[发明专利]超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器及循环系统

说明书

本发明涉及超临界二氧化碳布雷顿循环技术领域，公开了一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器及循环系统，包括换热流道，换热流道包括依次连接的入口段、过渡段和微细通道换热段，入口段包括切向入口管和轴向旋流管，切向入口管的轴线空间垂直轴向旋流管的轴线，以使从切向入口管流入的循环工质在轴向旋流管内形成旋流，轴向旋流管的出口与过渡段连接，轴向旋流管的轴线垂直于微细通道换热段的入口平面。本发明提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器及循环系统，循环工质从切向入口管以切向方向进入轴向旋流管，并在切向旋流的旋流离心力和外扩张效应作用下在过渡段内充分扩张，从而减轻换热器微细通道流量分配不均匀问题。

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳布雷顿循环技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器及循环系统。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环已经成为国内外研究的热点。该系统主要包括三种换热器，即回热器、冷却器和加热器。其中，回热器的换热能力直接决定了系统效率，冷却器的换热能力直接影响着压缩机的入口条件，加热器的换热能力直接影响系统最高运行参数；同时，换热装置是该系统中体积最大、投资最高的装置之一。各类换热器的综合性能很大程度上决定了超临界二氧化碳布雷顿循环系统能否安全、高效运行。

由于超临界二氧化碳在超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器内呈现出类似气体的低粘度和类似液体的高密度，超临界二氧化碳须采用多微细通道并联的换热模式，在保证换热装置高承压能力(20MPa以上)的同时，可以大幅减小换热装置的体积，以减少换热装置的成本。目前通常应用的换热器包括微细管管壳式换热器、印刷电路板换热器等，以上各种微细通道换热器都存在一个共同特点：换热器入口对应着成百上千个通流管道，由于承压能力的限制，通流通道为直径仅1-3毫米的微细通道。各微细通道与换热器入口管的对应角度存在较大差异，导致的各微细通道的超临界二氧化碳入口流动条件有很大区别，宏观表现为微通道之间的流量分配不均问题十分严重。

由于超临界二氧化碳在微细通道内流动的同时还伴随传热过程，如在回热器吸热侧的超临界流体升温过程中，热流耦合作用使流量小的管道中流体温升更快，导致该通道中流体密度显著降低的位置前移，进而呈现出该通道内平均流速更高，而流动阻力与流速的平方成正比，导致该通道阻力进一步加大，从而使流量分配进一步不均匀。该现象就是超临界传热过程中流阻恶化和传热恶化的正反馈效应，极端条件下正对入口管路的微细通道是边缘通道流量的近1.5倍。

超临界二氧化碳流量分配不均匀现象不仅使换热器无法运行在设计工况，还会导致系统运行参数发生跟随性变化，难以满足设计运行要求，增大热源和冷却器负荷，导致系统效率大幅降低，最高降幅甚至超过5％。另外，系统运行参数的变化还会导致旋转机械入口条件波动，致使旋转机械效率骤降甚至出现失效破损风险，严重影响系统运行的高效性、稳定性和安全性。

发明内容

本发明提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器，用以解决或部分解决现有的超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器中超临界二氧化碳在微细通道内流量分配不均匀的问题。

本发明还提供一种采用此超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器的超临界二氧化碳布雷顿循环系统。

本发明实施例提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器，包括换热流道，所述换热流道包括依次连接的入口段、过渡段和微细通道换热段，所述入口段包括切向入口管和轴向旋流管，所述切向入口管的轴线空间垂直所述轴向旋流管的轴线，以使从所述切向入口管流入的循环工质在所述轴向旋流管内形成环绕所述轴向旋流管轴线方向的旋流，所述轴向旋流管的出口与所述过渡段连接，所述轴向旋流管的轴线垂直于所述微细通道换热段的入口平面。

本发明实施例还提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括上述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统换热器。