一种上密下疏双螺旋翅片换热器的制作方法

本发明涉及一种在红外器件、低温电子、中央空调等领域的换热器，具体是一种上密下疏双螺旋翅片换热器。

背景技术：

利用气体的节流制冷效应和等熵膨胀制冷效应实现制冷是制冷与低温工程领域应用最为广泛的两种方式，而节流制冷具有结构简单、易于调节的优点，常应用于小型低温制冷器。如：微型j-t节流制冷器因具有体积小、重量轻、冷却速度快、无机械运动部件和抗电磁干扰等优点而广泛应用于红外制导系统。微型节流制冷器中的回热器主要采用双螺旋逆流翅片换热器，双螺旋换热器中有冷、热两种流体，热流体在不锈钢毛细管内流动，冷流体在杜瓦瓶与芯轴之间流动，冷、热流体通过翅片进行热量交换。翅片结构一方面增大了传热面积，使得换热量增大，从而减小了损失；但另一方面，换热器流动阻力有所增加，增大了损失，因此翅片结构的合理设计对换热器的损失评估至关重要。liu等人[yingwenliu,liuliu,lililiang,xinliu,jiapengli,2015.thermodynamicoptimizationoftherecuperativeheatexchangerforjoule–thomsoncryocoolersusingresponsesurfacemethodology[j].internationaljournalofrefrigeration60,155-165.]通过响应面方法研究了影响微型j-t节流制冷器损失的因素，结果表明制冷器长度、毛细管内径、翅片影响系数以及外壳内径对损失有显著的影响。传统的逆流换热器中翅片是等距的，参数优化设计后的等距翅片换热器仍旧存在损失沿流动方向严重分布不均的问题，制约着双螺旋回热器性能的进一步提高或定性能下的装置轻量化设计。本团队[陈慧,双婧婧,刘迎文，2018.基于分析j-t节流制冷器局部优化设计[j].工程热物理学报,39(04):724-729.]通过对双螺旋换热器的局部损失进行分析，进而将双螺旋换热器分为密集段和稀疏段两部分，研究表明：采用上密下疏双螺旋换热器结构对减小换热器的损失具有重要的意义，然而文中密集段与稀疏段的每一个微元均采用相同螺距，损失分布存在突变情况，且已有的两段式上密下疏双螺旋翅片换热器仍存在定性能下装置轻量化设计难的问题。与此同时，流体不同状态下的物理特性对翅片换热器性能产生着重要影响。流体特性根据其温度压力不同呈现不同变化：在低压区，焓值只与温度有关；在极高压区，焓值随着温度、压力的变化而变化，相同温度下，压力升高，焓值升高，相同压力下，温度升高，焓值升高。在高压区，焓值是温度与压力的复杂函数，相同压力下，温度升高，焓值升高，但相同温度下，压力升高，焓值反而降低；采用传统等距双螺旋换热器，可以实现流体出口状态在高压区，但高传热的获得以增大换热面积为代价，且压降也因此而增大。结合高压区流体的特性以及翅片结构参数对换热器性能的影响，通过合理分配结构参数，以减小高压换热器的压降为目的，可以在获得低压降、高传热的同时，实现装置的轻量化设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上密下疏双螺旋翅片换热器定性能下装置的轻量化设计难、效率低等问题，提供了一种能够节省材料，减小换热器损失，增强换热的上密下疏双螺旋翅片换热器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括芯轴以及沿轴向螺旋缠绕在芯轴上的螺旋毛细翅片管，在螺旋毛细翅片管外套装有密封外壳，所述芯轴下端与外壳留有形成蒸发腔的空间，所述的螺旋毛细翅片管包括毛细管以及缠绕在毛细管上的螺旋翅片，所述密封外壳的上端分别开设有毛细管入口和换热器出口，毛细管出口与蒸发腔相连通；所述的螺旋毛细翅片管根据螺旋翅片间距大小分为上端密集段毛细翅片管和下端稀疏段毛细翅片管。

所述的毛细管出口端还安装有节流阀。

所述的密集段毛细翅片管位于热流体进口处，稀疏段毛细翅片管位于热流体出口段。

所述缠绕在毛细管上的螺旋翅片的螺距由下式(1)计算得到：

将整个换热器沿轴向分为n个微元，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为密集段或稀疏段的微元数，n-m为稀疏段的微元数，d为毛细管的外径，α、β、γ为修正系数，密集段微元数m＝0.4n～0.5n，α＝0.1～0.3，β＝1～11，γ＝0.2～0.5，且α＜γ＜β。所述的密集段毛细翅片管和稀疏段毛细翅片管的每一个微元采用相同的螺距、每个微元采用不同的螺距或多个微元采用相同的螺距。

所述的密集段毛细翅片管和稀疏段毛细翅片管中每两个微元采用相同的翅片螺距，则螺距由下式(2)-(3)决定：

所述的密集段毛细翅片管和稀疏段毛细翅片管中每个微元采用不同的翅片螺距，翅片螺距呈双曲线连续变化，则螺距由下式(4)决定：

所述的芯轴材料为蒙乃尔合金，密闭外壳材料为杜瓦，毛细管材料为不锈钢，螺旋翅片材料为铜。

本发明结合超临界流体特性，基于翅片结构形式与温区匹配的损极小值的设计理念，从局部优化参数角度对回热器工作特性与结构优化进行深入研究。螺旋毛细翅片管由螺旋翅片非等间距地缠绕在毛细管外围形成“上密下疏”的特殊结构，密集段毛细翅片管上缠绕的螺旋翅片螺距小，稀疏段毛细翅片管上缠绕的螺旋翅片螺距大。热流体在螺旋毛细翅片管内自上而下做螺旋运动成为超冷流体。冷流体在芯轴、螺旋毛细翅片管与外壳形成的环形空间中自下而上呈螺旋流动，对螺旋毛细翅片管内的热流体进行冷却。

本发明基于上密下疏双螺旋翅片换热器可减小换热器损失，提升换热器性能的特点，进一步研究上密下疏双螺旋换热器密集段和稀疏段翅片螺距在不同变化趋势下的特性，提出上密下疏双螺旋换热器密集段以及稀疏段翅片螺距按不同趋势连续变化的新型结构。相比文献中上密下疏双螺旋换热器，本发明在损失基本保持不变的情况下，换热器整体翅片面积大大减少，原材料减少，实现了定性能下装置的轻量化设计；损失分布更加均匀，无突变情况；且翅片螺距连续变化，使得热应力分布均匀，从而保证换热设备工作的安全性与耐久性。若换热器高压侧流体处于超临界高压状态下，相较于传统双螺旋换热器高传热的获得以增大换热面积为代价，且压降相应增大，本发明可在获得低压降、高传热的同时，实现装置的轻量化设计；采用螺旋缠绕布置的换热器具有更高的换热系数，同时换热器内热应力分布均匀，从而保证换热设备工作的安全性与耐久性。该非等距双螺旋换热器的结构设计思想尤其适合于超临界工质换热。超临界工质在相应状态区域内具有当温度保持不变，焓值随压力升高而降低的特点，充分利用该特点并结合所述的双螺旋翅片换热器可在获得高换热量的同时且耗材减小。

附图说明

图1为本发明实例中所述的结构示意图。

图2a为本发明实例中所述的换热器主体部分分界点处局部放大图。

图2b为螺旋毛细翅片管的局部放大图。

图3a为传热损失沿轴向从上至下变化的示意图。

图3b为流动损失沿轴向从上至下变化的示意图。

图3c为总损失沿轴向从上至下变化的示意图。

图4为新型逆流管排式间壁式换热器的示意图。

图5a为新型微通道逆流换热器的示意图。

图5b为新型微通道逆流换热器中密集翅片与稀疏翅片的示意图。

图6a为流体(以氩气为例)p-h特性分布图。

图6b为非等距、等距结构翅片换热器进出口状态p-h图。

图中：毛细管1，芯轴2，螺旋毛细翅片管3，密闭外壳4，螺旋翅片5，密集段毛细翅片管6，稀疏段毛细翅片管7，节流阀8、蒸发腔9。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

如图1，图2a，图2b所示，本实施例包括芯轴2以及沿轴向螺旋缠绕在芯轴2上的螺旋毛细翅片管3，在螺旋毛细翅片管3外套装有密封外壳4，所述芯轴2下端与外壳4留有形成蒸发腔9的空间，所述的螺旋毛细翅片管3包括毛细管1以及缠绕在毛细管1上的螺旋翅片5，所述密封外壳4的上端分别开设有毛细管入口和换热器出口，毛细管1出口与蒸发腔9相连通，且在出口处还安装有节流阀8；所述的螺旋毛细翅片管3根据螺旋翅片5间距大小分为上端密集段毛细翅片管6和下端稀疏段毛细翅片管7，形成“上密下疏”的结构，其中密集段毛细翅片管6位于热流体进口处，稀疏段毛细翅片管7位于热流体出口段，螺旋翅片的间距按双曲线连续变化由下式(5)计算得到：

将整个换热器沿轴向分为n个微元，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为密集段或稀疏段的微元数，d为毛细管的外径，n＝50，m＝0.4n＝20。本实施例的芯轴2材料为蒙乃尔合金，密闭外壳4材料为杜瓦，毛细管3材料为不锈钢，螺旋翅片5材料为铜。

热流体在螺旋毛细翅片管3内自上而下做螺旋运动。冷流体在芯轴2、毛细翅片管3与外壳4形成的环形空间中自下而上螺旋流动，对毛细翅片管3内的热流体冷却，最终排入大气。

本发明相比两段式上密下疏双螺旋换热器，在损失基本保持不变的情况下，换热器整体翅片面积大大减少，原材料减少，实现了定性能下装置的轻量化设计；损失分布更加均匀，无突变情况；且翅片螺距连续变化，使得热应力分布均匀，从而保证换热设备工作的安全性与耐久性。

如图3a所示，本发明实施例中采用的翅片螺距以双曲线连续变化的“上密下疏”结构中，密集段向稀疏段过渡部分的传热损失相较于文献中的两段式“上密下疏”结构的传热损失大大减小。如图3b所示，采用“上密下疏”结构后，在结构尺寸和流体物性共同影响下，密集段的流动损失大大减小，与两段式“上密下疏”结构(文献)相比，整体流动损失分布更加均匀，且流动损失减少了0.4％。如图3c所示，本发明实施例1采用的翅片螺距以双曲线连续变化的“上密下疏”结构中，过渡段的损失大大减小，对整体损失分布起到了“消峰效应”，使得损失分布更均匀。具体实施例1中采用的“上密下疏”结构与两段式”上密下疏”结构相比：总损失基本保持不变，材料消耗减少了26％。

实施例2：

同实施例1基本参数相同，但密集段与稀疏段的螺旋毛细管每个微元的螺距按照线性连续变化。其螺距计算式如方程(6)所示：

式中：n＝50，m＝0.4n＝20，α＝0.3，β＝1。通过对具体实施例2中的“上密下疏”结构进行计算并与两段式“上密下疏”结构对比：总损失nd基本保持不变，材料消耗减少了24％。

实施例3：

本实施例为一种新型逆流换热器，具体为逆流管排式间壁式换热器，是由基管10、密集翅片11、稀疏翅片12组成，如图4所示。密集翅片11位于热流体进口段，稀疏翅片12位于热流体出口段，密集翅片11与稀疏翅片12的分界点位于距离热流体入口40％～50％的位置。热流体在基管10内折返流动，通过翅片与冷流体进行热交换，同时对自身进行冷却。采用“上密下疏”的结构，使得冷流体与热流体的热交换在密集翅片11处更加强烈，对热流体的冷却效果更好；而冷流体在稀疏翅片12处受到的阻力更小，流动损失大大减小。采用“上密下疏”新型结构的逆流管排式间壁式换热器，具有损失降低、节省材料的优点。

实施例4：

本实施例为一种新型微通道逆流换热器，如图5a和图5b所示，包括微通道13、密集翅片14、稀疏翅片15、密封条16。所述微通道14的流道方向与微通道外侧的密集翅片14、稀疏翅片15的流道方向平行，形成逆流换热器。微通道13内的工质为冷流体，微通道13外侧的工质为热流体。采用“上密下疏”的结构，即热流体入口处翅片间距小，热流体出口处翅片间距大。如图5b所示，密集翅片14与稀疏翅片15的分界点位于距离热流体入口40％～50％的位置。相比传统等距翅片微通道换热器，热流体出口段流动损失大大减小，传热损失也大大减小；热流体入口段的翅片密集排列，一方面可以增大换热量，弥补末端换热量减少进而满足换热器整体制冷量，另一方面间接减小了末端损失。采用翅片间距变化的微通道翅片换热器，具有损失小、节省材料的优点。

实施例5：

本实施例为一种以氩气为工质的超临界微型非等距翅片换热器，氩气特性如图6a所示，包括低压区16，高压区17和极高压区18。氩气特性根据其温度压力不同呈现不同变化，在低压区，相同温度下，随着压力的升高焓值基本不变；在高压区，相同温度下，压力升高，焓值降低；在极高压区，相同温度下，压力升高，焓值升高。以氩气为工质，分别采用“上密下疏”非等距翅片结构换热器以及传统等距翅片结构换热器，其p-h特性如图6b所示，ab、cd为传统等距结构翅片换热器状态点(a为热流体入口，b为热流体出口，c为冷流体入口，d为冷流体出口)；ab’，cd’为非等距结构翅片换热器状态点(a为热流体入口，b’为热流体出口，c为冷流体入口，d’为冷流体出口)。采用“上密下疏”非等距翅片结构换热器后，热流体出口b’相较于传统结构热流体出口b温度升高、压力升高，且热流体出口状态处于高压区，可同时获得高换热量和低流动阻力的有益效果。若热流体出口处于低压区，如状态点12、12’所示，热流体出口温度2’温度升高，压力升高，但焓值增加(即换热量减小)。故合理分配翅片螺距，采用上密下疏非等距翅片换热器，并结合超临界高压区流体特性可同时获得低压降高换热的有益效果，与此同时，换热器材料消耗也大大减小。