CN205279810U - 一种管翅式气－液换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种管翅式气－液换热器，是横截面为矩形的长方体，包括若干换热单元以及高温燃气进口、液体出口、液体入口、高温燃气出口。换热单元的底面设置通孔，侧面设置壳体；壳体内设置四个壳体夹层，四个壳体夹层依次相邻，第一和第二、三壳体夹层相通，第四和第二、三壳体夹层也相通，第二和第三壳体夹层内设置斜挡板。本实用新型的换热器，高温燃气不仅通过在壳程流动向管程流动的液体释放热量，得到冷却，同时也被壳体夹层的液体（如煤油）冷却，换热器换热效率得到提高。壳体夹层的液体同时冷却换热器壳体壁面，增加了换热面积、提高了换热效率，从而保护换热器材料不致与因过热而损坏。该换热器结构紧凑，制造简单，易于实现。

Description

一种管翅式气－液换热器

技术领域

本实用新型涉及对流换热技术领域，具体涉及一种管翅式气－液换热器。

背景技术

高超声速技术的科学性、先进性和多功能性使它在很多技术领域都起到了关键性作用，尤其是在高科技的航空航天领域。随着飞行器能够达到的飞行马赫数不断地提升，飞行器表面受到高速气流的气动加热越来越强烈，导致温度不断升高。如果温度超过部件材料的工作极限温度，不仅会缩短工作寿命，甚至会出现材料被烧毁，无法保证飞行器正常飞行的危险。

针对超燃冲压发动机其热防护条件和工作热环境的特殊性，目前已经提出了多种热防护方法，其中主要有：

（1）气膜冷却

气膜冷却是指在热壁面附近沿其切线方向或沿一定角度向高温气体喷射用来冷却的气流，在压力与摩擦力的共同作用下，注入的冷气流会附在热壁面附近形成温度相对较低的冷却气膜，使壁面与高温气体隔离开来，从而避免了高温气体与壁面直接接触换热，同时，可以将一些高温气体或者高温火焰对热壁面造成的辐射热量带走，由此对壁面起到良好的热防护作用。

（2）辐射冷却

辐射冷却是使用单层的耐高温金属壁，作为其推力室的外壁面，通过向其四周空间进行热辐射散热，来达到冷却降温的要求。

（3）烧蚀冷却

烧蚀冷却是指附着在壁面上的涂层材料在高温下因为熔化、蒸发以及化学反应来吸收热量，这就会使得热壁面的附近产生一层温度比较低的冷却气流，通过对边界层温度将的降低，从而达到冷却的效果。

(4)发汗冷却

发汗式冷却是指冷却剂流过壁面上开的许多微小的孔流入燃烧室，使高温气体与壁面隔离开，从而达到冷却效果。

(5)再生主动冷却

再生主动冷却是对流冷却方式的一种，是当发动机工作时，使用推进燃料作为冷却剂，注入冷却通道，对燃烧室内壁进行冷却，温度升高后，再进入燃烧室燃烧做功。冷却剂通过推力室内壁所吸收的热量又回到了燃烧室，实现了能量的再生，因此称为再生冷却。

要将再生主动冷却引入到超声速飞行器进气道前端使用的冷却系统当中，就需要设计一种换热效率高，占用空间小的冷却器，这不仅面临着追求在有限的较小空间内尽可能增加换热面积、提高换热效率的难题，还要面对超声速的飞行状态下，换热器材料本身所承受的非常高的工作温度，需要设计换热器壁面冷却方案。

实用新型内容

为实现换热器壁面参与冷却，本实用新型提供了一种管翅式气－液换热器，该换热器能够提高在高热流、高雷诺数下，的换热效率。

为达到上述目的，本实用新型提供的一种管翅式气－液换热器，包括若干换热单元以及高温燃气进口、液体燃料出口、液体燃料入口、高温燃气出口。所述换热单元的底面设置通孔，侧面设置壳体；壳体内设置壳体夹层，夹层分为第一、二、三、四四个壳体夹层，四个壳体夹层依次相邻，第一和第二、三壳体夹层相通，第四和第二、三壳体夹层也相通，第二和第三壳体夹层内设置斜挡板。所述通孔内设置平直翅片，平直翅片与通孔轴线平行或成锐角或成钝角；所述换热单元还设置换热管，所述换热管穿过平直翅片，换热管的开口位于壳体夹层内。

相邻的换热单元的所述第一壳体夹层之间使用挡板隔开，所述第四壳体夹层之间也使用挡板隔开。

所述高温气体进口和高温气体出口为第一个和最后一个换热单元的通孔，所述液体出口和液体进口分别设置在第一个和最后一个换热单元的壳体上。

本实用新型的管翅式气－液换热器，高温气体--燃气不仅通过在壳程流动向管程流动的液体（如煤油）释放热量，得到冷却，同时也被壳体夹层的液体（如煤油）冷却。壳体夹层的液体如煤油同时冷却换热器壳体壁面，增加了换热面积、提高了换热效率，从而保护换热器材料不致与因过热而损坏。该换热器结构紧凑，制造简单，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型的换热器外形结构示意图；

图2为本实用新型换热单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本实用新型的具体实施例仅为说明本实用新型用，其并非按实际尺寸和比例严格绘制。因此，本申请中的附图不应解释为对本实用新型的任何限制。以下所使用的“第一”、“第二”、“前”和“后”、“侧面”、“上面”和“下面”等只是为了方便说明保护工具的结构，不表示顺序或相对位置关系，并不对保护范围造成限制。

本实用新型的换热器，通过对流换热原理使燃料燃烧后的高温燃气的热量被低温燃料（如煤油等）带走，从而达到冷却高温燃气以及换热器材料的目的。换热器可采用长方体或圆柱体或其他合适的形状，本实施例以长方体来说明换热器的结构。

如图1至2所示，本实用新型的管翅式气－液换热器是横截面为矩形的长方体，包括若干换热单元以及液体出口1、高温气体进口2、液体进口3、高温气体出口4。所述换热单元的底面设置通孔，侧面设置壳体；壳体内设置壳体夹层8，夹层分为上、下、左、右四个壳体夹层81、82、83、84，四个壳体夹层依次相邻，上壳体夹层和左、右壳体夹层均相通，下壳体夹层和左、右壳体夹层也均相通。左、右壳体夹层内设置第一、第二斜挡板71、72。相邻的换热单元的上壳体夹层之间使用第三、第四挡板73、74隔开，下壳体夹层之间也使用挡板隔开。通孔内设置平直翅片6，平直翅片6与通孔轴线平行或成锐角或成钝角；换热单元还设置换热管5，换热管5穿过平直翅片，换热管5的开口位于壳体夹层内。高温燃气进口2和高温燃气出口4为第一个和最后一个换热单元的通孔，液体出口1和液体进口3分别设置在第一个和最后一个换热单元的壳体上。

燃烧后的高温燃气经高温燃气进口2进入本实用新型的管翅式气－液换热器中，燃料如煤油经液体进口3进入换热器中，高低温流体在换热器进行热量交换后，温度降低后的高温燃气经高温燃气出口4流出，温度升高后的液体如煤油从液体出口1流出，再进入燃烧室燃烧，实现再生冷却。

换热器换热单元壳体夹层工作原理如下：每个换热单元分别有上、下、左、右四个壳体夹层。上、下壳体夹层均设置挡板，以阻断与相邻换热单元的连通。但上夹层与左右夹层是相通的，下夹层与左右夹层也是相通的，如图2所示（图2中粗箭头表示），在换热单元左右两侧夹层中分别设置斜挡板，这样上夹层和下夹层无法相通。燃料如煤油从换热单元的下夹层流入，在压力的驱动下进入换热管，与换热器壳程燃气交换热量，然后进入壳体上夹层，之后分成两股，分别流向左右两个壳体夹层，在相邻两换热单元斜挡板的阻挡下，沿换热器侧壁面流入下一换热单元的下壳体夹层。这样就完成了燃料在一个换热单元内的工作。可以看出，通过设计燃料在壳体夹层的流动，换热器的四个壁面都受到了煤油的冷却。每个换热单元中，燃料均在壳体夹层重复以上的流动循环，这样就实现了通过换热器壳体夹层冷却的目的。

以下用应用实例说明本实用新型的换热器在各类航空航天发动机中的应用：

应用实例1

火箭发动机燃烧室中燃气温度高达3000～4700K，燃气压力通常是几兆帕（几十大气压），高的可达20兆帕（约200大气压）。整个推力室内壁受到强烈加热，最严重的部位是喷管喉部附近，热流密度可高达104～105千瓦/米。将本实用新型的带壳体冷却的管翅式气－液换热器应用于此发动机，燃烧后的高温燃气经燃气进口1进入本实用新型的管翅式气－液换热器中，液体燃料经燃料进口4进入换热器中，高低温流体在换热器中进行热量交换后，温度降低后的高温燃气经燃气出口3流出，温度升高后的液体燃料经燃料出口2流出。用液体燃料冷却高温燃气，以保护受热零、组件，提高它们的性能。管翅式气－液换热器壳体夹层冷却系统同时工作，保护换热器不致因过热受损。

应用实例2

涡轮喷气发动机燃烧室内火焰温度可达2300K，涡轮入口燃气温度达1600K。保证受热零件正常工作或提高它们的性能均有赖于冷却技术。可以采用本实用新型的螺旋折流板换热器，通过液体燃料冷却高温燃气。将本实用新型的带壳体冷却的管翅式气－液换热器应用于此发动机，燃烧后的高温燃气经燃气进口1进入换热器中，液体燃料经燃料进口3进入换热器中，高低温流体在换热器中进行热量交换后，温度降低后的高温燃气经燃气出口4流出，温度升高后的液体燃料经燃料出口2流出。用液体燃料冷却高温燃气，以保护受热零、组件，提高它们的性能。管翅式气－液换热器壳体夹层冷却系统同时工作，保护换热器不致因过热受损。

应用实例3

高超声速飞行器超然冲压发动机，当发动机工作时，采用本实用新型的管翅式气－液换热器，使用推进燃料作为冷却剂，注入冷却通道，对燃烧室内高温燃气进行冷却，当推进燃料温度升高后，再进入燃烧室燃烧做功，实现再生冷却。

基于对本实用新型优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本实用新型并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本实用新型宗旨或范围的对本实用新型的许多显而易见的改变同样可能达到本实用新型的目的。

Claims (3)

1.一种管翅式气－液换热器，其特征在于：是横截面为矩形的长方体，包括若干换热单元以及高温燃气进口、液体出口、液体入口、高温燃气出口；所述换热单元的底面设置通孔，侧面设置壳体；壳体内设置壳体夹层，夹层分为第一、二、三、四四个壳体夹层，四个壳体夹层依次相邻，第一和第二、三壳体夹层相通，第四和第二、三壳体夹层也相通，第二和第三壳体夹层内设置斜挡板；所述通孔内设置平直翅片，平直翅片与通孔轴线平行或成锐角或成钝角；所述换热单元还设置换热管，所述换热管穿过平直翅片，换热管的开口位于壳体夹层内。

2.根据权利要求1所述的管翅式气－液换热器，其特征在于：相邻的换热单元的所述第一壳体夹层之间使用挡板隔开，所述第四壳体夹层之间也使用挡板隔开。

3.根据权利要求1所述的管翅式气－液换热器，其特征在于：所述高温燃气进口和高温燃气出口为第一个和最后一个换热单元的通孔，所述液体出口和液体入口分别设置在第一个和最后一个换热单元的壳体上。