CN107131776A - 一种环形通道内双螺旋管式气‑气换热器 - Google Patents

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李增耀
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于霄
沈毅
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
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Abstract

一种环形通道内双螺旋管式气‑气换热器，涉及气‑气换热器领域，包括若干沿环形通道周向均匀设置在环形通道内的换热单元；环形管道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流入集气室和热气流流出集气室，以及两端分别与热气流流入集气室和热气流流出集气室连通的若干螺旋型换热管；螺旋型换热管包括沿环形通道径向呈间隙设置的外层螺旋换热管和内层螺旋换热管，并分别沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流入集气室的入口和热气流流出集气室出口位于换热单元的同一端，且均穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。

Description

一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器
技术领域
本发明涉及气-气换热器领域，具体为一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器。
背景技术
风道广泛存在于各个工程领域，如航空、航天、船舶、车辆、核技术领域等。对于各个不同领域，风道具有不同的形式，比较常见的有方形、圆形、环形。对于一些复杂尖端领域，如空天预冷发动机外涵道，空气流速往往会达到跨音速或超音速，这时，换热器的传热设计和结构设计必须同时满足空气动力性能和热力性能的要求。环形风道常见于航空发动机和空天预冷发动机外涵道，这时，换热器除需满足流动与阻力特性外，还必须具备耐高温耐高压等特点。用于环形风道的气-气换热器有蛇形管换热器、板翅式换热器和原表面换热器。蛇形管换热器管内流程长，流道数目少，管内流阻高，热应力分布不均匀，换热效果差。板翅式换热器和原表面换热器相比蛇管换热器而言结构紧凑，但耐压性和热膨胀自适应性差，密封性不好，适用温度和压力范围有限。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低流阻，高换热，耐压性好环形通道内双螺旋管式气-气换热器。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，包括若干沿环形通道周向均匀设置在环形通道内的换热单元；
环形管道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流入集气室和热气流流出集气室，以及两端分别与热气流流入集气室和热气流流出集气室连通的若干螺旋型换热管；
螺旋型换热管包括沿环形通道径向呈间隙设置的外层螺旋换热管和内层螺旋换热管，并分别沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；
热气流流入集气室的入口和热气流流出集气室出口位于换热单元的同一端，且均穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。
优选的，外层螺旋换热管和内层螺旋换热管在迎风面内分别呈弧形设置。
优选的，换热单元自由端与相邻的环形通道的内壁或外壁呈间隙设置。
优选的，换热管束在环形通道的径向上呈双层螺旋排布设置。
优选的，热气流流入集气室和热气流流出集气室具有相同结构；
每个集气室包含两个集气腔，热气流流入集气室的两个集气腔分别与外层螺旋换热管和内层螺旋换热管的入口连通，热气流流出集气室的两个集气腔分别与外层螺旋换热管和内层螺旋换热管的出口连通；
每个集气室中心位置设有中心圆孔和中心凹槽；中心凹槽沿冷气流流向设置。
优选的，螺旋型换热管的管外径为2mm～4mm。
优选的，螺旋型换热管的管内径为1.4mm～3.4mm。
优选的，螺旋型换热管采用最低耐受温度为500℃，最低耐受压力为3MPa的镍铬合金管制成。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用若干螺旋型换热管装配成换热束，螺旋型换热管沿环形通道径向设置为外内两层，相比普通螺旋管式换热器而言，集气室设置更为简化，局部流动阻力损失更低；换热器集气室高度较低，且中部有凹槽，降低了集气部件对风道带来的阻力损失，中心圆孔的设置用以减少换热器单元质量，在某些情况下也可用于固定换热器；螺旋型换热管相比蛇形换热管而言具有更高的管内换热系数，同时热应力分布更为均匀，从而保证了在高温高压条件下换热设备使用的安全性和耐久性；采用管径不超过4mm的细换热管，可进一步增加换热器的紧凑度，同时降低管外阻力；管式的换热设置相比板翅式和原表面式换热器而言，具有更好的耐压性和密封性，在高温条件下，管式换热器还具有良好的热膨胀自适应性，这就保证了换热器在高温高压条件下使用时的耐久性；可根据不同的换热需求，调整换热单元的数量，以及管束内换热管的数量，适应范围广。
进一步的，换热管呈弧形设置，通过对弯曲弧度的调整能够根据单元总换热面积的不同改变换热管长度。当所需单元换热器面积较大时，增加弯曲弧度同时增加换热管长度；当所需单元换热面积较小时，减小弯曲弧度同时减小换热管长度。
进一步的，换热单元自由端的间隙设置使其具备良好热膨胀自适应性。换热器自由端即热流体出口集气室及附近连接部位。当温度升高时，换热管由于热膨胀性而增长。为了保证换热单元具有足够的自由端空间，可适当增加换热管弯曲弧度。
进一步的，集气室中部设置有中心凹槽和中心圆孔，可进一步降低换热器单元重量，在某些情况下，中心圆孔可用于固定换热器单元。
进一步的，通过对换热管管径的限定，在采用更细的换热管在降低管外阻力的同时，提高了换热器紧凑度，使得换热器整体换热能力得到了明显提升。另外，换热器总装机重量在一定程度上也得到了降低。
附图说明
图1为本发明实例中所述的结构示意图。
图2a和图2b分别为本发明实例中所述的换热器两个不同角度的视图。
图2c为为本发明实例中所述的集气室示意图。
图3为图1的纵剖面流动示意图。
图中：热气流流入集气室1，内层螺旋换热管2，外层螺旋换热管3，热气流流出集气室4，集气腔5，中心圆孔6，中心凹槽7。
具体实施方式
内面结合具体的实施例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。
本发明一种环形通道内管式气-气换热器，如图1和图3所示，包括若干沿环形通道周向均匀设置的换热单元；环形管道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流入集气室1和热气流流出集气室4，以及两端分别与热气流流入集气室1和热气流流出集气室4连通的若干螺旋型换热管；螺旋型换热管沿环形通道径向分为外层螺旋换热管3和内层螺旋换热管2，并沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流入集气室1的入口和热气流流出集气室4的出口位于换热单元的同一端，且同穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。如图1所示，换热管束依次排列且弯折为弧形，优选的管子外径不超过6mm。冷气流在环形通道内流动，热气流在换热管内流动。本发明换热器相比其他型式管式换热器而言具有更高的管内换热系数，同时热应力分布更为均匀，从而保证了在高温高压条件下换热设备使用的安全性和耐久性。换热管束为弧形排布，有利于提高换热器的紧凑度和热膨胀自适应性。换热器单元可根据不同需求以不同数目均匀布置于环形通道内。其换热器单元由若干单根耐高温耐高压合金螺旋管装配成管束并与集气室焊接组成。
本发明由热流体入口集气室1，耐高温耐高压金属合金的内、外层螺旋型换热管2、3，热流体出口集气室4组成。为了适应各种设计需求，换热管可以设计为不同的弯曲弧度和长度。如图2a所示，热端内流空气由热流体入口集气室引入，冷端风道空气通过换热管外，热端内流空气被冷却后由热流体出口集气室引出。如图2b所示，热流体流入集气室1和热流体流出集气室4具有相同结构，每个集气室包含两个集气腔5，每个集气腔5分别与外层螺旋换热管3和内层螺旋换热管2相连，且连接边缘为圆角，以减小局部阻力损失。集气室与集气腔大小可根据换热器宽度和换热管尺寸调整。如图2c所示，每个集气室包含一个中心圆孔6和一个中心凹槽7，中心凹槽7沿冷气流流向设置，用于进一步减小集气部件重量，并降低气流阻力。热气流流入集气室1的两个集气腔5分别与外层螺旋换热管3和内层螺旋换热管2的入口连通，作为热气流流入集气室1入口；热气流流出集气室4的两个集气腔5分别与外层螺旋换热管3和内层螺旋换热管2的出口连通，作为热气流流出集气室4出口。
根据不同情况，中心圆孔6也可用于固定换热器单元。本优选实例为六组螺旋换热管，外层与内层各三组。该种双螺旋管式换热器具有很好的灵活性和紧凑性。

Claims (8)

1.一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，包括若干沿环形通道周向均匀设置在环形通道内的换热单元；
环形管道内冷气流沿轴向运动，所述的换热单元包括分别沿冷气流流向布置的热气流流入集气室(1)和热气流流出集气室(4)，以及两端分别与热气流流入集气室(1)和热气流流出集气室(4)连通的若干螺旋型换热管；
螺旋型换热管包括沿环形通道径向呈间隙设置的外层螺旋换热管(3)和内层螺旋换热管(2)，并分别沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；
热气流流入集气室(1)的入口和热气流流出集气室(4)出口位于换热单元的同一端，且均穿过环形通道的内壁或外壁设置，换热单元的另一端为自由端。
2.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，外层螺旋换热管(3)和内层螺旋换热管(2)在迎风面内分别呈弧形设置。
3.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，换热单元自由端与相邻的环形通道的内壁或外壁呈间隙设置。
4.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，换热管束在环形通道的径向上呈双层螺旋排布设置。
5.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，热气流流入集气室(1)和热气流流出集气室(4)具有相同结构；
每个集气室包含两个集气腔(5)，热气流流入集气室(1)的两个集气腔(5)分别与外层螺旋换热管(3)和内层螺旋换热管(2)的入口连通，热气流流出集气室(4)的两个集气腔(5)分别与外层螺旋换热管(3)和内层螺旋换热管(2)的出口连通；
每个集气室中心位置设有中心圆孔(6)和中心凹槽(7)；中心凹槽(7)沿冷气流流向设置。
6.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，螺旋型换热管的管外径为2mm～4mm。
7.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，螺旋型换热管的管内径为1.4mm～3.4mm。
8.根据权利要求1所述的一种环形通道内双螺旋管式气-气换热器，其特征在于，螺旋型换热管采用最低耐受温度为500℃，最低耐受压力为3MPa的镍铬合金管制成。
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