CN112665438A - 一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，属于流体换热技术领域。该换热器包括多级布置的单元换热器、轴线气流入口、内部固定环、外部固定环和轴线气流出口。本发明所述换热器是一种利用液态金属作为传热工质、利用微通道进行传热的复合式换热器；可以在有限空间内提升换热器的换热面积，相比于传统单级管壳式换热器，其单位换热空间内有效换热面积提升了约50％。
Description
技术领域
本发明属于流体换热技术领域，具体涉及一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器。
背景技术
现有的换热器种类繁多，各具特点，按传热原理可分为：间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器以及复式换热器等；按照结构可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器以及板式换热器等。管壳式换热器结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高压力和温度，但是换热效率、结构紧凑性不如其他新型换热器。蛇管式换热器结构简单、造价低廉、操作敏感性较小，但是管外流体流速很小，因而传热系数小、传热效率低、需要的传热面积大。套管式换热器结构简单、传热系数高，但是金属消耗大、检修清洗麻烦。管板式换热器传热面积大、传热效率高、易于制造，但是流动阻力大、流道易堵塞、耐压性能比管式换热器差。现有常见换热器的工作温度差异较大，浮头式换热器最高耐温约400℃，耐压约6.4MPa；板式换热器工作温度在-30℃～180℃，压力最高约1.6MPa；板翅式换热器选用适当的材料，可用于1000K温度的热交换。
现有技术中换热器的缺点在于：
1)换热器设计没有针对高温、高压轴流使用环境设计，对目标使用环境进行针对性设计。现有的换热器通常针对不同的适用场合进行设计，难以兼顾工作温度、换热介质、结构紧凑性、流动压降等多种参数的需求。此外，在高温情况下，由于使用空间和材料物性的限制，常见换热器换热面积难以满足换热需求，需要进行特殊性结构设计以增大结构紧凑性。
2)轴流气流条件对换热器换热效率和轴向流动损失均具有较大要求，现有换热器流动损失较大。一方面要求换热过程追求最好的换热效率与换热速度，另一方面要求换热器换热过程对流动的干扰降低到最小阶段，以降低轴向流动的损失。现有换热器换热表面设计造成的气流损失较大，影响气流换热效率。
针对上述问题，本发明设计了一种换热器，在于解决传统换热器结构设计不足的问题。提供高压、高温轴向气流环境下的高效、低气流损耗换热环境，提升换热器换热效率，降低加热气流换热过程中的流动损失。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种高换热效率、结构紧凑、适用于管型或环型通道内的换热器。该换热器是一种利用液态金属作为传热工质、利用微通道进行传热的复合式换热器。
本发明的技术方案为：
一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，包括单元换热器1-1、轴线气流入口1-2、内部固定环1-3、外部固定环1-4和轴线气流出口1-5。
所述单元换热器1-1包括加热工质入口管路2-1、加热工质一级分流管2-2、加热工质二级分流管2-3、波纹换热薄翅2-4、加热工质二级汇流管2-5、加热工质一级汇流管2-6、加热工质出口管路2-7、加热入口2-8和加热出口2-9。
其中，波纹换热薄翅2-4为两端开口的扁管状结构，两开口端均为均匀波纹状，相邻两波纹之间的分布间隔不大于20mm。两开口端间的腔室形成波浪纹矩形流道，波浪纹矩形流道的上下表面间隔不大于10mm。60个波纹换热薄翅2-4的开口端沿轴线周向均匀分布，分布角度间隔为6°，形成一个圆筒状结构。
所述的加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6分别位于圆筒状结构的两端；加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6均为封闭的圆环形管，二者面向圆筒结构的面上沿周向等间距均匀设有数量相等的通孔。所述加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5均为长度与波纹换热薄翅2-4开口端长度一致的管状结构，二者在长度方向上均设有开口，加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5通过开口分别与波纹换热薄翅2-4位于圆筒结构外侧的开口端和位于圆筒结构内侧的开口端连接。加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5的一端分别与加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6上的通孔连接。
所述加热工质入口管路2-1连接在加热工质一级分流管2-2上，加热工质出口管路2-7连接在加热工质一级汇流管2-6上。相邻波纹换热薄翅2-4间的通道形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为加热入口2-8和加热出口2-9，其中加热入口2-8位于加热工质出口管路2-7端，加热出口2-9位于加热工质入口管路2-1端。
所述的内部固定环1-3嵌入单元换热器1-1中心，外部固定环1-4套装在单元换热器1-1的外周。内部固定环1-3、外部固定环1-4及波纹换热薄翅2-4的中轴线一致。
所述的单元换热器1-1沿轴线方向多级布置；相邻两级单元换热器的波纹换热薄翅2-4绕中心轴线旋转布置的方向不同，即前一级单元换热器中的波纹换热薄翅2-4按照逆时针方向排列，后一级单元换热器中的波纹换热薄翅2-4按顺时针方向排列，按此规律依次类推。多级单元换热器的波纹换热薄翅2-4沿轴线方向串联在一起，形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为轴线气流入口1-2和轴线气流出口1-5。
进一步地，所述加热工质入口管路2-1、加热工质一级分流管2-2、加热工质二级分流管2-3、波纹换热薄翅2-4、加热工质二级汇流管2-5、加热工质一级汇流管2-6和加热工质出口管路2-7的制造材料具有耐高温能力和良好的热传导率，包括钽钨合金、镍钨合金、钛钨合金、镍钽合金、铌钨合金或铌钽合金等合金材料以及碳化硅等复合材料。
进一步地，所述高温热源工质为具有高温条件下换热能力和高热导率的液态材料，包括液态锂、液态钠、液态钾、液态铷、液态铯等液态金属材料或液态高温合金材料以及液态非金属材料。
目标加热气体在单元换热器内的工作过程为：
高温热源工质从加热工质入口管路2-1流入，依次经加热工质一级分流管2-2、加热工质二级分流管2-3进行流量分配，流体自加热工质二级分流管2-3流入波纹换热薄翅2-4的流道中，随后由加热工质二级汇流管2-5进行收集，再进入加热工质一级汇流管2-6，最终由加热工质出口管路2-7流出，实现了高温热源工质的降温过程。目标加热气体从加热入口2-8流入，在加热流道内进行换热，加热后的流体从加热出口2-9流出，实现了目标加热气体在换热器中的升温过程。
换热器的工作过程为：
目标加热气体通过轴线气流入口1-2进入组合式多级高效换热器内部，在不同级单元换热器1-1中与高温热源工质发生热量交换，目标加热气体受热升温后，从轴线气流出口1-5流出。
多级单元换热器间波纹换热薄翅2-4排列方向相反的原因为：通过单元换热器后的气流会因为波纹换热薄翅2-4形成的螺旋线型管道而产生额外的切向流动，对整体流动而言，会形成绕轴线的旋流，加剧了流动的损耗。本发明通过设置不同级的波纹换热薄翅2-4排列方向，有效抑制了上述旋流的产生，降低流动的损耗。
本发明的有益效果：本发明提出了一种新的轴向高速高压气流的换热方式，并提供了一种组合式多级高效换热器。所述换热器可以在有限空间内提升换热器的换热面积，相比于传统单级管壳式换热器，其单位换热空间内有效换热面积提升了约50％。
附图说明
图1是本发明所述换热器的整体结构示意图。
图2是单元换热器的结构示意图。
图3是不同级波纹换热薄翅排列方式示意图。
图4是波纹换热薄翅的结构示意图。
图中：1-1单元换热器；1-2轴线气流入口；1-3内部固定环；1-4外部固定环；1-5轴线气流出口；2-1加热工质入口管路；2-2加热工质一级分流管；2-3加热工质二级分流管；2-4波纹换热薄翅；2-5加热工质二级汇流管；2-6加热工质一级汇流管；2-7加热工质出口管路；2-8加热入口；2-9加热出口；3-1奇数级波纹换热薄翅；3-2偶数级波纹换热薄翅。
具体实施方式
下面结合实施例以及附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，包括单元换热器1-1、轴线气流入口1-2、内部固定环1-3、外部固定环1-4和轴线气流出口1-5。
如图2所示，单元换热器1-1包括加热工质入口管路2-1、加热工质一级分流管2-2、加热工质二级分流管2-3、波纹换热薄翅2-4、加热工质二级汇流管2-5、加热工质一级汇流管2-6、加热工质出口管路2-7、加热入口2-8和加热出口2-9。
如图4所示，波纹换热薄翅2-4为两端开口的扁管状结构，两开口端均为均匀波纹状，相邻两波纹之间的分布间隔为20mm。两开口端间的腔室形成波浪纹矩形流道，波浪纹矩形流道上下表面之间的间隔为10mm。60个波纹换热薄翅2-4的开口端沿轴线周向分布，分布角度间隔为6°，形成一个圆筒状结构。
所述的加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6分别位于圆筒状结构的两端；加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6均为封闭的圆环形管，二者面向圆筒结构的面上沿周向等间距均匀设有60个通孔。所述加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5均为长度与波纹换热薄翅2-4开口端长度一致的管状结构，二者在长度方向上均设有开口，加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5通过开口分别与波纹换热薄翅2-4位于圆筒结构外侧的开口端和位于圆筒结构内侧的开口端连接。加热工质二级分流管2-3和加热工质二级汇流管2-5的一端分别与加热工质一级分流管2-2和加热工质一级汇流管2-6上的通孔连接。
所述加热工质入口管路2-1连接在加热工质一级分流管2-2上，加热工质出口管路2-7连接在加热工质一级汇流管2-6上。相邻波纹换热薄翅2-4间的通道形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为加热入口2-8和加热出口2-9，其中加热入口2-8位于加热工质出口管路2-7端，加热出口2-9位于加热工质入口管路2-1端。
所述的内部固定环1-3嵌入单元换热器1-1中心，外部固定环1-4套装在单元换热器1-1的外周。内部固定环1-3、外部固定环1-4及波纹换热薄翅2-4的中轴线一致。
所述的单元换热器1-1沿轴线方向多级布置，布置方式如下：沿流动方向分别为第一级单元换热器、第二级单元换热器……以此类推；相邻两级单元换热器的波纹换热薄翅2-4绕中心轴线旋转布置的方向不同，即前一级单元换热器中的波纹换热薄翅2-4按照逆时针方向排列，后一级单元换热器中的波纹换热薄翅2-4按顺时针方向排列，按此规律依次类推。多级单元换热器1-1的波纹换热薄翅2-4沿轴线方向串联在一起，形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为轴线气流入口1-2和轴线气流出口1-5。
高压高速气流通过轴线气流入口1-2进入换热器组合内部，在不同级的单元换热器1-1中与高温热源工质发生热量交换，目标加热气体受热升温后，从轴线气流出口1-5流出。
高压高速气流在单元换热器内的工作过程为：
高温热源工质从加热工质入口管路2-1流入，随后由与加热工质入口管路1相连的加热工质一级分流管2-2进行流量分配，加热工质二级分流管2-3通过焊接的方式连接在加热工质一级分流管2-2的通孔上；流体自加热工质二级分流管2-3流入波纹换热薄翅2-4中的腔室流道，随后由加热工质二级汇流管2-5进行收集，再进入加热工质一级汇流管2-6，最终由加热工质出口管路2-7流出，实现了高温热源工质的降温过程。高压高速气流从加热入口2-8流入，在加热流道内进行换热，加热后的流体从加热出口2-9流出，实现了目标加热气体在换热器中的升温过程。
Claims (4)
1.一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，其特征在于，该换热器包括单元换热器(1-1)、轴线气流入口(1-2)、内部固定环(1-3)、外部固定环(1-4)和轴线气流出口(1-5)；
所述单元换热器(1-1)包括加热工质入口管路(2-1)、加热工质一级分流管(2-2)、加热工质二级分流管(2-3)、波纹换热薄翅(2-4)、加热工质二级汇流管(2-5)、加热工质一级汇流管(2-6)和加热工质出口管路(2-7)；
其中，波纹换热薄翅(2-4)为两端开口的扁管状结构，两开口端均为均匀波纹状，相邻两波纹之间的分布间隔不大于20mm；两开口端间的腔室形成波浪纹矩形流道，波浪纹矩形流道的上下表面间的间隔不大于10mm；60个波纹换热薄翅(2-4)的开口端沿轴线周向均匀分布，分布角度间隔为6°，形成一个圆筒状结构；
所述的加热工质一级分流管(2-2)和加热工质一级汇流管(2-6)分别位于圆筒状结构的两端；加热工质一级分流管(2-2)和加热工质一级汇流管(2-6)均为封闭的圆环形管，二者面向圆筒结构的面上沿周向等间距均匀设有数量相等的通孔；所述加热工质二级分流管(2-3)和加热工质二级汇流管(2-5)均为长度与波纹换热薄翅(2-4)开口端长度一致的管状结构，二者在长度方向上均设有开口，加热工质二级分流管(2-3)和加热工质二级汇流管(2-5)通过开口分别与波纹换热薄翅(2-4)位于圆筒结构外侧的开口端和位于圆筒结构内侧的开口端连接；加热工质二级分流管(2-3)和加热工质二级汇流管(2-5)的一端分别与加热工质一级分流管(2-2)和加热工质一级汇流管(2-6)上的通孔连接；
所述加热工质入口管路(2-1)连接在加热工质一级分流管(2-2)上，加热工质出口管路(2-7)连接在加热工质一级汇流管(2-6)上；相邻波纹换热薄翅(2-4)间的通道形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为加热入口(2-8)和加热出口(2-9)，其中加热入口(2-8)位于加热工质出口管路(2-7)端，加热出口(2-9)位于加热工质入口管路(2-1)端；
所述的内部固定环(1-3)嵌入单元换热器(1-1)中心，外部固定环(1-4)套装在单元换热器(1-1)的外周；内部固定环(1-3)、外部固定环(1-4)及波纹换热薄翅(2-4)的中轴线一致；
所述的单元换热器(1-1)沿轴线方向多级布置，相邻两级单元换热器的波纹换热薄翅(2-4)绕中心轴线旋转布置的方向相反；多级单元换热器的波纹换热薄翅(2-4)沿轴线方向串联在一起，形成目标加热气体的加热流道，加热流道两端分别为轴线气流入口(1-2)和轴线气流出口(1-5)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，其特征在于，所述加热工质入口管路(2-1)、加热工质一级分流管(2-2)、加热工质二级分流管(2-3)、波纹换热薄翅(2-4)、加热工质二级汇流管(2-5)、加热工质一级汇流管(2-6)和加热工质出口管路(2-7)的制造材料包括钽钨合金、镍钨合金、钛钨合金、镍钽合金、铌钨合金、铌钽合金或碳化硅。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，其特征在于，所述高温热源工质包括液体金属材料、液态合金材料或液态非金属材料。
4.根据权利要求3所述的一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器，其特征在于，所述的液体金属材料包括液态锂、液态钠、液态钾、液态铷或液态铯。
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| CN202011427334.9A CN112665438A (zh) | 2020-12-07 | 2020-12-07 | 一种适用于同轴气流的组合式多级高效换热器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114739202A (zh) * | 2021-09-07 | 2022-07-12 | 海杰亚（北京）医疗器械有限公司 | 用于高低温复合治疗系统的回热器 |
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2020
- 2020-12-07 CN CN202011427334.9A patent/CN112665438A/zh active Pending
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| CN114739202A (zh) * | 2021-09-07 | 2022-07-12 | 海杰亚（北京）医疗器械有限公司 | 用于高低温复合治疗系统的回热器 |
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