逆向流型的双层同心圆管的热交换器

本发明一般涉及一种热交换器，且特别是关于一种逆向流型(counter-flowtype)且具有双层同心圆管的热交换器。本发明一般涉及工业热能、蒸汽发电、燃烧换热、空调蒸发制冷等热力工程应用中的流动沸腾传热。

背景技术：

1、现代的工业热能、蒸汽发电、燃烧换热、空调蒸发制冷等热力工程设备(如蒸汽发生器、工业锅炉、冷凝器等等)中，广泛利用蒸发、沸腾的相变传热物理过程。然而，实现这一流动沸腾的热交换设备有着一系列严苛的性能和技术要求，包括：传热系数，热效率，双相流的稳定性，流动循环设备的功耗控制，换热器的承压能力，制造成本，使用寿命等等。面向未来国家能源战略提出的“碳达峰，碳中和”长远计划，更高性能，高能效比，高可靠性的蒸发换热器是工业发电和燃烧热能利用的非常关键的一环，因此，开发高性能的新型沸腾传热设备意义重大。目前，现有主流的蒸发器及工业锅炉设备主要是以单层金属(通常以铜、铝为主)圆管排布组合成一个整体换热器，主要包含：冷水注入口、受热蒸发的铜管阵列、末端蒸汽收集端、以及配合蒸发器工作的辅助环路设备。但现有传统的蒸发换热器在实际运行都存在一些缺陷，大致包括以下几点：

2、1.传统蒸发器中，流体工质(通常为水)在单铜管内的流动方向上持续受热，并经历预热、核态沸腾、气泡流、气柱流、末端液膜蒸发等过程，这使得在单通道管上沿流动方向的换热性能非常不均匀，且换热效率较低，下游段的汽液双相流区间传热能力显着高于前半段液体单相流区间的传热能力。不均匀的换热性能会导致换热总效率低下，应用中需要较大的换热面积来达到需求功率。

3、2.水在单铜管内的持续受热后，进入沸腾相变过程，这一过程非常剧烈，实际的汽液混合物在受热铜管内流动状态极其不稳定，容易产生气泡阻塞、流动压降高频波动、甚至发生倒流/逆流现象等等。对于低压蒸发器，由于汽液密度相差比很大，在较高的热流密度时这种剧烈的流动不稳定性会导致受热工况提前到达临界热流密度，甚至烧毁换热管。因此，蒸发器往往需要在较高的系统压力下运行，增加了蒸发器系统的材料成本和制造成本。

4、3.传统的单铜管蒸发器内，汽液混合物的流动方向上实际管道的壁面温度相差巨大，通常是冷水注入端偏冷，然后水由过冷态持续吸收热量变为汽液混合流，而受热铜管的尾部出口附近是干度很高的高温高压的水蒸气。随着蒸发管的尺寸增长，流道的前、中、后段的壁面温度差异变得更大，导致同一受热铜管的始末两端的热应力疲劳程度显着不同，降低了蒸发器的工作服役寿命。

5、4.传统的单铜管蒸发器在实际工况中，沸腾相变的物理过程中的蒸汽体积激增会导致流体在通道内的流动阻力(流动压降)急剧增大，造成了蒸发器系统所需求的循环泵推能量消耗显着增大。

6、5.传统单铜管蒸发器通道内的沸腾流动在高热功率的状况下，常常出现流道末段壁面的液膜干涸、换热壁面的局部极热点、管道干烧等恶化工况。此类工况轻则导致蒸发器管道的末端温度急剧上升，降低蒸发器管道运行寿命，重则导致蒸发器烧毁。

7、因此，上述缺点成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、根据本发明的一个方案，提供了一种热交换器。热交换器包括至少一对管体组以及流体源。管体组包括外管以及内管。内管设置于外管内且与外管同心设置。内管定义出第一流道。外管与内管之间的空间定义出第二流道。第二流道与第一流道分隔。流体源与第一、第二流道连通，并提供流体，以使流体的第一部分在第一流道内沿着第一方向流动且流体的第二部分在第二流道内沿着第一方向的反方向流动。

2、通过上述配置，在本发明实施例的热交换器中，管体组包括同心设置的外管与内管。内管定义出第一流道。内管与外管之间的空间定义出第二流道。流体源对第一、第二流道分别输入流体的第一、第二部分，以使流体的第一、第二部分分别在第一、第二流道内彼此反向流动。通过此逆向流设计，在第一流道上游处的低温流体可以被邻近的第二流道下游处的高温流体预热，而第一流道下游处的高温流体可以被邻近的第二流道上游处的低温流体冷却。类似地，在第二流道上游处的低温流体可以被邻近的第一流道下游处的高温流体预热，而第二流道下游处的高温流体可以被邻近的第一流道上游处的低温流体冷却。如此一来，高温气泡阻塞流道的现象大幅减少，流道内流体流动阻力降低。因此，本发明实施例的热交换器可实现更稳定的气液双相流流态和更低的气液双相流压降，而具有良好的可靠度以及较低的能耗。

技术特征：

1.一种热交换器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述管体组具有彼此相对的右侧与左侧，

3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，更包括：

4.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，其中所述内管具有相对的左端部与右端部，所述外管具有相对的左端部与右端部，

5.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，其中，所述流体源连通于所述第一、第三腔体流道连通，使得所述流体源连通于所述第一、第二流道。

6.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，其中，所述第一与第二流道的延伸方向平行于所述第一方向，所述第一至第四腔体流道的延伸方向平行于第二方向，且所述第二方向不同于所述第一方向。

7.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其中所述至少一管体组包括多个管体组。

8.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其中所述内管的厚度小于所述外管的厚度。

9.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其中，所述第一部分在所述第一流道中的温度梯度反向于所述第二部分在所述第二流道中的温度梯度。

10.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，其中所述第一流道为圆形流道，且所述第二流道为环形流道。

技术总结
一种热交换器，包括至少一个管体组以及流体源。管体组包括外管以及内管。内管设置于外管内且与外管同心设置。内管界定出第一流道。外管与内管之间的空间界定出第二流道。第二流道与第一流道分隔。流体源与第一、第二流道连通，并提供流体，以使流体的第一部分在第一流道内沿着第一方向流动且流体的第二部分在第二流道内沿着第一方向的反方向流动。

技术研发人员：潘钦,蒋星池
受保护的技术使用者：香港城市大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19