CN110849200A - 超临界c02管路式换热器的导流结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界C02管路式换热器的导流结构，包括两片呈对称设置且内部具有导流空腔的导流直管以及连接在两片所述导流直管之间的U型弯管；所述U型弯管处至少嵌装有一片呈弧形结构且与所述U型弯管形成一体式结构的导流叶片，所述导流叶片的两端具有圆弧，且所述导流叶片的弧形方向朝向所述U型弯管的弯曲方向；通过U型弯管与导流叶片的配合设置，有效的降低了流体的离心力对管道壁面产生的冲击效应，减小了流体与管道壁面之间的流动阻力，进而减小了在整个管道回路中的流动损失，并使得局部换热能力增强，且通过导流叶片能顾有效的遏制超临界在拟临界区收到的流动损失带来的剧烈物性变化，从而保持超临界在拟临界区的稳定性。

Description

超临界C02管路式换热器的导流结构
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种超临界C02管路式换热器的导流结构。
背景技术
随着经济的发展，社会的进步，能源节约和环保已经成为必然和社会共识。超临界C02由于在其拟临界区域具有高比热，高密度，流动状态如同气体，以及其环保性等诸多优点，近些年来重新受到人们的重视。超临界C02在布雷顿循环中的运用近些年来受到广泛关注，其中换热器的作用会影响到整个布雷顿循环效率。而目前使用大多为管式换热器，在管道弯曲部分产生的流动损失以及整个管路中的换热情况不容忽视。
通常的管式换热器中，在U型管180°弯道位置没有明显降低流动损失的装置，且局部换热与整体换热能力差异大。当考虑到超临界C02工质的利用时，压损对拟临界区的各个物性参数影响很大，导致其变化剧烈，由此增加超临界C02在拟临界区物性参数的不稳定性。这种改变会影响超临界C02换热器换热性能以及整个布雷顿循环效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低超临界C02在管式换热器中的压力损失的超临界C02管路式换热器的导流结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超临界C02管路式换热器的导流结构，包括两片呈对称设置且内部具有导流空腔的导流直管以及连接在两片所述导流直管之间的U型弯管；
所述U型弯管处至少嵌装有一片呈弧形结构且与所述U型弯管形成一体式结构的导流叶片，所述导流叶片的两端具有圆弧，且所述导流叶片的弧形方向朝向所述U型弯管的弯曲方向。
进一步，所述导流叶片为一片，所述导流叶片的弧心位于所述U型弯管的中心线上，且所述导流叶片两端连线的中点与所述U型弯管的弧心O重合。
进一步，所述导流叶片与所述U型弯管的弧心O之间的距离为2mm-3mm，所述导流叶片的厚度为0.5mm-1mm，所述导流叶片两端的圆弧的半径为0.25mm-0.5mm。
进一步，所述导流叶片为两片，两片所述导流叶片之间具有间距，两片所述导流叶片关于所述U型弯管的中心线对称设置，且两片所述导流叶片的弧心均位于所述U型弯管的中心线上。
进一步，所述导流叶片靠近U型管中心线的端部的圆弧端面与所述U型管的中心线之间的夹角为30°-35°，所述导流叶片的弧形半径为2.75mm-3mm。
进一步，所述导流叶片包括第一导流叶片和第二导流叶片，所述第一导流叶片与所述第二导流叶片呈交错间隔设置；
通过所述U型弯管中心线将所述U型弯管分隔为U型弯管上半区及U型弯管下半区，所述第一导流叶片位于所述U型弯管上半区内，所述第二导流叶片位于所述U型弯管下半区内；
所述第一导流叶片靠近U型弯管中心线的端部与U型弯管弧心之间的距离大于所述第二导流叶片靠近U型弯管中心线的端部与U型弯管弧心之间的距离。
进一步，所述第一导流叶片两端之间的连线与所述U型弯管中心线之间的夹角为α，所述第二导流叶片两端之间的连线与所述U型弯管中线先之间的夹角为β，且α＝β＝45°。
进一步，所述第一导流叶片靠近U型弯管的端部处圆弧的弧心与第二导流叶片靠近U型弯管的端部处圆弧的弧心均位于所述U型弯管的中心线上。
进一步，所述第一导流叶片远离所述U型弯管的端部与U型弯管的弧心O之间的距离为2.75mm-3mm，所述第二导流叶片靠近U型弯管的端部与U型弯管的弧心O之间的距离为2mm-3mm。
进一步，所述导流叶片为五片，各所述导流叶片沿所述U型弯管顺时针方向且呈首尾相间方式依次设置，相邻所述导流叶片之间的间距一致，且上一导流叶片的尾端的圆弧弧心与下一导流叶片的首端的圆弧弧心位于同一直线上；
各所述导流叶片两端之间的连线与水平线之间的夹角大小一致，且该夹角大小为18°-20°，各所述导流叶片的首端与所述U型弯管的弧心O之间的距离均为2.75mm-3mm。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，通过U型弯管与导流叶片的配合设置，有效的降低了流体的离心力对管道壁面产生的冲击效应，减小了流体与管道壁面之间的流动阻力，进而减小了在整个管道回路中的流动损失，并使得局部换热能力增强，且通过导流叶片能顾有效的遏制超临界C02在拟临界区收到的流动损失带来的剧烈物性变化，从而保持超临界C02在拟临界区的稳定性。
附图说明
图1为本发明中实施例一结构示意图；
图2为图1中A处局部放大示意图；
图3为本发明中实施例二结构示意图；
图4为本发明中实施例三结构示意图；
图5为本发明中实施例四结构示意图；
图1至图5中所示附图标记分别表示为：1-导流直管，2-U型弯管，3-导流叶片，4-圆弧，30-第一导流叶片，31-第二导流叶片，20-U型弯管上半区，21-U型弯管下半区，
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种超临界C02管路式换热器的导流结构，包括两片呈对称设置且内部具有导流空腔的导流直管1以及连接在两片所述导流直管1之间的U型弯管2。导流直管1与U型弯管2之间形成呈一体式结构的U型换热管路，该U型换热管路位于换热器中。
U型弯管2处至少嵌装有一片呈弧形结构且与U型弯管2形成一体式结构的导流叶片3，导流叶片3的两端具有圆弧4，且导流叶片3的弧形方向朝向U型弯管2的弯曲方向。导流叶片3设置于整个换热管路的U型弯管2处，导流叶片3与管路一体成型加工，也可以是3打印或焊接等技术，该导流叶片3具有不同的结构，主要包括整体式导流叶片、对称导流叶片、非对称导流叶片及离散导流叶片。
实际操作时，在U型弯管2中流体经180°弯道时由于离心力的作用会产生流动分离现象，对下游管道壁面产生强烈冲击效应，增强了流体与壁面之间的流动阻力。同时，由于壁面与流体流动阻力的增大，流体流速变化梯度大，使流体与流体之间的阻力进一步增强，从而增大整个管道回来中的流动损失。并且，在180°弯道结束区域管道内壁面产生很强的再附着涡系，该处局部温度较高。对此，通过在U型弯管2处设置导流叶片3，能顾降低流体的离心力带来的影响，降低了流体与管道壁面之间的流动阻力，并减小了再附着涡系，整个管管路的流动损失明显降低。
实施例一：如图1至图2所示，导流叶片3为一片，其为整体式结构。所述导流叶片3的弧心位于所述U型弯管2的中心线上(图1中虚线处即表示为U型弯管2的中心线)，且导流叶片3两端连线的中点与所述U型弯管2的弧心O重合。导流叶片3与U型弯管2的弧心O之间的距离为2mm-3mm，导流叶片3的厚度为0.5mm-1mm，导流叶片3两端的圆弧4的半径为0.25mm-0.5mm。整体式导流叶片使SC02流体在180°转弯区域内的流动分离程度显著降低，从而导致流动阻力大幅度下降，随之减小了对转弯之后区域的局部冲击效应。并且使转弯之后区域内壁侧的回流涡系的长度缩短，导致低、高速流体掺混作用减弱，从而降低了SC02流体在U型通道中的整体压力损失。
实施例二：如图3所示，导流叶片3为两片，其为对称式结构。两片所述导流叶片3之间具有间距，两片导流叶片3关于U型弯管2的中心线对称设置，且两片导流叶片3的弧心均位于所述U型弯管2的中心线上。所述导流叶片3靠近U型管中心线的端部的圆弧4端面与所述U型管的中心线之间的夹角为30°-35°，导流叶片3的弧形半径为2.75mm-3mm。两段式对称导流叶片使SC02流体在180°转弯区域内的流动更为复杂。靠近内壁处的高速流体在离心力的作用下从两片叶片之间的间隙喷出，并与外壁侧低速流体混合后对下游流体进行挤压，产生了节流效应，导致流体流过第二片导流叶片之后速度显著增加。
实施例三：如图4所示，导流叶片3包括第一导流叶片30和第二导流叶片31，其为非对称结构。第一导流叶片30与第二导流叶片31呈交错间隔设置；通过所述U型弯管2中心线将U型弯管2分隔为U型弯管上半区20及U型弯管下半区21，第一导流叶片30位于U型弯管上半区20内，第二导流叶片31位于U型弯管下半区21内；第一导流叶片30靠近U型弯管2中心线的端部与U型弯管2弧心之间的距离大于第二导流叶片31靠近U型弯管2中心线的端部与U型弯管2弧心之间的距离。两段式非对称导流叶片使内壁侧流体流出180°转弯区域之后速度激增，对外壁侧区域造成很强的冲击效应，增大了SC02流体在180°转弯区域之后的流动分离强度。
第一导流叶片30两端之间的连线与U型弯管2中心线之间的夹角为α，第二导流叶片31两端之间的连线与所述U型弯管2中线先之间的夹角为β，且α＝β＝45°。
第一导流叶片30靠近U型弯管2的端部处圆弧4的弧心与第二导流叶片31靠近U型弯管2的端部处圆弧4的弧心均位于U型弯管2的中心线上。
第一导流叶片30远离所述U型弯管2的端部与U型弯管2的弧心O之间的距离为2.75mm-3mm，第二导流叶片31靠近U型弯管2的端部与U型弯管2的弧心O之间的距离为2mm-3mm。
实施例四：如图5所示，导流叶片3为五片，其为离散结构。各所述导流叶片3沿U型弯管2顺时针方向且呈首尾相间方式依次设置，相邻导流叶片3之间的间距一致，且上一导流叶片3的尾端的圆弧4弧心与下一导流叶片3的首端的圆弧4弧心位于同一直线上。各所述导流叶片3两端之间的连线与水平线之间的夹角大小一致，且该夹角大小为18°-20°，各导流叶片3的首端与U型弯管2的弧心O之间的距离均为2.75mm-3mm。离散导流叶片之间产生了多重小尺度流动分离和节流冲击效应，增大了低、高速流体之间的湍流剪切力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，包括两片呈对称设置且内部具有导流空腔的导流直管(1)以及连接在两片所述导流直管(1)之间的U型弯管(2)；
所述U型弯管(2)处至少嵌装有一片呈弧形结构且与所述U型弯管(2)形成一体式结构的导流叶片(3)，所述导流叶片(3)的两端具有圆弧(4)，且所述导流叶片(3)的弧形方向朝向所述U型弯管(2)的弯曲方向。
2.根据权利要求1所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)为一片，所述导流叶片(3)的弧心位于所述U型弯管(2)的中心线上，且所述导流叶片(3)两端圆弧连线的中点与所述U型弯管(2)的弧心O重合。
3.根据权利要求2所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)与所述U型弯管(2)的弧心O之间的距离为2mm-3mm，所述导流叶片(3)的厚度为0.5mm-1mm，所述导流叶片(3)两端的圆弧(4)的半径为0.25mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)为两片，两片所述导流叶片(3)之间具有间距，两片所述导流叶片(3)关于所述U型弯管(2)的中心线对称设置，且两片所述导流叶片(3)的弧心均位于所述U型弯管(2)的中心线上。
5.根据权利要求4所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)靠近U型管中心线的端部的圆弧(4)端面与所述U型管的中心线之间的夹角为30°-35°，所述导流叶片(3)的弧形半径为2.75mm-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)包括第一导流叶片(30)和第二导流叶片(31)，所述第一导流叶片(30)与所述第二导流叶片(31)呈交错间隔设置；
通过所述U型弯管(2)中心线将所述U型弯管(2)分隔为U型弯管上半区(20)及U型弯管下半区(21)，所述第一导流叶片(30)位于所述U型弯管上半区(20)内，所述第二导流叶片(31)位于所述U型弯管下半区(21)内；
所述第一导流叶片(30)靠近U型弯管(2)中心线的端部与U型弯管(2)弧心之间的距离大于所述第二导流叶片(31)靠近U型弯管(2)中心线的端部与U型弯管(2)弧心之间的距离。
7.根据权利要求6所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述第一导流叶片(30)两端之间的连线与所述U型弯管(2)中心线之间的夹角为α，所述第二导流叶片(31)两端之间的连线与所述U型弯管(2)中线先之间的夹角为β，且α＝β＝45°。
8.根据权利要求6所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述第一导流叶片(30)靠近U型弯管(2)的端部处圆弧(4)的弧心与第二导流叶片(31)靠近U型弯管(2)的端部处圆弧(4)的弧心均位于所述U型弯管(2)的中心线上。
9.根据权利要求6所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述第一导流叶片(30)远离所述U型弯管(2)的端部与U型弯管(2)的弧心O之间的距离为2.75mm-3mm，所述第二导流叶片(31)靠近U型弯管(2)的端部与U型弯管(2)的弧心O之间的距离为2mm-3mm。
10.根据权利要求1所述的一种超临界C02管路式换热器的导流结构，其特征在于，所述导流叶片(3)为五片，各所述导流叶片(3)沿所述U型弯管(2)顺时针方向且呈首尾相间方式依次设置，相邻所述导流叶片(3)之间的间距一致，且上一导流叶片(3)的尾端的圆弧(4)弧心与下一导流叶片(3)的首端的圆弧(4)弧心位于同一直线上；
各所述导流叶片(3)两端之间的连线与水平线之间的夹角大小一致，且该夹角大小为18°-20°，各所述导流叶片(3)的首端与所述U型弯管(2)的弧心O之间的距离均为2.75mm-3mm。
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