一种射流式超临界CO2套管换热器制造技术

本发明专利技术公开了一种射流式超临界CO2套管换热器，包括自外向内同轴布置的外管、中间管和内管，外管左端与第一密封端盖焊接、右端与第二密封端盖焊接，中间管左端与第一密封端盖焊接、右端贯穿第二密封端盖，内管两端分别贯穿第一密封端盖和第二密封端盖。分别在外管的左端和中间的右端设置超临界CO2进口和出口，内管的两端设置第二流体进口和出口。在中间管管壁加工有按一定规律布置的多个射流孔，连通外管、中间管和内管之间的2个环形流道，超临界CO2通过射流孔形成射流冲击内管外壁面，强化壁面的传热。本发明专利技术能有效提高换热器的综合流动换热性能，同时能避免使用真空扩散焊等高价加工手段，降低换热器成本。降低换热器成本。降低换热器成本。

【技术实现步骤摘要】
一种射流式超临界CO2套管换热器


[0001]本专利技术涉及换热领域，具体涉及一种适用于超临界的射流式CO2套管换热器。

技术介绍

[0002]基于超临界CO2工质的布雷顿循环因其循环效率高、系统设计紧凑等诸多优势，在新一代核电、太阳能光热发电、化石燃料发电以及余热回收等能源领域具有极佳的应用潜力。换热器作为超临界CO2布雷顿系统的关键设备之一，由于其工作压力较高、热负荷较高等特点，对循环系统的实际运行效果与系统成本影响较大，是目前该领域研究的重点。目前，以基于真空扩散焊技术的印刷电路板换热器(PCHE)、板翅式换热器(PFHE)等为代表的相关换热器因耐高温高压、结构紧凑、换热效率高等特点受到了广泛关注，但是这类换热器制造成本较高，针对不同应用需求对应的温度压力范围、换热介质特性、换热器作用等开发新的低成本高效换热器，有助于进一步地降低超临界CO2布雷顿循环发电系统成本、满足不同技术背景下的换热器使用需求。
[0003]传统的套管式换热器是一种常见的低成本换热器，内外管中的流体均以横掠的形式流过管壁表面并完成换热过程，但是相比众多紧凑式换热器其换热系数相对较低，流动传热过程存在较大的强化空间。
[0004]射流冲击换热作为一种强化传热方式，由于流体直接冲击被冷却或被加热的表面，被冲击表面上的流动边界层薄，换热效果好，而被广泛使用于电子元件的冷却、涡轮部件冷却、飞行器热防护和金属热处理等工程应用中。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种采用射流冲击作为强化换热手段，从而提高综合流动换热性能，降低超临界CO2换热器成本的射流式超临界CO2套管换热器。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：包括自外向内同轴套装的外管、中间管和内管，所述外管与中间管的一端平齐且设置有第一密封端盖，外管另一端设置有第二密封端盖，中间管另一端贯穿外管的第二密封端盖，中间管的另一端设置有第三密封端盖，所述内管两端贯穿第一密封端盖和第三密封端盖，所述的外管、中间管、第一密封端盖和第二密封端盖形成第一环形流道，中间管、内管、第一密封端盖和第三密封端盖形成第二环形流道，在外管的一端开设有超临界CO2进口，在中间管的另一端开设有超临界CO2出口，内管两端设置有第二换热流体进口和第二换热流体出口，且在中间管上开设有若干个射流孔。
[0007]所述的射流孔沿中间管的周向和轴向分布形成射流孔阵列。
[0008]所述的射流孔总面积为第一环形流道或第二环形流道截面积的50％
‑
130％。
[0009]所述的射流孔采用钻孔、激光打孔形成，其形状根据需要加工成圆形、方形或三角形。
[0010]所述第一环形流道与第二环形流道的截面积相等。
[0011]本专利技术通过将射流与套管式换热器的横向流动传热相结合，使超临界CO2通过射
流孔形成射流冲击内管外壁，在射流冲击区域形成更高热流密度区且有助于在环形流动空间内产生复杂的二次流动，强化了冷热流体之间的换热，能够提高换热器的换热效率和综合流动换热性能。相比于现有紧凑式换热器，本专利技术制造加工过程不需要依赖真空扩散焊等高成本技术，能较大程度降低换热器的整体成本，并可以通过相关换热结构的组合进一步增强紧凑性；相比传统套管式换热器，本专利技术的综合流动传热性能实现了较大的提升，在不同工况与几何尺寸下还有进一步优化和提升空间。
[0012]本专利技术内管的第二换热流体可以为超临界CO2、水、导热油、熔盐或其他可能的液体工质，根据使用工况和背景的不同，第二换热流体可加热或者冷却超临界CO2；通过变换进出口位置，第二换热流体流动方向可与超临界CO2流向布置为顺流或逆流。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例的立体结构示意图。
[0014]图2为本专利技术实施例的前视剖面结构示意图。
[0015]图3为图2中A
‑
A截面剖视图(包含射流孔)。
[0016]图4为图2中间管上射流孔位置(B位置)的放大图。
[0017]图5为本专利技术实施例在典型工况下综合流动换热性指标随超临界CO2质量流量的变化情况(相比于同尺寸的套管式换热器)，其中外管管径为76毫米，中间管的管径为57毫米，内管的管径为32毫米，外管、中间管和内管的长度分别为653mm、724mm和840mm，射流孔孔径10.5mm，周向间隔180
°
，轴向间隔128mm，射流孔数量为10。
[0018]图中：1、外管；2、中间管；3、内管；4、第一密封端盖；5第二密封端盖；6、第三密封端盖；7、超临界CO2进口；8、超临界CO2出口；9、第二换热流体进口；10、第二换热流体出口；11、射流孔；12、第一环形流道；13、第二环形流道。
具体实施方式
[0019]下面将结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0020]如图1
‑
4所示，本专利技术包括自外向内同轴套装的外管1、中间管2和内管3，所述外管1与中间管2的一端平齐且焊接有第一密封端盖4，外管1另一端焊接有第二密封端盖5，且中间管2另一端贯穿外管1的第二密封端盖5，中间管2的另一端焊接有第三密封端盖6，所述内管3两端贯穿第一密封端盖4和第三密封端盖6，所述的外管1、中间管2、第一密封端盖4和第二密封端盖5形成第一环形流道12，中间管2、内管3、第一密封端盖4和第三密封端盖6形成第二环形流道13，其中第一环形流道12与第二环形流道13的截面积相等，在外管的一端开设有超临界CO2进口7，在中间管的另一端开设有超临界CO2出口8，内管3两端设置有第二换热器流体进口9和第二换热流体出口10，且在中间管2上采用钻孔或激光打孔加工有10个孔径为8mm的射流孔11，10个射流孔沿圆周间隔180
°
、沿轴向间隔128mm分布形成射流孔阵列。射流孔11总面积为第一环形流道12或第二环形流道13截面积的50％
‑
130％。超临界CO2经超临界CO2入口7进入外管1和中间管2之间的第一环形流道12后形成横向流动，在此过程中通过射流孔11形成射流冲击内管3的外壁面，后改变流动方向在第二环形流道13中形成横向流动，从超临界CO2出口8流出。超临界CO2冲击内管外表面，一方面在冲击区域产生较高的热流密度，另一方面对横向流动产生较大的扰动，产生复杂的二次流，强化内管外表面的换
热。第二流体从第二换热器流体入口9流入并从第二换热器流体出口10流出，与超临界CO2形成逆流布置。通过合理安排加工顺序，本专利技术实施例的加工过程仅需要普通的打孔和焊接工艺，不依赖高成本加工技术，有效降低了成本。
[0021]如图5所示，本实施例在超临界CO2侧进口温度为550K、压力为10MPa、被冷却的工况条件下，超临界CO2侧综合流动换热性能指标(PEC)可达1.2以上，相比于传统套管换热器能获得更好的综合性能。
[0022]上述实施例仅为本专利技术的优选实施例，但本专利技术不限于此，在其他实施例中第二流体可以与超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射流式超临界CO2套管换热器，其特征在于，包括自外向内同轴套装的外管(1)、中间管(2)和内管(3)，所述外管(1)与中间管(2)的一端平齐且设置有第一密封端盖(4)，外管(1)另一端设置有第二密封端盖(5)，且中间管(2)另一端贯穿外管(1)的第二密封端盖(5)，中间管(2)的另一端设置有第三密封端盖(6)，所述内管(3)两端贯穿第一密封端盖(4)和第三密封端盖(6)，所述的外管(1)、中间管(2)、第一密封端盖4和第二密封端盖(5)形成第一环形流道(12)，中间管(2)、内管(3)、第一密封端盖4和第三密封端盖(6)形成第二环形流道(13)，在外管的一端开设有超临界CO2进口(7)，在中间管的另一端开设有超临界CO2出口(8)，内管(3)两端设置有第二换热流体进口(9)...

【专利技术属性】
技术研发人员：文哲希，李庆，欧阳懿亮，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：