CN209877730U - 紧凑型气体-气体换热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种紧凑型气体‑气体换热管，包括：用于分隔管内和管外的流体，并通过对流、热传导方式实现管内、外流体传热的传热管；用于扩展传热管的内侧换热表面，形成微流道，分隔管内流体并沿传热管轴向流动，同时产生扰流作用、增强对流换热的内翅片组；用于扩展传热管的外侧换热表面，形成微流道，约束管外流体沿传热管轴向的逆流，同时产生扰流作用、增强对流换热的外翅片组；所述内翅片组或/和外翅片组的翅片上均设有孔洞。本实用新型在有限空间且管数平均温差小的换热工况下的实现了完全逆流高效传热，节约了设备空间尺寸，同时减少了每个面积的重量以降低总体重量和制造成本。

Description

紧凑型气体-气体换热管

技术领域

本实用新型涉及一种用于传热的换热管，属于高效紧凑换热器技术领域。

背景技术

近年来，新型的动力循环发电技术发展迅速，出现了以氦气、氢气、二氧化碳、有机化合物等为工质的循环发电系统，其中以超临界二氧化碳作为工质的循环系统最有发展前景。第四代核电、太阳能热发电、舰船等新的应用领域，正在开发基于超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术，如图1所示。循环回路中的二氧化碳工质处于超临界态，对流换热特性与高压气体-气体换热器相似。

在各类工业用换热器中，传热管是基本的换热器件，广泛应用于管壳式换热器、管板换热器、管翅换热器、锅炉、管式加热器等。但是，常规的传热管如果以光管的形式用于超临界二氧化碳循环装置中，那么换热面积将非常庞大，无法在有限空间中实现高效的换热效果，也无法满足超临界二氧化碳循环装置对于效率和体积方面的要求。

对传热管增加翅片可以扩展换热表面，可同时增加传热表面和提高传热系数，从而提高换热性能。通常的翅片管的翅片平面与管子轴向垂直，即横向翅片，属于不完全逆流换热。本实用新型创造实现了一种新的结构形式，实现了在有限空间且管数平均温差小的换热工况下的完全逆流高效传热。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：如何在有限空间且管数平均温差小的换热工况下实现完全逆流高效传热。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于，包括：

用于分隔管内和管外的流体，并通过对流、热传导的方式实现管内、外流体传热的传热管；

用于扩展传热管的内侧换热表面，形成当量直径0.5mm～5mm的微流道，分隔管内流体并沿传热管轴向流动，同时产生扰流作用、增强对流换热的内翅片组；

用于扩展传热管的外侧换热表面，形成微流道，约束管外流体沿传热管轴向的逆流，同时产生扰流作用、增强对流换热的外翅片组；

所述内翅片组或/和外翅片组的翅片上均设有孔洞。

优选地，所述传热管内部设有用于固定内翅片组的定位管，定位管同轴设于传热管内部，所述内翅片组中的每个翅片的一端均与定位管相连接。

优选地，所述内翅片组的翅片结构呈管中心向管壁径向延伸结构。

优选地，所述内翅片组的翅片呈“Y”型结构。

优选地，所述内翅片组是与所述传热管径向平行的金属薄片或薄带，且所述内翅片组与所述传热管的内壁连接。

优选地，所述内翅片组是围绕所述定位管布置成周向结构的金属薄片或薄带，且所述金属薄片或薄带表面与所述传热管轴向平行。

更优选地，所述金属薄片或薄带的宽度为传热管内径的1/4～1，所述金属薄片或薄带的厚度为0.2mm～1.5mm。

优选地，所述外翅片组是围绕所述传热管布置成周向对称结构的金属薄片或薄带，且所述金属薄片或薄带表面与所述传热管轴向平行。

优选地，所述外翅片组是与所述传热管径向平行的金属薄片或薄带，且所述外翅片组与所述传热管的外壁连接。

更优选地，所述金属薄片或薄带的宽度为传热管内径的1/4～1，所述金属薄片或薄带的厚度为0.2mm～3mm。

优选地，所述内翅片组的每个翅片上的孔洞为任意形状；所述外翅片组的每个翅片上的孔洞为任意形状。

优选地，所述定位管为空心的管。

优选地，所述传热管为可承受规定温度和压力的金属管，所述金属管可以任意截面管或异型管。

优选地，所述内翅片组和外翅片组均与传热管固定连接。

上述的紧凑型气体-气体换热管的制造方法，步骤为：

步骤1：形成传热管，所述传热管用于分隔管内和管外的流体，并通过对流、热传导的方式实现管内、外流体传热；

步骤2：将内翅片组设置在所述传热管的内侧换热表面，内翅片组上开有孔洞；内翅片组用于扩展传热管的内侧换热表面，形成当量直径0.5mm～5mm的微流道，分隔管内流体并沿传热管轴向流动，同时产生扰流作用，增强对流换热；

步骤3：将外翅片组设置在所述传热管的外侧换热表面，外翅片组上均开有孔洞；外翅片组用于扩展传热管的外侧换热表面，形成微流道，约束管外流体沿传热管轴向的逆流，同时产生扰流作用，增强对流换热。

优选地，在所述传热管内部设置有用于固定内翅片组的定位管，定位管同轴设于传热管的内部，内翅片组中的每个翅片的一端均与定位管相连接。

优选地，所述内翅片组与固定有所述外翅片组的所述传热管的内壁相连接。

上述的紧凑型气体-气体换热管的使用方法，其特征在于，步骤为：将至少1根传热管排列于换热器中；传热管管内流体从换热器的管内流体进口端输入，沿传热管内侧流向传热管的出口端，管内流体从内翅片组翅片上的孔洞通过，沿所述传热管轴向流动；流动过程中，传热管的管内流体与内翅片组及传热管内侧表面进行对流传热过程；

传热管管外流体从换热器的管外流体进口端输入，沿传热管外侧与管内流体相向流动，流向所述换热器的管外流体出口端；管内流体从所述换热器的管内流体进口端输入，沿所述传热管内侧与管外流体相向流动，流向所述换热器的管内流体出口端，管外流体从外翅片组翅片上的孔洞通过，沿传热管轴向流动；流动过程中，管外流体与传热管外侧表面、外翅片组进行传热过程，外翅片组、传热管、内翅片组之间发生热传导过程；

传热管的管内流体和管外流体逆流换热；内翅片组扩展传热管的内侧换热表面，并形成微流道约束管内流体沿传热管轴向逆流，同时产生扰流作用、增强对流换热；外翅片组扩展传热管的外侧换热表面，并形成微流道约束管外流体沿传热管轴向逆流，同时产生扰流作用、增强对流换热。

与现有技术相比，本实用新型提供的紧凑型气体-气体换热管具有如下有益效果：

1、管内、外流体实现完全逆流换热，可实现相对小的管数平均温差传热。

2、通过沿传热管内外表面布置不同的翅片组结构，起到充分的扰流作用，提高对流传热系数，有效扩展换热表面积。

3、当量直径0.5mm～5mm微流道能够很好地实现换热效率的提升，产生一定的扰流作用，并充分的减轻了传热管的质量。

4、可用于制造高效紧凑换热器，尤其适用于气体-气体换热工况或回热器。

5、本实用新型将提供足够多的有效换热面积并紧凑布置在一起，既节约设备空间尺寸，同时减少每个面积的重量以降低设备总体重量和制造成本。

附图说明

图1为超临界二氧化碳循环系统示意图；

图2为实施例1提供的外横向翅片内纵向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图3为实施例2提供的外横向翅片内纵向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图4为实施例3提供的外横向翅片内横向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图5为实施例4提供的外横向翅片内横向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图6为实施例5提供的外纵向翅片内纵向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图7为实施例5中，外纵向翅片内纵向翅片圆形管展开示意图；

图8为实施例6提供的外纵向翅片内横向翅片式紧凑型气体-气体换热管示意图；(a)剖视图；(b)主视图；

图9为微通道换热器的结构示意图；

图10为印刷线路版结构示意图；

图11为换热器整体示意图；

附图标记说明：

1—传热管，2—外翅片组，3—内翅片组，4—定位管。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

实施例1

图2为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径0.5mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1径向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的1/4，厚度为1mm；外翅片组2上的每个翅片都开有孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热；

设于传热管1的内侧换热表面，并形成当量直径0.5mm微流道，分隔管内流体沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1轴向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的1/4，厚度为1mm；内翅片组3的每个翅片形成一端连接定位管4，另一端向传热管1的管壁延伸的扩散状，内翅片组3上的每个翅片都开有孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合，比如：内翅片组3的每个翅片延伸至传热管1内壁的一端可与传热管1相连接，也可不连接；定位管4可选实心管，也可为空心管。

实施例2

图3为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径0.5mm～1mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1径向平行的金属薄带，金属薄带宽度为传热管1内径的1/2，厚度为0.5mm，外翅片组2上的每个翅片都开有孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

设于传热管1的内侧换热表面，并形成当量直径1mm微流道，分隔管内流体并沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1轴向平行的“Y”型的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的1/2，厚度为0.5mm，内翅片组3的一端连接定位管4，另一端向传热管1的管壁延伸。内翅片组3上的每个翅片都开有孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合，比如：内翅片组3的每个翅片延伸至传热管1内壁的一端可与传热管1相连接，也可不连接；定位管4可选实心管，也可为空心管。

实施例3

图4为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径2mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1径向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的1/3，厚度为1.5mm，外翅片组2上的每个翅片都开有椭圆形孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

设于传热管1内侧换热表面，并形成当量直径1mm微流道，分隔管内流体沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1径向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的相同，厚度为1.5mm。内翅片组3上的每个翅片都开有椭圆形孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合，比如：内翅片组3的每个翅片延伸至传热管1内壁的一端可与传热管1相连接，也可不连接；内翅片组3的每个翅片的孔洞可对称排列，也可随意排列。

实施例4

图5为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径2mm～4mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向的流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1径向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的2/3，厚度为0.8mm，外翅片组2上的每个翅片都开有椭圆形孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

设于传热管1的内侧换热表面，形成当量直径2mm微流道，分隔管内流体并沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1径向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径相同，厚度为2.5mm。内翅片组3上的每个翅片都开有圆形孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合，比如：内翅片组3的每个翅片延伸至传热管1内壁的一端可与传热管相连接，也可不连接；内翅片组3的每个翅片的孔洞可对称排列，也可随意排列。

实施例5

图6为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径3mm～5mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1轴向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径的3/4，厚度为1.5mm，外翅片组2上的每个翅片都开有孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

设于传热管1的内侧换热表面，形成当量直径1.5mm微流道，分隔管内流体并沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1轴向平行的金属薄片。内翅片组3的每个翅片形成一端连接定位管4，另一端向传热管的管壁延伸的从中心向周边的扩散状，内翅片组3上的每个翅片都开有孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时便产生扰流作用并增强对流换热。

图7为外纵向翅片内纵向翅片圆形管展开示意图。图7中，a为内翅片3的当量直径，b为外翅片2的当量直径，他为传热管1的壁厚。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合。内翅片组3的每个翅片延伸至传热管内壁的一端可与传热管相连接，也可不连接，比如：定位管4可选实心管，也可为空心管；外翅片组2或内翅片组3的每个翅片上的孔洞可对称排列，也可不对称排列。

实施例6

图8为本实施例提供的紧凑型气体-气体换热管示意图，所述的紧凑型气体-气体换热管包括：

传热管1；

设于传热管1外侧换热表面，并形成当量直径3mm～5mm微流道，约束管外流体沿传热管1轴向流动的外翅片组2。外翅片组2的每个外翅片为与传热管1轴向平行的金属薄片，金属薄片宽度为传热管1内径相同，厚度为1.2mm，外翅片组2上的每个翅片都开有孔洞，当管外流体通过外翅片及外翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

设于传热管1内侧换热表面，形成当量直径1mm微流道，分隔管内流体并沿传热管1轴向流动的内翅片组3。内翅片组3的每个翅片为与传热管1径向平行的金属薄片。金属薄片宽度为传热管1内径相同，厚度为3mm。内翅片组3上的每个翅片都开有椭圆孔洞，当管内流体通过内翅片及内翅片上的孔洞时，便产生扰流作用并增强对流换热。

在一些实施方式中，换热管的特征还在于以下一点或多点，其可以任何数量或顺序结合，比如：内翅片组3的每个翅片延伸至传热管内壁的一端可与传热管相连接，也可不连接。内翅片组3的每个翅片的孔洞可对称排列，也可随意排列。

实施例7

本实施例提供了一种紧凑型气体-气体换热管的制造方法：

步骤1：形成传热管1，所述传热管1用于分隔管内和管外的流体，并通过对流、热传导的方式实现管内、外流体传热；

步骤2：将内翅片组3设置在所述传热管1的内侧换热表面；内翅片组3用于扩展传热管1的内侧换热表面，形成当量直径0.5mm～5mm的微流道，分隔管内流体并沿传热管1轴向流动，同时产生扰流作用，增强对流换热；

步骤3：将外翅片组2设置在所述传热管1的外侧换热表面；外翅片组2用于扩展传热管1的外侧换热表面，形成微流道，约束管外流体沿传热管1轴向逆流，同时产生扰流作用，增强对流换热；

在所述内翅片组3或/和外翅片组2上均开有孔洞。

该制造方法还可与以下的一种或多种相关的限定，以任何数量和顺序组合。

在一个或多个实施方式中，将所述传热管1内部设置有用于固定内翅片组3的定位管4，定位管4同轴设于传热管1的内部，所述内翅片组3中的每个翅片的一端与定位管4相连接。

在一个或多个实施方式中，内翅片组3与固定有外翅片组2的传热管1内壁相连接。

结合图11，本实施例还提供了上述紧凑型气体-气体换热管的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：将上述传热管按照换热器的总体设计加工成所需规格，包括传热管的规格、内翅片组的规格、外翅片组的规格，并作为部件安装于换热器中(如：制造成管壳式换热器的管束)。换热器中，中部M为内外翅片区域，采用内外翅片的换热管；两端S为无翅片区域，采用无翅片的换热管。

步骤2：将至少一根传热管1排列于管壳式换热器壳体中，传热管1内流体从换热器的管内流体进口端5(如：管壳式换热器的管箱进口)输入，沿传热管1内侧流向传热管1的出口端，流动过程中传热管1管内流体与传热管1内侧表面进行传热过程；传热管1外流体从换热器的管外流体进口端7(如：管壳式换热器的壳体进口)输入，沿传热管1外侧与管内流体相向流动，流向换热器的管外流体出口端8；管内流体从换热器的管内流体进口端5输入，沿传热管内侧与管外流体相向流动，流向换热器的管内流体出口端6，传热管1管外流体与传热管1外侧表面、外翅片组进行传热过程，传热管和外翅片组与内翅片组之间发生热传导过程，管内流体与传热管内侧表面、内翅片组进行传热过程。

在一个或多个实施方式中，每根传热管1的管内流体从传热管1的进口端(如：管壳式换热器的管箱进口)输入，沿传热管1内侧流向传热管1的出口端。流动过程中，传热管1的管内流体与传热管1的内翅片组、定位管及传热管的内侧表面进行对流传热过程。

传热管1的管外流体从换热器的管外流体进口端(如：管壳式换热器的壳体进口)输入，沿传热管1外侧与传热管1的管内流体相向流动，流向换热器的管外流体出口端；管外流体从外翅片组的孔洞通过，沿传热管1轴向流动。流动过程中，管外流体与传热管1的外侧表面和外翅片组进行传热过程，外翅片组、传热管、内翅片组和定位管之间发生热传导过程。

以下以当量直径2mm以及相同的单位体积为例，计算三种结构换热器的紧凑程度，用单位体积内气体所接触到的固体表面积数值，面密度(m²/m³)来表达：

图9为微通道换热器的结构示意图，其中，c表示微管式换热器的横向当量直径，d表示微管式换热器的纵向当量直径。图10为印刷线路版结构示意图，其中，e为印刷线路板式换热器的当量直径。

从以上的计算结果可以看出，本实用新型的紧凑程度与其他方法相当，当采用孔洞结构后，单位体积的面密度有明显加强，同时产生绕流强化效果。用本实用新型制作的换热器设备，可以达到更小的外形尺寸和更轻的重量。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于，包括：

用于分隔管内和管外的流体，并通过对流、热传导的方式实现管内、外流体传热的传热管(1)；

用于扩展传热管(1)的内侧换热表面，形成当量直径0.5mm～5mm的微流道，分隔管内流体并沿传热管(1)轴向流动，同时产生扰流作用、增强对流换热的内翅片组(3)；

用于扩展传热管(1)的外侧换热表面，形成微流道，约束管外流体沿传热管(1)轴向的逆流，同时产生扰流作用、增强对流换热的外翅片组(2)；

所述内翅片组(3)或/和外翅片组(2)的翅片上均设有孔洞。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述传热管(1)内部设有用于固定内翅片组(3)的定位管(4)，定位管(4)同轴设于传热管(1)内部，所述内翅片组(3)中的每个翅片的一端均与定位管(4)相连接。

3.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述内翅片组(3)的翅片结构呈管中心向管壁径向延伸结构。

4.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述内翅片组(3)的翅片呈“Y”型结构。

5.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述内翅片组(3)是与所述传热管(1)径向平行的金属薄片或薄带，且所述内翅片组(3)与所述传热管(1)的内壁连接。

6.如权利要求2所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述内翅片组(3)是围绕所述定位管(4)布置成周向结构的金属薄片或薄带，且所述金属薄片或薄带表面与所述传热管(1)轴向平行。

7.如权利要求5或6所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述金属薄片或薄带的宽度为传热管内径的1/4～1，所述金属薄片或薄带的厚度为0.2mm～1.5mm。

8.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述外翅片组(2)是围绕所述传热管(1)布置成周向对称结构的金属薄片或薄带，且所述金属薄片或薄带表面与所述传热管(1)轴向平行。

9.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述外翅片组(2)是与所述传热管(1)径向平行的金属薄片或薄带，且所述外翅片组(2)与所述传热管(1)的外壁连接。

10.如权利要求8或9所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述金属薄片或薄带的宽度为传热管内径的1/4～1，所述金属薄片或薄带的厚度为0.2mm～3mm。

11.如权利要求2所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述定位管(4)为空心的管。

12.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述传热管(1)为金属管。

13.如权利要求1所述的一种紧凑型气体-气体换热管，其特征在于：所述内翅片组(3)、外翅片组(2)均与所述传热管(1)固定连接。