CN211234058U - 一种螺旋板式换热器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋板式换热器，包括支柱，所述支柱的外壁上套设有多个螺旋板，相邻两个螺旋板之间形成有螺旋形的流道，相邻的两根流道分别用于第一流体和第二流体流通，所述第一流体的温度与第二流体的温度不同。本实用新型的微流道的结构相较于现有的换热器能够在较小体积内实现更大的换热面积，且螺旋流道结构不仅使得流动压降更小，而且流体在螺旋流道截面内易形成二次环流，从而强化螺旋板式换热器的换热效果，在超临界二氧化碳核能系统具有很好的应用前景。

Description

一种螺旋板式换热器

技术领域

本实用新型涉及换热设备领域，具体涉及一种螺旋板式换热器。

背景技术

目前，追求更高安全性和经济性、更少废物排放和可有效抑制核扩散的第四代先进核能系统的研究工作逐渐成为世界各核电强国的研发热点。

采用超临界流体作为堆芯冷却剂，利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将反应堆运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现气冷堆在中等堆芯出口温度下达到较高的目标。超临界流体的这一性质使其在作为核反应堆二回路能量转换工质时同样具有明显的优势。而二氧化碳由于其临界压力相对适中，具有较好的稳定性和核物理性质，被认为是目前核反应堆内最具有应用前景的能量传输和能量转换工质之一。

现有的超临界二氧化碳核能系统中所采用的换热器包括印刷电路板式换热器(PCHE)、管壳式换热器、平面螺旋板式换热器、螺旋管式换热器等。但是，PCHE内几何结构极为复杂，且伴随流场与温度场间强烈耦合作用，其在超临界二氧化碳核能系统中的应用还有待进一步研发，而管壳式换热器、平面螺旋板式换热器、螺旋管式换热器等换热器存在着体积较大、受力条件差、流量不足的问题，不能很好地应用于超临界二氧化碳核能系统。因此，有必要设计一种换热面积大、结构紧凑、流动压降小的换热器以满足超临界二氧化碳核能系统的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于螺旋形微流道的螺旋板式换热器，其相较于现有的换热器能够在较小体积内实现更大的换热面积，且螺旋流道结构不仅使得流动压降更小，而且流体在螺旋流道截面内易形成二次环流，从而强化螺旋板式换热器的换热效果，在超临界二氧化碳核能系统具有很好的应用前景。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种螺旋板式换热器，包括支柱，所述支柱的外壁上套设有多个螺旋板，相邻两个螺旋板之间形成有螺旋形的流道。

现有的换热器中，印刷电路板式换热器(PCHE)的内部结构复杂，且伴随流场与温度场间强烈耦合作用，其在超临界二氧化碳核能系统中的应用还有待进一步研发。结构更为成熟的管壳式换热器、平面螺旋板式换热器、螺旋管式换热器由于体积大、受力条件差、流量不足的问题，不能很好地应用于超临界二氧化碳核能系统。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种螺旋板式换热器。

具体地，该螺旋板式换热器包括一根支柱，所述支柱的外壁上套设有多个螺旋板，所述多个螺旋板的形状与螺旋叶片相似，从支柱的一端螺旋并延伸至支柱的另一端。优选地，螺旋板的中轴线与支柱的中轴线共线。上、下两个相邻的螺旋板之间形成有流道，所形成的流道结构同样为从支柱一端螺旋并延伸至支柱另一端的螺旋形结构，且流道的横截面为矩形。优选地，各流道的高度相同且横截面积相等。

通过上述设置，流体在流道内流动时，由于离心力作用，流体在螺旋流道截面内易形成二次环流，从而强化螺旋板式换热器的换热效果，并且空间螺旋流动使得流动压降更小。

流道用于第一流体和第二流体流通，温度不同的第一流体和第二流体在流道内流动时，通过螺旋板进行热交换。例如第一流体为热流体，第二流体为冷流体，当螺旋板上方的流道流入热流体，螺旋板下方的流道流入冷流体时，热流体的热量通过螺旋板传递至冷流体，从而实现冷却热流体的目的。因此，流道的类型包括两类，一类流道用于通入冷流体，而另一类流道用于通入热流体。

作为本实用新型优选的实施方案，相邻的两根流道分别用于第一流体和第二流体流通，所述第一流体的温度与第二流体的温度不同。也即，同一螺旋板上方和下方的流道中分别通入热流体和冷流体，使得装置在换热过程中，热流体流道和冷流体流道整体上呈交替布置的方式。上述设置进一步增大了冷热流体的换热面积，能够进一步提升换热效果。

为了便于与外部热流体、冷流体通入或排出设备相接，将热流体流道的进出口与冷流体流道的进出口分开设置。具体地，所述用于第一流体流通的流道的上端面上设置有第一开口，用于第一流体流通的流道的下端面上设置有第二开口，所述第一开口、第二开口连通流道的内部与外部空间；所述用于第二流体流通的流道的侧面上设置有第三开口和第四开口，所述第三开口、第四开口连通流道的内部与外部空间。流道为螺旋形结构，因此螺旋形流道的上端面指流道最上端的矩形截面，下端面指流道最下端的矩形截面，使得用于第一流体的流道的进口和出口为沿流道空间螺旋线的切线方向。用于第二流体流通的流道的侧面上设置第三开口和第四开口，第三开口和第四开口使得第二流体从流道的侧面而非两个端面进入流道。进而实现热流体的进出口与冷流体的进出口的分开设置。

进一步地，所述第三开口靠近流道的上端面，所述第四开口靠近流道的下端面。优选地，第三开口靠近第一开口，第四开口靠近第二开口，以使得第二流体的流动长度与第一流体的流动长度基本相等，进而提高换热效果。优选地，各用于第二流体的流道上的第三开口和第四开口的位置相同，以便于外部的通入或排出设备连通。

使用时，第一流体既可从第一开口流向第二开口，也可从第二开口流向第一开口；第二流体即可从第三开口流向第四开口，也可从第四开口流向第三开口。优选地，第一流体的流动方向与第二流体的流动方向相反，以进一步加强冷却效果。

在部分实施例中，还包括壳体，所述螺旋板的外壁固定连接在壳体上以实现流道外侧面的密封，使得流体仅能从第一开口、第二开口、第三开口、第四开口进出。

作为本实用新型中流道密封的优选结构，相邻两个螺旋板之间设置有密封件，所述密封件用于密封所述螺旋形的流道，密封件上设置有开口，所述开口用于向流道内通入或排出流体。密封件设置于两个螺旋板之间，密封件的厚度决定了流道的高度。由于螺旋板为螺旋形结构，因此用于密封流道的密封件也为螺旋形结构。螺旋板-密封件-螺旋板的交替设置使得螺旋板换热器无需设置外壳，螺旋板和密封件的外部即形成了螺旋板换热器的外壳，且密封件能够起到一定的隔热作用，避免相邻的两个螺旋板通过壳体进行传热。

进一步地，密封件上设置有开口，所述开口用于向流道内通入或排出流体。在部分实施例中，用于密封第一流体流道的密封件的开口位置与第一开口和第二开口的位置相同；用于密封第二流体流道的密封件开口位置与第三开口和第四开口的位置相同。

进一步地，所述螺旋板的表面上设置有若干凸起部。空间螺旋流道内易形成层流流动导致换热系数降低，为破坏层流边界层以强化传热，在空间螺旋板上间隔一定距离通过冲压或其他方式形成凸起部，优选地，凸起部为点波状结构。

进一步地，所述流道的高度小于15mm。所述流道为微流道，其高度不超过15mm。微流道的设计使得螺旋板式换热器的结构紧凑、占地面积小，可在更小体积内实现更大的换热面积。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型的微流道的结构相较于现有的换热器能够在较小体积内实现更大的换热面积，且螺旋流道结构不仅使得流动压降更小，而且流体在螺旋流道截面内易形成二次环流，从而强化螺旋板式换热器的换热效果，在超临界二氧化碳核能系统具有很好的应用前景；

2、本实用新型通过螺旋形密封件密封流道，结构简单、便于产业化制造，同时密封件能够起到一定的隔热作用，避免相邻的两个螺旋板通过壳体进行传热；

3、本实用新型将第一流体流道的第一开口统一设置在流道的上端面，将第一流体流道的第二开口统一设置在流道的下端面，将第二流体的第三开口统一设置在靠近第一开口的侧面上，将第二流体的第四开口统一设置在靠近第二开口的侧面上，使得热流体流道的进出口与冷流体流道的进出口分开设置，便于与外部热流体、冷流体通入或排出设备相接；

4、本实用新型在螺旋板的上下表面均设置有凸起部，能够有效地破坏层流边界层以强化传热。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型具体实施例的结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例的下端的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例的上端的结构示意图；

图4为本实用新型具体实施例中螺旋板的结构示意图；

图5位本实用新型具体实施例中密封件的结构示意图；

图6为本实用新型具体实施例的剖视图；

图7为本实用新型具体实施例中螺旋板表面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-支柱，2-螺旋板，3-密封件，4-流道，5-第一开口，6-第二开口，7-第三开口，8-第四开口，9-凸起部。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

实施例1：

如图1所示，一种螺旋板式换热器，包括支柱1，所述支柱1的外壁上套设有多个螺旋板2，相邻两个螺旋板2之间形成有螺旋形的流道4，所述流道4的高度小于15mm；流道4包括两类，一类流道4用于第一流体流通，另一类流道4用于第二流体流通，第一流体和第二流体通过螺旋板2进行热交换。

图2和图3分别示出了螺旋板式换热器的下端和上端，由图2和图3可知，用于第一流体流通的流道4的上端面上设置有第一开口5，用于第一流体流通的流道4的下端面上设置有第二开口6，所述第一开口5、第二开口6连通流道4的内部与外部空间；用于第二流体流通的流道4的侧面上设置有第三开口7和第四开口8，所述第三开口7、第四开口8连通流道4的内部与外部空间；所述第三开口7靠近流道4的上端面，所述第四开口8靠近流道4的下端面。

在部分实施例中，相邻的两根流道4分别用于第一流体和第二流体流通，所述第一流体的温度与第二流体的温度不同。交替设置的冷流道和热流道进一步增大了冷热流体的换热面积，能够进一步提升换热效果。使用时，设第一流体为热流体，第二流体为冷流体。第一流体从第一开口5流向第二开口6，第二流体从第四开口8流向第三开口7，以进一步加强冷却效果。

在部分实施例中，螺旋板2的中轴线与支柱1的中轴线共线。优选地，各流道4的高度相同且横截面积相等。

在部分实施例中，螺旋板2的个数大于40。

实施例2：

在实施例1的基础上，相邻的螺旋板2之间采用密封件3进行密封。具体地，如图4和图5所示，相邻两个螺旋板2之间设置有密封件3，所述密封件3用于密封所述螺旋形的流道4，密封件3上设置有开口，所述开口用于向流道4内通入或排出流体。

由于螺旋板为螺旋形结构，因此用于密封流道的密封件也为螺旋形结构。螺旋板-密封件-螺旋板的交替设置使得螺旋板换热器无需设置外壳，螺旋板和密封件的外部即形成了螺旋板换热器的外壳，且密封件能够起到一定的隔热作用，避免相邻的两个螺旋板通过壳体进行传热。密封件上设置的开口用于向流道内通入或排出流体，用于密封第一流体流道的密封件的开口位置与第一开口和第二开口的位置相同；用于密封第二流体流道的密封件开口位置与第三开口和第四开口的位置相同。

实施例3：

由于流道的尺寸较小，通常需要设置数十根至上百根流道以满足流量要求。为了清楚地说明流道结构，本实施例中，螺旋板式换热器采用四根流道，四根流道从上至下依次为冷流道、热流道、冷流道和热流道。

如图6所示，冷流体的流道4的进出口，也即第四开口8和第三开口7均位于流道4的侧面，冷流体从下端的第四开口8流入，并从第三开口7流出。热流体的流道4的进出口设置于流道的上下两个端面，且沿流道空间螺旋线的切线方向，热流体从上端面的第一开口5流入，并从第二开口6流出。在图6中，热流体在第一开口5处的流动方向为垂直于剖视面向里，而热流体在第二开口6处的流动方向为垂直于剖视面向外。

实施例4：

在上述实施例的基础上，所述螺旋板2的表面上设置有若干凸起部9。凸起部既可以仅设置在螺旋板2的上表面或下表面上，也可以同时设置于螺旋板2的上表面和下表面上。

空间螺旋流道内易形成层流流动导致换热系数降低，为破坏层流边界层以强化传热，在空间螺旋板上间隔一定距离通过冲压或其他方式形成凸起部，优选地，凸起部为点波状结构。

本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(例如第一开口、第二开口、第三开口、第四开口等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种螺旋板式换热器，其特征在于，包括支柱（1），所述支柱（1）的外壁上套设有多个螺旋板（2），相邻两个螺旋板（2）之间形成有螺旋形的流道（4）；

相邻的两根流道（4）分别用于第一流体和第二流体流通，所述第一流体的温度与第二流体的温度不同。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，所述用于第一流体流通的流道（4）的上端面上设置有第一开口（5），用于第一流体流通的流道（4）的下端面上设置有第二开口（6），所述第一开口（5）、第二开口（6）连通流道（4）的内部与外部空间。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，所述用于第二流体流通的流道（4）的侧面上设置有第三开口（7）和第四开口（8），所述第三开口（7）、第四开口（8）连通流道（4）的内部与外部空间。

4.根据权利要求3所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，所述第三开口（7）靠近流道（4）的上端面，所述第四开口（8）靠近流道（4）的下端面。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，相邻两个螺旋板（2）之间设置有密封件（3），所述密封件（3）用于密封所述螺旋形的流道（4），密封件（3）上设置有开口，所述开口用于向流道（4）内通入或排出流体。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，所述螺旋板（2）的表面上设置有若干凸起部（9）。

7.根据权利要求1~5中任一项所述的一种螺旋板式换热器，其特征在于，所述流道（4）的高度小于15 mm。

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