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1、10申请公布号CN104101239A43申请公布日20141015CN104101239A21申请号201410313540522申请日20140702F28D15/00200601F28F21/0820060171申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号72发明人邹正平陈懋章刘火星武翼飞74专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人成金玉孟卜娟54发明名称一种超临界微小尺度紧凑快速换热器57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。
2、属微小尺度范畴，超临界状态流体压力高于临界压力至少05MPA，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。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图6页10申请公布号CN104101239ACN104101239A1/1。
3、页21一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05MPA，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。2根据权利要求1所述的超临界微小尺度紧凑快速换热器，其特征在于所述换热元件的几何结构是圆形、方形或椭圆形。3根据权利要求1所述的超临界微小尺度紧凑快速换热器，其特征在于所述换热器是单个或多个换热元件的组合。4根据权利要求1所述的超临界微小尺度紧凑。
4、快速换热器，其特征在于所述多个换热元件的组合选用典型的组合形式中的一种或数种组合形成成，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；所述典型的组合形式包括螺旋形结构和波纹板结构。5根据权利要求1所述的超临界微小尺度紧凑快速换热器，其特征在于所述的换热元件的材料为高温合金。6根据权利要求1所述的超临界微小尺度紧凑快速换热器，其特征在于根据需要，在所述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。7根据权利要求6所述的超临界微小尺度紧凑快速换热器，其特征在于所述强化换热涂层为包含金的涂层；所述表面改性处理采用化学气相沉积方法。权利要求书CN1。
5、04101239A1/4页3一种超临界微小尺度紧凑快速换热器技术领域0001本发明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，属于传热技术领域。背景技术0002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。0003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。
6、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。0004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。
7、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。0005本发明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。本发明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。
8、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。发明内容0006本发明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。0007本发明技术解决方案一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，所述换热器包括换说明书CN104101239A2/4页4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。
9、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05MPA，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。0008本发明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。
10、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1020；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。0009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。0010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。
11、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。0011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。0012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。0013根据需要，可在换热器表面采用强化换热涂层或表面改性。
12、处理以强化换热，例如包含金的涂层，化学气相沉积等。0014本发明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，本发明的换热效率可高于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。附图说明0015图。
13、1为太阳能热动力发电系统示意图；0016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；说明书CN104101239A3/4页50017图3为本发明换热器具体形式示意图螺旋形结构；0018图4为本发明换热器具体形式示意图波纹板结构；0019图5A为本发明实施例1的换热器结构正向示意图；0020图5B为本发明实施例1的换热器结构局部放大图；0021图6为本发明实施例2的换热器结构示意图；0022图7A为本发明实施例3的换热器结构示意整体示意图；0023图7B为本发明实施例3的换热器结构局部放大图。具体实施方案0024本发明是一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，其具有结构紧凑、。
14、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，其具体实施例如下0025实施例10026用于某型民用三转子大涵道比涡扇发动机间冷流路，超临界工质流经外涵道中的换热器，将热量传递给外涵道中的空气，换热器的设计方案如图5A、5B所示，图5A为换热器正向示意图，图5B为局部放大图。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，5为换热单元，其中主流为空气，超临界工质为氦。该换热器的一种工质为空气，流量为20KG/S，经过换热器后空气温升为150K。空气压力为03MPA，入口温度。
15、为290K，得知其物性参数为密度286KG/M3，比热容10127J/KGK，动力粘度22E5，导热系数0031。换热器使用超临界状态的氦作为另一种工质，氦的临界压力为023MPA，临界温度为52K，换热器中的氦压力为14MPA,温度为450K，得知其物性参数为密度29KG/M3，比热容5184J/KGK，动力粘度20E5，导热系数017，由换热量计算得所需氦流量为46KG/S，温降为120K。采用微小尺度换热单元，考虑到工质的压力较高，采用微小尺度通道形式为圆形细管，超临界氦在细管内流动，基本换热单元的几何尺度即细管外径为1MM，壁厚01MM。换热器为多个换热元件的组合，组合方式选用典型组合。
16、形式中的螺旋形结构，超临界氦沿螺旋形圆管由内环流入从外环流出，空气沿换热器轴向通过。考虑换热器的应用环境，其总体外径取为25M，内径为12M，材料为高温合金GH4169，为增强换热，换热器外表面采用含金强化换热涂层。根据流量与流通面积分别计算空气与超临界氦的流动速度，由此确定其雷诺数、努赛尔数，进而计算出管外的换热系数为5893，管内的换热系数为9311。计算所需细管总长度为9247M，取每根长度22M，各管沿周向均匀排布。由此计算出换热器换热效率为94，单位时间换热量与质量之比为147KW/KG，而常规间冷布局采用的换热器单位时间换热量与质量之比仅为22KW/KGLEIXU,“DESIGNA。
17、NDANALYSISOFANINTERCOOLEDTURBOFANENGINE,”JOURNALOFENGINEERINGFORGASTURBINESANDPOWER,NOVEMBER2010,VOL132，可见本发明换热器单位时间换热量与质量之比远高于现有换热器。0027实施例20028用于某型民用发动机涡轮后，超临界工质流经换热器，将主流空气中的热量带走，换热器的设计方案如图6所示，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，5为换热单元，其中主流为空气，超临界工质为氦。该换热器的一种工质为空气，流量为239KG/S，经过换热器后空气温降为250K。空气压力为0。
18、5MPA，入口温度说明书CN104101239A4/4页6为750K，得知其物性参数为密度239KG/M3，比热容10826J/KGK，动力粘度35E5，导热系数0052。换热器使用超临界状态的氦作为另一种工质，氦的临界压力为023MPA，临界温度为52K，换热器中的氦压力为15MPA,温度为300K，得知其物性参数为密度18KG/M3，比热容51818J/KGK，动力粘度24E5，导热系数019，由换热量计算得所需氦流量为75KG/S，温升为150K。采用微小尺度换热单元，形式为正方形通道，超临界氦在正方形通道内流动，基本换热单元的几何尺度即通道的边长为12MM，通道外壁厚为02MM。换热器。
19、为多个换热元件的组合，组合方式选用平板形式与圆环形式的组合，一定数量的换热单元沿轴向依次排列成板状，各板沿周向均匀排布。超临界氦沿正方形通道由外环流入从内环流出，空气沿换热器轴向通过。考虑换热器的应用环境，其总体外径取为14M，内径为09M，材料为高温合金GH3030，为增强换热，换热器外表面采用化学气相沉积的表面改性处理。根据流量与流通面积分别计算空气与超临界氦的流动速度，由此确定其雷诺数、努赛尔数，进而计算出管外的换热系数为3857，管内的换热系数为8272。计算所需通道总长度为60364M，取每根长度061M。由此计算出换热器换热效率为92，单位时间换热量与质量之比为133KW/KG。0。
20、029实施例30030用于某型火箭发动机燃料系统中，一种工质流经换热器，将热量传递给另一种工质燃料，换热器的设计方案如图7A、7B所示，图7A为换热器整体示意图，图7B为局部放大图。图中5为换热单元，6为超临界氦入口，7为超临界氦出口，8为超临界氢入口，9为超临界氢出口。该换热器的一种工质为超临界氦，氦的临界压力为023MPA，临界温度为52K，换热器中的氦压力为13MPA,温度为800K，流量为112KG/S，经过换热器后氦温降为550K。得知其物性参数为密度105KG/M3，比热容51834J/KGK，动力粘度32E5，导热系数025。换热器的另一种工质燃料是超临界状态的氢，氢的临界压力为。
21、129MPA，临界温度为331K，换热器中的氢压力为18MPA,温度为280K，得知其物性参数为密度074KG/M3，比热容145406J/KGK，动力粘度14E5，导热系数031，由换热量计算得所需氢流量为41KG/S，温升为560K。采用微小尺度换热单元，形式为正方形通道，两种工质在相隔的正方形通道内逆向流动，基本换热单元的几何尺度即通道的边长为08MM，通道外壁厚为02MM。换热器为多个换热元件的组合，组合方式选用方形形式，换热元件以一定行数列数组成长方体。超临界氦沿正方形通道由前向后流动，超临界氢沿相隔的正方形通道由后向前流动。考虑换热器的应用环境，其宽度为1802MM，高度为1802。
22、MM，材料为高温合金GH4169，不需强化换热涂层或表面改性处理。根据流量与流通面积分别计算空气与超临界氦的流动速度，由此确定其雷诺数、努赛尔数，进而计算出超临界氦的换热系数为5052，超临界氢的换热系数为6190。计算所需通道长度为2383MM。由此计算出换热器换热效率为97，单位时间换热量与质量之比为162KW/KG。0031本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。0032显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的所有实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。说明书CN104101239A1/6页7图1图2说明书附图CN104101239A2/6页8图3图4说明书附图CN104101239A3/6页9图5A说明书附图CN104101239A4/6页10图5B说明书附图CN104101239A105/6页11图6图7A说明书附图CN104101239A116/6页12图7B说明书附图CN104101239A12。