一种用于变物性流体换热的毛细管换热器

本发明涉及换热技术领域，尤其涉及一种用于变物性流体换热的毛细管换热器。

背景技术：

超临界二氧化碳具有良好的传热和热力学性能，在汽车空调、直冷与热泵系统已经获得应用，是未来替代氟利昂最有竞争力的制冷剂之一。另一方面超临界二氧化碳布雷顿循环可大大减小压气机、换热器、透平的尺寸，同时具有效率高，运行维护成本低等优势。在高压流体换热领域如超临界二氧化碳热泵、超临界二氧化碳布雷顿发电中均需要高效紧凑、耐高温、高压换热器。毛细管换热器是在传统管壳式换热器基础上通过大幅减小管径发展而来的一种紧凑式换热器，该换热器通道尺寸小，承压能力高，换热性能好，具有广阔的应用前景。

传统管壳式换热器通常用于具有固定物性和换热系数的常规流体换热，其设计方法不需考虑局部的流体物性变化和换热能力的内外匹配，管程管径整体保持一致。而对于具有变物性的流体换热过程，由于流体比热等物性和换热系数随着换热过程的进行发生变化，一致的管径或者管间距设计导致内外流体换热能力在局部产生不匹配，导致总体传热性能下降。

以超临界二氧化碳热泵和超临界二氧化碳布雷顿发电系统中的冷却器为例，高温高压超临界二氧化碳在管程流动，低温低压冷却水在壳程流动。超临界二氧化碳在冷却过程中，其比热、焓值、粘度和密度均随着温度的变化而变化，尤其在临界点附近，其物性变化尤为剧烈，导致其在管程的换热系数也发生较大变化，一般当二氧化碳温度靠近拟临界点时，其换热系数较高，当二氧化碳温度远离拟临界点时，其换热系数较低。因此，开发一种适用于变物性流体换热的毛细管换热器极为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决变物性流体毛细管换热器中管程内外两侧换热系数不匹配的问题，本发明提供了一种用于变物性流体换热的毛细管换热器。

本发明提供一种用于变物性流体换热的毛细管换热器，该毛细管换热器包括：壳体，内部形成有管箱空间，在壳体的两端设置有第一流体入口和第一流体输出口，并在壳体的另外两端设置有第二流体入口和第二流体输出口；多个传热管，设于管箱空间之内，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上；其中，沿着毛细管换热器内管程流体流动的方向，多个传热管中至少部分传热管的管径d逐渐变大，和/或，多个传热管中相邻两个传热管的管中心间距p逐渐减小。

在一些实施例中，在靠近第一流体入口处，多个传热管的管径d1为1～4mm。

在一些实施例中，在靠近第一流体输出口处，多个传热管的管径d2为2～8mm。

在一些实施例中，0.5＜d1/d2＜1。

在一些实施例中，靠近第一流体入口的多个传热管的相邻两个传热管的管中心间距p1为5～10mm。

在一些实施例中，靠近第一流体输出口的多个传热管的相邻两个传热管的管中心间距p2为1～6mm。

在一些实施例中，1＜p1/p2＜2。

在一些实施例中，多个传热管中至少部分传热管的管径d呈线性增加；多个传热管中至少部分传热管的相邻两个传热管的管中心间距p呈线性减小。

在一些实施例中，毛细管换热器用于变物性流体的换热，变物性流体包括超临界二氧化碳。

在一些实施例中，毛细管换热器包括印刷电路板换热器、管壳式换热器。

本发明通过将固定传热管管径和管中心间距的毛细管换热器改为传热管管径和管中心间距沿程变化的毛细管换热器，有效提高了靠近管程入口的管程流体的换热系数和靠近管程输出口的壳程流体的换热系数，增加了毛细管换热器整体上管程内外换热系数的匹配，从而提升了换热器的整体传热性能。本发明保留了原有毛细管换热器的耐高温高压、换热能力强的优点，同时通过简单的结构尺寸改变，进一步提升了毛细管换热器用于变物性流体的换热性能。

附图说明

图1为常规毛细管换热器的结构示意图；

图2为常规毛细管换热器用于变物性流体换热时沿管程流体流动方向管程和壳程流体换热系数的变化图；

图3为本发明实施例提供的针对传热管的管径设计得到的毛细管换热器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的靠近第一流体入口和靠近第一流体输出口的传热管的管径d的示意图；

图5为本发明实施例提供的针对相邻两个传热管的管中心间距设计得到的毛细管换热器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的相邻两个传热管的管中心间距p的示意图；

图7为本发明实施例实现的毛细管换热器沿管程流体流动方向管程和壳程流体换热系数的变化图。

【附图符号说明】

1-壳程；2-管箱空间；3-传热管；4-折流板；5-管板；6-壳体；thin-第一流体入口；thout-第一流体输出口；tcin-第二流体入口；tcout-第二流体输出口；p-相邻两个传热管的管中心间距；d-传热管的管径

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

图1为常规毛细管换热器的结构示意图。如图1所示，毛细管换热器主要包括壳程1、管箱空间2、传热管3、折流板4、管板5和壳体6。高温高压热流体通过管箱空间2进入传热管3，与壳程1中的低温低压冷流体进行换热。对于常规的毛细管换热器，沿管程流体流动方向传热管的管径和相邻两个传热管的管中心间距恒定不变。

图2为常规毛细管换热器用于变物性流体换热时沿管程流体流动方向管程和壳程流体换热系数的变化图。

结合图1和图2所示，在常规毛细管换热器应用于变物性流体的换热时，沿着管程流体流动方向，在换热器管程的入口和输出口均会由于管程和壳程的换热系数不匹配，使得换热器总换热系数比任意一侧流体的换热系数还低，整体传热能力下降。

因此，本发明考虑改进常规毛细管换热器的局部结构，使其管程和壳程的换热系数相匹配，进而提升换热器整体换热性能。

本发明提供一种用于变物性流体换热的毛细管换热器，该毛细管换热器包括：管箱空间2、多个传热管3、多个折流板4、管板5、壳体6。

根据本发明的实施例，壳体6内部形成有管箱空间2，在壳体6的两端设置有第一流体入口thin和第一流体输出口thout，并在壳体6的另外两端设置有第二流体入口tcin和第二流体输出口tcout；多个传热管3，设于管箱空间2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4，具有与多个传热管3的排列方式相适配的通孔，各个折流板4通过该通孔穿设于传热管3上；其中，沿着毛细管换热器内流体流动的方向，多个传热管3中至少部分传热管3的管径d逐渐变大，和/或，多个传热管3中相邻两个传热管3的管中心间距p逐渐减小。

通过将固定传热管管径和管中心间距的毛细管换热器改为传热管管径和管中心间距沿程变化的毛细管换热器，有效提高了靠近管程入口的管程流体的换热系数和靠近管程输出口的壳程流体的换热系数，增加了毛细管换热器整体上管程内外换热系数的匹配，从而提升了换热器的整体传热性能。

根据本发明的实施例，在靠近第一流体入口thin处，多个传热管3的管径d1可以为1～4mm，例如，可选为1mm、2mm、3mm、4mm。

根据本发明的实施例，在靠近第一流体输出口thout处，多个传热管3的管径d2可以为2～8mm，例如，可选为2mm、4mm、6mm、8mm。

根据本发明的实施例，如果将管径d设置的太小，例如小于1mm，则传热管3内的流体流动阻力过高，不利于流体换热。如果将管径d设置的太大，例如大于8mm，则传热管3内的流体微尺度效应减弱，换热系数会下降，而且过大的管径会导致毛细管换热器的紧凑度降低。因此，根据实际工艺，管径d在1～8mm范围内为佳。

根据本发明的实施例，0.5＜d1/d2＜1。

根据本发明的实施例，如果将管径d1与d2两者设置的差异不大，则毛细管换热器的管程换热系数的改变甚小，不利于毛细管换热器管程内外换热系数的匹配；如果将管径d1与d2两者设置的差异太大，则会导致毛细管换热器的紧凑度下降。因此，根据实际工艺，将管径d1与d2两者的比值设置为0.5＜d1/d2＜1为佳。

根据本发明的实施例，在靠近第一流体入口thin处，多个传热管3的管径d1优选为1～2mm；在靠近第一流体输出口thout处，多个传热管3的管径d2优选为2～4mm。根据实际实验设计，d1为1～2mm，d2为2～4mm时，毛细管换热器的换热性能更好。

根据本发明的实施例，靠近第一流体入口thin的多个传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p1可以为5～10mm，例如，可选为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm。

根据本发明的实施例，靠近第一流体输出口thout的多个传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p2可以为1～6mm，例如，可选为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm。

根据本发明的实施例，1＜p1/p2＜2。

根据本发明的实施例，如果将p1与p2两者设置的差异过小，则管程内流体的换热系数改变甚小，不利于毛细管换热器管程内外换热系数的匹配；如果将p1与p2两者设置的差异过大，会导致毛细管换热器的紧凑度下降。因此，根据实际工艺，将相邻两个传热管的管中心间距p1与p2两者的比值设置为1＜d1/d2＜2为佳。

根据本发明的实施例，在靠近第一流体入口thin处，多个传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p1优选为6～8mm；在靠近第一流体输出口thout处，多个传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p2优选为3～4mm。根据实际实验设计，p1为6～8mm，p2为3～4mm时，毛细管换热器的换热性能更好。

根据本发明的实施例，第一流体入口thin为传热管管程的入口，第一流体输出口thout为传热管管程的输出口；第二流体入口tcin为壳程的入口，第二流体输出口tcout为壳程的输出口。

根据本发明的实施例，多个传热管3中至少部分传热管3的管径d呈线性增加。

根据本发明的实施例，多个传热管3中至少部分传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p呈线性减小。

根据本发明的实施例，毛细管换热器用于变物性流体的换热，变物性流体包括超临界二氧化碳。

根据本发明的实施例，毛细管换热器包括印刷电路板换热器、管壳式换热器。

为了更清楚地阐述本发明的实施特点，将结合一种用于变物性流体换热的毛细管换热器的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

以超临界二氧化碳换热过程为例，当二氧化碳温度靠近拟临界点时，其换热系数较高，当二氧化碳温度远离拟临界点时，其换热系数较低。在毛细管换热器的第一流体入口处，即二氧化碳温度远离拟临界点时，此时管程内流体的换热系数较低。在第一流体输出口处，即二氧化碳温度靠近拟临界点时，此时管程内流体的换热系数较高。壳程内流体为冷却水，沿管程流体流动方向，壳程内的冷却水的换热系数恒定不变。

图3为本发明实施例提供的针对传热管的管径设计得到的毛细管换热器的结构示意图。如图3所示，对毛细管换热器的传热管3的不同位置的管径d进行改变。具体地，沿着管程流体流动的方向，传热管3的管径d逐渐增大。

图4为本发明实施例提供的靠近第一流体入口和靠近第一流体输出口的传热管的管径d的示意图。

在靠近管程入口处(thin位置)，超临界二氧化碳温度远高于拟临界温度，此时管程的换热系数较小，而壳程1的换热系数较大，通过适当减小超临界二氧化碳入口处的传热管3的管径d1，使d1管径范围为1～4mm，具体管径大小通过进一步设计确定，从而适当提高管程内二氧化碳的换热系数，减小其与壳程1换热系数的差异。

在靠近超临界二氧化碳管程出口处(thout位置)，超临界二氧化碳温度靠近拟临界温度，此时由于超临界二氧化碳的比热较大，超临界二氧化碳的换热系数较大，而壳程1的换热系数相对较小，管程和壳程1的换热系数不匹配。

通过适当增大靠近管程出口处的传热管3的管径d2，使d2管径范围为2～8mm，从而适当降低管程内超临界二氧化碳的换热系数，使之与壳程1冷却水的换热系数差异减小。

需要说明的是，传热管的管径d1到d2的数值是逐渐增加，呈线性变化趋势，以0.5＜d1/d2＜1之间为佳。

通过对传热管3的管径d的局部调整，能够有效调整毛细管换热器局部管程内外的换热系数，改善变物性流体管程和壳程1的换热系数不匹配的问题，提升换热器整体换热性能。

实施例2

本实施例仍以超临界二氧化碳换热过程为例。

图5为本发明实施例提供的针对相邻两个传热管的管中心间距设计得到的毛细管换热器的结构示意图。如图5所示，在原有传热管3的管径d不变的基础上，通过改变相邻两个传热管3的管中心间距p，进而改变壳程1的换热系数，使壳程1的换热系数与传热管管程的换热系数相匹配。

图6为本发明实施例提供的相邻两个传热管的管中心间距p的示意图。

如图6所示，在靠近超临界二氧化碳入口处(thin位置)，通过适当增大相邻两个传热管3的管中心间距p1，使管中心间距p1为5～10mm，使壳程1的换热系数适当减小，更接近远离临界点的管程内超临界二氧化碳的换热系数，降低管程和壳程1的换热系数的差异。

在靠近超临界二氧化碳输出口处(thout位置)，通过适当减小相邻两个传热管的管中心间距p2，使管中心间距p2为1～6mm，使壳程1的换热系数适当增大，更接近于靠近临界点的管程内的超临界二氧化碳的换热系数，减小管程和壳程1的换热系数的差异，从而在整体上提高毛细管换热器管程和壳程1的换热系数的匹配性，增强综合传热性能。

需要说明的是，相邻两个传热管3的管中心间距p1到p2的数值是逐渐减小的，呈线性变化趋势，以1＜p1/p2＜2之间为佳。

通过对传热管3的相邻两个传热管3的管中心间距p的局部调整，能够有效调整毛细管换热器局部管程内外的换热系数，改善变物性流体管程和壳程1的换热系数不匹配的问题，提升换热器整体换热性能。

图7为本发明实施例实现的毛细管换热器沿管程流体流动方向管程和壳程流体换热系数的变化图。

如图7所示，通过同时改变毛细管换热器的传热管3的管径d和相邻两个传热管3的管中心间距p，在靠近超临界二氧化碳入口处，增大了管程的换热系数；在靠近超临界二氧化碳输出口处，增大了壳程1的换热系数，使毛细管换热器的管程和壳程1的换热系数更加匹配，进一步提升了毛细管换热器用于变物性流体的换热性能。

本发明的实施例通过将固定传热管管径和管中心间距的毛细管换热器改为传热管管径和管中心间距沿程变化的毛细管换热器，有效提高了靠近管程入口的管程流体的换热系数和靠近管程输出口的壳程流体的换热系数，增加了毛细管换热器整体上管程内外换热系数的匹配，从而提升了换热器的整体传热性能。本发明的实施例保留了原有毛细管换热器的耐高温高压、换热能力强的优点，同时通过简单的结构尺寸改变，进一步提升了毛细管换热器用于变物性流体的换热性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。