基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器

技术领域

本发明属于换热器技术领域，涉及一种管壳式换热器，具体涉及基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器。

背景技术

采用高效紧凑的换热器可有效解决航空发动机的热管理问题，对其起着至关重要的作用。降低进气温度有利于降低发动机的推重，可使进入的气体有足够的膨胀比；随着飞行速度的提升，发动机的进气量会大大减小，从而无法满足燃料充分燃烧的需求，这是当前飞机面临的很重要的两个热管理问题。

在管壳式换热器成熟的技术前提下，在换热器中加入泡沫金属，代替传统的金属翅片。开发一种紧凑、高效的多孔介质泡沫金属换热器，应用在航空航天领域。高孔隙率的泡沫金属不仅具有比重轻，比表面积大，孔隙率高，孔密度大等优点；还具有很强的扰动作用，能够促使流经其中的流体进行充分的掺混。这样的泡沫金属换热器不仅能显著提高换热效率，也不会对飞机的负重造成太大影响，与此同时，还能减小进气温度，提高进气量。

发明内容

本发明内容为了解决航空发动机的进气温度高和进气量大的热管理问题，进而提出了基于高效紧凑的S型泡沫金属结构交叉流式管壳换热器。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器，包括换热器的外部壳体、封头、法兰、固定在两侧挡板处的换热管及其外侧的泡沫金属翅片；所述换热管的相邻两直管段中心连线与换热器水平方向壳体(法兰轴向)成30°的弧度，所述泡沫金属翅片只包裹于换热管的直管段外侧；不同换热管等距离螺旋平行布置在壳体内组成S型管束；第一种流体在S型管束内流动，第二种流体在管束外换热器的壳体内流动。

所述的第一种流体为水或油等液体，第二种流体为气体，两种流体采用交叉流的方式流动。泡沫金属内有微孔隙孔洞，第二种流体也可以在孔洞中流动。

所述换热管的材料采用不锈钢管或紫铜毛细管，每根换热管的外径为4mm，壁厚1mm，直管段处长35mm，弯管处内环半径4mm，外环半径8mm。多根规格相同的换热管等距离平行布置在壳体内，每根换热管S型螺旋的方向与管布置的方向垂直，同一根钢管的直管段处的水平距离是2.5倍的钢管外径，不同钢管之间的垂直方向布置距离是3倍的钢管外径。

所述的每根换热管的两端以钎焊焊接的方式固定在挡板处。

所述的泡沫金属的材料采用泡沫金属铜、泡沫金属镍或泡沫金属铝或其合金，厚度为3mm，其孔隙率为45％-90％，孔密度为20-85PPI。

所述的泡沫金属采用焊接或高温导热胶粘结的形式紧密连接在换热管的直管段处。每根换热管的两端以焊接的方式固定在挡板处。

所述的换热器的壳体采用304不锈钢材料，壁厚1mm，两侧封头以钎焊焊接的形式与壳体进行连接，制作工艺简单。

采用上述方案的高效紧凑的S型泡沫金属结构交叉流式管壳换热器，最大的优点在于采用高孔隙率的泡沫金属作为换热器冷侧结构，不仅具有比重轻，比表面积大，孔隙率高，孔密度大等优点；还具有很强的扰动作用，能够促使流经其中的流体进行充分的掺混。与法兰轴向距离成30°角弯折为螺旋S型管束，可以增强流体在换热管内的停留时间，增强换热效率；交叉流的流动方式能够使两种流体进行充分的换热，进一步增大换热效率。经实验结果对比分析，换热效率提高70％-80％。上述的换热器体型小，结构紧凑，可以实现高效强化换热，提高航空发动机的热管理，减轻飞机的负重问题。

附图说明

图1是本发明基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器的正视图(剖面结构图)；

图2是本发明基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器的左视图(剖面结构图)；(a)泡沫金属换热管的垂直剖面图；(b)泡沫金属管的水平剖面图；

图3是本发明基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器的俯视图；

图4是本发明基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器的三维剖面图；

图5是本发明基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器的接口法兰图。

图中：1法兰；2封头；3壳体；4换热钢管；5泡沫金属翅片。

具体实施方式

下面根据本发明的结构图进行更细致的阐述。

如图1、图2所示，本发明中，基于泡沫金属的S型管束交叉流式管壳换热器，包括换热器的法兰1，封头2，壳体3，换热管4及泡沫金属翅片5。每根S型管的两端采用钎焊焊接固定在挡板处，共有3根S型换热管，弯管处以30°的弧度弯折，直管段处紧密连接一层泡沫金属5，每一段管等距离螺旋平行布置在壳体3内，换热管4的外侧有换热器的壳体，每一种流体进出口的两端连接有封头和法兰。泡沫金属翅片材质为镍铬合金材料，孔隙率为45％，孔密度为85PPI。

换热器的尺寸较小，长宽高为65*55*45mm，法兰的型号是HG20592，松套法兰，法兰外径105mm，内径75mm，厚度16mm，螺栓孔14mm，外接管的型号是DN20。法兰与封头的连接，封头与壳体的连接，均采用钎焊焊接的形式，泡沫金属使用真空焊或高温导热胶粘结的方法固定在换热钢管上，尽量不要有空隙，减少接触热阻，增强换热，经实验结果与管式：U型管光管，不加泡沫金属翅片的现有换热器进行对比分析，换热效率提高70％-80％。

第一种换热流体在壳体及换热管外的泡沫金属翅片内流动，为空气，第二种流体在换热管内流动，为水或油等液体工作条件为温度20-95℃，压力1.6MPa。当流体进入到封头后，在封头内进行分流，第一种流体在换热器的壳体内流动的同时，也在泡沫金属翅片内的空隙中流动，在此处增强了扰动，充分掺混；第二种流体进入各个换热管中，S型管束可以使第二种流体在换热管的停留时间加大，换热时间更长。S型换热管与泡沫金属翅片增强二次换热面积的综合作用，会换热器的换热效率较传统的管壳式换热器换热效率大大提高，增强换热。泡沫金属的质量轻，换热器的尺寸较小，可以减小发动机的负重，高效紧凑结构的换热器进而能帮助解决航空发动机的热管理问题：减小进气温度，增大进气量。