使工质处于很大的强紊流状态，冷、热工质在热腔21和冷腔22内很难形成稳定厚度的层流底层和固定的边界层，其对流换热系数要比传统换热器大得多，故称强对流换热。

冷、热工质应选择对辐射热敏感的物质，有三原子分子，如水蒸气、二氧化碳等，多原子分子如甲烷、氟利昂等，和带极性二原子分子如一氧化碳等，其热辐射的换热能力与热力学温度（K值）的四次方成正比，随着工质温度的上升，辐射能急剧增加，或者说换热温度越高，换热效果越好。

单位时间内的当量换热面积在线速度为5-15米/秒范围内，与转动柱体23的表面线速度成正比，转动柱体23的表面线速度越快，单位时间内换热质点与冷、热腔中冷、热工质的交换次数越多，其效果相当于换热面积越大；线速度越高，扰动工质的效果越好，换热系数越大；单位时间内的当量换热面积也与成组设置的冷、热腔组数成正比，冷、热腔组数越多，换热面积越大。对由滚柱形圆柱运动体按矩形排列的同步运动组合体来讲，其单位时间内的当量换热面积为A (m²/s)

v——运动线速度；

L——轴向有效换热长度m；

x——矩阵的行数；

y——矩阵的列数。

实施例二

参照图7、8，在本实施例中换热机构3包括热腔31、冷腔32、外转动体34、内转动体35和转动柱体33。外转动体34和内转动体35的数量均为一个。转动柱体33的数量为多个，例如八个。

外转动体34构造为圆筒形。外转动体34的内腔为内转动体35和转动柱体33的安装空间。

内转动体35的外轮廓构造为圆柱形。内转动体35能绕自身的轴线转动，可以是内转动体35的两端均安装在轴承上。内转动体35的外径小于外转动体34的内径。内转动体35设置在外转动体34内，且内转动体35与外转动体34同轴设置。内转动体35与外转动体34之间形成环形间隙。

转动柱体33的外轮廓构造为圆柱体。转动柱体33的外径等于外转动体34的内径与内转动体35的外径之差的二分之一。多个转动柱体33均设置在外转动体34与内转动体35之间的环形间隙内，且转动柱体33的轴线均平行于内转动体35和外转动体34的轴线。转动柱体33的外侧壁与外转动体34的内壁侧相抵接，也与内转动体35的外侧壁相抵接。转动柱体33能沿内转动体35的外侧壁滚动。

外转动体34与内转动体35均与转动柱体33相切。外转动体34和内转动体35对转动柱体33施加的压力均指向转动柱体33的轴线，两个压力的方向相反、大小相等。这样，外转动体34、内转动体35和转动柱体33之间形成密封，外转动体34的内侧壁和内转动体35的外侧壁的线速度等于转动柱体33的外侧壁的线速度时，外转动体34、内转动体35分别与转动柱体33之间形成滚动摩擦，内转动体35和转动柱体33均能顺畅转动，无任何滑动摩擦。

通过內胀（缩）式来施加可调预紧力，使外转动体34、内转动体35和转动柱体33之间形成密封，外转动体34的内侧壁、内转动体35的外侧壁和转动柱体33的外侧壁围合出多个流道（腔），这些流道中的一些是热腔31，另一些是冷腔32，并交替布置。热腔31和冷腔32被转动柱体33间隔开来，即每个转动柱体33的相对两侧的两个流道分别为热腔31和冷腔32。

在内转动体35和转动柱体33转动时，热腔31和冷腔32中分别通入热工质和冷工质，冷、热工质能通过外转动体34的内侧壁、内转动体35的外侧壁以及两个转动柱体33的外侧壁传递热量。

进一步地，多个转动柱体33均匀地分布在内转动体35的周围。

这样，各个热腔31和各个冷腔32的横截面积相等，同时，转动柱体33对外转动体34、内转动体35施加的压力也分布得更加均衡。

进一步地，外转动体34和内转动体35夹紧转动柱体33以使得外转动体34与转动柱体33之间形成密封、内转动体35与转动柱体33之间形成密封。

这样，在热腔31和冷腔32中分别通入冷、热工质，由于外转动体34与转动柱体33之间形成密封、内转动体35与转动柱体33之间形成密封，外转动体34与转动柱体33之间以及内转动体35与转动柱体33之间没有间隙，冷热工质就难以相互混合。

进一步地，参照图9，转动柱体33包括金属筒体331、耐热层333和隔热层332。金属筒体331为圆筒结构。隔热层332覆盖在金属筒体331的外侧壁上。隔热层332由现有的隔热材料制成，传热慢。隔热层332的厚度均匀。耐热层333覆盖在隔热层332的外表面上。耐热层333可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，耐热层333的厚度可以是1-10 mm。耐热层333也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基金属复合材料，其厚度不超过10 mm。金属筒体331内设置有轴向延伸的冷却流道334，该冷却流道334用于通入冷却流体，以避免金属筒体331温度超过600摄氏度而使机械强度和刚度受到高温影响而变低。

参照图10，外转动体34包括金属套筒341、外转动体隔热层342和外转动体耐热层343。金属套筒341构造为圆筒形。外转动体隔热层342覆盖在金属套筒341的内侧壁上。外转动体隔热层342由现有的隔热材料制成，传热慢。外转动体隔热层342的厚度均匀。外转动体耐热层343覆盖在外转动体隔热层342的内表面。外转动体耐热层343可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，外转动体耐热层343的厚度可以是1-10 mm。外转动体耐热层343也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基金属复合材料，其厚度不超过10 mm。

参照图11，内转动体35包括金属轴351、内转动体隔热层352和内转动体耐热层353。金属轴351构造为圆筒形。内转动体隔热层352覆盖在金属轴351的外侧壁上。内转动体隔热层352由现有的隔热材料制成，传热慢。内转动体隔热层352的厚度均匀。内转动体耐热层353覆盖在内转动体隔热层352的外表面上。内转动体耐热层353可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，内转动体耐热层353的厚度可以是1-10 mm。内转动体耐热层353也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基金属复合材料，其厚度不超过10 mm。金属轴351内设置有轴向延伸的冷却通道354，该冷却通道354用于通入冷却流体，以避免金属轴351温度超过600摄氏度而使机械强度和刚度受到高温影响而变低。

这种结构的换热机构3能实现在宽压差（0≤P≤35MPa）的环境下，对温度超过1000℃的热工质进行高温换热。

实施例三

参照图12，在本实施例中，换热机构4包括密封传热带44和多个转动柱体43。密封传热带44构造成环形，且该密封传热带44具有柔性。转动柱体43的外轮廓为圆柱形，且能绕自身的轴线转动。多个转动主体相互平行。

多根转动柱体43排列成行，相邻两根转动柱体43之间相互分隔开来。每一行转动柱体43至少具有三个转动柱体43。密封传热带44箍在一行转动柱体43上，驱动位于两端的一个转动柱体43转动则能带动转动柱体43转动。在传热密封传热带的垂直方向的外两侧通过调整器施加预紧力，使位于中间的转动柱体43的相对两侧与密封传热带44相抵接，转动柱体43与密封传热带44之间形成密封。转动柱体43与密封传热带44相接触的部分的方向相同线速度相等且接触点间没有滑动摩擦。

这样，每相邻的两个转动柱体43的外侧壁与密封传热带44的内侧壁之间形成一个流道（腔），在这些流道中将热腔41和冷腔42间隔设置。转动柱体43均向一个方向转动时带动密封传热带44转动，这样，热腔41内的热工质和冷腔42内的冷工质能通过转动柱体43和密封传热带44传递热量。同时，由于转动柱体43与密封传热带44之间相接触的部分线速度相同，转动柱体43和密封传热带44在转动时不会打滑，且能实现良好的密封。

进一步地，换热机构4还包括箱体45。密封传热带44和转动柱体43均设置在箱体45内。箱体45能对换热机构4进行进一步地密封，防止热工质和冷工质泄露及掺混。箱体与密封传热带44之间的空腔可以容纳热工质。

进一步地，转动柱体43至少设置有三排，三排转动柱体的排列方向相同。两个密封传热带44分别箍在第一排转动柱体和第三排转动柱体上。两个密封传热带44的外侧壁还分别从第二排转动柱体的两侧抵接第二排转动柱体。两个密封传热带44的转动方向相同，转动速度也相等。两个密封传热带44的外侧壁的线速度等于第二排转动柱体的外侧壁线速度。

第二排转动柱体中的相邻两个转动柱体43与两个密封传热带44之间形成流道（腔），在这些流道中热腔41和冷腔42间隔设置。热腔41中的热工质和冷腔42中的冷工质可以通过密封传热带44的外侧壁和第二排转动柱体的外侧壁来进行换热。

进一步地，参照图13，转动柱体43包括金属筒体431、耐热层433和隔热层432。金属筒体431为圆筒结构。隔热层432覆盖在金属筒体431的外侧壁上。隔热层432由现有的隔热材料制成，传热慢。隔热层432的厚度均匀。耐热层433覆盖在隔热层432的外表面上。耐热层433可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，耐热层433的厚度可以是1-10 mm。耐热层433也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基金属复合材料，其厚度不超过10 mm。金属筒体431内设置有轴向延伸的冷却流道，该冷却流道用于通入冷却流体，以避免金属筒体431温度超过600摄氏度而使机械强度和刚度受到高温影响而变低。

这种结构的换热机构4能实现在宽压差（0≤P≤35MPa）的环境下，对温度超过1000℃的热工质进行高温换热。

实施例四

实施例四中的换热机构5与实施例一中的换热机构2的区别仅在于转动柱体的设置不同，下面具体介绍换热机构5。

参照图14，本实施例中的换热机构5包括热腔51、冷腔52和多个转动柱体53。转动柱体53的外轮廓构造为圆柱形。每个转动柱体53均能绕自身轴线转动。转动柱体53的轴线均相互平行。在本实施例中，转动柱体53的直径不一致，转动柱体53可以分为转动柱体531以及直径小于转动柱体531的转动柱体532。热腔51和冷腔52均由两个转动柱体531和两个转动柱体532围合而成。

在本实施例中，多个转动柱体531、532呈矩阵状排列，其中，转动柱体531将相邻两个转动柱体532相互分隔开来。相邻的转动柱体531和转动柱体532的外侧壁相互抵接。相互抵接的转动柱体531和转动柱体532的转动方向相反，在转动时相互接触的部分方向相同线速度相等且接触点间没有滑动摩擦。两个转动柱体531和两个转动柱体532围合而成能围合出一个腔（流道）。

热腔51内的热工质和冷腔52内的冷工质至少能通过两者之间的两个转动柱体53的转动来传递热量，同时，由于相互抵接的两个转动柱体53在转动时相互接触的部分方向相同线速度相等且接触点间没有滑动摩擦，相邻两个转动柱体53在转动时不会打滑，且能实现良好的密封。

进一步地，转动柱体531、532布置成正方形矩阵。热腔51和冷腔52在正方形矩阵中交替排列。

参照图15，在热腔51内，热工质的温度高于热腔51的内壁温度，热工质对热腔51的内壁进行辐射放热和强对流换热，换热结果使热腔51的内壁面温度升高，热工质温度下降，热工质与热腔51的内壁的温差为≦50℃，热量被转动柱体53的表面质点携带，表面质点从A1处进入热腔51开始吸热升温起，到该表面质点运动到B1处，离开热腔51吸热升温止，转动柱体53表面完成一个90度1/4周长的吸热过程；在冷腔52内，冷工质的温度低于冷腔52的内壁温度，冷工质对冷腔52壁进行辐射吸热和强对流换热，换热结果使冷工质温度升高，冷腔52壁温度下降，冷工质与冷腔52壁的温差为≦50℃，表面质点从B1进入冷腔52开始进行放热降温起，到该表面质点运动到A2离开冷腔52放热降温止，转动柱体531、532表面完成一个90度1/4周长的放热过程。同样，壁面质点从A2到B2，然后再从B2到A1，又完成一次吸热和放热过程。如图15所示，在矩阵型方阵排列中，除边缘层的转动柱体外，其内排的转动柱体531、532每转一圈360度，就完成两次90度即1/4周长的吸热、放热过程。

转动柱体531、532接触热腔51中的热工质也同时分别接触与该热腔51相邻的两个冷腔52中的冷工质，在这转动柱体531、532转动时，能同时将热腔51中热工质的热量带给这两个冷腔52中的冷工质。相应的，接触冷腔52中的冷工质的转动柱体531、532也同时分别接触与该冷腔52相邻的两个热腔51中的热工质，在转动柱体531、532转动时，能同时将热腔51中热工质的热量传递到该冷腔52中。由此，大大提升了冷、热工质的换热效率，排布成矩阵状的转动柱体531、532的数量越多则整个换热机构5的换热效率越高。

在一个实施例中还提出了一种换热方法，其包括：

使传热体表面与热工质和冷工质密封接触；及

使该传热体运动，进而实现热工质和冷工质之间的换热。

该传热体可以是上述的转动柱体、外转动体或内转动体。传热体在运动时传热体的表面将热工质的热量带给冷工质从而实现换热。

进一步地，该传热体转动以使得传热体表面通过辐射换热和强对流换热将热工质的热量带给冷工质。

进一步地，使多个传热体的表面相互接触以密封热工质和冷工质，传热体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等。

多个传热体密封热工质和冷工质以避免热工质和冷工质相互掺杂。传热体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等则能使得传热体之间摩擦小、密封严。

进一步地，传热体表面的运动线速度为5-15米/秒。

在该速度下能达到较好的换热效果。

上述换热机构的应用：

①应用之一：

同步运动组合体换热机构，可实现大功率多缸双作用斯特林发动机交换系统的逆流高温（≥1300℃）的加热功能；同时可实现无蓄热体材料，但蓄、放热功能无穷大的回热器功能；又可满足死容积较小（压缩比ε≥2.5）并且冷、热工质流动阻力较小，适合于高转速（高频响应好），可实现大功率（≥1000kw）、高综合热效率（ηt≥55%）的斯特林发动机应用。

②应用之二：

在煤化工（煤制甲烷气）上的应用，用同步运动组合体换热机构将水蒸气加热至≥1200℃，这时水蒸气既是热载体、有取代氧气的作用，又是反应物的组分，可有效减少反应过程中的CO2生成，便于后期CO2的脱除，既减少了投资，又可以降低生产成本。

③应用之三：

同步运动组合体换热机构，可用在火力发电厂超（超）临界机组中的主过热蒸汽再加热工序中，使蒸汽温度≥1100℃，配合后段分汽包、喷嘴及汽轮机的配套改造，可使发电效率提高到50%以上，相对于标煤消耗≤250克/kw.h。

④应用之四：

同步运动组合体换热机构，可以应用于分布式能源燃气轮机高温废气（≥900℃）的能量与经压缩后进入燃烧前的新鲜空气工质进行逆流换热的情况，使工质温度提升至850℃左右，从而可提高其热电转换效率至45%~50%。

⑤应用之五：

在工业窑炉高温废热直接利用方面，同步运动组合体可作为高温换热器，将窑炉高温废热（600℃~1200℃）的能量与进入窑炉的新鲜空气进行燃烧前的预热，使新鲜空气温度从常温30℃左右升至500℃~1100℃，从而节能25%~40%。

特殊说明：

1、对由转动柱体按矩形方阵排列的同步运动组合体而言，因为每个组合体都四面受力，并且指向圆心，大小相等方向相反，不受拉力、弯矩力、扭矩力、剪切力，所以转动柱体可以使用耐高温（≥1500℃）的非金属材料制作，如碳化硅、钢玉或非金属基复合材料等，这样就可省去隔热材料和中间通风冷却。

2、本发明专利的技术要求，仅对一些特殊工况下的应用，如上述的5种实例，热工质一般是燃烧完全的气体，没有毒性，不易燃易爆，压力较低；一般冷工质，压力较高，一般是CO2、水蒸气、燃烧废气等，不牵扯安全性，所以，在转动柱体转动时，即使转动柱体有少许携带工质，造成冷、热工质有少量掺混，也只能是高压冷工质往低压燃烧废气热工质掺混，不影响工程上的使用。

Claims (20)

1.一种换热机构，其特征在于，包括多个热腔、多个冷腔以及多个转动柱体；

多个所述热腔和多个所述冷腔交替布置，相邻的热腔和冷腔之间至少共用同一个所述转动柱体的外侧壁作为各自的内壁，热工质和冷工质均为流体，热工质和冷工质互为逆流地分别通入到热腔和冷腔；

其中，所述转动柱体包括金属筒体，覆盖在所述金属筒体的外侧壁上的隔热层以及覆盖在所述隔热层上的耐热层；

所述金属筒体内设置有轴向延伸的冷却流道。

2.如权利要求1所述的换热机构，其特征在于，所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述转动柱体设置有多个，多个所述转动柱体的轴线相互平行，多个所述转动柱体呈矩阵状排列且相邻两个所述转动柱体的外侧壁相互抵接，相互抵接的两个所述转动柱体在转动时相互接触部分的运动方向相同、线速度相等，相互接触的转动柱体间没有滑动摩擦；

所述热腔和所述冷腔在多个所述转动柱体之间交替排列。

3.如权利要求2所述的换热机构，其特征在于，所述转动柱体至少设置两行三列。

4.如权利要求2所述的换热机构，其特征在于，所述换热机构还包括直筒形且横截面为矩形的外壳、设置在所述外壳内周壁上的多个轮架以及设置在所述轮架上且轴线与所述转动柱体的轴线相互平行的滚轮；

每一排所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个所述转动柱体的外侧壁；每一列所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体的外侧壁。

5.如权利要求4所述的换热机构，其特征在于，所述换热机构还包括多个调整器，所述轮架通过所述调整器安装在所述外壳上；

所述调整器用于调整所述滚轮与所述外壳之间的距离。

6.如权利要求5所述的换热机构，其特征在于，所述调整器包括与所述外壳螺纹配合的螺杆以及手柄；

所述手柄和所述轮架分别设置在所述螺杆的两端。

7.如权利要求1所述的换热机构，其特征在于，所述耐热层的表面粗糙。

8.如权利要求1所述的换热机构，其特征在于，换热机构的另一种表现形式还包括外转动体和内转动体，所述转动柱体设置有多个；

外转动体构造为圆筒；

内转动体的外轮廓构造为圆柱形且能绕自身轴线转动，其外径小于所述外转动体的内径，内转动体设置在所述外转动体内且与所述外转动体同轴设置；

转动柱体的外轮廓构造为圆柱形且能绕自身的轴线转动，其轴线平行于所述外转动体的轴线，设置在所述外转动体与所述内转动体之间的环形间隙内，且其外侧壁分别抵接于所述外转动体的内侧壁以及所述内转动体的外侧壁；

其中，多个转动柱体通过热腔和冷腔相互隔开，所述热腔和所述冷腔以所述转动柱体为界交替设置于所述外转动体与所述内转动体之间的环形间隙内，所述外转动体与所述转动柱体相互接触的部分的方向相同、线速度相等，相互接触点间没有滑动摩擦，所述内转动体与所述转动柱体相互接触的部分的运动方向相同、线速度相等，相互接触点间没有滑动摩擦。

9.如权利要求8所述的换热机构，其特征在于，多个所述转动柱体均匀地分布在所述内转动体的周围。

10.如权利要求8所述的换热机构，其特征在于，外转动体和内转动体夹紧转动柱体以使得外转动体与转动柱体之间形成密封、内转动体与转动柱体之间形成密封。

11.如权利要求9所述的换热机构，其特征在于，

所述外转动体包括金属套筒，覆盖在所述金属套筒的内侧壁上的外转动体隔热层以及覆盖在所述外转动体隔热层上的外转动体耐热层；

所述内转动体包括金属轴、覆盖在所述金属轴的外侧壁上的内转动体隔热层以及覆盖在所述内转动体隔热层上的内转动体耐热层；

所述金属轴内设置有轴向延伸的冷却通道。

12.如权利要求11所述的换热机构，其特征在于，所述外转动体耐热层、所述内转动体耐热层和所述转动柱体耐热层的表面粗糙。

13.如权利要求1所述的换热机构，其特征在于，所述换热机构还包括第三类形式的同步运动组合体即履带式换热机构，其中密封传热带是其重要部件，所述转动柱体设置有多个且相互平行；

所述密封传热带构造成环形，且具有柔性；

所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述密封传热带箍在至少三个排列成行的所述转动柱体上，所述密封传热带与所述转动柱体之间形成密封，所述转动柱体与所述密封传热带相接触的部分的方向相同、线速度相等、且相互接触点间没有滑动摩擦。

14.如权利要求13所述的换热机构，其特征在于，所述换热机构还包括箱体，所述密封传热带和所述转动柱体均设置在所述箱体内。

15.如权利要求2所述的换热机构，其特征在于，转动柱体的直径相同或不同。

16.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1-15中任一项所述的换热机构。

17.一种换热方法，基于权利要求1-15中任一项所述的换热机构实施，包括：

使传热体表面与热工质和冷工质密封接触；及

使该传热体运动，进而实现热工质和冷工质之间的换热。

18.根据权利要求17所述的换热方法，其特征在于，

该传热体转动以使得传热体表面通过辐射换热和强对流换热将热工质的热量带给冷工质。

19.根据权利要求18所述的换热方法，其特征在于，使多个传热体的表面相互接触以密封热工质和冷工质，传热体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等。

20.根据权利要求17或18所述的换热方法，其特征在于，传热体表面的运动线速度为5-15米/秒。

Images