CN112268377A - 一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机 - Google Patents

一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机，属于低温制冷技术领域。包括筒体和分别设置在所述筒体上下两端的上法兰和下法兰，其特征在于，所述筒体内设有若干换热细管，所述换热细管之间连通构成第一介质通道，所述换热细管的管壁与所述筒体内壁之间构成第二介质通道。通过换热细管增大换热面积，增强换热效率，同时提供气体横向流动通道，在气体工质侧引入径向流动，使气体工质在换热器内原先热传导的单一换热形式转变为热传导与气体自混合的耦合，使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，最终优化回热器温度非均匀问题，减少回热器损失，最终实现整机制冷性能的提升。

Description

一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，具体地说，涉及一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机作为一种低温制冷机，由于其冷端无运动部件，结构简单，机械振动小，低温下可靠性高，工作寿命长等特点，成为低温制冷机领域的研究热点，应用愈发广泛。
目前，大功率脉管制冷机所面临着的主要的问题是：压缩机与冷头的阻抗匹配、交变流动下换热能力不足、回热器温度分布不均匀等，限制着大功率脉管制冷机的发展。
对于液氮温区百瓦级冷量的斯特林型脉管制冷机来说，其回热器的周向温度分布不均匀，有时可以高达几十K甚至100K以上，同时这种现象的出现伴随着系统性能的恶化，温差越大制冷性能越差。这种现象很大的可能是由于级冷器与回热器之间的气体流动不均匀诱发回热器内部的温度分布的不均匀性。而目前主要的方法停留在回热器内填充良好导热性的材料来降低周向温度差，效果有限。
目前的一些研究表明回热器热端入口的工质温度分布非均匀性是回热器非均匀性的可能诱因，因此减小回热器热端入口气体径向温差是改善回热器温度非均匀性的重要方式。在大功率脉管制冷机中，采用管壳式换热器替代狭缝式换热器，增大了换热能力，降低径向温差分布，但未达到理想效果。目前广泛应用于脉管制冷机的管壳式换热器仍然存在换热能力不足的问题，回热器热端温度要远远高于常温；同时由于级冷器内进出水口温度分布不均匀，引起回热器热端入口温度不均匀，是回热器中部温度分布不均匀性的可能诱因。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机，能使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，优化回热器温度非均匀问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的交叉管式换热器包括筒体和分别设置在所述筒体上下两端的上法兰和下法兰，其特征在于，所述筒体内设有若干换热细管，所述换热细管之间连通构成第一介质通道，所述换热细管的管壁与所述筒体内壁之间构成第二介质通道。
上述技术方案中，通过换热细管增大换热面积，增强换热效率，同时提供气体横向流动通道，在气体工质侧引入径向流动，使气体工质在换热器内原先热传导的单一换热形式转变为热传导与气体自混合的耦合，使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，最终优化回热器温度非均匀问题，减少回热器损失，最终实现整机制冷性能的提升。
可选地，在一个实施例中，所述的筒体的上下两端分别设有用于安装所述换热细管的安装板，所述安装板上设有与所述换热细管的端部密封配合的安装孔。
可选地，在一个实施例中，所述的安装板密封安装在所述的上法兰和下法兰上。
可选地，在一个实施例中，所述的换热细管之间通过横向管道连通。将换热细管分为正向通道和横向通道；正向通道穿过上下法兰的安装孔，构成气体工质的正向流道；横向通道竖直等距分布，连接相邻两根正向换热细管。正向通道和横向通道共同构成换热器的第一介质通道。
相比于传统级后冷却器采用的管壳式换热器，本发明设计的改进型的交叉管式换热器能够在气体工质侧增加横向流动通道，使交变流动的气体在进出级冷器时引入径向的流动，让气体自行进行一个有效的混合，使回热器热端温度更趋于一致，有利于使回热器同截面温度分布更加均匀。
管壳式换热器的换热面积A计算公式如下：
A＝πNldi
其中，N为管数，l为每根管长，di为细管内径。
引入横向通道可以带来换热面积的增大，增大后换热面积为：
体积流阻RV、声感L和声容C可以如下表示：
A′＝πNldi+n(N-Nx)πxdi
式中，n为横向通道排数，Nx为管子排数，x为单根横向通道长度。
由上式，相对于相同规格的传统管式换热器，本发明设计的交叉管式引入的额外换热面积，相对增大了换热量，在保证相同换热效率下，可以选择适当减小换热器长度，有利于缩短整机长度，使整机结构更加紧凑。
可选地，在一个实施例中，所述的上法兰和所述的下法兰的其中一个的侧面设有出口管道，作为所述第二介质通道的出口，另一个的侧面设有进口管道，作为所述第二介质通道的入口。
可选地，在一个实施例中，所述的出口管道和所述的进口管道对位安装。换热介质从进口管道进入第一介质通道，从出口管道中流出。制冷工质从上一级部件中流出后依次流经缓冲腔、交叉管式换热器内的第一介质通道后流入下一级部件。有效地缓解了在大功率脉管制冷机中换热器存在的换热能力不足、回热器热端入口温度分布不均匀的问题。
可选地，在一个实施例中，所述的上法兰和所述的下法兰上设有用于连接上一级或下一级的密封圈槽。
第二方面，本发明提供的脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、传输管、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、调相机构，所述的级后冷却器采用以上所述的交叉管式换热器，其上下端通过法兰分别与脉管制冷机中的回热器和传输管连接，螺栓固定，连接面之间由密封圈密封。该脉管制冷机换热功率大，回热器温度均匀性好。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明结构简单可靠，对脉管制冷机的其他部件没有特殊结构要求。采用了交叉管式换热器，与现有的应用的狭缝式、普通管壳式换热器相比，稍为提升了换热器的换热面积；同时引入了横向的通道，加强气体工质的径向流动，增强了气体径向的自行混合，可以缓解回热器热端温度分布不均匀的问题，又不过多增加轴向的长度，尽可能的使回热器热端温度更均匀，能有效改善回热器的温度分布不均匀性，减少回热器损失，提高整机制冷性能。
附图说明
图1为本发明实施例的交叉管式换热器的结构示意图；
图2为本发明实施例的上下法兰的结构示意图，其中(a)为上法兰的结构示意图，(b)为下法兰的结构示意图；
图3为本发明实施例的换热细管的结构示意图；
图4为本发明实施例的交叉管式换热器的部分剖面示意图；
图5为本发明实施例中脉管制冷机的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
参见图1至图4，本实施例的交叉管式换热器包括筒体100和密封安装在筒体100两端的上法兰200和下法兰300。
上法兰200上设有用于连接下一级部件(回热器)及真空罩的周向布置的螺纹孔201和螺纹孔202。靠近螺纹孔周向分别设有对下一级部件进行密封的密封圈槽203和密封圈槽204。上法兰200中间设有上安装板205，规则开有若干换热细管的安装孔。上法兰200侧面通有连接中间通孔的出口通道206，其内密封安装有出口管道207。
下法兰300上设有用于连接上一级部件(传输管)的周向布置的螺纹孔301及密封面302。下法兰300中间设置有下安装板303，下安装板303上的安装孔与上安装板205上的安装孔对齐，在下法兰300侧面通有连接中间通孔的进口通道304，其内密封安装有进口管道305。
换热细管400两端分别安装在上安装板205的安装孔和下安装板303的安装孔内。同时在正向通道401之间等距开有横向通道402，以连接相邻的换热细管400，相对于常规管壳式内部换热通道，稍增大了换热面积，同时引入了横向流动，增强了换热器出口工质温度分布的均匀性。
筒体100通过焊接的方式与上法兰200和下法兰300密封连接。出口管道207和进口管道305通过焊接的方式分别密封安装在出口通道206和进口通道304内。换热细管400通过焊接的方式安装在上安装板205和下安装板303之间。
参见图5，为包含本实施例中交叉管式换热器的脉管制冷机的整机示意图，设有依次连接的有：压缩机101、传输管102、级后冷却器103、回热器104、冷端换热器105、脉管106、热端换热器107、调相机构(以惯性管气库式调相为例)108。其中，级后冷却器103为本实施例的交叉管式换热器。脉管制冷机运行时，制冷工质气体在压缩机的驱动下，在系统中作高频的交变式流动。

Claims (8)

1.一种交叉管式换热器，包括筒体和分别设置在所述筒体上下两端的上法兰和下法兰，其特征在于，所述筒体内设有若干换热细管，所述换热细管之间连通构成第一介质通道，所述换热细管的管壁与所述筒体内壁之间构成第二介质通道。
2.根据权利要求1所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的筒体的上下两端分别设有用于安装所述换热细管的安装板，所述安装板上设有与所述换热细管的端部密封配合的安装孔。
3.根据权利要求2所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的安装板密封安装在所述的上法兰和下法兰上。
4.根据权利要求1所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的换热细管之间通过横向管道连通。
5.根据权利要求1所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的上法兰和所述的下法兰的其中一个的侧面设有出口管道，作为所述第二介质通道的出口，另一个的侧面设有进口管道，作为所述第二介质通道的入口。
6.根据权利要求5所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的出口管道和所述的进口管道对位安装。
7.根据权利要求1所述的交叉管式换热器，其特征在于，所述的上法兰和所述的下法兰上设有用于连接上一级或下一级的密封圈槽。
8.一种脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、传输管、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、调相机构，其特征在于：
所述的级后冷却器采用权利要求1～7中任一权利要求所述的交叉管式换热器，其上下端通过法兰分别与脉管制冷机中的回热器和传输管连接，螺栓固定，连接面之间由密封圈密封。
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