一种防凝固的换热器的制作方法

本公开涉及航空航天换热器的领域，尤其涉及一种防凝固的换热器。

背景技术：

对未来军民用高超声速飞行器而言，气动加热效应使整个飞行器外表面均有巨大的热负荷。如以ma5速度飞行，表面温度高达1300k；而以ma6速度飞行，表面温度更高达2000k，远远超过现有高温合金材料的耐温极限。故需要对飞行器所有外表面、座舱等位置进行冷却；如采用吸气式发动机，还需要对发动机进口的空气进行冷却。

在机载环境下，最好的冷源就是飞机携带的液氢燃料，这样就不会额外背负其他冷源。液氢具有极大的吸热能力，在吸热后直接进入发动机进行燃烧即可。

然而，出于安全性考虑，液氢并不适于直接作为冷却介质。通常可以采用水、有机工质(氟利昂等)等换热能力强的液体作为中间循环介质，与液氢换热后温度降低，然后流向需要冷却的飞行器部件或系统。

液体工质与液氢换热时，液氢温度极低、流量小、比热容大，液体工质流量大、比热容相对较小，在换热器中液体工质极易发生局部温度过低而凝结，堵塞流道，从而威胁整个飞行器系统的安全。

中国发明公开cn108106484a是采用电加热方式防止低温换热器中发生的凝固情况，不适于机载环境。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种防凝固的换热器。

根据本公开的一个方面，一种防凝固的换热器，包括依次连接的第一封头、蒸发段、升温段、换热段、第二封头及液氢导管，所述第一封头、所述蒸发段、所述升温段、所述换热段及所述第二封头的内壁均设有用于液态工质流通的壁式换热通道，各所述壁式换热通道之间相互连通，所述液氢导管穿设于所述第一封头中，且所述液氢导管一端设于所述第一封头之外，所述液氢导管另一端设于所述蒸发段中，所述升温段包括翅片组件，所述翅片组件设于所述升温段中，所述换热段包括螺旋间壁及液体工质出口，所述螺旋间壁设于所述换热段中，所述液体工质出口设于所述换热段的顶部且与所述螺旋间壁连通，所述第一封头顶部设有液体工质入口，所述液体工质入口与所述第一封头的壁式换热通道连通，所述第二封头包括液体工质中间出口、连接管及中间入口接头，所述液体工质中间出口设于所述第二封头顶部，所述中间入口接头设于所述螺旋间壁上，所述连接管一端与所述液体工质中间出口连接，所述连接管另一端与所述中间入口接头连接；

液体工质经所述液体工质入口进入所述壁式换热通道进行吸热，再经所述液体工质中间出口、所述连接管及所述中间入口接头进入所述螺旋间壁中，在所述螺旋间壁中与液氢充分换热后，经所述液体工质出口流出；

液氢经所述液氢导管进入所述蒸发段中，再依次经过所述升温段及所述换热段，与液体工质充分换热后，经所述第二封头流出。

根据本公开的至少一个实施方式，所述液氢导管还包括雾化喷嘴，所述雾化喷嘴以可旋转的方式设于所述液氢导管另一端。

根据本公开的至少一个实施方式，所述翅片组件包括翅片，若干所述翅片的一端相互连接，若干所述翅片的另一端为自由端，若干所述自由端分别抵于所述壁式换热通道上。

根据本公开的至少一个实施方式，若干所述翅片的一端呈辐射状连接。

根据本公开的至少一个实施方式，所述螺旋间壁呈螺旋曲面间壁结构，间壁内为液体工质流道，间壁外为液氢流道，液体工质流道及液氢流道相互交错，以便于液体工质与液氢充分换热。

根据本公开的至少一个实施方式，所述液体工质流道的一端与所述中间入口接头连接，所述液体工质流道的另一端与所述液体工质出口连接。

根据本公开的至少一个实施方式，所述第一封头及所述第二封头为环状结构，所述环状结构内设有所述壁式换热通道，其且一端为封闭端，另一端为开口端。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开换热器的结构示意图。

图2是本公开蒸发段的截面示意图。

图3是本公开蒸发段的结构示意图。

图4是本公开翅片组的结构示意图。

图5是本公开升温段的截面示意图。

图6是本公开换热段的结构示意图。

图7是本公开换热段的截面示意图。

图8是本公开封头显示自由端的结构示意图。

图9是本公开封头显示封闭端的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

如图1至图9所示，本公开提供了一种防凝固的换热器，包括依次连接的第一封头100、蒸发段200、升温段300、换热段400、第二封头500及液氢导管600，所述第一封头100、所述蒸发段200、所述升温段300、所述换热段400及所述第二封头500的内壁均设有用于液态工质流通的壁式换热通道700，各所述壁式换热通道700之间相互连通，所述液氢导管600穿设于所述第一封头100中，且所述液氢导管600一端设于所述第一封头100之外，所述液氢导管600另一端设于所述蒸发段200中，所述升温段300包括翅片组件301，所述翅片组件301设于所述升温段300中，所述换热段400包括螺旋间壁401及液体工质出口402，所述螺旋间壁401设于所述换热段400中，所述液体工质出口402设于所述换热段400的顶部且与所述螺旋间壁401连通，所述第一封头100顶部设有液体工质入口101，所述液体工质入口101与所述第一封头的壁式换热通道连通，所述第二封头500包括液体工质中间出口501、连接管502及中间入口接头503，所述液体工质中间出口501设于所述第二封头500顶部，所述中间入口接头503设于所述螺旋间壁401上，所述连接管502一端与所述液体工质中间出口501连接，所述连接管502另一端与所述中间入口接头503连接；

液体工质经所述液体工质入口101进入所述壁式换热通道700进行吸热，再经所述液体工质中间出口501、所述连接管502及所述中间入口接头503进入所述螺旋间壁700中，在所述螺旋间壁中与液氢充分换热后，经所述液体工质出口402流出；

液氢经所述液氢导管600进入所述蒸发段200中，再依次经过所述升温段300及所述换热段400，与液体工质充分换热后，经所述第二封头500流出。

本公开蒸发段主要目的是使液氢蒸发，同时避免液体工质凝固，液体工质侧流通面积大且与液氢喷入位置保持一定距离；升温段主要目的是使温度较低的氢气与液体工质进一步换热而升温，液体工质仍然是沿壁面通道流动，并通过翅片组加强换热；在换热段，液体工质与氢气充分换热，因为此时氢气的温度已经有所升高，不会形成局部凝固，采用螺旋间壁的换热结构，有极大的换热面积，此时液体工质与氢气为逆向流动。

根据本公开的至少一个实施方式，如图2所示，所述液氢导管600还包括雾化喷嘴601，所述雾化喷嘴601以可旋转的方式设于所述液氢导管600另一端。

根据本公开的至少一个实施方式，如图4及图5所示，所述翅片组件301包括翅片，若干所述翅片的一端呈辐射状相互连接，若干所述翅片的另一端为自由端，若干所述自由端分别抵于所述壁式换热通道700上。

根据本公开的至少一个实施方式，如图6及图7所示，所述螺旋间壁401呈螺旋曲面间壁结构，间壁内为液体工质流道4011，间壁外为液氢流道4012，液体工质流道及液氢流道相互交错，以便于液体工质与液氢充分换热。所述液体工质流道4011的一端与所述中间入口接头503连接，所述液体工质流道的另一端与所述液体工质出口402连接。

根据本公开的至少一个实施方式，如图8及图9所示，所述第一封头100及所述第二封头500为环状结构，所述环状结构内设有所述壁式换热通道，其且一端为封闭端，另一端为开口端。

使用本公开结构时：

蒸发段：液氢通过液氢导管进入换热器的蒸发段，并从旋转雾化喷嘴喷入蒸发段中心位置，在远离壁面的位置雾化、蒸发；液体工质在壁式换热通道中流动，且与液氢流动方向相同，使温度最高的液体工质与温度最低的液氢换热；壁面通道流通面积大，可有效避免局部温度过低而凝固。

升温段：是蒸发段的延伸——液体工质流路仍然是在壁式换热通道中流动，流动方向与氢气流动方向相同，在氢气流动区域，以壁面通道为基础添加了大面积的翅片组，以显著增加换热面积，提高换热能力。使氢气在此段有明显的温度升高；由于壁面通道流通面积依然很大，可有效避免局部温度过低而凝固。

换热段，是一个具有小尺度通道特征的超大“面积/体积”比的换热结构，具体为螺旋曲面间壁结构(螺旋间壁)。氢气和液体工质的流道相互交错，两者充分换热，以达到最大的换热能力。在换热段，液体工质与氢气成纯逆向流动，此时的换热性能最好。在换热段，氢气沿轴向单向流动；液体工质先与氢气相同方向沿着壁式换热通道流到换热段的末端，从液体工质中间出口流出，通过导管流向中间入口接头，进入螺旋间壁，与氢气逆向流动，最终从液体工质出口流出整个换热器。

本公开的螺旋间壁为高度为毫米量级的封闭宽流道，在宽度方向卷成螺旋状，相邻两层之间天然形成气体流道供氢气流通，螺旋间壁内部流动液体工质。

本公开第一封头的作用是向壁式换热通道各通道中均匀分配流量，第二封头的作用是将壁式换热通道各通道的流量汇集。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。