专利名称：包括超临界二氧化碳回路的热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及热交换器的领域，尤其涉及以高压二氧化碳(CO2)回路工作的热交换器。
具体地说，本发明涉及用于这种热交换器以便加强热交换性能的管状结构。
背景技术：
通常，高压流体广泛地应用于许多需要在流体回路与外界环境之间或两个流体回路之间进行热交换的设备中，包括工业和民用领域的冷却和加热设备。
工作压力高的流体的使用需要热交换器结构能够承受高水平的机械应力。这种应力特别出现在热交换器的入口和出口区域处，在这些位置处必须绝对保持不泄漏。
相似地，高压流体的使用需要所使用的由多个管状通道构造成的热交换器具有尽可能小的流动截面，以便保持高水平的机械阻力。
因此，在传热特别剧烈的热交换器中具有相当大的优点。高的热交换性能使得热交换器非常紧凑，并且由此使得其所需的支承结构的尺寸减小。
特别是，用于热交换器的一种高压流体是二氧化碳(CO2)，由于其对于臭氧层没有影响因此是所希望的。所以二氧化碳经常以80-150巴的压力在热交换器中使用，即，压力高于临界点(73巴，31摄氏度)。
以下文献中描述了超临界二氧化碳热交换器的某些有益效果的评价-Bruch，S.Colasson，A.Bontemps，J.F.Fourmigué，2004，CFD“Approach to supercritical carbon flow in a vertical tube-Comparison of upward and downward flows”，6thIneternationalGustav Lorentzen Conference on Natural Fluids.Glasgow，Scotland.
-Bruch，A.Bontemps，J.F.Fourmigué，S.Colasson，2005，CFD“Simulation numérique du comportement thermohydraulique d’unécoulement de CO2supercritique dans un tube vertical”，(Numerical simulation of the thermo-hydraulic behaviour ofsupercritical CO2flowing in a vertical tube)，Annual congressof the SFT，Reims，France.
-Bruch，A.Bontemps，S.Colasson，J.F.Fourmigué，2005，“Numerical investigation of laminar convective heat transferof carbon dioxide flowing in vertical mini tubes in coolingconditions”，International conference on heat transfer incomponents and systems for sustainable energy technologies，Grenoble，France.
通常，为了保持层流，在表面周围的区域中的流体流速相对较低，即0.1-0.3m/s的数量级，这使得传热系数明显下降，并且使得热交换器的性能明显降低。
更确切地说，在包括光滑管的二氧化碳热交换器上位于沿管长度上的不同点处可通过计算传热系数来进行评价。这些评价发现，传热系数在管入口区域处较高，即，为在管末端端部处测量的数值的两倍。另一方面，一旦经过管入口区域，热交换显著降低，甚至下降到对于单相流体例如水或空气的层流的经典数值之下，该单相流体的物理特性保持恒定，尽管其随温度会改变。
在管入口区域处的传热吸收的增加是由于流体的建立以及高的热梯度引起的超临界二氧化碳的物理特性的明显改变的组合效果导致的。
本发明的目的在于借助超临界二氧化碳流经的管从而提高热交换器的热交换性能。
发明内容
因此，本发明涉及一种包括超临界二氧化碳回路的热交换器。以公知的方式，该回路包括多个进行热交换的管。
在本发明中，该管的至少一部分的表面包括在其内表面上的不规则部分。
设置在管的内表面上的“表面不规则部分”或“微型结构”应当理解为该管的柱形轮廓的凹或凸形的变形，其导致该管沿管长度的截面变化。
依据本发明的一个特征，这些不规则部分位于这样的一区域上，该区域从管入口延伸到管直径的最大400倍的管位置处。
以另一方式，本发明涉及使用这样的管，管的内表面的仅一部分包括通过破坏液压层和热学层从而改变流体的层流的微型结构。这些不规则部分位于管的第一部分上，直到管直径的400倍的设定极限。
干扰流体层流以便提高传热系数的基本原理是本领域的公知的。该原理广泛地应用于各种类型的管式热交换器以及板式热交换器。其涉及对于沿由管状通道构造成的热交换区域的整个长度的流动进行扰动。
然而，与通常使用的原理相反，在超临界二氧化碳的热交换器中在管状通道的整个长度上设置微型结构或不规则部分不会导致传热系数的提高。相反，其产生相反的效果，即，使得热交换性能下降到这样的程度，即传热系数降低百分之几十。
因此，本发明的一个重要方面包括使用包括不规则部分的管，其中不规则部分不在整个长度上延伸，而是限于特定区域，更具体地说限于管入口部分。
仅仅在给定区域内使用这种微型结构，与光滑管相比，这导致传热明显地提高大致超过10％的数量级。
微型结构的局部设置对于水力学方面而言也是有利的，这是因为在管的一部分中没有凹凸部分，在管中的压头损失也降低了。
实际上，设置有不规则部分的特征区域位于管直径的400倍位置处的下游，应当理解，用于建立该位置的管直径测量数值不包括任何的不规则部分。换言之，所使用的直径是管内侧限定的规则柱形的最大直径。以另一方式，如果凹形区域形成在管内，则所测量的直径应为该区域形成之前的管的直径。
相似地，如果凸形不规则部分形成在管内，则所测量的直径应为该凸形区域形成之前没有不规则部分的管的直径。
该管优选为大致柱形形状，因此具有盘状的截面。然而，还可以使用截面形状不是圆形而是多边形或椭圆形的截面。在这种情况下，为了建立设置有微型结构的区域所测量的直径是水力直径，其通常定义为该管的截面除以被润湿的周长的四倍的比率，被润湿的周长即所涉及的截面的周长长度。
在优选实施形式中，不规则部分位于管直径的80倍至管直径的220倍之间的区域中，所述距离是从管的入口开始测量的。不规则部分可占据整个或部分的所述区域，不必延伸到所给定的极限情况。
相似地，该优选区域的选择意味着对于传热系数有显著影响的基本上所有的不规则部分设置在该特征区域内，然而不排除沿该管长度在该特征区域之外的位置设置非常有限数量的(不规则部分)，并由此使得效果降低。
实际上，不规则部分沿特征区域的扰动沿该区域的长度可以是均匀的或可改变的，以便使得总体传热系数最优化。
实际上，所形成的不规则部分可以具有各种形状并且可借助许多不同的过程来制成。例如，不规则部分可由有利地定向成沿管的径向微型翅片构造成。
不规则部分还可由管状通道的内表面的中空凹部构造成。这些凹部在管中沿外周凹槽成型以便形成微型波纹。
可依据压力和温度条件以及热交换器所需的性能来选择这些翅片或凹部的轮廓，以便例如不会导致管被弱化。这些不同的不规则部分可以按不同方式形成，特别是机加工、磨铣、挤压或嵌入。本发明明显地可应用于由不同材料尤其是不锈钢、铝或铜制成的热交换器。
参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明的实施方式和所获得的有益效果，在附图中图1是依据本发明的热交换器管的示意纵向截面图；图2是图1所示的截面区域II的细节图；和图3示出了两个曲线，它们表示光滑管和本发明的管的沿管长度的传热系数的变化。
具体实施例方式
与超临界二氧化碳一起工作的热交换器包括多个如图1所示的管。
依据本发明，这种类型的管的内表面2包括形成凸形或凹形部分的微型结构。
在图2所示的实施例中，这些不规则部分的形式为在周边上的具有凹口的凹槽3，所述凹槽沿希望设置不规则部分的管区域规则地分布。
依据本发明，设置在区域6中的不规则部分仅仅沿管1长度的一部分延伸。
在图1所示的形式中，该区域6从第一点8延伸，该第一点8位于离开管1的入口7的距离L1处，L1＝80×D，其中D是管的内径。参照图2，该直径D是该管的名义直径，没有将中空区域3考虑在内。
如图1所示，特征区域6延伸到点9，该点9位于离开管1的入口7的距离L2处。该距离等于L2＝200×D。
图3示出了通过使用本发明的管从而获得到的传热系数方面的技术效果。
这些曲线的y轴表示沿管状通道长度所计算的传热系数W/m2/K。X轴表示管长度作为相对于管直径的相对量度(x/D)给出的位置。
虚线表示的曲线表示在现有技术的管内的传热系数的变化，现有技术的管即没有凹凸微型结构的光滑管。可以看出，传热系数在靠近测量量度x/d＝140的管入口区域中达到最大值。该系数随后下降到550W/m2/K的数量级。
实线曲线表示在本发明的管内的传热系数的相同变化。
这样，在设置微型结构的区域中，即测量量度x/D＝80到测量量度x/D＝220，可以看出与光滑管相比，在设置有该微型结构的区域中传热系数有明显地增大。
另一方面，一旦过了该设置有该微型结构的区域，传热系数稍微低于对于相当的光滑管的传热系数。
事实上，一旦超过了测量量度x/D＝550，在本发明的管内的传热系数回复到高于光滑管的相应数值。
作为示例，本发明的管由不锈钢基材制成，具有0.5毫米的内径D和334毫米的长度。超临界二氧化碳的流动的质量流率在80巴的压力下为1.77·10-5kg/s。在管入口的二氧化碳的温度为393K，并且管表面的温度为298K。
微型结构设置在从80D即40毫米到220D即110毫米的区域上。该微型结构的形状为矩形，高度为0.05毫米，宽度为0.05毫米，节距为3.75毫米。
对于该管整个长度所计算的平均传热系数是853W/m2/K。该系数是借助用于流体流动模型的数字编码例如由FLUENT France出售的FLUENT CFD(流体动力学计算)软件来计算的。
该数值与没有微型结构的且具有相同直径光滑管的计算的平均传热系数比较。在这种情况下，该平均传热系数为739W/m2/K，由于该微型结构特征区域该平均传热系数增加了15.3％。
从以上描述中可以看出，依据本发明的热交换器具有许多优点，特别是提高传热系数并由此提高热交换器的总体性能。这样，这些性能使得热交换器可制造成更紧凑并且提供相同的热性能特征。
权利要求
1.一种包括超临界二氧化碳回路的热交换器，该回路包括多个管(1)，其特征在于，该管(1)的至少一个部分包括在内表面上设置的表面不规则部分(3)，所述不规则部分(3)位于延伸到这样一点的区域(6)内，该点位于离开管入口(7)的管直径的400倍的距离处。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述不规则部分(3)位于点(8)和点(9)之间的区域(6)内，点(8)和点(9)分别位于离开管入口(7)的管直径的80和220倍的距离处。
3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该管具有圆形、多边形、或椭圆形截面。
4.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述不规则部分包括微型翅片。
5.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该微型翅片在管内定向成径向。
6.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述不规则部分包括在管内表面上内凹的凹部。
全文摘要
本发明涉及一种包括超临界二氧化碳回路的热交换器，该回路包括多个管(1)。该热交换器的特征在于，该管(1)的至少一个部分包括在其内表面上设置的表面不规则部分(3)。这些不规则部分(3)位于延伸到这样一点的区域(6)内，该点位于离开管入口(7)的管直径的400倍的距离处。
文档编号F28F13/06GK1940458SQ20061012575
公开日2007年4月4日 申请日期2006年8月29日 优先权日2005年9月7日
发明者S·科拉森, A·布鲁赫 申请人:法国原子能委员会