CN108759508A - 一种基于离心分离的换热器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离心分离的换热器及其设计方法，涉及机械设计制造技术领域。所述方法包括步骤：步骤一：待换热的两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体；步骤二：所述混合流体由混合腔进入离心腔，采用离心分离方法将混合流体分开，得到换热后的目标流体；步骤三：所述的目标流体分别通过各自相应的流出通道流出。本发明所提供的换热器设计方法，提出在混合腔中直接混合换热，换热效果高效，所提出的换热器设计结构简单体积小，由于基于离心分离技术，省去了内部通道设置的金属隔板，因此重量有所降低，换热器内部不易堵塞，同时便于对换热器的清洗，极大方便流体间的换热。

Description

一种基于离心分离的换热器及其设计方法

技术领域

本发明涉及机械设计制造和换热器技术领域，特别是涉及一种基于离心分离的换热器及其设计方法。

背景技术

换热器在工业中的应用极为广泛，要实现动力、化工、船舶、制冷和机械等领域设备的低能耗和高效运行离不开先进换热器的设计。而在工业中广泛应用的燃气轮机、柴油机、传动系统等传送能量高度集中的场合，由于高转速、高功率导致的高温使得机械部件的工作环境恶劣，因而往往需要可靠的滑油和冷却系统支持，此时滑油即可同时担负润滑和冷却的任务。而目前滑油最高使用温度一般不超过200℃，因此有必要对滑油进行有效的冷却。目前各领域的滑油冷却器主要采用水作为冷介质。在现代大型舰船中，由于水的比热容高、吸热能力强且便于从海水淡化装置中取得，因此船用燃气轮机中普遍使用水来冷却滑油。

常用的滑油换热器的类型主要有板翅式和管壳式。但是这两种换热器为达到好的换热效果，内部通道狭窄结构复杂，这使得其设计和加工困难，成本较高；另一方面，这两种结构或者固体材料比率高(板式换热器接近0.5)，或者体积较大，使得这些换热器的重量、空间占用较大。从整个换热器行业的设计现状来看，长期以来提高换热效果的方法都围绕增大换热面积、提高传热温差和增大传热系数这三种方式来进行，而增大换热面积通常导致设备过大或流道更小、更难加工、更易堵塞，增大传热温差不容易实现且会减少整个系统的可用能，增大传热系数的手段总体上会伴随着阻力的提高因而消耗较多泵功。

因此，提供一种结构简单、紧凑、加工成本低、重量轻以及换热高效的新型换热器设计方法具有重要的意义及实用前景。

发明内容

本发明所解决的是现有的换热器复杂度高，换热设计复杂，且换热功率已接近理想最大换热功率，难以继续提升，换热器内部易堵塞，难以加工，重量和体积较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于离心分离的换热器及其设计方法，所述的基于离心分离的换热器设计方法包括步骤：

步骤一：待换热的两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体；所述两种以上的流体相互之间温度不同、密度不同且不互溶；

步骤二：所述混合流体由混合腔进入离心腔，在离心腔中采用离心分离方法将混合流体分离，得到两种以上的目标流体；

步骤三：所述分离后得到的两种以上的目标流体分别通过各自相应的流出通道流出。

本发明还提供一种基于离心分离的换热器，所述换热器包括：两个以上的流入通道、与流入通道数量相同的流出通道、混合腔、离心腔和离心装置。

所述两个以上的流入通道与混合腔连通，所述流出通道与离心腔连通，所述流入通道与流出通道之间互不干涉，待换热的两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体，所述两种以上的流体相互之间温度不同、密度不同且互不相溶；离心装置位于离心腔内部中心处，用于将由混合腔流入离心腔的混合流体离心分离，通过离心方法将混合换热后的混合流体分开后，得到两种以上的目标流体，所述两种以上的目标流体再分别通过各自相应的流出通道流出。

本发明的优点在于：

本发明所提供的换热器设计方法，提出在混合腔中直接混合换热，换热效率高效，所提出的换热器设计结构简单体积小，由于基于离心分离技术，省去了内部通道设置的金属隔板，因此重量有所降低，换热器内部不易堵塞，同时便于对换热器的清洗，极大方便实现流体间的换热。

附图说明

图1为本发明一种基于离心分离的换热器设计方法流程图；

图2为本发明实施例第一种基于离心分离的换热器结构示意图；

图3为离心分离受力分析原理图；

图4为本发明实施例第二种基于离心分离的换热器结构示意图；

图中：

1：第一流入通道；2：第二流入通道；3：第一流出通道；4：第二流出通道；

5：第一混合腔；6：第一离心腔；7：离心装置A；8：第三流入通道；

9：第四流入通道；10：第五流入通道；11：第二混合腔；12：第二离心腔；

13：离心装置B；14：第三流出通道；15：第四流出通道；16：第五流出通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于离心分离的换热器及其设计方法，如图1所示，为本发明一种基于离心分离的换热器设计方法流程图，所述基于离心分离的换热器设计方法具体包括步骤：

步骤一：待换热的两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体；所述两种以上的流体相互之间温度不同、密度不同且不互溶；

所述的待换热流体以喷雾的形式喷入混合腔内，实现充分混合换热。

步骤二：所述混合流体由混合腔进入离心腔，采用离心分离方法将混合流体分离，得到两种以上的目标流体；

混合流体在离心力、摩擦力以及浮力的综合作用下在离心腔内分层逆向流动，混合流体中密度大的流体向离心腔中半径大的位置流动，密度小的流体向离心腔中半径小的位置流动，最终将混合流体分离开。

所述的离心分离方法是指借助离心力，使得不同比重(密度)的流体所受到的离心力不同，因此在不同的离心半径处可以进行收集，达到分离的目的。

所述混合腔的出口正对所述离心分离方法中离心叶片的旋转中心位置(驱动轴位置)，保证不同的流体在离心力作用下进行分离。

步骤三：所述分离后得到的两种以上的目标流体分别通过各自相应的流出通道流出。

本发明还提供了一种基于离心分离的换热器，包括：两个以上的流入通道、与流入通道数量相同的流出通道、混合腔、离心腔和离心装置。

所述两个以上的流入通道与混合腔连通，所述流出通道与离心腔连通，所述流入通道与流出通道之间互不干涉，两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体。所述两种以上的流体相互之间温度不同、密度不同且互不相溶；离心装置位于离心腔内部中心处，用于将混合流体离心分离，通过离心方法将混合换热后的混合流体分开后，得到两种以上的目标流体，所述两种以上的目标流体再分别通过各自相应的流出通道流出。

如图2所示，为本发明实施例基于离心分离设计方法的第一种换热器结构示意图；

流体A通过第一流入通道1进入第一混合腔5中，流体B通过第二流入通道2进入第一混合腔5中，将流体A与流体B进行混合换热，得到混合流体。所述流体A与流体B的温度不同、密度不同且不互溶；设流体A的温度为T₁(单位为K)，密度为ρ₁(单位为kg/m³)，流量为m₁(单位为kg/s)，比热容为c₁(单位为J/(kg·K)，相应地，流体B的温度、密度、流量和比热容分别为T₂、ρ₂、m₂和c₂。流体A与流体B在第一混合腔5内进行充分混合换热后，理想情况下，认为整个第一混合腔5绝热，由能量守恒知：

m₁c₁T₁+m₂c₂T₂＝(m₁c₁+m₂c₂)T₀

因此经过充分混合换热后，混合流体的温度为：

T₀＝(m₁c₁T₁+m₂c₂T₂)/(m₁c₁+m₂c₂)

由混合后质量守恒方程可知，混合流体的流量为：

m₀＝m₁+m₂

由以上基本原理推导可知，这种换热器换热极强，在短时间、小空间内就能达到最佳的换热效果。并且在给定混合流体的目标温度T₀的时候，存在最佳的入口流量比：其关键参数为流体流量，流体A流量m₁范围为0.1～2kg/s，流体B流体流量m₂范围根据最佳入口流量关系确定：流体A温度T₁范围为350～450K；混合流体的温度T₀范围为310～400K；换热器体积范围从0.1～0.4m³。

混合流体进入第一离心腔6通过离心装置A7采用离心分离方法将混合换热后的混合流体分开，得到目标流体A和目标流体B；离心装置A7如图2中所示，离心装置A7的驱动轴连接外置动力装置，离心力作用下流场运动分析计算如下：

如图3所示为离心分离受力分析原理图，对某一液珠分析，图中两个黑色实心点表示同一液珠，针对在不同受力情况下的受力分析，液珠所受的离心力为：

F_c＝mω²r

其中，F_c为液珠所受的离心力(单位为N)，m为液珠的质量(单位为Kg)，ω为离心装置A7的旋转角速度(单位为rad/s)，r为液珠与离心装置A7的驱动轴之间的距离半径(单位为m)。

所述离心力向下的分力为：

F′_c＝F_c·sinα

所述液珠在离心力作用下所受的正压力N(单位为N)为：

N＝F_c·cosα

其中α是指离心装置A7的离心叶片与驱动轴之间的夹角，一般取30°～50°，所述离心叶片水平偏下。

所述液珠所受的浮力F_f(单位为N)为：

F_f＝ρgV

其中，ρ为液珠的密度(单位为Kg/m³)，V为液珠的体积(单位为m³)，g为重力加速度。

所述浮力向上的分力为

F′_f＝F_f·cosα

所述液珠在浮力作用下所受的正压力N′(单位为N)为

N′＝F_f·sinα

则液珠所受的摩擦力：

F_m＝f(N+N′)

其中，f指液珠与所述离心叶片之间的摩擦力。

由力与运动之间的关系可知，最终液珠的运动由离心力向下的分力F′_c以及摩擦力F_m与浮力向上的分离F′_f之和决定。对于重液珠，离心力分力大于摩擦力与浮力分力之和，即F′_c＞F_m+F′_f，液珠向半径大的第一离心腔位置运动；对于轻液珠，离心力分力小于摩擦力与浮力分力之和，即F′_c＜F_m+F′_f，液珠上浮向半径小的第一离心腔位置运动。由此可见密度不同的轻重液将在第一离心腔中分层逆向流动，基于此，两种流体将在位于第一离心腔不同半径的流出通道处流出，假设目标流体A密度大于目标流体B，密度大的目标流体A从半径大的第二流出通道4流出，密度小的目标流体B从半径小的第一流出通道3流出，最终将其分离开。

将流体A、B通入第一混合腔5内，其中假设流体A为主要换热流体。在通入流体A与流体B时可以采用雾化喷入的方式，增大接触面迫使其混合均匀，或在第一混合腔5体内加入一个搅拌器或均温板以实现快速掺混和换热，从而使混合流体的温度基本一致。

目标流体A与目标流体B分别通过第二流出通道4和第一流出通道3流出，为避免目标流体A和目标流体B被浪费，本发明的换热器设计方法可设置使目标流体A或目标流体B循环利用的装置。例如经过上一步离心后，通常密度小的流体较为纯净而密度大的流体会含有少量密度小的流体，故可将密度小的流体排出进行下一工作流程或收集，而当需要避免密度小的流体浪费时，密度大的流体则应进行循环使用，因此可以设计循环装置使密度小的流体循环利用。需要注意的是此时密度大的流体流量不能按照进口密度大的流体直接计算，而需要考虑密度小的流体在其中的占比。因此密度大的流体流量需要进行合理控制。

利用本发明所提供的基于离心分离的换热器设计方法的换热器，未采用传统增强换热的方式，提出换热器直接混合换热，换热高效，功率提高了19.1％～138.1％，结构简单、紧凑，加工简单，体积小，由于基于离心分离技术，省去了内部通道设置的金属隔板，内部结构简单，易加工，方便实现流体间的换热。

本发明设计方法设计的换热器除了实现两流体之间的换热，还适用于多种密度不同、温度不同且互不相溶的流体之间的换热，如图4所示，为本发明实施例基于离心分离的换热器设计方法设计的第二种换热器结构示意图，三种流体分别通过第三流入通道8、第四流入通道9和第五流入通道10进入第二混合腔11，经充分混合换热后，再进入第二离心腔12后由离心装置B13离心分离，在离心分离的作用下，不同密度的流体在离心的作用下被分离到第二离心腔12不同半径的地方，然后分别从第三流出通道14、第四流出通道15和第五流出通道16流出，由此完成三种流体之间的换热。

通过本实施例可以看出基于本发明设计方法所提供的换热器，可以方便地在实现两种不同流体间换热的基础上，实现多种流体间的换热。

利用本发明基于离心分离的换热器设计方法的第一种换热器对滑油和水进行换热操作；

(1)、已知流体A即滑油流量为m₁＝0.1kg/s，温度为T₁＝350K，其密度、比热容均假设为常值：ρ₁＝800kg/m³，c₁＝1.87×10³J/(kg·k)。混合流体温度为T₀＝310K，取换热器的体积为0.1m³。设其辅助介质流体B为水，温度为T₂＝293K,并假设其密度、比热容为：ρ₂＝1000kg/m³，c₂＝4.20×10³J/(kg·k)，转速为7000～14000rpm。

如前所述可以得到最佳的水流入的流量m₂＝0.1kg/s。

通过联立能量守恒方程与质量守恒方程可以快速得到该换热器在特定工况下的换热效果，折合换热功率为

P＝7.48kW

(2)、已知流体A即滑油流量为m₁＝2kg/s，温度为T₁＝450K，其密度、比热容均假设为常值：ρ₁＝800kg/m³，c₁＝1.87×10³J/(kg·k)。混合流体温度为T₀＝400K，取换热器的体积为0.2m³。设其辅助介质流体B为水，温度为T₂＝293K,并假设其密度、比热容为：ρ₂＝1000kg/m³，c₂＝4.20×10³J/(kg·k)，转速为7000～14000rpm。

如前所述可以得到最佳的水流入的流量m₂＝0.416kg/s。

通过联立能量守恒方程与质量守恒方程可以快速得到该换热器在特定工况下的换热效果，折合换热功率为

P＝187kW

现有典型的管壳式换热器的体积换热系数为5kW/(m³·K)，假设该换热器与前述换热器的体积和混合换热后的混合流体的温度相同，不难得到该换热器的换热功率为：P‘＝157kW，可以看出通过此方法设计的换热器换热效率先比于现有管壳式换热器的功率提高了19.1％左右。这是假设换热过程一直保持入口温差，但实际管壳式换热器的在换热过程中两流体的温度差不断减小，换热没有入口强烈，因此，实际提高的换热功率将会更高。

(3)、已知A流体即滑油流量为m₁＝2kg/s，温度为T₁＝450K，其密度、比热容均假设为常值：ρ₁＝800kg/m³，c₁＝1.87×10³J/(kg·K)。出口温度为T₀＝350K，取换热器的体积为0.4m³。设其辅助介质流体B为水，温度为T₂＝293K,并假设其密度、比热容为：ρ₂＝1000kg/m³，c₂＝4.20×10³J/(kg·k)，转速为7000～14000rpm。

通过联立能量守恒方程与质量守恒方程可以快速得到该换热器在特定工况下的换热效果，折合换热功率为

P＝374kW

典型的管壳式换热器的体积换热系数为5kW/(m³·K),假设该换热器与前述换热器的体积和混合换热后的混合流体的温度相同，不难得到该换热器的换热功率为：P‘＝314kW，可以看出通过此方法设计的换热器换热效率先比于管壳式换热器的功率提高了19.1％左右。

(4)、已知流体A即滑油流量为m₁＝1kg/s，温度为T₁＝450K，其密度、比热容均假设为常值：ρ₁＝800kg/m³，c₁＝1.87×10³J/(kg·K)。出口温度为T₀＝310K，取换热器的体积为0.2m³。设其辅助介质流体B为水，温度为T₂＝293K,并假设其密度、比热容为：ρ₂＝1000kg/m³，c₂＝4.20×10³J/(kg·k)，转速为7000～14000rpm。

通过联立能量守恒方程与质量守恒方程可以快速得到该换热器在特定工况下的换热效果，折合换热功率为

P＝261.8kW

典型的管壳式换热器的体积换热系数为5kW/(m³·K),假设该换热器与前述换热器的体积和混合换热后的混合流体的温度相同，不难得到该换热器的换热功率为：P‘＝157kW，可以看出通过此方法设计的换热器换热效率先比于管壳式换热器的功率提高了38.1％左右。

(5)、已知热流体即滑油流量为m₁＝1kg/s，温度为T₁＝450K，其密度、比热容均假设为常值：ρ₁＝800kg/m³，c₁＝1.87×10³J/(kg·K)。出口温度为T₀＝350K，取换热器的体积为0.1m³。设其辅助介质为水，温度为T₂＝293k,并假设其密度、比热容为：ρ₂＝1000kg/m³，c₂＝4.20×10³J/(kg·K)，转速为7000～14000rpm。

通过联立能量守恒方程与质量守恒方程可以快速得到该换热器在特定工况下的换热效果，折合换热功率为

P＝187kW

典型的管壳式换热器的体积换热系数为5kW/(m³·K),假设该换热器与前述换热器的体积和混合换热后的混合流体的温度相同，不难得到该换热器的换热功率为：P‘＝78.5kW，可以看出通过此方法设计的换热器换热效率先比于管壳式换热器的功率提高了138.1％左右。由此可见在低出口温度、大流量、小体积条件下，本发明的换热器相比于管壳式换热效果将有明显的提升。

综上所述，利用本发明所提供的换热器设计方法，未采用传统增强换热的方式，提出在换热器中直接混合换热，换热高效；同时由于基于离心分离技术，省去了内部设置的通道的金属隔板，内部结构简单，体积小，易加工，因此重量略有降低；而且没有狭窄通道，因此换热器内部不易堵塞，便于对换热器的清洗；同时还能方便实现多种流体间的换热。

Claims (5)

1.一种基于离心分离的换热器设计方法，包括步骤：

步骤一：待换热的两种以上的流体分别通过各自相应的流入通道进入混合腔中进行混合换热，得到混合流体；所述两种以上的流体相互之间温度不同、密度不同且不互溶；

步骤二：所述混合流体由混合腔进入离心腔，在离心腔中采用离心分离方法将混合流体分离，得到两种以上的目标流体；

步骤三：所述分离后得到的两种以上的目标流体分别通过各自相应的流出通道流出。

2.根据权利要求1所述的一种基于离心分离的换热器设计方法，其特征在于：所述两种以上的流体以雾化喷入的方式进入混合腔实现混合换热。

3.根据权利要求1所述的一种基于离心分离的换热器设计方法，其特征在于：所述的流体为流体A和流体B，设流体A的温度T₁，流量为m₁，比热容为c₁，流体B的温度T₂，流量m₂和比热容c₂；在给定混合流体的温度T₀的时候，存在入口流量比：

4.根据权利要求1所述的一种基于离心分离的换热器设计方法，其特征在于，混合流体会在离心力、摩擦力以及浮力的综合作用下分层逆向流动，混合流体中密度大的流体向离心腔中半径大的位置流动，密度小的流体向离心腔中半径小的位置流动，最终将混合流体分离开。

5.一种基于离心分离的换热器，其特征在于：所述换热器包括两个以上的流入通道、与流入通道数量相同的流出通道、混合腔、离心腔和离心装置，所述两个以上的流入通道与混合腔连通，所述流出通道与离心腔连通，离心装置位于离心腔内部中心处，用于将由混合腔流入离心腔的混合流体离心分离，通过离心方法将混合换热后的混合流体分开后，得到两种以上的目标流体，所述两种以上的目标流体再分别通过各自相应的流出通道流出。