一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管

1.本发明涉及换热器领域，具体涉及一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管。


背景技术：

2.换热器是石油、化工、航空航天、医疗、制冷等领域重要的设备之一。管壳式换热器是各种换热器中使用最早及结构最简单的一种，为了提高设备在高温、高压、超低温等环境下的稳定性与寿命，提高能量利用效率，降低成本，国内外学者对换热器的结构形式不断进行优化改进。换热器的性能与寿命与换热管等元件密切相关，换热管结构形式的优化对于整个换热器的紧凑性以及综合热工水力性能的提高起着决定性作用。传统换热管通常采用光管以及翅片管结构，其中光管压降损失较小但是传热能力弱，而翅片管通过在光管内部或者外部设置翅片增大传热面积、增强扰动，从而使其传热能力得到强化，但其压降损失较大，且存在制造工艺复杂、易堵塞、不耐腐蚀、难检修等问题。而渐扩、渐缩管等变截面管道加工简单，可以改变换热管的热工水力性能。
3.此外，换热器内的工质本身的流动传热特性对于换热器综合热工水力性能的提高也有着重要影响。超临界流体因其良好的流动、传热传质性能而得到广泛的研究应用。例如在超临界二氧化碳布雷顿循环中，工质采用超临界二氧化碳，其在冷却器内流动时，因冷却器出口靠近拟临界点，物性随温度变化剧烈，使得工质在管道内的局部流动传热特性产生明显差异，在高温区换热能力差并且压损大，而在低温区其换热能力得到明显增强并且压损较小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于为了解决传统等截面换热管综合热工水力性能较差的问题，提供一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：复合换热管由相连通的降低压损段、连接段和强化传热段组成，其中，降低压损段采用渐扩管道，连接段采用直管道，强化传热段采用渐缩管道。
6.所述复合换热管的降低压损段渐扩管道的中心线、连接段直管道的中心线与强化传热段渐缩管段的中心线重合，渐扩管道、直管道与渐缩管道在连接处光滑过渡。
7.所述复合换热管降低压损段渐扩管道进口直径等于强化传热段渐缩管道出口直径，渐扩管道出口直径等于连接段直管道直径以及渐缩管道进口直径。
8.所述复合换热管的横截面可以为圆形、矩形、梯形或者椭圆形。
9.所述复合换热管用于布雷顿循环的冷却器中，其出口流体温度接近且高于假临界温度点。
10.所述复合换热管的直径变化范围为2mm-100mm。
11.所述复合换热管中降低压损段管长占总管长的25％-35％，强化传热段占总管长
的25％-45％。
12.所述复合换热管中降低压损段与强化传热段单位长度大端与小端截面面积之比为2.25:1-9:1。
13.本发明提供的用于提高换热管综合热工水力性能的复合换热管，其在工质传热能力差且压降损失大的区域采用渐扩管道来降低压损，在传热能力强且压降损失小的区域采用渐缩管道来强化传热，渐扩管道和渐缩管道之间采用直管道光滑连接来避免传热能力的减弱和压损的增大，有效利用流体的流动传热能力，从而实现换热管综合热工水力性能的进一步提高。此基于分区强化的复合换热管可对工质物性变化的“高效低阻”的换热器的优化设计提供理论指导。
附图说明
14.图1(a)是降低压损段渐扩管道结构示意图；
15.图1(b)是连接段直管道结构示意图；
16.图1(c)是强化传热段渐缩管道结构示意图；
17.图2是本发明第一实施例的复合换热管的三维视图，进口直径2.4mm，直管直径3.6mm，渐扩与渐缩管道长度均为500mm，直管道长度833.3mm：
18.图3(a)是本发明第一实施例复合换热管在超临界二氧化碳布雷顿循环中冷却器工况下与相同条件相同换热面积的直管以及相同收缩角的渐缩管的总体传热系数的对比；
19.图3(b)是本发明第一实施例复合换热管在超临界二氧化碳布雷顿循环中冷却器工况下与相同条件相同换热面积的直管以及相同收缩角的渐缩管的总体压降的对比；
20.图4是本发明第二实施例在超临界二氧化碳布雷顿循环中冷却器工况下，与相同换热面积的直管的总体传热系数的对比。
具体实施方式
21.本发明提供一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，下面将结合具体实施例与附图对本发明进行详细说明。
22.图2是本发明第一实施例采用的复合换热管，该换热管由降低压损段1、连接段2和强化传热段3组成，其中，在降低压损段1采用渐扩管道(参见图1(a))，在连接段2采用直管道(参见图1(b))，在强化传热段采用渐缩管道(参见图1(c))。复合换热管的降低压损段渐扩管道的中心线、连接段直管道的中心线与强化传热段渐缩管道的中心线重合，渐扩管道、直管道和渐缩管道光滑连接。在本实施例中，渐扩管道进口直径、渐缩管道出口直径为2.4mm，渐扩管道出口直径、直管直径与渐缩管道进口直径为3.6mm，渐扩与渐缩管道长度均为500mm，直管道长度为833.3mm。
23.复合换热管的管道直径在第一实施例中范围为2.4～3.6mm，在其他实施例中可根据换热量、压力条件等进行适当调整。
24.在第一实施例中，管道横截面为圆形，但在其他实施例中，其横截面也可为矩形、梯形或者椭圆形等。
25.如图3所示，本发明第一实施例在冷却器工况下(进口温度为370k、压力为8mpa)，与相同条件相同换热面积的直管和相同收缩角的渐缩管的总体传热系数与总体压降进行
对比。复合换热管的总体传热系数明显高于直管和渐缩管(参见图3(a))，且相比于渐缩管，复合换热管的压降损失明显下降(参见图3(b))。
26.本发明第二实施例渐扩管道进口直径、渐缩管道出口直径为30mm，渐扩管道出口直径、直管直径与渐缩管道进口直径为50mm，渐扩与渐缩管道长度均为400mm，直管道长度为359.8mm。如图4所示为冷却器工况下(进口温度为370k、压力为10mpa)，第二实施例与相同换热面积的直管的总体传热系数的对比。复合换热管的总体传热系数在不同热流密度条件下均高于直管。
27.上述的具体实施方式是对本发明的目的、技术方案和效果的进一步详细说明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，由相连通的降低压损段(1)、连接段(2)和强化传热段(3)组成复合换热管，其中，降低压损段(1)采用渐扩管道，连接段(2)采用直管道，强化传热段(3)采用渐缩管道。2.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述的降低压损段(1)渐扩管道的中心线、连接段(2)直管道的中心线和强化传热段(3)渐缩管道的中心线重合，渐扩管道、直管道与渐缩管道在连接处光滑过渡。3.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述的降低压损段(1)渐扩管道的进口直径等于强化传热段(3)渐缩管道的出口直径，渐扩管道的出口直径等于连接段(2)直管道的直径以及渐缩管道的进口直径。4.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述复合换热管的横截面为圆形、矩形、梯形或者椭圆形。5.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述复合换热管用于布雷顿循环的冷却器中，其出口流体温度接近且高于假临界温度点。6.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述复合换热管的直径变化范围为2mm-100mm。7.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述复合换热管中降低压损段1管长占总管长的25％-35％，强化传热段3占总管长的25％-45％。8.根据权利要求1所述的分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，其特征在于，所述复合换热管中降低压损段(1)与强化传热段(3)单位长度大端与小端截面面积之比为2.25:1-9:1。

技术总结
本发明公开了一种分区强化传热的超临界流体变截面复合换热管，包括降低压损段、连接段和强化传热段，其中，降低压损段采用渐扩管道、连接段采用直管道、强化传热段采用渐缩管道，管道截面为圆形。本发明可根据工质沿程局部物性变化，在压降损失较大区域采用渐扩管道降低压损，在换热能力较强且压降较小区域采用渐缩管道强化传热，其他区域采用直管道连接。复合换热管可在强化传热的同时降低压力损失，从而实现换热管综合热工水力性能的提高。从而实现换热管综合热工水力性能的提高。从而实现换热管综合热工水力性能的提高。


技术研发人员：李庆 文哲希 张明慧
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2023/1/13