CN116007239A - 一种潜航器的多级换热系统及多级换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜航器的多级换热系统及多级换热方法，包括若干个依次连接的换热单元，各换热单元包括依次叠置的单元集流板、若干个换热板对和单元隔板，各换热板对上设置有热侧流道、冷侧流道以及预冷流道；该换热器由若干个换热单元组成，实现三级分流和汇流，大质量流量工质经换热单元的多级分/汇流换热，单个流道内配流更加均匀，提高了换热性能，另外，各换热单元的回热模块与预冷模块之间设置真空隔热腔，减少耦合传热，保证换热器的高效运行，当芯体高温膨胀时，真空层提供了空间裕量，提高了换热器的安全性。

Description

一种潜航器的多级换热系统及多级换热方法

技术领域

本发明涉及潜航器换热技术领域，具体为一种潜航器的多级换热系统及多级换热方法。

背景技术

随着世界对海洋领域开发程度不断加深，海洋在资源、军事上的战略地位日益凸显。伴随着海洋可以的不断创新，小型潜艇、YL、重型UUV等潜航器正飞速发展，深入开发对我国建设成海洋强国有着重要意义。不同于小型电动力潜航器，大型潜航器主要采用热动力，潜深、航程有着巨大优势。常规热动力主要为蒸汽朗肯循环，体积质量大，效率不高。而超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环，结构紧凑，效率高，是未来下一代水下热动力的发展趋势。简单布雷顿循环系统的换热设备主要包括回热器和预冷器，换热设备决定了布雷顿循环系统的运行效率。且不同于陆地平台，潜航器内部空间有限，海底工况复杂，换热器应具有更高紧凑程度、换热效率、安全可靠性等要求。

常规SCO2布雷顿循环往往将回热器、预冷器独立设计加工，通过管箱管线的方式串联，对于潜航器而言，空间利用率较低，因此需对潜航器用布雷顿循环回热器和预冷器进行集成化设计。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种潜航器的多级换热系统及多级换热方法，该换热系统结构紧凑，换热效率高，用于超临界二氧化碳布雷顿循环为热动力的大功率潜航器。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种潜航器的多级换热系统，包括若干个依次连接的换热单元，各换热单元包括依次叠置的单元集流板、若干个换热板对和单元隔板，各换热板对上设置有热侧流道、冷侧流道以及预冷流道；

各换热单元的各换热板对的热侧流道和冷侧流道的入口通过单元集流板的热流体进入通道和冷流体进入通道与布雷顿系统的热源和冷源出口连接，换热板对的热侧流道出口与预冷流道连接，各预冷流道的出口通过单元集流板的热流体流出通道与布雷顿系统的热源入口连接，各冷侧流道的出口通过单元集流板的冷流体流出通道与布雷顿系统的冷源入口连接。

优选的，所述单元集流板上设置有热侧轴向进口、预冷模块轴向出口、冷侧轴向出口和冷侧轴向进口；

所述热侧轴向进口通过流道与各换热板对的热侧流道的入口连通，预冷模块轴向出口通过流道与各预冷流道的出口连接，冷侧轴向出口通过流道与各换热板对的冷侧流道的出口连接，冷侧轴向进口通过流道与各换热板对的冷侧流道的入口连接。

优选的，所述若干个换热单元上设置有轴向布置的热流体总进入通道、预冷流体总流出通道、以及冷流体总进入通道和冷流体总流出通道；

所述热流体总进入通道分别与各单元集流板的热侧轴向进口连接，预冷流体总流出通道分别与各单元集流板的预冷模块轴向出口连通，冷流体总进入通道分别与各单元集流板的冷侧轴向进口连通，冷流体总流出通道分别与各单元集流板的冷侧轴向出口连通。

优选的，所述若干个换热板对外部套设有预冷模块，预冷模块包括叠置的壳板，预冷流道设置在壳板的侧壁上，预冷模块与若干个换热板之间设置有真空隔热腔。

优选的，所述换热板对包括叠置的热流体板和冷流体板，热侧流道和冷侧流道分别设置在热流体板和冷流体板上，所述热侧流道的出口通过流道与同平面壳板的预冷流道连通，流道上设置有分流孔，分流孔与下层壳板的预冷流道的入口连通。

优选的，所述预冷流道的入口设置有分流隔板，使预冷流道形成两个流道，两个流道中的热流体反向流动。

优选的，所述热侧流道和冷侧流道中均设置有多个同心的分流环，将热流道分割为多个分流道，多个分流道的宽度由内而外依次递减。

优选的，所述换热板对的热侧流道和冷侧流道的流体逆向流动。

优选的，所述热侧流道和冷侧流道中设置有扰流结构。

一种潜航器的多级换热系统的多级换热方法，其特征在于，布雷顿循环系统的热流体和冷流体经过一次分流后进入各换热单元的单元集流板的热流体进入通道和冷流体进入通道；

单元集流板的热流体进入通道和冷流体进入通道对热流体和冷流体进行二次分流，使热流体和冷流体进入各换热板对的热侧流道和冷侧流道，并进行一次换热；

换热降温后的热流体进行三次分流后进入与各换热板对对应的两个预冷流道中与海水进行二次换热，然后自预冷流道的出口进入单元集流板的热流体流出通道，然后再与各换热单元的二次降温后的热流体汇流进入布雷顿循环系统的热侧；

换热升温后的冷流体在单元集流板的冷流体流出通道汇流，然后再与各换热单元的升温冷流体汇流进入布雷顿循环系统的冷侧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种潜航器的多级换热系统，包括多个依次连接的换热单元，个换热单元包括回热模块和预冷模块，回热模块的热侧出口与预冷模块进口直接连接，热流体经回热模块换热后进入预冷模块与海水形成二次换热，该换热单元集成了布雷顿循环中回热器和预冷器的功能，使两者一体化。采用壳体共形设计，最大化利用受限的潜航器内部空间，提高了空间利用率高；其次，换热板对组成套设在潜航器的壳体上，与壳体采用真空扩散焊进行焊接，使整个换热器与潜航器壳体形成整体结构，换热器在换热的同时并作为承压器件，提高潜航器的承压能力，该换热器与潜航器连接，对换热器而言省出了布置固定平台所需的空间；另外，该换热器以壳体外的海水作为冷源，同时将回热模块和预冷模块直接相连，因此整机仅需要2个流体进口和2个出口，该换热器采用单元化设计，能够使用不同规格的潜航器，最后，整个换热器由若干个换热单元组成，实现三级分流和汇流，大质量流量工质经换热单元的多级分/汇流换热，单个流道内配流更加均匀，提高了换热性能。

附图说明

图1为本发明多级换热系统的结构示意图；

图2为本发明换热单元爆炸示意图。

图3为本发明单元集流板示意图。

图4为本发明单元隔板示意图。

图5为本发明热流体板示意图。

图6为本发明冷流体板示意图。

图中：1-下层压紧板，2-换热单元，3-上层压紧板，4-热侧轴向进口，5-预冷模块轴向出口，6-冷侧轴向出口，7-冷侧轴向进口，8-单元集流板，9-单元隔板，10-冷流体板，11-热流体板，12-单元轴向热侧进口，13-单元轴向冷侧出口，14-单元轴向冷侧进口，15-单元预冷模块轴向出口，16-真空绝热腔，17-壳板，18-热侧流道，19-预冷e流道，20-分流孔，21-分流隔板，22-冷侧流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1和2，一种潜航器的多级换热系统，包括若干个依次叠置的换热单元形成换热模块，首级换热单元的上层和末级换热单元的下层分别设置有上层压紧板3和下层压紧板1，各换热单元包括依次叠置的单元集流板8、若干个换热板对和单元隔板9，各换热板对上设置有热侧流道、冷侧流道以及预冷流道；

热流体总进口和总出口，以及冷流体的总进口和总出口，并贯穿所有的换热单元，单元集流板8上设置有热流分流入口和分流出口，以及冷流分流入口和分流出口，热流体总进口和总出口分别与各换热单元的单元集流板8的热流分流入口和分流出口连通，冷流体的总进口和总出口与各换热单元的单元集流板8的冷流分流入口和分流出口；单元集流板8的热流分流入口与各换热板对的热侧流道连通，热侧流道的出口与预冷流道连通，预冷流道的出口与单元集流板8的热流分流出口连通，单元集流板8的冷流分流入口和分流出口分别与各换热板对的冷侧流道的出口和入口连通。

热流体总进口和总出口，以及冷流体的总进口和总出口，用于与布雷顿循环系统的热侧和冷侧连接并形成循环，该总进口用于将流体引流至各换热单元，总出口用于将换热后的流入汇集后引流至布雷顿循环系统，该流体总进口和总出口在整个换热器上形成四条贯穿的通道，即贯穿所有换热板和单元、单元集流板8和单元隔板9。

参阅图3，该图为单元集流板8的平面图，单元集流板8作为各换热单元的最上层板片，其作用是将总进口的流体引导至该换热单元的冷热流道中，并将换热后的流体再次汇入总出口。

该单元集流板8上设置有热侧轴向进口4、预冷模块轴向出口5、冷侧轴向出口6和冷侧轴向进口7，并作为冷热流体总进口和总出口的一部分，热侧轴向进口4与热流体总进口连通，预冷模块轴向出口5与热流体总出口连通，冷侧轴向出口6与冷流体的总进口连通，冷侧轴向进口7与冷流体总出口连通。

该单元集流板8还设置有单元轴向热侧进口12、单元轴向冷侧出口13、单元轴向冷侧进口14和单元预冷模块轴向出口15，单元轴向热侧进口12与热侧轴向进口4通过流道连通，单元轴向热侧进口12与各换热板对的热侧流道连通，单元预冷模块轴向出口15与预冷模块轴向出口5通过流道连通，单元预冷模块轴向出口15与各换热板对的预冷流道出口连通，单元轴向冷侧出口13通过流道与冷侧轴向出口6连通，单元轴向冷侧出口13与各换热板对的冷侧流道出口连通，单元轴向冷侧进口14通过流道与冷侧轴向进口7连通，单元轴向冷侧进口14与各换热板对的冷侧流道入口连通。

所述热侧轴向进口4、预冷模块轴向出口5、冷侧轴向出口6和冷侧轴向进口7均为弧形条状结构，并圆周均布在单元集流板8上。

参阅图4，该图为单元隔板8的结构示意图，该单元隔板用于将上级换热单元的最下层冷流板与相邻下级换热单元的单元集流板分隔开，使各换热单元形成封闭流道，为了避免单元隔板对流体的阻隔，在单元隔板上对应设置热侧轴向进口4、预冷模块轴向出口5、冷侧轴向出口6、冷侧轴向进口7、热侧轴向进口4、单元轴向热侧进口12、单元轴向冷侧出口13、单元轴向冷侧进口14和单元预冷模块轴向出口15。

所述换热单元包括回热模块和预冷模块，回热模块包括若干个换热板对，每个换热板对包括两个叠置的冷流体板10和热流体板11，参阅图5，该图为热流体板11的结构示意图，参阅图6，为热流体板10的结构示意图。

该热流体板11为环形板，热流体板11的一侧设置有热侧流道18，热流体板10的结构和热流板体的结构相同，其一侧设置有冷侧流道22；预冷模块包括由多个壳板17叠置组成的壳体，各壳体的一侧设置有环形的预冷流道19，该壳体套设在换热模块的外壁，并且壳体与回热模块之间设置有真空隔热腔，各壳板分别与热流体板11和热流体板10同平面布置。

所述热侧流道18为环形槽，热侧流道18的入口连接单元轴向热侧进口12，热侧流道18的出口通过流道连接分流孔20，分流孔20与换热板对对应的两个壳板的预冷流道连通，即热流体入通过单元轴向热侧进口12进入热侧流道18，然后流动至分流孔20，分流孔将热流体分为两路，分别进入该热流体板对应的预冷流道6和下层冷流体板对应的预冷流道中，两个预冷流道中热流体自预冷流道的出口进入单元预冷模块轴向出口，然后通过预冷模块轴向出口汇入热流体总出口。

该热侧流道18的出口通过折流流道与分流孔连接，折流流道沿热流板的径向设置，并向热流体板的外环壁方向延伸，分流孔分别与该热流体板对应的预冷流道和下层冷流体板对应的预冷流道连通，也就是说，热流体经过换热后分为两路进入换热板对对应的两个壳板的预冷流道中与外部的海水进行二次换热。

所述热侧流道18中设置有多个同心的分流环，多个分流环有内外而外间隔布置，将热流道分割为多个分流道，多个分流道的宽度由内而外依次递减，由于圆周内分流道的长度较短，内侧分流道的宽度大于外侧分流道的宽度，使各分流道换热量更为均匀。

所述热流板上设置还设置有冷单元轴向冷侧出口13、单元轴向冷侧进口14、以及热侧轴向进口4、预冷模块轴向出口5、冷侧轴向出口6和冷侧轴向进口7。

预冷流道19为环形流道，预冷流道19的入口正对分流孔20，预冷流道的预冷出口连接单元预冷模块轴向出口15，单元预冷模块轴向出口15与分流孔对称沿热流体板的中心对称设置，预冷流道19的入口出设置有分流隔板21，用于将热流体在预冷流道中分为两路，两路热流体相背流动，汇流后通过单元预冷模块轴向出口15流出，单元预冷模块轴向出口15的中部设置隔板，避免两路热流体在汇流时发送对冲现象。

热流体板与同平面的壳板同心套设，并且热流体板与壳板之间设置有真空槽，热流体板与壳板之间通过热侧流道出口与预冷流道入口之间的流道的连接，分流孔位于该流道上，并且真空槽中设置有多个连接筋，通过连接筋提高壳板与热流体板的连接强度。

再次参阅图6，冷侧流道22为环形槽，冷侧流道8的入口与单元轴向冷侧进口14连接，冷侧流道8的出口通过导流区与单元轴向冷侧出口13连通，冷侧流道8的结构与热侧流道的结构相同，均设置有哦分流环，不在赘述。

所述热流体板和冷流体板分别与同平面壳板采用一体加工成型，热侧流道、冷侧流道和预冷流道均采用机械加工或光化学蚀刻的方式加工，热侧流道和冷侧流道的流道截面可以为矩形、半圆形或椭圆形，水力直径为1～3mm，热侧流道和冷侧流道中的流体逆向流动，热侧流道和冷侧流道的各分流道中设置有扰流结构，该分流道为直流道、Z字形流道或S形流道，图示的预冷流道即为Z字形，其倾斜角度为5-45°，升了换热和流动阻力的优化空间，可满足多换热工况的设计需求。本实施例中热流体板和冷流体板的厚度为1-4mm。热流体板和冷流体板采用不锈钢、铝合金、铜合金或钛合金加工，焊接质量高，能够承受海水和二氧化碳环境。

下面对本发明提供的一种潜航器的多级换热系统的换热方法进行详细的阐述，包括以下步骤：

步骤1、根据潜航器的规则，在潜航器的壳体上制备若干个换热单元，在首级换热单元和末级换热单元的两端安装压紧板。

各换热单元由多个换热板对组成，并套设在潜航器的壳体上，与壳体采用真空焊进行焊接，使整个换热器与潜航器壳体形成整体结构，换热器在换热的同时并作为承压器件，提高潜航器的承压能力，该换热器与潜航器连接，对换热器而言省出了布置固定平台所需的空间。

步骤2、换热器的热流总入口连接布雷顿循环系统的透平出口，换热器的热流总出口连接布雷顿循环系统的预冷器入口；换热器的冷流总入口连接布雷顿循环系统的压缩机出口，换热器的冷流总出口连接布雷顿循环系统的回热器冷侧入口。

该换热器集成了SCO₂布雷顿循环中回热器和预冷器的功能，流体进出口形成一体，最大化利用受限的潜航器内部空间，同时可以利用其他壳体段为柱体换热器的上下侧承压，因此不需要较厚的压紧板，减少了空间占用和整机的重量；回热器、预冷器和壳体集成一体，不需要管箱、连接管路，固定平台等，空间利用率高。一体式布雷顿换热器以壳体外的海水作为冷源，同时将回热模块和预冷模块直接相连，因此整机仅需要2个流体进口和2个出口分别为：热侧轴向总进口4、冷侧轴向总进口7和预冷模块轴向总出口5、冷侧轴向总出口6，并采用单元化设计，能够使用不同规格的潜航器。

步骤3、布雷顿循环系统的透平做功后排出的热流体通过热流总入口进入换热系统中，热流体在进入热流总入口后进行第一级的分流，分流后的热流体分别自各换热单元的单元集流板8的热流体总进口进入各换热单元进行二次分流，二次分流后热流体沿流道自热侧轴向进口4进入各热流板体11的热侧流道18。

布雷顿循环系统的压缩机加压后的冷流体自通过冷流总入口进入换热系统中，冷流体在进入冷流总入口后进行第一级的分流，分流后的冷流体分别自各换热单元的单元集流板8的冷流体总进口进入各换热单元进行二次分流，二次分流后冷流体沿流道自冷侧轴向进口7进入各热流板体11的冷侧流道22。

热流体和冷流体逆向流动并在换热板对中进行换热，各换热板对换热升温后的冷流体自冷侧轴向出口6进入单元集流板8汇流后，进入冷流体总出口后进入布雷顿循环系统的回热器冷侧入口。

各换热板对换热降温后的热流体自分流孔进入换热板对的两个预冷流道中，并在分流隔板21的作用下进行三次分流，形成两路相背流动的热流体，热流体在预冷流道中与潜航器外部环境的海水进行二次降温，二次降温后的热流体自单元预冷模块轴向出口15进入单元集流板8汇流后，自预冷模块轴向出口15进入预冷模块轴向出口后，进入冷流体的总出口后进入雷顿循环系统的回热器冷侧入口。

下面为热流体和冷流体的流经线路：

热侧流体：热侧轴向总进口4→单元集流板8→单元轴向热侧进口12→热侧流道18→分流孔20和分流隔板21→预冷流道19→单元预冷模块轴向出口15→单元集流板8→预冷模块轴向总出口5。

冷侧流体：冷侧轴向总进口7→单元集流板8→单元轴向冷侧进口14→冷侧流道22→单元轴向冷侧出口13→单元集流板8→冷侧轴向总进口7。

整个换热器由若干个换热单元组成，实现三级分流和汇流，大质量流量工质经换热单元的多级分/汇流换热，单个流道内配流更加均匀，提高了换热性能，其次，冷热流道以及预冷流道均采用环形结构，在同体积的扩散焊炉中，相较于传统长方体状印刷电路板式换热器可加工流道更长，同时比采用多级折流流道的流动阻力更小；另外，各换热单元的回热模块与预冷模块之间设置真空隔热腔，减少耦合传热，保证换热器的高效运行，当芯体高温膨胀时，真空层提供了空间裕量，提高了换热器的安全性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，包括若干个依次连接的换热单元，各换热单元包括依次叠置的单元集流板(8)、若干个换热板对和单元隔板(9)，各换热板对上设置有热侧流道、冷侧流道以及预冷流道；

各换热单元的各换热板对的热侧流道和冷侧流道的入口通过单元集流板(8)的热流体进入通道和冷流体进入通道与布雷顿系统的热源和冷源出口连接，换热板对的热侧流道出口与预冷流道连接，各预冷流道的出口通过单元集流板(8)的热流体流出通道与布雷顿系统的热源入口连接，各冷侧流道的出口通过单元集流板(8)的冷流体流出通道与布雷顿系统的冷源入口连接。

2.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述单元集流板(8)上设置有热侧轴向进口(4)、预冷模块轴向出口(5)、冷侧轴向出口(6)和冷侧轴向进口(7)；

所述热侧轴向进口(4)通过流道与各换热板对的热侧流道的入口连通，预冷模块轴向出口(5)通过流道与各预冷流道的出口连接，冷侧轴向出口(6)通过流道与各换热板对的冷侧流道的出口连接，冷侧轴向进口(7)通过流道与各换热板对的冷侧流道的入口连接。

3.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述若干个换热单元上设置有轴向布置的热流体总进入通道、预冷流体总流出通道、以及冷流体总进入通道和冷流体总流出通道；

所述热流体总进入通道分别与各单元集流板(8)的热侧轴向进口(4)连接，预冷流体总流出通道分别与各单元集流板(8)的预冷模块轴向出口(5)连通，冷流体总进入通道分别与各单元集流板(8)的冷侧轴向进口(7)连通，冷流体总流出通道分别与各单元集流板(8)的冷侧轴向出口(6)连通。

4.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述若干个换热板对外部套设有预冷模块，预冷模块包括叠置的壳板，预冷流道设置在壳板的侧壁上，预冷模块与若干个换热板之间设置有真空隔热腔。

5.根据权利要求4所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述换热板对包括叠置的热流体板和冷流体板，热侧流道和冷侧流道分别设置在热流体板和冷流体板上，所述热侧流道的出口通过流道与同平面壳板的预冷流道连通，流道上设置有分流孔，分流孔与下层壳板的预冷流道的入口连通。

6.根据权利要求5所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述预冷流道的入口设置有分流隔板，使预冷流道形成两个流道，两个流道中的热流体反向流动。

7.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述热侧流道和冷侧流道中均设置有多个同心的分流环，将热流道分割为多个分流道，多个分流道的宽度由内而外依次递减。

8.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述换热板对的热侧流道和冷侧流道的流体逆向流动。

9.根据权利要求1所述的一种潜航器的多级换热系统，其特征在于，所述热侧流道和冷侧流道中设置有扰流结构。

10.一种权利要求1-9任一项所述的一种潜航器的多级换热系统的多级换热方法，其特征在于，布雷顿循环系统的热流体和冷流体经过一次分流后进入各换热单元的单元集流板的热流体进入通道和冷流体进入通道；

单元集流板的热流体进入通道和冷流体进入通道对热流体和冷流体进行二次分流，使热流体和冷流体进入各换热板对的热侧流道和冷侧流道，并进行一次换热；

换热降温后的热流体进行三次分流后进入与各换热板对对应的两个预冷流道中与海水进行二次换热，然后自预冷流道的出口进入单元集流板的热流体流出通道，然后再与各换热单元的二次降温后的热流体汇流进入布雷顿循环系统的热侧；

换热升温后的冷流体在单元集流板的冷流体流出通道汇流，然后再与各换热单元的升温冷流体汇流进入布雷顿循环系统的冷侧。

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