CN113503755A

CN113503755A - 增强传质换热的方法以及使用其的换热构件

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Publication number: CN113503755A
Application number: CN202111054798.4A
Authority: CN
Inventors: 张孔明; 张立; 谢星; 陈伟文; 梁旻民
Original assignee: Beijing Fudian Engineering Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Fudian Engineering Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2041-09-09
Also published as: CN113503755B

Abstract

本公开涉及一种增强传质换热的方法以及使用该方法的换热构件。该方法包括：将第一换热工质注入第一固定柱状外壳内壁和同轴套装在所述第一固定柱状外壳内的用于传热的第三柱状壳体的外壁之间第一换热工质容纳腔，从而第一换热工质在换热工质容纳腔中形成位于中间的第一主流区和贴附所述第三柱状壳体的外壁的第一层流区；以及驱动所述第三柱状壳体旋转，使得贴附在所述第三柱状壳体的外壁上的第一换热工质的第一贴壁微团由于所述第三柱状壳体的旋转而产生离心运动而被从所述第三柱状壳体的外壁附近的第一层流区抛射到第一主流区，由此使得第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，从而削弱第一层流区对热量传导到所述第三柱状壳体的外壁的阻隔。

Description

增强传质换热的方法以及使用其的换热构件

技术领域

本发明涉及换热领域，具体而言，涉及增强传质换热的方法以及使用该方法换热构件。

背景技术

传热学理论指出，在换热过程中，涉及的传热方式有导热和热对流。作为传热工质的流体在固体壁面附近流动时，由于流体的粘性作用，通常会在传热工质所处的容纳腔中形成两个部分，位于容纳腔中心的主流区以及靠近容纳腔的固体壁面附件的层流区。层流区从主流区边缘到固体壁面处，流体的流速呈梯度变化，直到贴壁处流体速度与固体壁面速度一致。在贴壁附近流体与固体壁面之间层流边界层中，流体流动方向主要与固体壁面平行，非平行于壁面的流动不占据主导地位，流体与壁面的传热方式主要是热传导。在层流边界层之外的主流区，传热方式则主要是热对流，即传质传热。由于流体（特别是气体）的导热系数小，导热性能差，主流区与层流区之间以导热为主，因此，层流区传热工质与主流区的传热工质之间存在较大的温差，而层流区的流体由于长时间与固体壁面接触，导致层流区的传热工质的温度几乎与固体壁面的温度大致相同，温差小，导致热传导效率极低。因此，由层流边界层导致的导热热阻很大。所以，传热工质与固体壁面之间流动产生的层流边界层是制约流体与固体壁面之间换热能力的核心因素。

为此，人们期望获得一种能够使得层流区和主流区的传热工质能够形成充分传质传热的机制，从而消除层流区对传热工质与壁面之间的传热阻隔。

发明内容

本公开的目的在于满足人们的上述需求，本公开提供了一种打破边界层流状态的方法和实现这种方法的传热构件。根据本公开的一个方面提供了一种一种换热构件，包括：第一固定柱状外壳体，其第一端部连接有用于注入第一换热工质的第一换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第一换热工质的第一换热工质出口管；第二固定柱状壳体，其第一端部连接有用于注入第二换热工质的第二换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第二换热工质的第二换热工质出口管，第二换热工质与第一换热工质互为逆流；以及第三柱状壳体，由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，所述第三柱状壳体整体同轴套装在第二固定柱状壳体之外和第一固定柱状外壳体之内，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔，其中每个行星圆柱形筒体在布置在所述换热构件之外的动力源的驱动下围绕第三柱状壳体的纵轴线公转的同时进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射。

根据本公开的换热构件，其中每个行星圆柱形筒体在同时进行公转和自转时，通过将行星圆柱形筒体第一外表面贴附的第一换热工质的第一贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第一外表面或将行星圆柱形筒体第二外表面贴附的第二换热工质的第二贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第二外表面，由此在第一换热工质容纳腔的第一主流区和行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区或在第二换热工质容纳腔的第二主流区和行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区之间形成静压差，使得第一换热工质的第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区或使得第二换热工质的第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区。

根据本公开的换热构件，其中所述每个行星圆柱形筒体的内壁贴附有隔热层。

根据本公开的换热构件，其中所述每个行星圆柱形筒体外表面不圆度小于0.01%，表面粗糙度小于1微米。

根据本公开的换热构件，其中所述第一换热工质的温度低于第二换热工质的温度。

根据本公开的换热构件，所述动力源为电机，所述电机的转动速度被调节，以便调节第三柱状壳体的换热能力。

根据本公开的换热构件，其还包括：径向调节装置，包括固定安装在在行星圆柱形筒体轴端部的行星盘的固定楔块上的垂直固定导轨以及深沟球轴承以及在固定导轨两端可水平方向调整安装在行星盘上的上下两块水平调整楔块，行星圆柱形筒体轴套装在深沟球轴承中，由此通过方向水平彼此反向调整上下两块水平调整楔块，使得行星圆柱形筒体轴沿着垂直固定导轨上下移动，从而调整行星圆柱形筒体的位置，以便行星圆柱形筒体彼此之间抵靠压力。

根据本公开的另一个方面，提供了一种增强传质换热的方法，包括：将第一换热工质注入第一固定柱状外壳内壁和同轴套装在所述第一固定柱状外壳内的用于传热的第三柱状壳体的外壁之间第一换热工质容纳腔，从而第一换热工质在第一换热工质容纳腔中形成位于中间的第一主流区和贴附所述第三柱状壳体的外壁的第一层流区；以及驱动所述第三柱状壳体旋转，使得贴附在所述第三柱状壳体的外壁上的第一换热工质的第一贴壁微团由于所述第三柱状壳体的旋转而产生离心运动而被从所述第三柱状壳体的外壁附近的第一层流区抛射到第一主流区，由此使得第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，从而削弱第一层流区对热量传导到所述第三柱状壳体的外壁的阻隔。

根据本公开的增强传质换热的方法，还包括：所述第三柱状壳体由偶数个其纵轴线布置在行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，所述第三柱状壳体整体被驱动旋转的同时，各个行星圆柱形筒体被驱动自转，从而加剧第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，增强第一换热工质与所述第三柱状壳体的外壁之间的热传递。

根据本公开的增强传质换热的方法，还包括：将与第一换热工质互为逆流的第二换热工质注入在所述第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁与同轴套装在所述第三柱状壳体之内的第二固定柱状外壳外壁之间形成第二换热工质容纳腔，从而第二换热工质在第二换热工质容纳腔中形成位于中间的第二主流区和贴近所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁的第二层流区；以及在所述第三柱状壳体被驱动旋转时，使得贴附在所述第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁上的第二换热工质的第二贴壁微团由于所述第三柱状壳体的旋转以及各个行星圆柱形筒体的自转而产生离心运动而被从所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁附近的第二层流区抛射到第二主流区，由此使得第二层流区的第二贴壁微团受迫翻滚，从而削弱第二层流区对热传导到所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁的阻隔。

根据本公开的增强传质换热的方法，还包括：调节所述第三柱状壳体的转速，以便调节所述第三柱状壳体的换热能力。

根据本公开的又一个方面，提供了一种增强传质换热的方法，用于将第一固定柱状外壳体、第三柱状壳体以及第二固定柱状壳体按照顺序依次由外而内的顺序同轴套装起来的传热构件中，所述方法包括：通过连接在第一固定柱状外壳体的第一端部有第一换热工质入口管注入第一换热工质，以及通过连接在第一固定柱状外壳体的第二端部连接的第一换热工质出口管排出第一换热工质；通过连接在第二固定柱状外壳体的第一端部有第二换热工质入口管注入第二换热工质，以及通过连接在第二固定柱状外壳体的第二端部连接的第二换热工质出口管排出第二换热工质；驱动由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成的所述第三柱状壳体，使得彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔；以及每个行星圆柱形筒体在布置在所述换热构件之外的动力源的驱动下围绕第三柱状壳体的纵轴线公转的同时进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射，由此使得第一换热工质和第二换热工质中的一个将其热量通过所述行星圆柱形筒体的自转使得第一外表面和第二外表面中的一个变换为另一个外表面时传递给第一换热工质和第二换热工质中的另一个。

根据本公开的增强传质换热的方法，还包括：在将行星圆柱形筒体第一外表面贴附的第一换热工质的第一贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第一外表面或将行星圆柱形筒体第二外表面贴附的第二换热工质的第二贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第二外表面时，由此在第一换热工质容纳腔的第一主流区和行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区之间形成第一静压差或在第二换热工质容纳腔的第二主流区和行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区之间形成第二静压差；以及通过所形成的第一静压差使得第一换热工质的第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区使得第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，以增强第一层流区与第一主流区之间的传质传热，或通过所形成的第二静压差使得第二换热工质的第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区，使得第二层流区的第二贴壁微团受迫翻滚，以增强第二层流区与第二主流区之间的传质传热。

根据本公开的增强传质换热的方法，还包括：增加第三柱状壳体的转速，提高第一贴壁微团和第二贴壁微团被抛射的速度，以增加第一贴壁微团穿透第一主流区的深度以及第二贴壁微团穿透第二主流区的深度，以及提高第一静压差和第二静压差，以增强第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区的深度和增强第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区的深度。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种换热构件，包括：第一固定柱状外壳体，其第一端部连接有用于注入第一换热工质的第一换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第一换热工质的第一换热工质出口管；第二固定柱状壳体，其第一端部连接有用于注入第二换热工质的第二换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第二换热工质的第二换热工质出口管，第二换热工质与第一换热工质互为逆流；以及第三柱状壳体，由多个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，所述第三柱状壳体整体同轴套装在第二固定柱状壳体之外和第一固定柱状外壳体之内，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔，其中每个行星圆柱形筒体在布置在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射，以及与第一固定柱状外壳体以及第三柱状壳体同轴套装在第一换热工质容纳腔内的第一搅拌筒在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第一搅拌筒的内侧伸向第三柱状壳体外壁的第一搅拌叶片将第一主流区中的第一换热工质微团带向行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区。

根据本公开所述的换热构件，其还包括：与第二固定柱状外壳体同轴套装在第二换热工质容纳腔内的第二搅拌筒，其在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第二搅拌筒的外侧伸向第三柱状壳体内壁的第二搅拌叶片将第二主流区中的第二换热工质微团带向行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区。

根据本公开的换热构件，其中所述第一搅拌叶片与第一搅拌筒的纵轴之间成第一预定夹角，第二搅拌叶片与第二搅拌筒的纵轴之间成第二预定夹角。

采用根据本公开的增强传质换热的方法、增强传质换热的方法以及采用这些方法的传热构件，通过使得作为传热单元的第三柱状壳体旋转起来，使得处于层流区内的贴壁微团产生向外的离心抛射运动，并且由于这种离心抛射运动，使得层流区内的流体体积减少而内部压强降低，从而在主流区和层流区之间产生静压差，导致主流区边缘的传热工质微团被压送到层流区，由此改变作为传热单元的第三柱状壳体壁面附近层流边界层的稳定层流状态，使层流边界层内流体产生小尺度地强烈涡旋流动，进而使得层流边界层中流体微团与外部主流区和贴壁处流体微团发生传质传热，从而减弱层流边界层对对流换热能力的影响，大大提高流体与固体壁面之间对流换热能力。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示的是根据本公开的换热构件的原理示意图。

图2所示的是根据本公开的换热构件的纵剖视示意图。

图3所示的是根据本公开的换热构件横剖示意图。

图4所示的是根据本公开的换热构件中的第二固定柱状壳体的示意图。

图5所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体在自转和公转时传热工质贴壁微团的运动状态原理示意图。

图6所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体在自转和公转时传热工质贴壁微团的受力原理示意图。

图7所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体的径向调节装置示意图。

图8所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的驱动系统示意图。

图9所示的是根据本公开的换热构件端面密封结构示意图。

图10所示的是根据本公开的换热构件的第二实施例示意图。

图11所示的是根据本公开的换热构件的第三实施例示意图。

图12所示的是根据本公开的换热构件的第四实施例示意图。

图13所示的是根据本公开的换热构件的第五实施例示意图。

图14所示的是根据本公开的换热构件的第六实施例示意图。

图15所示的是根据本公开的换热构件的第六实施例的第一搅拌筒的示意图。

图16所示的是根据本公开的换热构件的第六实施例的第二搅拌筒的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一换热工质也可以被称为第二换热工质，类似地，第一固定柱状外壳体也可以被称为第二固定柱状外壳体。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

图1所示的是根据本公开的换热构件01的原理示意图。如图1所示，换热构件01包括：第一固定柱状外壳体10、第二固定柱状壳体20以及第三柱状壳体30（参见图2）。所述第一固定柱状外壳体10的第一端部连接有用于注入第一换热工质的第一换热工质入口管11第二端部连接有用于排出第一换热工质的第一换热工质出口管12。所谓“端部”指的是柱状壳体的端面和靠近端面的柱面部分，并不一定如图所示的柱面部分，也包括端面的第一端面13以及第二端面14。当第一换热工质为被加热工质时，第一端面13为冷端面，第二端面14为热端面。第二固定柱状壳体20其第一端部连接有用于注入第二换热工质的第二换热工质入口管22，其第二端部连接有用于排出第二换热工质的第二换热工质出口管21。

图2所示的是根据本公开的换热构件01的纵剖视示意图。如图2所示，第三柱状壳体30整体同轴套装在第二固定柱状壳体20之外和第一固定柱状外壳体10之内。图3所示的是根据本公开的换热构件01的横剖示意图。如图3所示，第三柱状壳体30由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径R节圆上的行星圆柱形筒体31围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体31沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠。如图2和3所示，第一固定柱状外壳体10内壁和第三柱状壳体30的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔15，第二固定柱状壳体20外壁和第三柱状壳体30的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔35。当行星圆柱形筒体31的数量正好使得抵靠点位于半径为R的节圆圆周上时，则第一固定柱状外壳体10内壁和第三柱状壳体30的位于所述节圆R之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔15，第二固定柱状壳体20外壁和第三柱状壳体30的位于所述节圆R之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔35。

为方便叙述，在后面的描述中，将第一换热工质容纳腔15确定为被加热工质容纳腔或低温腔，而将第二换热工质容纳腔35确定为加热工质容纳腔或高温腔。可选择地，也可以将将第一换热工质容纳腔15确定为加热工质容纳腔或高温腔，而将第二换热工质容纳腔35确定为被加热工质容纳腔或低温腔。

第一固定柱状外壳体10内壁为圆柱形，固定静止，并在外壳两端的适当位置处开口，供换热冷流体进出换热构件01。具体而言，第一换热工质入口管11为冷流体入口管，其为金属圆管，采用焊接或法兰连接在第一固定柱状外壳体10适当位置，供第一换热工质进入换热构件01的第一换热工质容纳腔15。第一换热工质出口管12为冷流体出口管，也可以为金属圆管，采用焊接或法兰连接在第一固定柱状外壳体10适当位置，供第一换热工质在被第三柱状壳体30与第一换热工质接触的表面加热之后流出换热构件01的第一换热工质容纳腔15。

类似地，第二固定柱状外壳20的外壁为圆柱形，固定静止，并在两端的适当位置处开口，供换热热流体进出换热构件01。具体而言，第二换热工质入口管22为热流体入口管，其为金属圆管，采用焊接或法兰连接在第二固定柱状外壳体20适当位置，供第二换热工质进入换热构件01的第二换热工质容纳腔35。第二换热工质出口管21为热流体出口管，也可以为金属圆管，采用焊接或法兰连接在第二固定柱状外壳体20适当位置，供第二换热工质在将第三柱状壳体30与第二换热工质接触的表面加热之后流出换热构件01的第二换热工质容纳腔35。

作为冷端面的第一端面13为相对温度较低的端面，分别与第一固定柱状外壳10、第二固定柱状外壳20的冷端面进行动密封。作为热端面的第二端面14为为相对温度较高的一个端面，分别与第一固定柱状外壳10、第二固定柱状外壳20的热端面进行动密封。因此，如图2所示，第一传热工质与第二传热工质的流动方向为互为逆流。

如图2和3所示，构成第三柱状壳体30的行星圆柱形筒体31为圆柱形筒体，其内部设置有轴向延伸的冷却通道，为保持行星圆柱形筒体31的结构强度、提高耐高温能力以及以便将其所吸收到高温传热工质所传输来热量通过其表面热容纳材质传递到低温传热工质，在每个行星圆柱形筒体31的内表面上可覆盖隔热层，并通入冷风降温。

如图2和3所示，第三柱状壳体30由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径R节圆上的行星圆柱形筒体31围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体31沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠。相邻的行星圆柱形筒体31彼此相互抵接、紧密接触，共同围合成一个节圆半径为R的如第三柱状壳体30的节圆组合体。

行星圆柱形筒体31的数量偶数个，例如为8个、10个、12个、16个，优选为12个。这些行星圆柱形筒体31在第一行星半径R的节圆的圆周方向均匀排列，各个行星圆柱形筒体31的轴向各点半径为r，不圆度小于0.01%，行星圆柱形筒体31的外表面经过处理，其粗糙度小于1微米。

以节圆半径为R的行星圆柱形筒体31组合体为第三柱状壳体30，其被布置第一固定柱状外壳体10内壁和第二固定柱状壳体20外壁之间形以及两个端面围成冷、热两个换热工质容纳腔，第一换热工质容纳腔15以及第二换热工质容纳腔35。在静止状态下，r为半径的行星圆柱形筒体31面向第一换热工质容纳腔15的外表面为第一外表面，面向第二换热工质容纳腔35的外表面为第二外表面。随着行星圆柱形筒体31自转，物理上的第一外表面逐渐变换为第二外表面，同样，第二外表面也逐渐变换为第一外表面。由此，行星圆柱形筒体31的第二外表面在第二换热工质容纳腔35中接收第二换热工质释放的热量而升温，随着行星圆柱形筒体31的自转，其被加热的第二外表面部分或全部进入第一换热工质容纳腔15中成为第一外表面的一部分或全部，从而由于成为第一外表面的一部分或全部的温度高于第一换热工质的温度的向第一换热工质释放热量，从而将第一换热工质加热。从而随着行星圆柱形筒体31的自转不断自转，从而不断将第二换热工质释放的热量传递给第一换热工质，实现换热。

各个行星圆柱形筒体31在轴向上相互平行，行星圆柱形筒体31可以分别穿过冷热端面，并在冷热端面以外设置拖动动力装置，由外力（电力）进行驱动。相邻行星圆柱形筒体31的转动壁面为同步运动组合体，即在壁面之间的接触点或抵靠点（线）上，运动方向相同，运动线速度相等，互相之间没有发生滑动摩擦。以节圆半径为R的行星圆柱形筒体31组合体为第三柱状壳体30围绕整个换热构件01的纵轴线转动，使得行星圆柱形筒体31以R为半径进行公转。

图4所示的是根据本公开的换热构件中的第二固定柱状壳体20的示意图。如图4所示，为了使得第二换热工质经由作为热流体入口管的第二换热工质入口管22进入第二换热工质容纳腔35，在第二固定柱状壳体20靠近第二换热工质入口管22的端部圆周表面上开有通孔23，以便第二换热工质经过第二换热工质入口管22进入第二固定柱状壳体20的内腔之后经由通孔23进入第二换热工质容纳腔35。同样，在第二固定柱状壳体20靠近第二换热工质出口管22的端部圆周表面上开有通孔24，以便第二换热工质在第二换热工质容纳腔35加热第三柱状壳体30之后经过通孔24从第二换热工质容纳腔35排出到第二换热工质处口管22，并最终排出到换热构件01之外。

图5所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体在自转和公转时传热工质贴壁微团的运动状态原理示意图。如图5所示，每个行星圆柱形筒体31在布置在所述换热构件01之外的动力源的驱动下围绕第三柱状壳体30的纵轴线公转的同时进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体31第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体31第一外表面附近的第一层流区抛射到第一换热工质容纳腔15的第一主流区以及使得附着在每个行星圆柱形筒体31第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体31第二外表面附近的层流区抛射到第二换热工质容纳腔35的第二主流区。

如图5所示，在图中标记为1和2的行星圆柱形筒体31的面向第一换热工质容纳腔15的贴壁处，为第一换热工质的第一贴壁微团，在图中标记为3和4的行星圆柱形筒体31的面向第二换热工质容纳腔35的贴壁处，为第二换热工质的第二贴壁微团，点1、2、3、4处标注的V_合，为各点贴壁微团在自转下的自转速度V_自转和公转下公转速度V_公转（=

_）的合速度V_合（=

）。

在仅有自转的情况下，由于固体行星圆柱形筒体31壁面有一定粗糙度，换热流体流动受到粘性作用，在贴壁处，贴壁流体会形成跟随（壁面）运动，各点处的贴壁微团的自转速度V_自转=

（也称为“

”）也就是行星圆柱形筒体31壁面自转线速度为

（m/s）即，

。也就是说，固体行星圆柱形筒体31壁面附近流体跟随运动的方向与壁面线速度的方向一致，即与壁面切线方向一致，产生一个具有一定厚度的层流边界层。该层流边界层流动速度在贴近壁面处高（

），在远离壁面处低，与主流区的主流流体（可视为等温流体）交界处为：

(1)

—主流区流体平均速度，m/s。

—在离开壁面x米交界处的层流边界层内流体速度，m/s。

参见图5，行星圆柱形筒体31围绕着半径R的节圆（太阳轮）圆心进行公转的同时，围绕着自身的轴进行自转，其外表面流体质点的速度分布如图5所示。针对点1处的贴壁流体微团，公转产生的速度大小为V_公转1，方向与太阳轮圆心和点1的连线垂直，且沿着公转方向；自转产生速度V_自转1，方向与点1和行星圆柱形筒体31圆心连线垂直，且沿着自转方向。自转与公转的合成速度V_合1为贴壁流体微团的实际速度。假设V_自转（也称为

）与V_公转（也称为

）的夹角为α，

则为壁面所在点的自转和公转的合速度V_合，也是贴壁流体的合速度V_合=

_，则合成速度V_合（也称为

）大小为

(2)

——行星圆柱形筒体自转线速度，m/s

——行星圆柱形筒体公转线速度，m/s

α——换热工质贴壁转动时，自传线速度

与公转线速度

的夹角（0°<α<360°）

由于行星圆柱形筒体31自转和公转线速度较大，主流区（湍流核心区）的流速

相较于贴壁流速

小，根据

可知，在主流区流体微团的静压相较行星圆柱形筒体31贴壁位置处流体微团的静压大，因此存在一个从主流区指向层流边界层的静压差力。针对不同贴壁流体微团（例如2、3、4）进行分析可以发现，α从0到360°连续变化，因此静压差力的大小和方向时刻都在发生变化。

如果行星圆柱形筒体31的固体壁面静止不动，运动流体微团不受其他力作用，则在层流边界层内流体的运动方向主要与壁面平行，即以层流为主导。

图6所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体31在自转和公转时传热工质贴壁微团的受力原理示意图。如图6所示，在图中标记为1和2的行星圆柱形筒体31的面向第一换热工质容纳腔15的贴壁处，为第一换热工质的第一贴壁微团，在图中标记为3和4的行星圆柱形筒体31的面向第二换热工质容纳腔35的贴壁处，为第二换热工质的第二贴壁微团，点1、2、3、4处标注的F_离-合为各点处的贴壁微团在自转下的自转离心力F_离-自转和公转下公转离心力F_离-公转的合力F_离-合。

行星圆柱形筒体31围绕着太阳轮圆心进行公转的同时，围绕着自身的轴进行自转，其外表面流体质点的离心力分布如图6所示。针对点1，公转产生的离心力大小为F_离-公转1，方向从太阳轮圆心指向点1；自转产生的离心力大小为F_离-自转1，方向从行星圆柱形筒体31圆心指向点1。假设F_离-公转和F_离-自转的夹角为β，则合成离心力F_离-合的大小为：

(3)

由此可知，贴壁流体微团受到一个大小和方向时刻发生变化的离心力左右，使贴壁流体有甩出的趋势。在行星圆柱形筒体31自转，则行星圆柱形筒体31的固体壁面同时进行公转和自转的情况下动，运动流体微团跟随运动还会使贴壁流体微团同时产生离心力F _离和静压差力F _静压。其中，离心力F _离为图6中所示的F_离-合1、F_离-合2、F_离-合3、F_离-合4等各处的各自离心力合力，其计算如下：

外表面所接触的第一换热工质容纳腔或第二换热工质容纳腔内形成的离心加速度

（m/s²）、离心力

(N)、贴壁流体综合线速度

（m/s）和主流区和层流区之间的静压差

(N)的大小分别为

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：

——行星圆柱形筒体自转离心加速度，m/s²

——行星圆柱形筒体公转离心加速度，m/s²

——由行星圆柱形筒体自转和公转合成的离心加速度，m/s²

β——行星圆柱形筒体自转和公转加速度方向夹角（0°<β<360°）

——行星圆柱形筒体自转线速度，m/s

r——行星圆柱形筒体外表面半径，m

——行星圆柱形筒体公转线速度，m/s

R——行星圆柱形筒体公转半径，m

α——换热工质贴壁转动时，自传线速度

与公转线速度

的夹角（0°<α<360°）

ρ——第一换热工质或第二换热工质密度，kg/m³

A——行星圆柱形筒体壁面换热工质分子微团单位面积，m²

H——行星圆柱形筒体壁面换热工质分子微团单位面积所对应单位高（厚）度，m

——换热工质贴壁转动时产生的复合离心力N，

——换热工质贴壁转动时的复合线速度m/s，

——换热工质在主流区（处于湍流状况）的平均流速，m/s

μ——复合线速度与主流区平均流速的夹角（0°<μ<360°）

则，由流体速度不同形成的静压差计算如下：

(10)

—主流区流体与贴壁处流体静压之差，Pa。

—主流区流体静压力，Pa。

—贴壁流体静压力或层流区静压力，Pa。

离心力的方向是垂直壁面向外，贴壁流体微团初速度为0m/s，所以，贴壁流体微团的离心逃离速度最大值为：

(11)

—贴壁流体从离开壁面到层流边界层边缘（与主流流体接触前）的最大速度，m/s。

—层流边界层厚度，m。

尽管流体加速度

很大，但是其位移x很小。由式(10)可知，

很小。故它与

组成的速度三角形中的合成速度大小与

很接近，方向基本与

方向相同。即，贴壁流体沿圆周切线方向以很小的夹角方向被甩出壁面。

故，流体离开壁面的时间为近似计算为：

(12)

由式(11)可以看出，由于很大，贴壁流体微团逃出层流边界层所用的时间极短。

由于在主流区流体的静压力P₁大于在贴壁区流体的静压力P₂，其静压差为

。由此，产生一个由主流区流体指向层流边界层的向心力。这个力的方向垂直于贴壁流体微团的运动方向，即垂直于层流边界层内流体的运动方向。

这个静压差力所产生的向心加速度为：

(13)

—主流区流体的向心加速度，m/s²。

当

时，

。

同样，主流区边缘的流体分子受到静压差的推动，垂直穿过层流边界层的时间为：

(14)

由此可见，在向心力作用下流体穿过粘性底层所用时间与圆周速度成反比。

离心加速度与向心加速度之比为

(15)

因为H=1 m，而换热器一般R<2 m。所以，

。

这说明贴壁流体逃离壁面的加速度大于向壁面补充流体的加速度，这会在壁面处形成一定的低压区，这个低压区有助于主流区流体向壁面处进行补充。

无论是离心加速度

，还是向心加速度

，其均为垂直穿过贴壁层流边界层的运动。而这两个力都与圆周运动速度的平方成正比，两者加速度的比值很大，通常有近百g（g为重力加速度，取10 m/s2）。所以，这两个力会对层流边界层造成强烈的涡旋流动。如果足够大，这种强烈的涡旋流动称之为“受迫翻滚”，其导致的涡旋流动大大增强了流体与固体壁面之间的换热，减弱了层流边界层对对流换热能力的影响。因此，以离心力和静压差力导致的层流边界层内强烈的涡旋流动，使得层流边界层的流体中也存在着类似主流区的换热方式，层流边界层对对流换热能力的制约将明显减小。此外，可通过进一步调节固壁转速加以控制，即转速越高，换热能力越强。

在运行过程中，主流区的流体微团在向心加速度的作用下，携带主流区（等温流体）热量，撞击层流边界层，形成传热传质的热交换。而贴壁（粗糙度的凹槽内）的流体微团在离心加速度的作用下被甩出，从而撞击层流边界层，形成传热传质的热交换。因主流区流体温度、贴壁流体温度均与边界层流体温度存在较大温差，这就形成了传质传热（直接碰撞掺混换热）和热传导传热（通过凹槽内流体微团导热）两种热交换方式。在粗糙度的凹槽内部以流体分子导热为主，在凹槽凸峰以外处，以传质传热为主。这就改变了层流边界层内流体以热传导换热方式为主的换热方式，大大减弱了层流边界层对对流换热能力的影响。

在换热构件01进行换热运行时，转动壁面上的某质点先进入第二换热工质容纳腔35，吸热升温，同时第二换热工质容纳腔35流体对壁面质点放热降温；随着壁面的转动吸热，使壁面质点温度逐渐升高，第二换热工质容纳腔35流体温度逐渐降温。在第二换热工质容纳腔35中，壁面质点的换热系数为：

(16)

K ₁—壁面在第二换热工质容纳腔35内与第二换热工质容纳腔35流体的换热系数，W/m²·K。

λ—热流体的导热系数，W/m·K。

—壁面平均粗糙度，m。

ε ₁—实验修正系数，理论上取0.1~1.1。

对ε ₁的取值有以下两点说明：

ε ₁<1的原因：一方面，当离心力大于静压差力时，会造成贴壁区域流体压力降低，影响换热，设置主流区流体流动方向与壁面圆周运动方向相反，可以改善换热，增加ε ₁值。另一方面适当增大圆柱体半径R的值，以减小离心力（而动压差力不变），这样也可以增加ε ₁值。再者，壁面的不圆度（即壁面半径R各个方向不完全一致相等），并且偏差较明显时，高速转动的贴壁流体会因惯性存在，造成壁面局部低压，因此对壁面不圆度要有明确的要求，以不明显影响换热为宜。

ε ₁>1的原因：即使是在粗糙度凹槽内，也存在较大的传质传热机会，也就是说，即使在凹槽内其传质换热与传导换热的数在一个数量级内。

静压差和粗糙度各自对应一个ε ₁值，应取两者中的最小值。

壁面某质点在第二换热工质容纳腔35中所吸收的热量通过升温的形式暂时储存在壁面的某一层深度（称为表面携热）所围成的体积内，对壁面来说，其吸热过程是通过热传导，壁面的导热量为：

(17)

—壁面质点从进入第二换热工质容纳腔35到离开第二换热工质容纳腔35过程中的导热量，J。

K ₂—固体壁面材料为钢的传热系数（在此以钢为例，也可以采用其他材质），W/m²·K。

—固体壁面材料为钢的导热系数，W/m·K。

δ—固体壁面材料从进入第二换热工质容纳腔35至离开第二换热工质容纳腔35这段时间内，在单位温差单位面积上的吸热深度，m。

—固体壁面从进入第二换热工质容纳腔35至离开第二换热工质容纳腔35时扫过的换热面积，m²。

—平均换热温差，℃。

—壁面质点从进入第二换热工质容纳腔35到离开第二换热工质容纳腔35所用的时间，s。

其中，

与转动速度的关系为：

(18)

因此，

(19)

壁面质点从进入第二换热工质容纳腔35吸热开始，到离开第二换热工质容纳腔35时，壁面所吸收的热量是被壁面蓄热，储存在厚度为δ、面积为

的钢材（壁面材质）内，设其蓄热量为

：

(20)

—壁面第二换热工质容纳腔35吸热蓄热量，J。

—固体壁面材质密度，kg/m³。

—壁面质点群从进入第二换热工质容纳腔35至离开第二换热工质容纳腔35时扫过的壁面面积，

，m²。

L—圆筒轴向长度，m。

C _p—壁面材质的定压比热容，J/kg·K。

其壁面质点的导热量

应该等于其蓄热量

，则有：

(21)

由此得到

(22)

因此，钢的传热系数K ₂为：

(23)

ε ₂—实验修正系数。

将式（17）带入式(14)，得到：

(24)

单位温差下的换热功率为W _t（单位W/K)为：

(25)

式（24）说明：在离心换热方法中，处在中间位置的旋转固体壁面的换热能力与转速的平方根成正比。转速越高，壁面的换热能力越强。

同理，固体壁面质点离开第二换热工质容纳腔35进入第一换热工质容纳腔15后，由于壁面在第二换热工质容纳腔35中的吸热而升温，使得壁面进入第一换热工质容纳腔15时的温度高于第一换热工质容纳腔15中冷流体温度。进一步，固体壁面质点向第一换热工质容纳腔15中冷流体放热。在第一换热工质容纳腔15中的换热系数为：

(26)

K ₃—固体壁面与冷流体的换热系数，W/m²·K。

—冷流体的导热系数，W/m·K。

ε ₃—实验修正系数，主流区流体温度低于壁面温度，其密度也会高于离心逃离时流体的密度，这个密度差有利于平衡向心力与离心力的不平衡关系，一般取0.5~1.5。

综上所述，可知：在第二换热工质容纳腔35中，热流体与壁面的换热系数为：

(27)

换热功率

（单位为W）为：

(28)

其中

也就是

，

为实验修正系数

L——行星圆柱形筒体轴向有效长度，m

ΔT——平均换热温差，℃

——换热热工质的导热系数，W/m·K

Δδ——行星圆柱形筒体壁面平均粗糙度，m。

因此，在离心换热结构中，第二换热工质容纳腔35换热能力与壁面转动速度成正比，层流边界层不是制约换热能力的主要因素。

在固体壁面的热传导过程中，其导热量与表面携热量相等，有：

(29)

(30)

其中

也就是

，

为实验修正系数

——行星圆柱形筒体壁面材料导热系数，W/m·K

——行星圆柱形筒体壁面材料密度，kg/m³

——行星圆柱形筒体壁面材料的定压比热容，J/kg·K

L——行星圆柱形筒体轴向有效长度，m

ΔT——平均换热温差，℃。

在固体壁面的导热过程中，其壁面的换热能力与壁面转动线速度的平方根成正比，与层流边界层无关。

在第一换热工质容纳腔15中，固体壁面与第一换热工质容纳腔15冷流体的换热功率为：

(31)

式中：

也就是

，

为实验修正系数

K ₃——冷流体与壁面的换热系数K ₃=

L——行星圆柱形筒体轴向有效长度，m

ΔT——平均换热温差，℃

——换热冷工质的导热系数，W/m·K

Δδ——行星圆柱形筒体壁面平均粗糙度，m。

这说明，在离心换热结构中，第一换热工质容纳腔15换热能力与壁面转动速度成正比，层流边界层不是制约换热能力的主要因素。

综上所述，在换热构件01这种离心换热方法及结构中，无论在第二换热工质容纳腔35热流体与壁面换热过程中，还是在第一换热工质容纳腔15冷流体与壁面的换热过程中，以及第三柱状壳体30的固体壁面本身的导热、蓄热、携热过程中，换热能力都与旋转固体壁面的线速度有关。即，旋转速度越大，换热能力越强，并且层流边界层不是制约热交换能力的主要因素。

综上可知，在静压差和离心力的作用下，层流边界层受到两个不同方向的力的作用，这将极大地增强扰动，从而增强换热能力。

因此，相对于传统的板翅式换热器，由于其固体壁面静止不动，换热流体流经板式换热器换热壁面附近时，流体与固体壁面之间产生层流边界层，换热能力大大被减弱。而本发明，通过固体壁面转动，形成离心力和静压差力，改变了行星圆柱形筒体31外表面附近层流边界层的稳定层流状态，使层流边界层内流体产生小尺度地强烈涡旋流动，进而使得层流边界层中流体微团与外部主流区和贴壁处流体微团发生传质传热，从而减弱层流边界层对对流换热能力的影响，大大提高流体与固体壁面之间对流换热能力。

而且，本发明行星圆柱形筒体31不仅可以绕自身轴线进行自转，也能够以整个结构的轴线进行公转，使得换热结构中流体产生周向变化的离心力和静压差力，形成层流边界层内的强涡旋流动，减弱层流边界层对对流换热能力的影响，进一步增强了换热流体与固体壁面的换热能力。并且，对于行星圆柱形筒体31，其内部冷却通道可以通过贴敷隔热层、通冷风冷却等措施进行隔热，提高换热结构的耐热能力，使换热结构可适用于高温换热场景。

另外，本发明中，第二换热工质容纳腔35换热能力与壁面转动速度成正比，固体壁面的换热能力与壁面转动线速度的平方根成正比，第一换热工质容纳腔15换热能力与壁面转动速度成正比。各处换热能力均与固体壁面转动线速度有关，可通过调节固体壁面转动线速度来控制换热结构的换热能力。

再者，本发明行星圆柱形筒体31紧密接触，将换热构件内部空间隔开为两个第一换热工质容纳腔15和第二换热工质容纳腔35，一个为高温腔，一个为低温腔，结构简单，拆修方便。

而且，本发明中由于行星圆柱形筒体31可以绕自身轴线进行自转以及绕整个结构的轴线进行公转，而第一固定柱状外壳体10、第二固定柱状壳体20为固定静止，这为换热冷、热流体通入换热构件提供了方便，可直接在第一固定柱状外壳体10、第二固定柱状壳体20适当位置开孔通入或输出换热冷、热流体。

再者，本发明中由于换热冷、热流体以逆流方式沿行星轮圆柱轴向流动，这为行星轮圆柱体与端面的高温动密封提供有利措施，可以在高温端采用通入适量冷流体的方式来对端面附近进行降温，再采用常规动密封技术进行端面密封。

最后，本发明可通过调整外部驱动设备（电机等）转动速度，从而控制各行星轮圆柱体的自转线速度和行星轮圆柱组合体的公转线速度，可以调节换热结构的换热能力，即各行星轮圆柱体的自转线速度和行星轮圆柱组合体的公转线速度越大，换热结构的换热能力越大。

图7所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体的行星圆柱形筒体的径向调节装置示意图。如图7所示，由于换热构件01在运行过程中会存在热胀冷缩或使用导致的行星圆柱形筒体31之间抵靠压力降低的情形，为了保持两个传热工质容纳腔之间的彼此密封，需要对行星圆柱形筒体31之间抵靠压力进行调节。行星圆柱形筒体31径向调节装置50如图7所示。行星圆柱形筒体31轴32的端部套装在深沟球轴承55中，水平方向布置的调整楔块53、垂直方向布置的固定导轨54、深沟球轴承55通过在第三柱状壳体30的行星盘上固定不动的螺栓51固定在固定楔块52上。通过松动固定调整楔块53的螺栓56后水平移动调整楔块53，使行星圆柱形筒体31轴32和深沟球轴承55在固定导轨54上沿着垂直方向调整位置，调整完毕后，上紧螺栓56，从而对行星圆柱形筒体31轴32进行调节。具体调节方法为，首先松动螺栓56，使上排调整楔块53向左运动、下排调整楔块53向右运动，可使行星圆柱形筒体31轴32向下运动，最后上紧螺栓56。当行星圆柱形筒体31轴32要向上调整时，使上排调整楔块53向右运动、下排调整楔块53向左运动即可，这样就可以实现某个或某几个行星圆柱形筒体31在节圆半径方向的调整，从而使得行星圆柱形筒体31之间密闭抵靠，将第一传热工质容纳腔15和第二传热工质容纳腔35之间隔离开，避免可能出现化学反应的两种传热工质接触。

图8所示的是根据本公开的换热构件中的第三柱状壳体30的驱动系统60示意图。行星圆柱形筒体31自转和公转驱动结构如图8所示。第三柱状壳体30的行星圆柱形筒体31的行星盘36和电机61通过皮带轮62连接，电机61驱动皮带轮62使得行星盘36转动，从而带动行星圆柱形筒体31绕太阳轮圆心作公转运动。各行星圆柱形筒体31由各自的轴带动作自转运动，并通过太阳轮轴端63的齿轮与行星圆柱形筒体31轴端63的齿轮抵靠传动。根据图8可以看出，有些带有虚线外围圆环的行星圆柱形筒体31可以径向调整，有些是固定不动的。可选择的是，每个都可以调整。

图9所示的是根据本公开的换热构件端面密封结构示意图。换热构件01的端面密封结构如图9所示。每个行星圆柱形筒体31的端面上存在两道活塞环59作为密封圈，防止行星圆柱形筒体31的端面与外部进行直接接触。考虑到温度过高对活塞环59会有破坏作用，在两道活塞环中通入高压的冷风，这种设计通过压力差防止热风进入活塞环内部，又利用冷风给活塞环降温。

图10所示的是根据本公开的换热构件02的第二实施例示意图。参照图10，本实施例中的换热构件02包括换热构件01包括：第一柱状外壳体40、第二柱状壳体41以及第三柱状壳体42（参见图10）。第三柱状壳体42由多个均匀分布在第二柱状壳体41周围行星圆柱形筒体31构成。相邻的行星圆柱形筒体31之间彼此并不接触。每个行星圆柱形筒体31沿着其总轴方向的母线与第一柱状外壳体40的内壁以及第二柱状壳体41外壁抵靠抵靠，从而在一组相邻的第一柱状外壳体40的内壁、第二柱状壳体41外壁、两个行星圆柱形筒体31的外壁以及壳体两端固定面的六个面之间合围成一个换热工质容纳腔。围绕第二柱状壳体41交替形成的多个换热工质容纳腔分别被设置为第一换热工质容纳腔15和第二换热工质容纳腔35。第一换热工质容纳腔15和第二换热工质容纳腔35的数量相等。本实施例共有6个换热工质容纳腔，其中，三个为换热高温腔35，三个为换热低温腔15，高温腔35和低温腔15互为交错布置。在换热高、低温腔中的热工质和冷工质相互间隔交错布置，且流动互为逆流方式。

在本实施例中，第二柱状壳体41外表面和行星圆柱形筒体31外表面紧密接触，行星圆柱形筒体31外表面和第一柱状外壳体40内表面紧密接触。即有，若外滚筒圆内径

，内滚筒圆外径

，星轮滚筒圆外径

，则有

。

行星圆柱形筒体31一般为若干偶数个，在本实施例中，优选个数为6个。各个行星圆柱形筒体31之间的外表面不相接触，在圆周方向上均匀地分布，处在第二柱状壳体41和第一柱状外壳体40之间。行星圆柱形筒体31的轴一般会与两端壳体端板采用动密封连接，且行星圆柱形筒体31只能绕着自身的轴线作自转运动，不能够绕着第二柱状壳体41作公转运动。

各个行星圆柱形筒体31的运动方式可为：由电动机带动第二柱状壳体41转动，第二柱状壳体41带动行星圆柱形筒体31转动，行星圆柱形筒体31转动带动第一柱状外壳体40转动，第二柱状壳体41为主动轮，行星圆柱形筒体31和第一柱状外壳体40为从动轮；或者由电动机带动第二柱状壳体41转动，第二柱状壳体41带动行星圆柱形筒体31转动，第一柱状外壳体40由同一电动机拖动转动，第二柱状壳体41和第一柱状外壳体40均为主动轮，行星圆柱形筒体31为从动轮。

在转动过程中，第二柱状壳体41、行星圆柱形筒体31和第一柱状外壳体40相邻两个接触外壁面作同步运动，即在接触点（线）处两壁面的运动方向相同，运动线速度相等，相互之间没有相对滑动摩擦，并且通过同步运动，利用接触点（线），实现换热高、低温腔的动态隔离，避免冷、热流体发生明显泄漏而大量掺混。

自转行星滚筒热交换构件02在工作过程中，换热高温腔35和低温腔15中分别通入互为逆流的热工质和冷工质，热工质和冷工质分别与作自转运动的第一柱状外壳体40内表面、第二柱状壳体41外表面、相邻两个行星圆柱形筒体31外表面接触，实现放热和吸热。

以行星圆柱形筒体A为例，在一个热交换周期之内，当其外表面质点M从A2点进入高温腔35时，由于高温腔35热工质流体温度高于行星圆柱形筒体A的外壁质点M温度，高温流体对行星滚筒A的外壁质点M进行放热，行星圆柱形筒体A的外壁质点M吸热升温，吸热周长为

，当质点M转动到A1点位置时，质点M温度趋近于高温腔35流体温度；当行星圆柱形筒体A的外壁质点M从A1点进入换热低温腔15时，由于质点M在高温腔35中吸热，温度高于低温腔15流体温度，质点M对低温腔15流体进行放热，放热周长为

，低温腔15流体吸热升温，当质点M自转到A2点位置时，质点M在低温腔15中连续放热，温度趋近于低温腔15流体温度，质点M再通过A2点进入高温腔35进行吸热。依次，行星圆柱形筒体31外表面质点经历高温腔35吸热和低温腔15放热，完成一个热交换周期，实现换热。

图11所示的是根据本公开的换热构件03的第三实施例示意图。参照图11，本实施例中的多排外切圆筒热交换结构70包括小圆筒轮71、大圆筒轮72、端面等。在本实施例中，小圆筒轮71、大圆筒轮72均与壳体端面采用动密封连接。所有大圆筒轮72向同一个方向转动，所有小圆筒轮71向同一个方向转动，大圆筒轮72、小圆筒轮71沿各自轴线转动形成离心换热。两小圆筒轮71外表面、两大圆筒轮72外表面、壳体两端固定面，共6个面组成一个热交换腔73。在本实施例中，共有24个热交换腔，其中12个为热交换腔，另外12个为冷交换，冷、热交换腔交错布置。热交换腔中通入换热热流体，冷交换腔中通入换热冷流体，工质热气体（高温腔）相互间隔交错布置，冷、热流体互为逆流。

多排外切圆筒热交换结构70通常由外力电动机拖动大圆筒轮、小圆筒轮转动，大圆筒轮、小圆筒轮转动均为主动轮。或者由外力电动机拖动大圆筒轮转动，大圆筒轮带动小圆筒转动，大圆筒轮为主动轮，小圆筒轮为从动轮。多排外切圆筒热交换结构70运行过程中，小圆筒轮71和大圆筒轮72相邻两个接触壁面作同步运动，即在接触点（线）处两壁面运动切向方向相同，运动线速度相等，相互之间没有发生相对滑动摩擦。各个冷交换腔和热交换腔之间相互孤立，且交错布置，其是通过同步运动接触点（线）实现冷、热腔的相互隔离。

在该多排外切圆筒热交换结构工作过程中，热流体和冷流体分别与转动中的小圆筒轮外表面、大圆筒轮外表面接触，实现热交换腔中热流体的放热和冷交换腔中冷流体吸热，完成冷、热流体的热量交换。在本实施例中，仅展示了5个横排、7个纵排的多排外切圆筒热交换结构示意，其不应该被理解为仅限于在此阐述的实施方式。该多排外切圆筒热交换结构具体的横排和纵排个数应结合具体换热需求和尺寸结构而确定。

图12所示的是根据本公开的换热构件04的第四实施例示意图。参照图12，本实施例中的长流道滚筒热交换结构80包括长通道端圆筒轮81、固定圆筒轮82、调整圆筒轮83端面以及壳体等。在本实施例中，长通道端圆筒轮81、固定圆筒轮82、调整圆筒轮83与壳体端面采用动密封连接。所有固定圆筒轮、调整圆筒轮、长通道端圆筒轮绕各自轴线转动，形成离心换热。

所有固定圆筒轮外表面82、调整圆筒轮83外表面、长通道端圆筒轮外表面81、壳体两端固定面，组成一个热交换腔。在本实施例中，共有2个热交换腔，其中一个为高温热交换腔，另一个为低温热交换腔，高温热交换腔和低温热交换腔相邻布置（若多个热交换腔则需要冷热腔交错布置）。

在本实施例中，仅展示了6个横排、7个纵排的长流道滚筒热交换结构示意，其不应该被理解为仅限于在此阐述的实施方式。该长流道滚筒热交换结构具体的横排和纵排个数应结合具体换热需求和尺寸结构而确定。

通常在两端面相对应的冷、热腔适当位置开孔，向高温腔中通入热流体工质，向低温腔中通入冷流体工质，冷、热流体工质相互逆流布置。

该长流道滚筒热交换结构80通常由外力电动机拖动固定圆筒轮82、调整圆筒轮83转动，长通道端圆筒轮81为从动轮。

在长流道滚筒热交换结构80运行过程中，相邻两个接触壁面作同步运动，即在接触点（线）处两壁面运动切向方向相同，运动线速度相等，相互之间没有相对滑动摩擦发生，并且通过同步运动接触点（线）实现冷热腔的隔离。

在长流道滚筒热交换结构80工作过程中，通过热流体向自转的各滚筒轮外表面质点放热，和冷流体向自转的各滚筒轮外表面质点吸热，实现高温腔中热流体和低温腔中冷流体的热量交换。

图13所示的是根据本公开的换热构件05的第五实施例示意图。参照图13，本实施例中的简易单滚筒热交换结构90包括外壳91、回转滚筒轮94、内壳96以及端面等。

在本实施例中，外壳91、回转滚筒轮94、内壳96与壳体端面采用动密封连接。回转滚筒轮94以自身轴线作自转，形成离心换热（暂不考虑辐射传导换热）。在本实施例中，共有2个热交换腔，1个高温热交换腔92，1个低温热交换腔93，相隔布置。简易单滚筒热交换结构90的外壳91内表面、回转滚筒轮94外表面和内表面、内壳96外表面以及壳体两端固定面组成热交换腔。其中，外壳91内表面、回转滚筒轮94外表面及壳体两端固定面组成换热高温腔92，回转滚筒轮94内表面、内壳96外表面及壳体两端固定面组成换热低温腔93。通常在内壳96和外壳91上适当位置开有孔洞，连接金属圆管，分别设置冷、热流体进口、出口管。换热高温腔92中通入高温流体，在换热低温腔93中通入低温流体，且低温腔中冷流体与高温腔中热流体互为逆流。该简易单滚筒热交换结构90通常由外力电动机拖动回转滚筒轮44转动，内壳96和外壳91固定静止。

简易单滚筒热交换结构90工作时，通过热流体向自转的回转滚筒轮94外表面质点95放热，和冷流体向自转的回转滚筒轮94外表面质点95吸热，实现高温腔92中热流体和低温腔93中冷流体的热量交换。

图14所示的是根据本公开的换热构件的第六实施例示意图。图14所示的换热构件与图3所示的换热构件不同的是，第三柱状壳体行星圆柱形筒体并不进行公转而是只进行自转。为此为了增加工质传热效果，在第一换热工质容纳腔15内与第一固定柱状外壳体10以及第三柱状壳体30同轴套装一个第一搅拌筒33。图15所示的是第一搅拌筒33的断面方向示意图。如图15所示，所述第一搅拌筒33在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第一搅拌筒的内侧伸向第三柱状壳体外壁的第一搅拌叶片34将第一主流区中的第一换热工质微团带向行星圆柱形筒体31第一外表面附近的第一层流区。此外为了增加第二换热工质容纳腔内的工质传热效果，在第二换热工质容纳腔内与第二固定柱状外壳体同轴套装一个第二搅拌筒25。图16所示的是第二搅拌筒25的断面方向示意图。如图16所示，第二搅拌筒25在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第二搅拌筒25的外侧伸向第三柱状壳体内壁的第二搅拌叶片26将第二主流区中的第二换热工质微团带向行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区。所述第一搅拌叶片34与第一搅拌筒33的纵轴之间成第一预定夹角，以增加第一搅拌叶片34将第一主流区中的第一换热工质微团带向行星圆柱形筒体31第一外表面附近的第一层流区的速度。第二搅拌叶片26与第二搅拌筒25的纵轴之间成第二预定夹角，增加第二搅拌叶片26将第二主流区中的第二换热工质微团带向行星圆柱形筒体31第二外表面附近的第二层流区的速度。尽管在图15和16中显示的第一搅拌筒33中的第一搅拌叶片34和第二搅拌筒25中的第二搅拌叶片26都是沿着周向均匀分布，但是也可以不是均匀分布，甚至可以只有一个。第一搅拌叶片34以及第二搅拌叶片26相对搅拌筒纵轴线的夹角使流体微团近乎径向冲行星圆柱形筒体的表面，从而减小层流边界层的厚度，强化换热能力。

第一搅拌筒33和第二搅拌筒25能够进行变频偏心转动，使得换热构件中流体产生周向变化的离心力和静压差力，形成层流边界层内的强涡旋流动，减弱层流边界层对对流换热能力的影响。通过调整外部驱动设备（电机等）转动速度，从而控制各行星轮圆柱体的自转线速度和搅拌器速度，可以调节换热结构的换热能力，即在一定的搅拌速度范围内，各行星轮圆柱体的自转线速度越大，换热结构的换热能力越大。第一搅拌筒33和第二搅拌筒25均能偏心变频运转，从而使内外腔内的流体获得大小、方向时刻变化的离心力。

以上对本公开的具体实施方式的描述，仅仅为了帮助理解本公开的发明构思，这并不意味着本公开所有应用只能局限在这些特定的具体实施方式。本领域技术人员应当理解，以上所述的具体实施方式，只是多种优选实施方式中的一些示例。任何体现本公开权利要求的具体实施方式，均应在本公开权利要求所要求保护的范围之内。本领域技术人员能够对上文各具体实施方式中所记载的技术方案进行修改或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本公开权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种换热构件，包括：

第一固定柱状外壳体，其第一端部连接有用于注入第一换热工质的第一换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第一换热工质的第一换热工质出口管；

第二固定柱状壳体，其第一端部连接有用于注入第二换热工质的第二换热工质入口管，其第二端部连接有用于排出第二换热工质的第二换热工质出口管，第二换热工质与第一换热工质互为逆流；以及

第三柱状壳体，由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，所述第三柱状壳体整体同轴套装在第二固定柱状壳体之外和第一固定柱状外壳体之内，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔，

其中每个行星圆柱形筒体在布置在所述换热构件之外的动力源的驱动下围绕第三柱状壳体的纵轴线公转的同时进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射。

2.根据权利要求1所述的换热构件，其中每个行星圆柱形筒体在同时进行公转和自转时，通过将行星圆柱形筒体第一外表面贴附的第一换热工质的第一贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第一外表面或将行星圆柱形筒体第二外表面贴附的第二换热工质的第二贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第二外表面，由此在第一换热工质容纳腔的第一主流区和行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区或在第二换热工质容纳腔的第二主流区和行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区之间形成静压差，使得第一换热工质的第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区或使得第二换热工质的第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区。

3.根据权利要求1所述的换热构件，其中所述每个行星圆柱形筒体的内壁贴附有隔热层。

4.根据权利要求1所述的换热构件，其中所述每个行星圆柱形筒体外表面不圆度小于0.01%，表面粗糙度小于1微米。

5.根据权利要求1所述的换热构件，其中所述第一换热工质的温度低于第二换热工质的温度。

6.根据权利要求1所述的换热构件，其中，所述动力源为电机，所述电机的转动速度被调节，以便调节第三柱状壳体的换热能力。

7.根据权利要求1或2所述的换热构件，还包括：

径向调节装置，包括固定安装在行星圆柱形筒体轴端部的行星盘的固定楔块上的垂直固定导轨以及深沟球轴承以及在固定导轨两端可水平方向调整安装在行星盘上的上下两块水平调整楔块，行星圆柱形筒体轴套装在深沟球轴承中，由此通过方向水平彼此反向调整上下两块水平调整楔块，使得行星圆柱形筒体轴沿着垂直固定导轨上下移动，从而调整行星圆柱形筒体的位置，以便行星圆柱形筒体彼此之间抵靠压力。

8.一种增强传质换热的方法，包括：

将第一换热工质注入第一固定柱状外壳内壁和同轴套装在所述第一固定柱状外壳内的用于传热的第三柱状壳体的外壁之间第一换热工质容纳腔，从而第一换热工质在第一换热工质容纳腔中形成位于中间的第一主流区和贴附所述第三柱状壳体的外壁的第一层流区；以及

驱动所述第三柱状壳体旋转，使得贴附在所述第三柱状壳体的外壁上的第一换热工质的第一贴壁微团由于所述第三柱状壳体的旋转而产生离心运动而被从所述第三柱状壳体的外壁附近的第一层流区抛射到第一主流区，由此使得第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，从而削弱第一层流区对热量传导到所述第三柱状壳体的外壁的阻隔。

9.根据权利要求8所述的增强传质换热的方法，还包括：

所述第三柱状壳体由偶数个其纵轴线布置在行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，所述第三柱状壳体整体被驱动旋转的同时，各个行星圆柱形筒体被驱动自转，从而加剧第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，增强第一换热工质与所述第三柱状壳体的外壁之间的热传递。

10.根据权利要求9所述的增强传质换热的方法，还包括：

将与第一换热工质互为逆流的第二换热工质注入在所述第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁与同轴套装在所述第三柱状壳体之内的第二固定柱状外壳外壁之间形成第二换热工质容纳腔，从而第二换热工质在第二换热工质容纳腔中形成位于中间的第二主流区和贴近所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁的第二层流区；以及

在所述第三柱状壳体被驱动旋转时，使得贴附在所述第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁上的第二换热工质的第二贴壁微团由于所述第三柱状壳体的旋转以及各个行星圆柱形筒体的自转而产生离心运动而被从所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁附近的第二层流区抛射到第二主流区，由此使得第二层流区的第二贴壁微团受迫翻滚，从而削弱第二层流区对热传导到所述第三柱状壳体的位于所述节圆之内的内壁的阻隔。

11.根据权利要求10所述的增强传质换热的方法，还包括：

调节所述第三柱状壳体的转速，以便调节所述第三柱状壳体的换热能力。

12.一种增强传质换热的方法，用于将第一固定柱状外壳体、第三柱状壳体以及第二固定柱状壳体按照顺序依次由外而内的顺序同轴套装起来的传热构件中，所述方法包括：

通过连接在第一固定柱状外壳体的第一端部有第一换热工质入口管注入第一换热工质，以及通过连接在第一固定柱状外壳体的第二端部连接的第一换热工质出口管排出第一换热工质；

通过连接在第二固定柱状外壳体的第一端部有第二换热工质入口管注入第二换热工质，以及通过连接在第二固定柱状外壳体的第二端部连接的第二换热工质出口管排出第二换热工质；

驱动由偶数个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成的所述第三柱状壳体，使得彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔；以及

每个行星圆柱形筒体在布置在换热构件之外的动力源的驱动下围绕第三柱状壳体的纵轴线公转的同时进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于公转和自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射，由此使得第一换热工质和第二换热工质中的一个将其热量通过所述行星圆柱形筒体的自转使得第一外表面和第二外表面中的一个变换为另一个外表面时传递给第一换热工质和第二换热工质中的另一个。

13.根据权利要求12所述的增强传质换热的方法，还包括：

在将行星圆柱形筒体第一外表面贴附的第一换热工质的第一贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第一外表面或将行星圆柱形筒体第二外表面贴附的第二换热工质的第二贴壁微团抛离行星圆柱形筒体第二外表面时，由此在第一换热工质容纳腔的第一主流区和行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区之间形成第一静压差或在第二换热工质容纳腔的第二主流区和行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区之间形成第二静压差；

通过所形成的第一静压差使得第一换热工质的第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区使得第一层流区的第一贴壁微团受迫翻滚，以增强第一层流区与第一主流区之间的传质传热，或通过所形成的第二静压差使得第二换热工质的第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区，使得第二层流区的第二贴壁微团受迫翻滚，以增强第二层流区与第二主流区之间的传质传热。

14.根据权利要求13所述的增强传质换热的方法，还包括：

增加第三柱状壳体的转速，提高第一贴壁微团和第二贴壁微团被抛射的速度，以增加第一贴壁微团穿透第一主流区的深度以及第二贴壁微团穿透第二主流区的深度，以及提高第一静压差和第二静压差，以增强第一主流区边缘的第一换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区的深度和增强第二主流区边缘的第二换热工质微团被压送到行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区的深度。

15.一种换热构件，包括：

第三柱状壳体，由多个其纵轴线布置在第一行星半径节圆上的行星圆柱形筒体围成，彼此相邻的行星圆柱形筒体沿着母线彼此无滑动地滚动抵靠，所述第三柱状壳体整体同轴套装在第二固定柱状壳体之外和第一固定柱状外壳体之内，第一固定柱状外壳体内壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之外的外壁之间形成第一换热工质容纳腔，第二固定柱状壳体外壁和第三柱状壳体的位于所有行星圆柱形筒体的抵靠点连成的包络线之内的内壁之间形成第二换热工质容纳腔，

其中每个行星圆柱形筒体在布置在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，由此使得附着在每个行星圆柱形筒体第一外表面上的第一换热工质的第一贴壁微团由于自转而产生离心运动而被从每个行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区向第一换热工质容纳腔的第一主流区抛射以及使得附着在每个行星圆柱形筒体第二外表面上的第二换热工质的第二贴壁微团由于自转而产生离心运动而被从行星圆柱形筒体第二外表面附近的层流区向第二换热工质容纳腔的第二主流区抛射，以及与第一固定柱状外壳体以及第三柱状壳体同轴套装在第一换热工质容纳腔内的第一搅拌筒在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第一搅拌筒的内侧伸向第三柱状壳体外壁的第一搅拌叶片将第一主流区中的第一换热工质微团带向行星圆柱形筒体第一外表面附近的第一层流区。

16.根据权利要求15所述的换热构件，其还包括：

与第二固定柱状外壳体同轴套装在第二换热工质容纳腔内的第二搅拌筒，其在所述换热构件之外的动力源的驱动下进行自转，使得所述第二搅拌筒的外侧伸向第三柱状壳体内壁的第二搅拌叶片将第二主流区中的第二换热工质微团带向行星圆柱形筒体第二外表面附近的第二层流区。

17.根据权利要求16所述的换热构件，其中所述第一搅拌叶片与第一搅拌筒的纵轴之间成第一预定夹角，第二搅拌叶片与第二搅拌筒的纵轴之间成第二预定夹角。