一种上密下疏双螺旋翅片换热器制造技术

一种上密下疏双螺旋翅片换热器，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。热流体从进气口进入毛细翅片管内，在管内由上而下做螺旋流动降温后，带走蒸发腔内的热负荷变为低温流体，随后作为冷流体在芯轴、毛细翅片管与外壳之间形成的环形通道内由下而上呈螺旋流动状态，冷却毛细翅片管内的热流体后经排出管排出。

An Upper Dense and Lower Sparse Double Helical Fin Heat Exchanger

A double helical fin heat exchanger with upper density and lower sparseness comprises a mandrel and a helical capillary fin tube spirally wound on the mandrel along the axis. A sealed shell is arranged on the outer casing of the spiral capillary fin tube. The lower end of the mandrel and the outer shell leave space for forming an evaporation chamber. The spiral capillary fin tube includes a capillary tube and spiral fins wound on the capillary tube, and the upper part of the sealed shell. There are capillary inlet and heat exchanger outlet at the end, and the capillary outlet is connected with the evaporation chamber. The spiral capillary fin tube can be divided into dense capillary fin tube at the upper end and sparse capillary fin tube at the lower end according to the distance between the spiral fins. Thermal fluid enters the capillary fin tube from the intake port. After cooling by spiral flow from top to bottom in the tube, the heat load in the evaporation chamber becomes cryogenic fluid. Then, as a cold fluid, it flows spirally from bottom to top in the annular channel formed between the core shaft, the capillary fin tube and the outer shell. After cooling, the heat fluid in the capillary fin tube is discharged through the discharge tube.

【技术实现步骤摘要】
一种上密下疏双螺旋翅片换热器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术可在获得低压降、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为本专利技术实例中所述的结构示意图。图2a为本专利技术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，密集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种上密下疏双螺旋翅片换热器，其特征在于：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；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)。

【技术特征摘要】
1.一种上密下疏双螺旋翅片换热器，其特征在于：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；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)。2.根据权利要求1所述的上密下疏双螺旋翅片换热器，其特征在于：所述的毛细管(1)出口端还安装有节流阀(8)。3.根据权利要求1所述的上密下疏双螺旋翅片换热器，其特征在于：所述的密集段毛细翅片管(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。4.根据权利要求1所述的上密下疏双螺旋翅片换热器，其特征在于：所述缠绕在毛细管(1)上的螺旋翅片(5)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈慧，刘迎文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61