一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器

本发明涉及一种换热器，具体涉及一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器。

背景技术：

1、千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器作为千瓦级氖循环制冷机中的关键设备之一，承担着冷热量交换的作用，其性能直接影响低温系统的制冷和产液能力。千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器通过设备端产生的5bar的低压冷气去冷却千瓦级氖循环制冷机主路的10bar的常温氖气，以满足透平入口温度的要求。在许多对设备重量及占用空间敏感的低温设备中，换热器不仅需满足换热、压降性能要求，还需受到紧凑性、重量体积等诸多方面的约束。为了减小过程中产生的不可逆损失，低温紧凑式换热器内的冷热流体常以较小温差实现换热，并且需要综合考虑变物性、流体分布不均、轴向导热和环境漏热等问题，从而导致换热器在换热效率、流动阻力、尺寸空间等约束下的设计变得更加复杂。

2、千瓦级氖循环制冷机的氖气流量范围为100～600g/s。随着流量的增大，换热量也随之增加，传统的绕管换热器、板式换热器等结构已逐渐难以满足紧凑高效的换热要求。板翅式换热器具有传热效率高，体积小的特点，适用于大换热量的工况。但在低温环境下，氖工质物性变化剧烈，轴向导热和环境漏热等问题较为突出，还要同时兼顾平衡压降和换热效率，整体设计难度较大。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器。本发明换热器的特点为：高压侧入口为高温高压氖气(10bar，约300k)，低压侧入口为低温氖气(5bar，28～75k)。通常情况下两侧流量一致，为100～600g/s，流量大，适用范围广。主要部件包括由铝翅片构成的换热器核心芯体，多个封头及其连接管；本发明使用的翅片为锯齿型翅片。本发明通过详细的设计计算，综合考虑了压降和换热效率等因素，结构紧凑，换热效果好。

2、本发明的技术方案为：

3、一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，包括多个串联的锯齿型板翅式换热器；每一所述锯齿型板翅式换热器包括一换热芯体；

4、所述换热芯体包括多层锯齿型翅片堆叠焊接加工而成，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板；依次将相邻的三层锯齿型翅片作为一个单元，每一所述单元中的中间层锯齿型翅片作为热流量的通道，称为热通道，将每一所述单元中顶部和底部的锯齿型翅片作为冷流量的通道，称为冷通道；同一所述换热芯体内各所述单元的冷通道上下贯通，并在两端分别设置一封头；同一所述换热芯体内各所述单元的热通道上下贯通，并在两端分别设置一封头，作为热通道的出入口封头；

5、第1个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的冷通道入口封头作为低压侧入口，用于接入低温氖气；第i个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的冷通道出口封头通过连接管与前一锯齿型板翅式换热器的换热芯体的冷通道入口连接，最后一个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的冷通道出口封头用于输出换热后的低温氖气；

6、第1个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的热通道入口封头作为高压侧入口，用于接入高温高压氖气；第i个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的热通道出口封头通过连接管与前一锯齿型板翅式换热器的换热芯体的热通道入口连接，最后一个锯齿型板翅式换热器的换热芯体的热通道出口封头用于输出换热后的高温高压氖气。

7、进一步的，所述低压侧包括多层锯齿型翅片，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板，用于将低温氖气导入所述换热芯体的冷通道；所述高压侧包括多层锯齿型翅片，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板，用于将高温高压氖气导入所述换热芯体的热通道。

8、进一步的，采用分布参数法对所述换热芯体进行建模，得到换热芯体模型；利用计算传热学中的有限体积法，将所述换热芯体模型分割成若干个换热单元，并对每个所述换热单元进行传热和流体计算，得到传热系数及范宁摩擦因数，然后基于各所述换热单元的计算结果得到所述换热芯体的传热系数及摩擦因数，然后根据所述换热芯体的传热系数及摩擦因数确定所述换热芯体的结构尺寸。

9、进一步的，所述低压侧包括19层锯齿型翅片，所述低压侧中的锯齿型翅片的翅片高度为6.35mm；所述高压侧包括18层锯齿型翅片，所述高压侧中的锯齿型翅片的翅片高度为9.5mm。

10、进一步的，所述换热芯体的长度为1700mm、厚度为365mm、宽度为300mm；所述锯齿型翅片的翅片间距为1.4mm。

11、进一步的，所述高温高压氖气为压力10bar、温度300k的氖气，所述低温氖气为压力5bar、温度28～75k的氖气。

12、进一步的，所述隔离板为铝板。

13、本发明的优点如下：

14、本发明将四个换热器并联，按照本发明的设计结构进行校核计算，每个换热效率都能达到95％以上，拥有较高的换热效率，本发明的换热器流量与温度范围大，适用性广，流量范围为100～600g/s，低压侧入口温度范围为28～75k。本发明使用工质为氖气，目前市面上并无本产品。本发明低压侧压力5bar，高压侧压力10bar。本发明使用锯齿型翅片，效率高。本发明为四个换热器串联，在结构上有改进。本发明换热器的流量大，并且流量适用范围大，为100～600g/s。本换热器的适用环境是为氖循环制冷机的主换热器所设计，目的是冷却高压氖气。

技术特征：

1.一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，包括多个串联的锯齿型板翅式换热器；每一所述锯齿型板翅式换热器包括一换热芯体；

2.根据权利要求1所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，所述低压侧包括多层锯齿型翅片，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板，用于将低温氖气导入所述换热芯体的冷通道；所述高压侧包括多层锯齿型翅片，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板，用于将高温高压氖气导入所述换热芯体的热通道。

3.根据权利要求2所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，采用分布参数法对所述换热芯体进行建模，得到换热芯体模型；利用计算传热学中的有限体积法，将所述换热芯体模型分割成若干个换热单元，并对每个所述换热单元进行传热和流体计算，得到传热系数及范宁摩擦因数，然后基于各所述换热单元的计算结果得到所述换热芯体的传热系数及摩擦因数，然后根据所述换热芯体的传热系数及摩擦因数确定所述换热芯体的结构尺寸。

4.根据权利要求3所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，所述低压侧包括19层锯齿型翅片，所述低压侧中的锯齿型翅片的翅片高度为6.35mm；所述高压侧包括18层锯齿型翅片，所述高压侧中的锯齿型翅片的翅片高度为9.5mm。

5.根据权利要求4所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，所述换热芯体的长度为1700mm、厚度为365mm、宽度为300mm；所述锯齿型翅片的翅片间距为1.4mm。

6.根据权利要求1所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，所述高温高压氖气为压力10bar、温度300k的氖气，所述低温氖气为压力5bar、温度28～75k的氖气。

7.根据权利要求1所述的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，所述隔离板为铝板。

技术总结本发明公开了一种用于千瓦级氖循环制冷机的大流量低温板翅式换热器，其特征在于，包括多个串联的锯齿型板翅式换热器；每一所述锯齿型板翅式换热器包括一换热芯体；所述换热芯体包括多层锯齿型翅片堆叠焊接加工而成，相邻两层锯齿型翅片间设有隔离板；依次将相邻的三层锯齿型翅片作为一个单元，每一所述单元中的中间层锯齿型翅片作为热流量的通道，称为热通道，将每一所述单元中顶部和底部的锯齿型翅片作为冷流量的通道，称为冷通道；同一所述换热芯体内各所述单元的冷通道上下贯通，并在两端分别设置一封头；同一所述换热芯体内各所述单元的热通道上下贯通，并在两端分别设置一封头，作为热通道的出入口封头。本发明结构紧凑，换热效果好。技术研发人员：葛锐,马长城,常正则,霍谊,张志航受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/1