專利名稱：包括超臨界二氧化碳回路的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換器的領(lǐng)域，尤其涉及以高壓二氧化碳(CO2)回路工作的熱交換器。
具體地說，本發(fā)明涉及用于這種熱交換器以便加強(qiáng)熱交換性能的管狀結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通常，高壓流體廣泛地應(yīng)用于許多需要在流體回路與外界環(huán)境之間或兩個流體回路之間進(jìn)行熱交換的設(shè)備中，包括工業(yè)和民用領(lǐng)域的冷卻和加熱設(shè)備。
工作壓力高的流體的使用需要熱交換器結(jié)構(gòu)能夠承受高水平的機(jī)械應(yīng)力。這種應(yīng)力特別出現(xiàn)在熱交換器的入口和出口區(qū)域處，在這些位置處必須絕對保持不泄漏。
相似地，高壓流體的使用需要所使用的由多個管狀通道構(gòu)造成的熱交換器具有盡可能小的流動截面，以便保持高水平的機(jī)械阻力。
因此，在傳熱特別劇烈的熱交換器中具有相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)。高的熱交換性能使得熱交換器非常緊湊，并且由此使得其所需的支承結(jié)構(gòu)的尺寸減小。
特別是，用于熱交換器的一種高壓流體是二氧化碳(CO2)，由于其對于臭氧層沒有影響因此是所希望的。所以二氧化碳經(jīng)常以80-150巴的壓力在熱交換器中使用，即，壓力高于臨界點(diǎn)(73巴，31攝氏度)。
以下文獻(xiàn)中描述了超臨界二氧化碳熱交換器的某些有益效果的評價-Bruch，S.Colasson，A.Bontemps，J.F.Fourmigué，2004，CFD“Approach to supercritical carbon flow in a vertical tube-Comparison of upward and downward flows”，6thIneternationalGustav Lorentzen Conference on Natural Fluids.Glasgow，Scotland.
-Bruch，A.Bontemps，J.F.Fourmigué，S.Colasson，2005，CFD“Simulation numérique du comportement thermohydraulique d’unécoulement de CO2supercritique dans un tube vertical”，(Numerical simulation of the thermo-hydraulic behaviour ofsupercritical CO2flowing in a vertical tube)，Annual congressof the SFT，Reims，F(xiàn)rance.
-Bruch，A.Bontemps，S.Colasson，J.F.Fourmigué，2005，“Numerical investigation of laminar convective heat transferof carbon dioxide flowing in vertical mini tubes in coolingconditions”，International conference on heat transfer incomponents and systems for sustainable energy technologies，Grenoble，F(xiàn)rance.
通常，為了保持層流，在表面周圍的區(qū)域中的流體流速相對較低，即0.1-0.3m/s的數(shù)量級，這使得傳熱系數(shù)明顯下降，并且使得熱交換器的性能明顯降低。
更確切地說，在包括光滑管的二氧化碳熱交換器上位于沿管長度上的不同點(diǎn)處可通過計算傳熱系數(shù)來進(jìn)行評價。這些評價發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)在管入口區(qū)域處較高，即，為在管末端端部處測量的數(shù)值的兩倍。另一方面，一旦經(jīng)過管入口區(qū)域，熱交換顯著降低，甚至下降到對于單相流體例如水或空氣的層流的經(jīng)典數(shù)值之下，該單相流體的物理特性保持恒定，盡管其隨溫度會改變。
在管入口區(qū)域處的傳熱吸收的增加是由于流體的建立以及高的熱梯度引起的超臨界二氧化碳的物理特性的明顯改變的組合效果導(dǎo)致的。
本發(fā)明的目的在于借助超臨界二氧化碳流經(jīng)的管從而提高熱交換器的熱交換性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種包括超臨界二氧化碳回路的熱交換器。以公知的方式，該回路包括多個進(jìn)行熱交換的管。
在本發(fā)明中，該管的至少一部分的表面包括在其內(nèi)表面上的不規(guī)則部分。
設(shè)置在管的內(nèi)表面上的“表面不規(guī)則部分”或“微型結(jié)構(gòu)”應(yīng)當(dāng)理解為該管的柱形輪廓的凹或凸形的變形，其導(dǎo)致該管沿管長度的截面變化。
依據(jù)本發(fā)明的一個特征，這些不規(guī)則部分位于這樣的一區(qū)域上，該區(qū)域從管入口延伸到管直徑的最大400倍的管位置處。
以另一方式，本發(fā)明涉及使用這樣的管，管的內(nèi)表面的僅一部分包括通過破壞液壓層和熱學(xué)層從而改變流體的層流的微型結(jié)構(gòu)。這些不規(guī)則部分位于管的第一部分上，直到管直徑的400倍的設(shè)定極限。
干擾流體層流以便提高傳熱系數(shù)的基本原理是本領(lǐng)域的公知的。該原理廣泛地應(yīng)用于各種類型的管式熱交換器以及板式熱交換器。其涉及對于沿由管狀通道構(gòu)造成的熱交換區(qū)域的整個長度的流動進(jìn)行擾動。
然而，與通常使用的原理相反，在超臨界二氧化碳的熱交換器中在管狀通道的整個長度上設(shè)置微型結(jié)構(gòu)或不規(guī)則部分不會導(dǎo)致傳熱系數(shù)的提高。相反，其產(chǎn)生相反的效果，即，使得熱交換性能下降到這樣的程度，即傳熱系數(shù)降低百分之幾十。
因此，本發(fā)明的一個重要方面包括使用包括不規(guī)則部分的管，其中不規(guī)則部分不在整個長度上延伸，而是限于特定區(qū)域，更具體地說限于管入口部分。
僅僅在給定區(qū)域內(nèi)使用這種微型結(jié)構(gòu)，與光滑管相比，這導(dǎo)致傳熱明顯地提高大致超過10％的數(shù)量級。
微型結(jié)構(gòu)的局部設(shè)置對于水力學(xué)方面而言也是有利的，這是因?yàn)樵诠艿囊徊糠种袥]有凹凸部分，在管中的壓頭損失也降低了。
實(shí)際上，設(shè)置有不規(guī)則部分的特征區(qū)域位于管直徑的400倍位置處的下游，應(yīng)當(dāng)理解，用于建立該位置的管直徑測量數(shù)值不包括任何的不規(guī)則部分。換言之，所使用的直徑是管內(nèi)側(cè)限定的規(guī)則柱形的最大直徑。以另一方式，如果凹形區(qū)域形成在管內(nèi)，則所測量的直徑應(yīng)為該區(qū)域形成之前的管的直徑。
相似地，如果凸形不規(guī)則部分形成在管內(nèi)，則所測量的直徑應(yīng)為該凸形區(qū)域形成之前沒有不規(guī)則部分的管的直徑。
該管優(yōu)選為大致柱形形狀，因此具有盤狀的截面。然而，還可以使用截面形狀不是圓形而是多邊形或橢圓形的截面。在這種情況下，為了建立設(shè)置有微型結(jié)構(gòu)的區(qū)域所測量的直徑是水力直徑，其通常定義為該管的截面除以被潤濕的周長的四倍的比率，被潤濕的周長即所涉及的截面的周長長度。
在優(yōu)選實(shí)施形式中，不規(guī)則部分位于管直徑的80倍至管直徑的220倍之間的區(qū)域中，所述距離是從管的入口開始測量的。不規(guī)則部分可占據(jù)整個或部分的所述區(qū)域，不必延伸到所給定的極限情況。
相似地，該優(yōu)選區(qū)域的選擇意味著對于傳熱系數(shù)有顯著影響的基本上所有的不規(guī)則部分設(shè)置在該特征區(qū)域內(nèi)，然而不排除沿該管長度在該特征區(qū)域之外的位置設(shè)置非常有限數(shù)量的(不規(guī)則部分)，并由此使得效果降低。
實(shí)際上，不規(guī)則部分沿特征區(qū)域的擾動沿該區(qū)域的長度可以是均勻的或可改變的，以便使得總體傳熱系數(shù)最優(yōu)化。
實(shí)際上，所形成的不規(guī)則部分可以具有各種形狀并且可借助許多不同的過程來制成。例如，不規(guī)則部分可由有利地定向成沿管的徑向微型翅片構(gòu)造成。
不規(guī)則部分還可由管狀通道的內(nèi)表面的中空凹部構(gòu)造成。這些凹部在管中沿外周凹槽成型以便形成微型波紋。
可依據(jù)壓力和溫度條件以及熱交換器所需的性能來選擇這些翅片或凹部的輪廓，以便例如不會導(dǎo)致管被弱化。這些不同的不規(guī)則部分可以按不同方式形成，特別是機(jī)加工、磨銑、擠壓或嵌入。本發(fā)明明顯地可應(yīng)用于由不同材料尤其是不銹鋼、鋁或銅制成的熱交換器。


參照對優(yōu)選實(shí)施例的下列描述并結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施方式和所獲得的有益效果，在附圖中圖1是依據(jù)本發(fā)明的熱交換器管的示意縱向截面圖；圖2是圖1所示的截面區(qū)域II的細(xì)節(jié)圖；和圖3示出了兩個曲線，它們表示光滑管和本發(fā)明的管的沿管長度的傳熱系數(shù)的變化。
具體實(shí)施例方式
與超臨界二氧化碳一起工作的熱交換器包括多個如圖1所示的管。
依據(jù)本發(fā)明，這種類型的管的內(nèi)表面2包括形成凸形或凹形部分的微型結(jié)構(gòu)。
在圖2所示的實(shí)施例中，這些不規(guī)則部分的形式為在周邊上的具有凹口的凹槽3，所述凹槽沿希望設(shè)置不規(guī)則部分的管區(qū)域規(guī)則地分布。
依據(jù)本發(fā)明，設(shè)置在區(qū)域6中的不規(guī)則部分僅僅沿管1長度的一部分延伸。
在圖1所示的形式中，該區(qū)域6從第一點(diǎn)8延伸，該第一點(diǎn)8位于離開管1的入口7的距離L1處，L1＝80×D，其中D是管的內(nèi)徑。參照圖2，該直徑D是該管的名義直徑，沒有將中空區(qū)域3考慮在內(nèi)。
如圖1所示，特征區(qū)域6延伸到點(diǎn)9，該點(diǎn)9位于離開管1的入口7的距離L2處。該距離等于L2＝200×D。
圖3示出了通過使用本發(fā)明的管從而獲得到的傳熱系數(shù)方面的技術(shù)效果。
這些曲線的y軸表示沿管狀通道長度所計算的傳熱系數(shù)W/m2/K。X軸表示管長度作為相對于管直徑的相對量度(x/D)給出的位置。
虛線表示的曲線表示在現(xiàn)有技術(shù)的管內(nèi)的傳熱系數(shù)的變化，現(xiàn)有技術(shù)的管即沒有凹凸微型結(jié)構(gòu)的光滑管。可以看出，傳熱系數(shù)在靠近測量量度x/d＝140的管入口區(qū)域中達(dá)到最大值。該系數(shù)隨后下降到550W/m2/K的數(shù)量級。
實(shí)線曲線表示在本發(fā)明的管內(nèi)的傳熱系數(shù)的相同變化。
這樣，在設(shè)置微型結(jié)構(gòu)的區(qū)域中，即測量量度x/D＝80到測量量度x/D＝220，可以看出與光滑管相比，在設(shè)置有該微型結(jié)構(gòu)的區(qū)域中傳熱系數(shù)有明顯地增大。
另一方面，一旦過了該設(shè)置有該微型結(jié)構(gòu)的區(qū)域，傳熱系數(shù)稍微低于對于相當(dāng)?shù)墓饣艿膫鳠嵯禂?shù)。
事實(shí)上，一旦超過了測量量度x/D＝550，在本發(fā)明的管內(nèi)的傳熱系數(shù)回復(fù)到高于光滑管的相應(yīng)數(shù)值。
作為示例，本發(fā)明的管由不銹鋼基材制成，具有0.5毫米的內(nèi)徑D和334毫米的長度。超臨界二氧化碳的流動的質(zhì)量流率在80巴的壓力下為1.77·10-5kg/s。在管入口的二氧化碳的溫度為393K，并且管表面的溫度為298K。
微型結(jié)構(gòu)設(shè)置在從80D即40毫米到220D即110毫米的區(qū)域上。該微型結(jié)構(gòu)的形狀為矩形，高度為0.05毫米，寬度為0.05毫米，節(jié)距為3.75毫米。
對于該管整個長度所計算的平均傳熱系數(shù)是853W/m2/K。該系數(shù)是借助用于流體流動模型的數(shù)字編碼例如由FLUENT France出售的FLUENT CFD(流體動力學(xué)計算)軟件來計算的。
該數(shù)值與沒有微型結(jié)構(gòu)的且具有相同直徑光滑管的計算的平均傳熱系數(shù)比較。在這種情況下，該平均傳熱系數(shù)為739W/m2/K，由于該微型結(jié)構(gòu)特征區(qū)域該平均傳熱系數(shù)增加了15.3％。
從以上描述中可以看出，依據(jù)本發(fā)明的熱交換器具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是提高傳熱系數(shù)并由此提高熱交換器的總體性能。這樣，這些性能使得熱交換器可制造成更緊湊并且提供相同的熱性能特征。
權(quán)利要求
1.一種包括超臨界二氧化碳回路的熱交換器，該回路包括多個管(1)，其特征在于，該管(1)的至少一個部分包括在內(nèi)表面上設(shè)置的表面不規(guī)則部分(3)，所述不規(guī)則部分(3)位于延伸到這樣一點(diǎn)的區(qū)域(6)內(nèi)，該點(diǎn)位于離開管入口(7)的管直徑的400倍的距離處。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述不規(guī)則部分(3)位于點(diǎn)(8)和點(diǎn)(9)之間的區(qū)域(6)內(nèi)，點(diǎn)(8)和點(diǎn)(9)分別位于離開管入口(7)的管直徑的80和220倍的距離處。
3.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，該管具有圓形、多邊形、或橢圓形截面。
4.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述不規(guī)則部分包括微型翅片。
5.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，該微型翅片在管內(nèi)定向成徑向。
6.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述不規(guī)則部分包括在管內(nèi)表面上內(nèi)凹的凹部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括超臨界二氧化碳回路的熱交換器，該回路包括多個管(1)。該熱交換器的特征在于，該管(1)的至少一個部分包括在其內(nèi)表面上設(shè)置的表面不規(guī)則部分(3)。這些不規(guī)則部分(3)位于延伸到這樣一點(diǎn)的區(qū)域(6)內(nèi)，該點(diǎn)位于離開管入口(7)的管直徑的400倍的距離處。
文檔編號F28F13/06GK1940458SQ20061012575
公開日2007年4月4日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者S·科拉森, A·布魯赫 申請人:法國原子能委員會