[发明专利]一种变流道截面积回热换热器

说明书

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域中的回热换热器，特别涉及一种变流道截面积回热换热器，该变流道截面积回热换热器制造成本低，用于深冷混合工质制冷系统中可有效提高系统效率。

背景技术

利用回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机具有高效、可靠及制造成本低等优点，可广泛应用于能源、化工以及低温工程领域，用于实现器件深度冷却和工业气体的液化等方面，例如低温冰箱、天然气液化等领域。深冷多元混合工质节流制冷系统的一个关键部件就是回热换热器，其通过将循环工质高、低压布置于间隔的不同通道内，以逆流方式实现高、低压间的回热换热，进而将系统的室温部分与低温部分有效地连接在一起，使系统实现大温跨下的制冷效果。

从表面上看，深冷多元混合工质节流制冷系统所采用的回热换热器与常规低温制冷系统所采用的间壁式逆流换热器相似，其核心功能都是通过循环工质高、低压间的回热换热，使系统有效实现更大的工作温跨。但是，由于具有典型非共沸特征的多元混合制冷剂的采用，使得深冷多元混合工质节流制冷系统与采用单相气体循环工质的常规低温制冷系统对回热换热器具有明显不同的要求。首先，虽然稳态下制冷系统的工质循环质量流量是恒定的，但深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器内由于存在强烈的相变过程，其任何一侧(高压或低压)的出、入口的体积流量之比与常规的低温气体制冷系统有1至2个数量级的差别。其二，深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器内的任何一侧(高压或低压)的从入口到出口通常都处于相变流动传热区且其全程的干度变化较大，而常规低温气体制冷系统中回热换热器内通常为单相流动。其三，常规的低温气体制冷系统中回热换热器通常可以通过简单方法增加换热面积来提高换热效率同时提高系统的热力学效率。深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器不仅换热效率与两相流动状态和工质组份浓度密切相关，而且由于两相流动的液体偏析还会通过对循环工质组份浓度的影响显著影响系统的热力效率。总体上讲，深冷多元混合工质节流制冷系统回热换热器的设计更为复杂，需要从相变传热、两相流动和与系统的热力耦合等诸多方面综合考虑。

研究表明：对于一定内部结构形式的深冷多元混合工质节流制冷系统用回热换热器，除仔细考虑其各并行子通道内两相流动的均匀性外，最为重要的是沿程流速的设计，尤其是有明显爬升的流道。在上升通道内，当流速小于某值时，两相流动就会发生气、液相分离，这会使得液相在部分子通道内累积，形成液体拥塞而使其失效，这不但影响回热换热器的传热效率，而且会改变循环工质组份浓度，甚至使整个深冷多元混合工质节流制冷系统失效。从理论上讲，可以采用多个不同流道参数设计的回热换热器，通过串联方式来满足上述沿程流速设计。但是，这种多回热换热器串联方式必须很好解决多次气液相均配问题，不仅技术上难度大，而且会增加制造成本和额外的压降损失。

在小型深冷多元混合工质节流制冷系统中，回热换热器目前通常采用一种称为林德型的逆流换热器结构，其是将多根细管穿于一根粗管内，根据实际需要沿长度方向整体制成一定形状，然后在两端将细管汇流，并分别接上高、低压的出、入口。该种结构的回热换热器的细管内流通高压流体，由细管外径与粗管内径形成的缝隙中逆流通过低压流体，形成高、低压间的回热换热，它具有制造简单、成本低等优点。目前，实际使用的上述结构形式的回热换热器通常采用全程等流通截面结构，即从室温端至低温端高、低压的流道截面积完全相等，为了解决前述问题，通常以上升通道内的流体最小流速大于两相流动气、液相发生分离的临界流速为具体结构尺寸的设计依据，这样虽然保证了制冷系统的正常工作，但会在高、低压均引入更大的压力损失为代价，使制冷系统效率无法进一步提高。基于上述认识，本发明提出一种更加适合深冷多元混合工质节流制冷系统高效工作的林德型逆流换热器结构低成本的变流道截面积回热换热器。

发明内容

本发明的目的在于：为兼顾回热换热器内的相变传热、两相流动及其与系统的热力耦合等诸多方面因素，而提供一种林德型逆流换热器结构低成本的变流道截面积回热换热器，其结构简单、容易制造且成本低，可应用于深冷多元混合工质节流制冷系统，进一步提高系统的制冷效率。

本发明的技术方案如下：