[發明專利]一種超臨界微小尺度緊湊快速換熱器

有效

• 申請號: 201410313540.5
• 申請日: 2014-07-02
• 公開（公告）號: CN104101239A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 鄒正平;陳懋章;劉火星;武翼飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F28D15/00
• 分類號: F28D15/00;F28F21/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種可用在航空航天領域中的新型超臨界微小尺度緊湊快速換熱器，屬于傳熱技術領域。

背景技術

換熱器是將熱量從一種載熱介質傳遞給另一種載熱介質的裝置。由于各行業對換熱器性能的需求不同，因此逐漸產生了多種形式的換熱器，航空航天領域對換熱器也有著迫切的需求。

航空領域中，在軍用方面，隨著飛行器飛行馬赫數的增大，發動機進口來流溫度不斷提高，高壓壓氣機工作溫度也隨之提高，壓氣機壓縮能力受到很大影響，同時對壓氣機材料和工藝的要求更高；在民用方面，為減小耗油率，需要不斷提高渦輪前溫度和總增壓比，渦輪前溫度的提高使得發動機熱端部件的冷卻需求增大，而增壓比的提高使得冷卻空氣的冷卻品質降低。因此，軍、民用發動機均有著對高壓壓氣機進口氣流進行冷卻的迫切需求。目前主要的手段是在高壓壓氣機前加入換熱器對來流進行冷卻，但常規的換熱器存在著單位體積/質量的換熱量小、換熱響應慢、換熱強度和換熱效率低等很多缺陷，并未在航空發動機上得到廣泛應用。

航天領域中，空間站需要利用太陽能發電，由于當前所用的光伏電池板和蓄電池組合系統存在著光電轉換效率低、運行阻力大、重量大、壽命短、輸出功率低等缺點，因此太陽能熱動力發電系統已成為現今空間站用太陽能發電系統的重要研究方向之一(如圖1所示)。在此系統中，換熱器是一個用于提高循環熱效率的重要部件。常規的換熱器存在著單位體積/質量的換熱量小、換熱響應慢、換熱強度和換熱效率低等很多缺陷，因此要發展一種新型高效率換熱器來更好地滿足太陽能熱動力發電系統的需求。

本發明將超臨界換熱技術和微小尺度換熱技術相結合，實現一種可用在航空航天領域中的新型超臨界微小尺度緊湊快速換熱器的設計。換熱器中使用超臨界流體作為工質，使得換熱工質熱容大、換熱效率高，響應速度快，同時結合微小尺度幾何結構實現微小尺度流動換熱，使換熱面積增加，同時保持低的重量，最終實現超高的換熱效率。本發明涉及的超臨界微小尺度緊湊快速換熱器具有結構緊湊、重量輕、換熱效率高、換熱強度大、對溫度變化響應快、耐高溫高壓、安全無污染等特點，既滿足了航空航天領域對換熱器性能的高要求，又能廣泛應用在其它各領域中。

發明內容

本發明技術解決問題：將超臨界換熱技術和微小尺度換熱技術相結合，實現一種可用在航空航天領域中的新型超臨界微小尺度緊湊快速換熱器的設計。所設計換熱器具有結構緊湊、重量輕、換熱效率高、換熱強度大、響應快、耐高溫高壓、安全無污染的優點，既滿足了航空航天領域對換熱器性能的高要求，又能廣泛應用在其它各領域中。

本發明技術解決方案：一種超臨界微小尺度緊湊快速換熱器，所述換熱器包括換熱元件和兩種工質，所述兩種工質通過換熱元件進行換熱，其特征在于：所述兩種工質中的一種工質采用超臨界狀態流體，另一種工質不限；所述換熱元件的尺寸屬微小尺度范疇；所述超臨界狀態流體是指工質的壓力高于臨界壓力至少0.5MPa，溫度高于臨界溫度至少200度；所述微小尺度是指基本換熱單元的幾何尺度不大于2毫米。

本發明的原理：超臨界狀態流體的物理化學性質兼具氣態和液態的優點，其粘性系數和擴散系數接近氣態，流動損失小；而傳熱系數和密度等接近液態,熱容大，換熱能力強。所以用超臨界狀態介質進行換熱可得到流動損失低、換熱量大的換熱效果。使用超臨界狀態流體作為工質，使換熱工質熱容大、換熱效率高；響應速度快，能夠快速應對溫度變化；換熱器中使用微小尺度幾何結構實現微小尺度流動換熱，以使換熱面積增加，同時保持低的重量；換熱器結構緊湊體積小質量輕，重量通常僅為傳統換熱器的10％-20％；換熱器可以使用高溫合金材料，能夠在高溫和高壓下可靠工作；根據需要，可在換熱器表面采用強化換熱涂層或表面改性處理，強化換熱；換熱器的具體結構形式由實際情況決定。

超臨界狀態流體，其特點為：熱容較大；容易進入超臨界狀態；化學成分穩定；環保無污染；安全性好，無毒性無危險性；來源廣泛容易獲得。所述超臨界狀態流體包括但不局限于氮、氦、水、二氧化碳等。

如圖2所示，換熱元件的幾何結構可以是圓形(圖2中的a所示)、方形(圖2中的b所示)、橢圓形(圖2中的c所示)等各種形狀，其具體形狀和尺寸由工作的壓力、溫度等決定，例如工作壓力很高時需要采用圓形結構保持強度，工作壓力相對較低時可以采用方形結構節省空間。