用于变物性流体冷却的毛细管换热器的制作方法

本实用新型涉及散热技术领域，尤其涉及一种用于变物性流体冷却的毛细管换热器。

背景技术：

换热器是一种用来实现高低温流体之间换热的通用设备，在电力、石油、化工等领域具有广泛的应用，优化换热器的结构，提高换热器的性能，对于节约能源、减少能耗、降低成本具有很大的帮助。管壳式换热器具有结构简单、可适用各种复杂工况等优点，在上述领域中具有广泛的应用。目前针对常规流体的管壳式换热器的设计规范标准、生产加工方法都已经较为成熟，使用范围也比较广泛。现有设计理论认为，工质沿管壳式换热器的管程和壳程的物性变化不大，可按照常物性作为设计参数，这种设计理论对于大多数流体具有比较好的适用性。

随着能源动力技术的发展，管壳式换热器的使用也越来广泛，在一些特殊的应用场合，如超临界二氧化碳发电领域，管壳式换热器作为冷却器具有工艺简单、紧凑度高、成本低的优势。其中，高温流体超临界二氧化碳在管侧流动，低温流体冷却水在壳侧流动，实现冷热流体之间的高效传热。但是由于超临界二氧化碳的比热、焓值、粘度、密度等相关物性参数会随温度的变化而生改变，尤其是在临界点附近，其物性变化尤为剧烈，因此带来管壳式换热器的沿程换热系数也会发生变化。根据相关的换热器设计理论，管壳式换热器的总传热系数取决于超临界二氧化碳侧及水侧换热系数的数值，任何一侧数值的变化都会带来总传热系数的改变。因此如何设计管壳式换热器的结构，使其两侧换热系数相匹配，提高换热器的性能，成为换热器设计的关键技术。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型公开了一种用于变物性流体冷却的毛细管换热器，以至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种用于变物性流体冷却的毛细管换热器，包括：壳体，在其两端设第一流体入口和第一流体输出口；

管箱，设于壳体之内，并在管箱的两端设第二流体入口和第二流体输出口；

多个传热管束，设于管箱之内，并与第一流体入口和第一流体输出口相连通；

多个折流板，具有与多个传热管束的排列方式相适配的通孔，各个折流板通过该通孔穿设于传热管束上；

其中，沿着毛细管换热器内流体流动的方向，折流板与管箱壁之间的距离和相邻两个折流板之间的距离呈逐渐减小的变化，和/或，折流板的高度呈逐渐增加的变化。

一些实施例中，折流板的高度的变化范围为占整个折流板长度的50％～80％之间。

一些实施例中，折流板的形状包括弓形折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。

一些实施例中，折流板非垂直穿设于传热管束。

一些实施例中，沿着毛细管换热器内流体流动的方向，折流板与管箱壁之间形成的空间的体积和相邻两个折流板之间形成的空间的体积呈逐渐减小的变化。

一些实施例中，相邻两个传热管束之间的间距为1mm-6mm。

一些实施例中，传热管束采用金属材料。

一些实施例中，传热管束的内径为0.5mm-3mm。

(三)有益效果

本实用新型提供的该用于变物性流体冷却的毛细管换热器，具有以下有益效果：

(1)通过折流板之间间距、折流板的形状、折流板的尺寸等手段，提高壳侧冷却水的换热系数，从而实现管侧超临界二氧化碳的换热系数与壳侧冷却水换热系数之间的匹配，实现提高整个换热器的性能和传热能力的目的；

(2)本实用新型具有设计方法简便，结构形式简单的特点，不需要在传统的管壳式换热器上增加任何其他零部件即可实现，极大地增加了制造的便利性。

附图说明

图1是传统管壳式换热器内部流体换热系数的变化图；

图2是管壳式换热器的一般构造图；

图3是本实用新型实现的管壳式换热器内部流体换热系数的变化图；

图4是本实用新型一实施例针对折流板的间距设计得到的管壳式换热器的结构图；

图5是本实用新型另一实施例针对折流板的高度设计得到的管壳式换热器的结构图；

图6是本实用新型实施例中用到的一种弓形折流板的结构。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

在现有的管壳式换热器中，其工作原理如图1所示，沿管壳式换热器的长度方向，由于水的物性基本保持不变，因此其换热系数从进口到出口处于一定值，而由于超临界二氧化碳物性的变化导致其换热系数从进口到出口逐渐升高，两者之间的差值在不断的发生变化。

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于变物性流体冷却的毛细管换热器，适用于超临界二氧化碳等在热量传热过程中，物性发生改变，沿程换热系数发生变化的换热器设计领域。

现以一具体实施例描述，本实用新型一实施例以变物性流体毛细管管壳式换热器的设计为目标，解决毛细管管壳式换热器两侧换热系数不匹配的问题，实现换热器的整体优化设计，其结构请参照图2所示，该毛细管管壳式换热器的主要组成部分包括：

壳体，在其两端设第一流体入口和第一流体输出口；

管箱，设于壳体之内，并在管箱的两端设第二流体入口tcin和第二流体输出口tcout；

多个传热管束，设于管箱之内，并与第一流体入口thin和第一流体输出口thout相连通；

多个折流板，具有与多个传热管束的排列方式相适配的通孔，各个折流板通过该通孔穿设于传热管束上。

一般地，以第一流体为超临界二氧化碳流体，第二流体为冷却水为例，该毛细管管壳式换热器工作时：在毛细管换热器的管侧，毛细管1(即传热管束)内部走超临界二氧化碳流体，超临界二氧化碳流体从左侧入口(即第一流体入口)thin进入到毛细管1中，经过降温后，从右侧出口(即第一流体出口)thout流出，由于温度的变化，在此过程中，超临界二氧化碳的物性在毛细管的流动方向上发生剧烈的变化，造成换热系数的巨变；在毛细管换热器的壳侧，低温流体如冷却水，从壳侧入口(即第二流体入口)tcin流入，经过折流板h1～h4的导流与扰动，从壳侧出口(即第二流体出口)tcout流出，在此过程中，由于冷却水的物性基本保持不变，所以换热系数基本不变。因此，本实施例基于该毛细管管壳式换热器，对其中的折流板进一步设计，包括：

沿着毛细管换热器内流体流动的方向，折流板与管箱壁之间的距离和相邻两个折流板之间的距离呈逐渐减小的变化；

和/或，沿着毛细管换热器内流体流动的方向，折流板的高度呈逐渐增加的变化。

通过此种设计，能使壳侧流体的换热系数沿流动方向逐步提高，实现和管侧流体的换热系数变化趋势接近，如图3所示，进一步可极大地提高毛细管管壳式换热器对于变物性工质冷却的适应能力，提高该种换热器的应用范围和性能。

基于上述实施例，更进一步的，其中，折流板可垂直或非垂直的穿设于传热管束，以达到扰动流体流向、提高传热效果以及支撑传热管束等作用。优选地方式为垂直穿设，但在另一些实施例中，折流板亦可非垂直的穿设于传热管束，实现与传热管束的连接，且各个折流板之间可不必要保持互相平行，鉴于本实用新型中对折流板的设计方式，仅需保证在沿着毛细管换热器内流体流动的方向，折流板与管箱壁之间形成的空间的体积和相邻两个折流板之间形成的空间的体积呈逐渐减小的变化，即可得到同样的实现冷热流体之间换热系数的匹配，从而实现毛细管管壳换热器的高效传热的技术效果。

需要说明的是，一些实施例中，对上述折流板的设计高度的变化范围为占整个折流板长度的50％～80％之间。

一些实施例中，相邻两个传热管束之间的间距为1mm-6mm，具体的，传热管束的排布方式不受限制，该对相邻两个传热管束之间的间距的限定包括传热管束在垂直方向上的间距限定，或在平行方向上的间距限定，或在任意方向上的间距限定。

另一些实施例中，传热管束采用金属材料，传热管束的内径为0.5mm-3mm。

基于以上实现方式，本实用新型另外提供了两例具体实施例，分别针对不同形式的折流板设计，做进一步的详细说明如下：

实施例1：

如图4所示，采用内径d为0.5mm-3mm的金属材料毛细管1作为毛细管管壳式换热器的管侧毛细管材料，毛细管之间的间距(水平方向上)w1在1mm-6mm之间，毛细管之间的间距(垂直方向上)w2在1mm-6mm之间，毛细管内部(管侧)走高温的超临界二氧化碳流体，毛细管内部(壳侧)走低温的冷却水。沿管侧超临界二氧化碳流体从入口thin到出口thout温度逐渐降低，换热系数逐渐升高，为了使其壳侧水的换热系数与超临界二氧化碳侧的换热系数相匹配，可以通过改变折流板h1～h4之间的间距实现。根据现有的研究结果，随着折流板之间间距l的减小，壳侧冷却水的换热系数逐渐提高，即在本实施例中，将壳侧折流板的间距l逐渐减小，即l1＞l2＞l3＞l4＞l5，从而实现壳侧冷却水换热系数的逐步提高。

需要特殊说明的是，本实施例中，只设计了4块折流板，实际上根据毛细管管壳式换热器的功率、沿流体流动方向上的长度，折流板的数量可以是2-20块，甚至更多的数量。

实施例2：

如图5所示，在本实施例中，同样采用内径d为0.5mm-3mm的金属材料毛细管1作为毛细管管壳式换热器的管侧毛细管材料，毛细管之间的间距(水平方向上)w1在1mm-6mm之间，毛细管之间的间距(垂直方向上)w2在1mm-6mm之间，毛细管内部走高温的超临界二氧化碳流体，毛细管内部走低温的冷却水。根据现有的研究结果，随着折流板高度h的增加，如图6，壳侧冷流体的换热系数增加，因此在本实施例中，可以将折流板h1～h4所对应的高度h逐渐增加，从而提高水侧的换热系数，但是折流板高度h的变化变化范围一般占整个折流板d的50％～80％之间。

在其他实施例中，对折流板的设计亦可做如下更改或替换：

(1)可以将实施例1和实施例2结合使用，从而优化换热器的传热效果；

(2)实施例1和实施例2是以弓形折流板为例，进行了说明，对于盘环形折流板、孔式折流板和折流圈等其他形式的折流板，亦可按照实施例1或者实施例2中的相关思路，进行毛细管管壳式换热器的设计。

以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，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。