一种超临界微小尺度紧凑快速换热器制造技术

一种超临界微小尺度紧凑快速换热器；包括换热元件和两种工质，两种工质通过换热元件进行换热，其特征在于：其中一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限，换热元件的尺寸属微小尺度范畴，超临界状态流体压力高于临界压力至少0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。换热器的换热面积大，响应速度快，单位体积/重量的换热量大，换热效率超高；换热器可以使用高温合金材料，能够在高温和高压下可靠工作；微小尺度通道采用微小尺度加工工艺；本发明专利技术能够实现一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，既满足了航空航天领域的需求，又能广泛应用在其他各领域中。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种超临界微小尺度紧凑快速换热器；包括换热元件和两种工质，两种工质通过换热元件进行换热，其特征在于：其中一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限，换热元件的尺寸属微小尺度范畴，超临界状态流体压力高于临界压力至少0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。换热器的换热面积大，响应速度快，单位体积/重量的换热量大，换热效率超高；换热器可以使用高温合金材料，能够在高温和高压下可靠工作；微小尺度通道采用微小尺度加工工艺；本专利技术能够实现一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，既满足了航空航天领域的需求，又能广泛应用在其他各领域中。【专利说明】一种超临界微小尺度紧凑快速换热器
本专利技术涉及一种可用在航空航天领域中的新型超临界微小尺度紧凑快速换热器， 属于传热
。
技术介绍
换热器是将热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的装置。由于各行业对换 热器性能的需求不同，因此逐渐产生了多种形式的换热器，航空航天领域对换热器也有着 迫切的需求。 航空领域中，在军用方面，随着飞行器飞行马赫数的增大，发动机进口来流温度不 断提高，高压压气机工作温度也随之提高，压气机压缩能力受到很大影响，同时对压气机材 料和工艺的要求更高；在民用方面，为减小耗油率，需要不断提高涡轮前温度和总增压比， 涡轮前温度的提高使得发动机热端部件的冷却需求增大，而增压比的提高使得冷却空气的 冷却品质降低。因此，军、民用发动机均有着对高压压气机进口气流进行冷却的迫切需求。 目前主要的手段是在高压压气机前加入换热器对来流进行冷却，但常规的换热器存在着单 位体积/质量的换热量小、换热响应慢、换热强度和换热效率低等很多缺陷，并未在航空发 动机上得到广泛应用。 航天领域中，空间站需要利用太阳能发电，由于当前所用的光伏电池板和蓄电池 组合系统存在着光电转换效率低、运行阻力大、重量大、寿命短、输出功率低等缺点，因此太 阳能热动力发电系统已成为现今空间站用太阳能发电系统的重要研究方向之一（如图1所 示）。在此系统中，换热器是一个用于提高循环热效率的重要部件。常规的换热器存在着单 位体积/质量的换热量小、换热响应慢、换热强度和换热效率低等很多缺陷，因此要发展一 种新型高效率换热器来更好地满足太阳能热动力发电系统的需求。 本专利技术将超临界换热技术和微小尺度换热技术相结合，实现一种可用在航空航天 领域中的新型超临界微小尺度紧凑快速换热器的设计。换热器中使用超临界流体作为工 质，使得换热工质热容大、换热效率高，响应速度快，同时结合微小尺度几何结构实现微小 尺度流动换热，使换热面积增加，同时保持低的重量，最终实现超高的换热效率。本专利技术涉 及的超临界微小尺度紧凑快速换热器具有结构紧凑、重量轻、换热效率高、换热强度大、对 温度变化响应快、耐高温高压、安全无污染等特点，既满足了航空航天领域对换热器性能的 高要求，又能广泛应用在其它各领域中。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：将超临界换热技术和微小尺度换热技术相结合，实现一种 可用在航空航天领域中的新型超临界微小尺度紧凑快速换热器的设计。所设计换热器具有 结构紧凑、重量轻、换热效率高、换热强度大、响应快、耐高温高压、安全无污染的优点，既满 足了航空航天领域对换热器性能的高要求，又能广泛应用在其它各领域中。 本专利技术技术解决方案：一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，所述换热器包括换 热元件和两种工质，所述两种工质通过换热元件进行换热，其特征在于：所述两种工质中的 一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；所述换热元件的尺寸属微小尺度范畴； 所述超临界状态流体是指工质的压力高于临界压力至少0. 5MPa，温度高于临界温度至少 200度；所述微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。 本专利技术的原理：超临界状态流体的物理化学性质兼具气态和液态的优点，其粘性 系数和扩散系数接近气态，流动损失小；而传热系数和密度等接近液态，热容大，换热能力 强。所以用超临界状态介质进行换热可得到流动损失低、换热量大的换热效果。使用超临 界状态流体作为工质，使换热工质热容大、换热效率高；响应速度快，能够快速应对温度变 化；换热器中使用微小尺度几何结构实现微小尺度流动换热，以使换热面积增加，同时保持 低的重量；换热器结构紧凑体积小质量轻，重量通常仅为传统换热器的10% -20% ;换热器 可以使用高温合金材料，能够在高温和高压下可靠工作；根据需要，可在换热器表面采用强 化换热涂层或表面改性处理，强化换热；换热器的具体结构形式由实际情况决定。 超临界状态流体，其特点为：热容较大；容易进入超临界状态；化学成分稳定；环 保无污染；安全性好，无毒性无危险性；来源广泛容易获得。所述超临界状态流体包括但不 局限于氮、氦、水、二氧化碳等。 如图2所示，换热元件的几何结构可以是圆形（图2中的a所示）、方形（图2中 的b所示）、椭圆形（图2中的c所示）等各种形状，其具体形状和尺寸由工作的压力、温度 等决定，例如工作压力很高时需要采用圆形结构保持强度，工作压力相对较低时可以采用 方形结构节省空间。 换热器可以是单个或多个换热元件的组合，组合形式可以是多样的，可选用典型 的组合形式中的一种或数种组合形成，如螺旋形结构（如图3所示）、波纹板结构（如图4 所示）等，图中1为主流入口，2为主流出口，3为超临界工质入口，4为超临界工质出口，也 可选用非典型的几何结构形式；或选用典型的几何结构形式与非典型的结合结构形式相互 优化组合形成。可以通过对具体情况的设计计算及优化得出最佳结构形式。 所述的换热元件，材料可以采用但不限于高温合金，如GH4169等，具体材料牌号 可由实际情况决定。 根据需要，可在换热器表面采用强化换热涂层或表面改性处理以强化换热，例如 包含金的涂层，化学气相沉积等。 本专利技术与现有换热器相比的优点：结构紧凑，减少了换热器的体积，节约了设备空 间；重量轻，避免了常规换热器过重的弊端，能应用于对重量的要求严格的航空航天领域； 换热效率高（航空航天领域所用换热器的换热效率一般不超过80%，本专利技术的换热效率可 高于95% )、换热强度大（常规换热器的单位时间换热量与质量之比在30kW/kg左右，本发 明的单位时间换热量与质量之比可达150kW/kg);响应快速，能快速应对变化的工况；换热 器可以使用高温合金材料，能够在高温和高压下可靠工作；安全无污染，所用工质无毒、无 污染性，安全环保；应用领域广阔，具有很强的适应性。 【专利附图】【附图说明】 图1为太阳能热动力发电系统示意图； 图2为微小尺度几何结构形状示意图，其中a为圆形、b为方形，c为椭圆形； 图3为本专利技术换热器具体形式示意图（螺旋形结构）； 图4为本专利技术换热器具体形式示意图（波纹板结构）； 图5A为本专利技术实施例1的换热器结构正向示意图； 图5B为本专利技术实施例1的换热器结构局部放大图； 图6为本专利技术实施例2的换热器结构示意图； 图7A为本专利技术实施例3的换热器结构示意整体示意图； 图7B为本专利技术实施例3的换热器结构局部放大图。 具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，所述换热器包括换热元件和两种工质，所述两种工质通过换热元件进行换热，其特征在于：所述两种工质中的一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；所述换热元件的尺寸属微小尺度范畴；所述超临界状态流体是指工质的压力高于临界压力至少0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；所述微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹正平，陈懋章，刘火星，武翼飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11