CN115218696A - 一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器 - Google Patents

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孙常新
孟少飞
王葳
李增军
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明属于高速风洞试验技术领域，公开了一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器。该板翅式换热器的换热器芯体由换热器芯体模块并列组装而成，换热器芯体模块为板翅式结构，由空气通道和冷却水通道交替单叠布置；换热器芯体模块的顶面设置有冷却水进出封头，换热器芯体模块的底面设置有冷却水汇集封头；换热器芯体模块的上端下端分别设置冷却水导流区，换热器芯体的左右两个侧面均设置冷却水冗余流道；换热器芯体的进气口和出气口分别环绕铝制法兰环，并固定连接对应的方形法兰，进气口的方形法兰内还设置有环形水套。该板翅式换热器缩小了风洞换热器段洞体的截面，降低了高速风洞洞体结构设计难度和制造成本，能够长期运行在高温环境中。

Description

一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器
技术领域
本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器。
背景技术
在大型风洞工程中，通过空气压缩机来提供气流在风洞中循环的动力。压缩机做功后，必然会导致风洞内循环管路空气温度的升高。由于试验要求，需要采用换热器将经压缩机做功后的高温空气冷却至一定的温度。传统的风洞换热系统设计中，大多数采用管翅式结构冷却循环空气，一方面管翅式换热器在风洞中运用较多，技术相对成熟，另一方面管翅式结构采用碳钢或者不锈钢制造能够运用于温度高于200℃的环境，但是管翅式结构的换热器的换热面积不够紧凑，体积大，会造成风洞换热器段的洞体截面过于庞大，结构设计难度大，制造成本高。也有采用换热效率高，结构紧凑的铝制板翅式换热器组合形式冷却风洞中循环空气，但是由于铝合金材质无法长期用于超过200℃的高温环境中，一般将铝制板翅换热器运用于温度较低的风洞中。为了克服以上缺陷，亟需发展一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器。
本发明的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特点是，所述的板翅式换热器包括换热器芯体、冷却水进出封头、冷却水汇集封头、吊耳、铝制法兰环、冷却水导流区、冷却水冗余流道、环形水套、方形法兰和U型支座；
换热器芯体由N个换热器芯体模块并列组装而成，N≥2，换热器芯体模块的高度为H；换热器芯体模块为板翅式结构，由一层空气通道和一层冷却水通道交替单叠布置；换热器芯体模块的顶面设置有冷却水进出封头，换热器芯体模块的底面设置有冷却水汇集封头；定义换热器芯体模块上端与冷却水进出封头连接处、高度为h的换热器芯体模块为上部的冷却水导流区，定义换热器芯体模块下端与冷却水汇集封头连接处、高度为h的换热器芯体模块为下部的冷却水导流区；h≪H；冷却水由换热器芯体模块的冷却水进出封头的冷却水进水口流入，在冷却水汇集封头处汇集和转向，最后由冷却水进出封头的冷却水出水口流出，在换热器芯体模块内实现冷却水和空气的错流间壁式换热；
换热器芯体的左右两个侧面分别设置3层~6层重叠布置的冷却水流道作为冷却水冗余流道，冷却水冗余流道与换热器芯体模块的冷却水通道结构相同；
在上部的冷却水导流区、下部的冷却水导流区和左右两侧冷却水冗余流道的进气口和出气口，分别环绕铝制法兰环，组成换热器芯体组合体；在换热器芯体组合体的左侧面和右侧面分别设置有吊耳；
进气口和出气口的铝制法兰环分别通过压块和螺栓固定连接对应的方形法兰，进气口的方形法兰筒体部分含有双层结构的环形水套，环形水套连接独立的进水管和出水管；两个方形法兰安装在各自对应的U型支座内；进气口的方形法兰与风洞的空气入口段壳体焊接，出气口的方形法兰与风洞的空气出口段壳体焊接；
风洞试验中，冷却水导流区和冷却水冗余流道均不流通空气，冷却水导流区和冷却水冗余流道的作用是降低铝制法兰环的工作温度；冷却水导流区的另一个作用是使冷却水在换热器芯体内均布，从而使换热器出气口温度均匀；环形水套作用是降低进气口方形法兰的工作温度。
进一步地，所述的换热器芯体模块中的空气通道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
进一步地，所述的换热器芯体模块中的冷却水流道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
进一步地，所述的板翅式换热器的翅片材料为3003铝合金。
进一步地，所述的冷却水导流区的高度为100mm~200mm。
进一步地，所述的冷却水冗余流道的宽度为15mm~20mm。
本发明的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器解决了管翅式换热器单位体积换热面积低，结构不够紧凑的问题，减小了换热器的体积，缩小了风洞换热器段洞体的截面，降低了高速风洞洞体结构设计难度和制造成本，能够长期运行在高温环境中；解决了铝制板翅式换热器无法长期运行在高温环境中的问题，具有工程推广价值。
附图说明
图1为本发明的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器中的换热器芯体组合体的结构示意图（主视图）；
图2为本发明的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器中的换热器芯体组合体的结构示意图（侧视图）；
图3为本发明的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器中的换热器段总装示意图（主视图）；
图4为本发明的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器中的换热器段总装示意图（侧视图）。
图中，1.换热器芯体；2.冷却水进出封头；3.冷却水汇集封头；4.吊耳；5.铝制法兰环；6.冷却水导流区；7.冷却水冗余流道；8.环形水套；9.方形法兰；10.U型支座。
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明白，下面结合实例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为本发明的限定。
如图1~图4所示，本实施例的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器包括换热器芯体1、冷却水进出封头2、冷却水汇集封头3、吊耳4、铝制法兰环5、冷却水导流区6、冷却水冗余流道7、环形水套8、方形法兰9和U型支座10；
换热器芯体1由N个换热器芯体模块并列组装而成，N≥2，换热器芯体模块的高度为H；换热器芯体模块为板翅式结构，由一层空气通道和一层冷却水通道交替单叠布置；换热器芯体模块的顶面设置有冷却水进出封头2，换热器芯体模块的底面设置有冷却水汇集封头3；定义换热器芯体模块上端与冷却水进出封头2连接处、高度为h的换热器芯体模块为上部的冷却水导流区6，定义换热器芯体模块下端与冷却水汇集封头3连接处、高度为h的换热器芯体模块为下部的冷却水导流区6；h≪H；冷却水由换热器芯体模块的冷却水进出封头2的冷却水进水口流入，在冷却水汇集封头3处汇集和转向，最后由冷却水进出封头2的冷却水出水口流出，在换热器芯体模块内实现冷却水和空气的错流间壁式换热；
换热器芯体1的左右两个侧面分别设置3层~6层重叠布置的冷却水流道作为冷却水冗余流道7，冷却水冗余流道7与换热器芯体模块的冷却水通道结构相同；
在上部的冷却水导流区6、下部的冷却水导流区6和左右两侧冷却水冗余流道7的进气口和出气口，分别环绕铝制法兰环5，组成换热器芯体组合体；在换热器芯体组合体的左侧面和右侧面分别设置有吊耳4；
进气口和出气口的铝制法兰环5分别通过压块和螺栓固定连接对应的方形法兰9，进气口的方形法兰9筒体部分含有双层结构的环形水套8，环形水套8连接独立的进水管和出水管；两个方形法兰9安装在各自对应的U型支座10内；进气口的方形法兰9与风洞的空气入口段壳体焊接，出气口的方形法兰9与风洞的空气出口段壳体焊接；
风洞试验中，冷却水导流区6和冷却水冗余流道7均不流通空气，冷却水导流区6和冷却水冗余流道7的作用是降低铝制法兰环5的工作温度；冷却水导流区6的另一个作用是使冷却水在换热器芯体内均布，从而使换热器出气口温度均匀；环形水套8作用是降低进气口方形法兰9的工作温度。
进一步地，所述的换热器芯体模块中的空气通道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
进一步地，所述的换热器芯体模块中的冷却水流道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
进一步地，所述的板翅式换热器的翅片材料为3003铝合金。
进一步地，所述的冷却水导流区6的高度为100mm~200mm。
进一步地，所述的冷却水冗余流道7的宽度为15mm~20mm。
实施例1
本实施例的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器的N=3，换热器芯体1首先将翅片、隔板、封条及相关零部件进行部装，之后在钎焊炉中钎制完成，其空气流通截面通常是正方形或者长方形的。换热器芯体1是实现空气和冷却水换热的核心部件。冷却水在冷却水通道内的流动能够有效的降低空气流道内的翅片和隔板的温度。
本实施例的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器的运行过程中，高温的空气从前至后进入换热器芯体1，冷却水由换热器芯体1上的冷却水进出封头2流入，从上至下依次经上部的冷却水导流区6、换热器芯体1主体、下部的冷却水导流区6在冷却水汇集封头3处汇集和转向，最后由冷却水进出封头2流出，在换热器芯体1中实现冷却水和空气的错流间壁式换热，空气温度降低后，从换热器芯体1流出，从而实现空气降温以及保证截面温度均匀性的目的。
由于铝合金材质在高温下的强度较钢材是非常低的，因此需要通过本实施例的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器的结构设计确保板翅式换热器在高温下运行的可靠性。
同时，本实施例的在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器的运行过程中，温度的升高会导致铝制的换热器芯体1和铝制法兰环5的温度升高。在换热器芯体1迎风侧和背风侧设置冷却水冗余流道7，在换热器芯体1上下两端设置冷却水导流区6，这两处的冷却水是不参与和空气换热的，其主要作用是冷却法兰连接结构的金属温度，防止温度过高后铝合金结构强度的下降。
在本实施例中，板翅式换热器的单位体积换热面积远高于管翅式结构的换热器，有效降低了风洞整体制造成本以及结构设计难度。同时，采用本实施例的用于高速风洞的板翅式换热器可以不限于铝合金使用温度200℃的限制，根据传热计算的结果，可将板翅式换热器使用在空气入口温度达到400℃甚至更高的场合。
本实施例的在风洞中用于冷却空气的板翅式的尺寸在4米×4米量级，能够达到以下技术指标：
a.单台换热器芯体1的最大换热量：40MW；
b.换热器芯体1出口温度T≤323K，即50℃；
c.换热器芯体1气流压力损失△P≤3000Pa；
d.换热器芯体1出口温度均匀性：在换热器芯体1下游800mm截面，最高温度Tmax与最低温度之差≤5℃；
e.冷却水进水口温度32℃，出口温度≤47.5℃。

Claims (6)

1.一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的板翅式换热器包括换热器芯体（1）、冷却水进出封头（2）、冷却水汇集封头（3）、吊耳（4）、铝制法兰环（5）、冷却水导流区（6）、冷却水冗余流道（7）、环形水套（8）、方形法兰（9）和U型支座（10）；
换热器芯体（1）由N个换热器芯体模块并列组装而成，N≥2，换热器芯体模块的高度为H；换热器芯体模块为板翅式结构，由一层空气通道和一层冷却水通道交替单叠布置；换热器芯体模块的顶面设置有冷却水进出封头（2），换热器芯体模块的底面设置有冷却水汇集封头（3）；定义换热器芯体模块上端与冷却水进出封头（2）连接处、高度为h的换热器芯体模块为上部的冷却水导流区（6），定义换热器芯体模块下端与冷却水汇集封头（3）连接处、高度为h的换热器芯体模块为下部的冷却水导流区（6）；h≪H；冷却水由换热器芯体模块的冷却水进出封头（2）的冷却水进水口流入，在冷却水汇集封头（3）处汇集和转向，最后由冷却水进出封头（2）的冷却水出水口流出，在换热器芯体模块内实现冷却水和空气的错流间壁式换热；
换热器芯体（1）的左右两个侧面分别设置3层~6层重叠布置的冷却水流道作为冷却水冗余流道（7），冷却水冗余流道（7）与换热器芯体模块的冷却水通道结构相同；
在上部的冷却水导流区（6）、下部的冷却水导流区（6）和左右两侧冷却水冗余流道（7）的进气口和出气口，分别环绕铝制法兰环（5），组成换热器芯体组合体；在换热器芯体组合体的左侧面和右侧面分别设置有吊耳（4）；
进气口和出气口的铝制法兰环（5）分别通过压块和螺栓固定连接对应的方形法兰（9），进气口的方形法兰（9）筒体部分含有双层结构的环形水套（8），环形水套（8）连接独立的进水管和出水管；两个方形法兰（9）安装在各自对应的U型支座（10）内；进气口的方形法兰（9）与风洞的空气入口段壳体焊接，出气口的方形法兰（9）与风洞的空气出口段壳体焊接；
风洞试验中，冷却水导流区（6）和冷却水冗余流道（7）均不流通空气，冷却水导流区（6）和冷却水冗余流道（7）的作用是降低铝制法兰环（5）的工作温度；冷却水导流区（6）的另一个作用是使冷却水在换热器芯体内均布，从而使换热器出气口温度均匀；环形水套（8）作用是降低进气口方形法兰（9）的工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的换热器芯体模块中的空气通道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
3.根据权利要求1所述的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的换热器芯体模块中的冷却水流道的翅片是平直型或者波纹型翅片。
4.根据权利要求1所述的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的板翅式换热器的翅片材料为3003铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的冷却水导流区（6）的高度为100mm~200mm。
6.根据权利要求1所述的一种在风洞中用于冷却空气的板翅式换热器，其特征在于，所述的冷却水冗余流道（7）的宽度为15mm~20mm。
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