本發(fā)明屬于石油化工、制冷、能源、核能等工業(yè)中使用的超臨界流體換熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于超臨界流體熱力循環(huán)中的變流道換熱器。

背景技術(shù)：

超臨界流體換熱器在石油化工、制冷、能源、核能等工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，在超臨界流體換熱器中，冷熱兩種不同溫度和壓力的超臨界流體通過換熱板壁面進(jìn)行熱量交換。

超臨界流體具有較低的熱導(dǎo)率，同時(shí)在換熱過程中物理參數(shù)變化大，所以傳統(tǒng)的換熱器往往體積比較大，這是超臨界流體的換熱及換熱器設(shè)計(jì)一直是人們關(guān)心的問題，對(duì)換熱器的流道進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，很大程度上可以提高換熱器的換熱性能?，F(xiàn)有的超臨界流體印刷電路板換熱器（PCHE）主要分為兩類，一類芯體采用連續(xù)通道結(jié)構(gòu)，如直通道結(jié)構(gòu)、之字形結(jié)構(gòu)；另一類芯體采用分離式翅片結(jié)構(gòu)，如 S 型翅片結(jié)構(gòu)、翼型翅片結(jié)構(gòu)等。對(duì)第一類連續(xù)通道換熱器，其流道的大小是固定的，而超臨界流體在換熱過程中，隨著溫度的升高或降低，其密度變化很大，從而導(dǎo)致超臨界流體體積的減小或增大。從而可能增大超臨界流體在換熱過程中的流動(dòng)阻力，極端情況下還會(huì)引起傳熱惡化，流體擾動(dòng)也不夠充分，這樣會(huì)降低換熱效率和安全性。而對(duì)第二類芯體采用分離式翅片結(jié)構(gòu)的換熱器，“Z”型、“S”型加入翅片的流道設(shè)計(jì)會(huì)增加流動(dòng)的擾動(dòng)以提高換熱效率，但加入翅片結(jié)構(gòu)的同時(shí)也會(huì)使流體的流程增加、壓力損失增加，同時(shí)會(huì)在流道中的一些地方形成反向流和渦流，降低超臨界流體的換熱效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述兩類換熱器的不足之處，同時(shí)在相同換熱功率下減小換熱器的體積，本發(fā)明提出一種用于超臨界流體熱力循環(huán)中的變流道換熱器。

一種用于超臨界流體熱力循環(huán)中的變流道換熱器包括換熱器芯體3，換熱器芯體3的一端設(shè)有熱側(cè)進(jìn)口1和冷側(cè)出口2，另一端設(shè)有熱側(cè)出口6和冷側(cè)進(jìn)口7；所述換熱器芯體3由至少四對(duì)以上的換熱板上下重疊組成，每對(duì)換熱板由冷換熱板5和熱換熱板4上下重疊組成，實(shí)現(xiàn)換熱器芯體3中冷換熱板5和熱換熱板4交替布置。

所述冷換熱板5的中部均布設(shè)有翅片狀的冷變流通道11，所述冷變流通道一端的進(jìn)口連通著冷側(cè)進(jìn)口7，另一端的出口連通著冷側(cè)出口2；所述熱換熱板4的中部均布設(shè)有翅片狀的熱變流通道10，所述熱變流通道一端的進(jìn)口連通著熱側(cè)進(jìn)口1，另一端的出口連通著熱側(cè)出口6；且熱變流通道的進(jìn)口與冷變流通道的出口，對(duì)應(yīng)位于一側(cè)，熱變流通道的出口與冷變流通道的進(jìn)口對(duì)應(yīng)位于另一側(cè)，使換熱器芯體形成對(duì)流結(jié)構(gòu)，改進(jìn)在于：

所述冷變流通道11和熱變流通道10均為喇叭形通道，冷變流通道的進(jìn)口側(cè)通道的橫截面積大于出口側(cè)通道的橫截面積，流道漸窄；熱變流通道的進(jìn)口側(cè)通道的橫截面積小于出口側(cè)通道的橫截面積，流道漸闊；

每對(duì)換熱板中，冷流體在冷換熱板5上流動(dòng)、熱流體在熱換熱板4上流動(dòng)，相鄰兩個(gè)翅片12間的距離逐漸變大的熱變流通道上下重疊對(duì)應(yīng)著相鄰兩個(gè)翅片間的距離逐漸變小的冷變流通道，從而實(shí)現(xiàn)提高換熱效率。

進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

所述冷換熱板5上的冷變流通道和熱換熱板4上的熱變流通道均為連續(xù)直線型翅片流道或之字型翅片流道。

所述冷換熱板5上的冷變流通道的中心線和熱換熱板4上的熱變流通道的中心線同軸。

所述冷換熱板5上的冷變流通道的兩端分別通過分流通道連通著冷側(cè)進(jìn)口7和冷側(cè)出口2；所述熱換熱板4上的熱變流通道的兩端分別通過分流通道連通著熱側(cè)進(jìn)口1和熱側(cè)出口6；所述分流通道為翅片扇形通道。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1.本發(fā)明使超臨界流體在換熱器中改善流動(dòng)特性，減小了湍流、反向流的形成，通過建立新型變流道換熱器和傳統(tǒng)換熱器的簡單模型，模擬兩種換熱器低壓側(cè)（如圖8）和高壓側(cè)（如圖9）的壓力損失情況，結(jié)果表明，新型換熱器的壓力損失均低于傳統(tǒng)換熱器的壓力損失，有效減小了壓力損失約40%-60%。

2.本發(fā)明改善了超臨界流體在換熱器中的流動(dòng)特性，減小了湍流、反向流的形成，有效減小了流動(dòng)阻力約60%。

3.本發(fā)明在相同換熱功率下降低換熱器的尺寸，相同換熱功率下，減小換熱器體積約45%。增加了換熱器的有效換熱面積利用率。

4.本發(fā)明減小了湍流、反向流的形成，提高換熱器內(nèi)流體均勻性分布。

附圖說明

圖1是連續(xù)通道超臨界流體變流道換熱器示意圖；

圖2是每對(duì)換熱板分解示意圖；

圖3是圖2中的A-A剖視圖；

圖4是圖2中的B-B剖視圖；

圖5是熱換熱板變流道區(qū)域俯視圖；

圖6是冷、熱換熱板交替分布示意圖；

圖7是本發(fā)明冷、熱變流通道模型和普通流道模型示意圖；

圖8是兩種換熱器低壓側(cè)壓力損失模擬結(jié)果；

圖9是兩種換熱器高壓側(cè)壓力損失模擬結(jié)果；

圖10是相同換熱功率下?lián)Q熱器單流道流量與換熱器體積的關(guān)系的模擬結(jié)果。

上圖中序號(hào)：熱側(cè)進(jìn)口1、冷側(cè)出口2、換熱器芯體3、熱換熱板4、冷換熱板5、

熱側(cè)出口6、冷側(cè)進(jìn)口7、擴(kuò)流區(qū)8、分流通道9、熱變流通道10、冷變流通道11、翅片12。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

參見圖1，一種用于超臨界流體熱力循環(huán)中的變流道換熱器包括換熱器芯體3，換熱器芯體3的一端設(shè)有熱側(cè)進(jìn)口1和冷側(cè)出口2，另一端設(shè)有熱側(cè)出口6和冷側(cè)進(jìn)口7。

參見圖2，換熱器芯體3由多對(duì)換熱板上下重疊組成，每對(duì)換熱板由冷換熱板5和熱換熱板4上下重疊組成，參見圖6，實(shí)現(xiàn)換熱器芯體3中冷換熱板5和熱換熱板4交替布置。

冷換熱板5的中部均布設(shè)有翅片狀的冷變流通道11，冷變流通道一端的進(jìn)口連通著冷側(cè)進(jìn)口7，另一端的出口連通著冷側(cè)出口2；熱換熱板4的中部均布設(shè)有翅片狀的熱變流通道10，熱變流通道一端的進(jìn)口連通著熱側(cè)進(jìn)口1，另一端的出口連通著熱側(cè)出口6；且熱變流通道的進(jìn)口與冷變流通道的出口，對(duì)應(yīng)位于一側(cè)，熱變流通道的出口與冷變流通道的進(jìn)口對(duì)應(yīng)位于另一側(cè)，使換熱器芯體形成對(duì)流結(jié)構(gòu)。

熱變流通道和冷變流通道均為喇叭形通道，參見圖3和圖4，熱變流通道的進(jìn)口側(cè)通道的橫截面積小于出口側(cè)通道的橫截面積，流道漸闊；冷變流通道的進(jìn)口側(cè)通道的橫截面積大于出口側(cè)通道的橫截面積，流道漸窄；

每對(duì)換熱板中，冷流體在冷換熱板5上流動(dòng)、熱流體在熱換熱板4上流動(dòng)，相鄰兩個(gè)翅片間的距離逐漸變大的熱變流通道上下重疊對(duì)應(yīng)著相鄰兩個(gè)翅片間的距離逐漸變小的冷變流通道，從而實(shí)現(xiàn)提高換熱效率。

參見圖6，換熱器芯體3中冷換熱板5和熱換熱板4和交替布置，冷流體和熱流體實(shí)現(xiàn)逆流換熱。

變流道換熱器的工作過程為：流體從入口經(jīng)過擴(kuò)流區(qū)域進(jìn)入各層換熱板，在每層換熱板上，有經(jīng)過分流區(qū)域，流體被分配流入各個(gè)變流道換熱通道，在變流道區(qū)域流體換熱溫度的變化導(dǎo)致體積的膨脹或壓縮與流道橫截面積的增大或減小相互耦合，進(jìn)行充分的換熱，最后再次經(jīng)過分流區(qū)后匯合經(jīng)擴(kuò)流段流出換熱器。

參見圖7，圖7（a）為普通流道模擬示意圖，流道長度500mm，進(jìn)、出口寬度、高度均為1mm；圖7（b）為冷變流通道11和熱變流通道10模擬示意圖，冷變流通道11和熱變流通道10結(jié)構(gòu)相同，方向相反，其中流道長度均為500mm、進(jìn)口寬度均為1mm、出口寬度均為2mm、高度均為1mm。

參見圖8-10所示，通過數(shù)值模擬圖7所示的兩種流道換熱得到的模擬結(jié)果，圖8是兩種換熱器低壓側(cè)壓力損失模擬結(jié)果，圖9是兩種換熱器高壓側(cè)壓力損失模擬結(jié)果，結(jié)果表明，新型換熱器的壓力損失均低于傳統(tǒng)換熱器的壓力損失，有效減小了壓力損失約40%-60%。圖10為相同換熱功率下?lián)Q熱器單流道流量與換熱器體積的關(guān)系，模擬結(jié)果顯示相同換熱功率下，變流道換熱器可以減小換熱器體積約45%，增加了換熱器的有效換熱面積利用率。