一种环形通道内螺旋列管式气‑气换热器的制作方法

本发明涉及气-气换热器领域，具体为一种环形通道内螺旋列管式气-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，且在流动布置上为顺流换热器，温差修正系数小，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。

技术实现要素：

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螺旋列管式气-气换热器。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种环形通道内螺旋列管式气-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管和热气流流出集气管，以及两端分别与热气流流出集气管和热气流流入集气管连通的若干螺旋换热管；

螺旋换热管沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；

热气流流出集气管的出口和热气流流入集气管入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，螺旋换热管在迎风面内呈弧形设置。

优选的，换热单元自由端与相邻的内壁或外壁呈间隙设置。

优选的，螺旋换热管沿冷气流流向依次分布，相邻螺旋换热管的轴向间距与螺旋换热管的螺距相同。

优选的，热气流流入集气管和热气流流出集气管分别采用横截面为圆形的集气管。

优选的，螺旋换热管管外径为2mm～4mm。

优选的，螺旋换热管管内径为1.4mm～3.4mm。

优选的，螺旋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换热管装配成换热束，通过分别设置在两端的热气流流出集气管和热气流流入集气管从而增加了热流体流道数目，使得管内流阻大幅降低；换热器集气管位于距离风道上下表面较近的位置，降低了集气部件对风道带来的阻力损失；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，冷热流动布置为交叉流，提高了换热效果，同时降低管外阻力；相比其他型式管式换热器而言，螺旋列管式换热器可通过改变螺距和螺旋次数灵活调整热端入口数量，设计方法更为灵活；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管及附近连接部位。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，换热管管束能够按不同的换热要求和流动阻力损失要求灵活设计单个换热管的螺距及螺旋次数，根据换热管尺寸灵活设计集气管尺寸。

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不同管径换热单元结构示意图。

图3为图1的纵剖面流动示意图。

图中：热气流流入集气管1，螺旋型换热管2，热气流流出集气管3。

具体实施方式

下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螺旋列管式气-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管1和热气流流出集气管3，以及两端分别与热气流流出集气管1和热气流流入集气管3连通的若干螺旋型换热管2；螺旋型换热管2沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流入集气管1的入口和热气流流出集气管3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。每个换热器单元可根据具体情况由多排螺旋换热管组成。冷气流在环形通道内流动，热气流在换热管内流动。本发明换热器大幅增加了热流体流道数目，显著降低了管内流阻。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细管装配成管束并与集气管焊接组成。

换热单元能够根据不同的需求，采用不同结构的换热管，如图2中a所示，其为螺旋次数为2.5，螺旋管数为6的换热器单元，b为螺旋次数为3.5，螺旋管数为9的换热器单元。

本发明由热流体入口集气管1，耐高温耐高压金属合金的螺旋型换热管2，热流体出口集气管3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、长度、螺距及螺旋次数，集气管可以根据换热管尺寸适当调整。如图2a和图2b所示，热端内流空气由热流体入口集气管引入，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管引出。图2a中采用管径为8mm的圆形集气管，其中螺旋管换热管管径为6mm，换热管单元螺旋次数为2.5，螺距为8mm；图2b中采用管径为4mm的圆形集气管，其中螺旋管换热管管径为3mm，换热管单元螺旋次数为3.5，螺距为3.6mm。根据设计要求可灵活设计换热管单元的螺距、螺旋次数以及换热器单元内螺旋换热管单元数量。因此，该种螺旋列管式换热器具有很好的设计灵活性。

技术特征：

技术总结
一种环形通道内螺旋列管式气‑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管和热气流流出集气管，以及两端分别与热气流流出集气管和热气流流入集气管连通的若干螺旋换热管；螺旋换热管沿冷气流流向依次排列分布形成换热管束；热气流流出集气管的出口和热气流流入集气管入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。

技术研发人员：李增耀;于广雷;于霄;沈毅
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2017.05.31
技术公布日：2017.09.22