[发明专利]一种带壳体冷却的管翅式气－液换热器

说明书

技术领域

本发明涉及对流换热技术领域，具体涉及一种带壳体冷却的管翅式气－液换热器。

背景技术

高超声速技术的科学性、先进性和多功能性使它在很多技术领域都起到了关键性作用，尤其是在高科技的航空航天领域。随着飞行器能够达到的飞行马赫数不断地提升，飞行器表面受到高速气流的气动加热越来越强烈，导致温度不断升高。如果温度超过部件材料的工作极限温度，不仅会缩短工作寿命，甚至会出现材料被烧毁，无法保证飞行器正常飞行的危险。

针对超燃冲压发动机其热防护条件和工作热环境的特殊性，目前已经提出了多种热防护方法，其中主要有：

（1）气膜冷却

气膜冷却是指在热壁面附近沿其切线方向或沿一定角度向高温气体喷射用来冷却的气流，在压力与摩擦力的共同作用下，注入的冷气流会附在热壁面附近形成温度相对较低的冷却气膜，使壁面与高温气体隔离开来，从而避免了高温气体与壁面直接接触换热，同时，可以将一些高温气体或者高温火焰对热壁面造成的辐射热量带走，由此对壁面起到良好的热防护作用。

（2）辐射冷却

辐射冷却是使用单层的耐高温金属壁，作为其推力室的外壁面，通过向其四周空间进行热辐射散热，来达到冷却降温的要求。

(3)烧蚀冷却

烧蚀冷却是指附着在壁面上的涂层材料在高温下因为熔化、蒸发以及化学反应来吸收热量，这就会使得热壁面的附近产生一层温度比较低的冷却气流，通过对边界层温度将的降低，从而达到冷却的效果。

(4)发汗冷却

发汗式冷却是指冷却剂流过壁面上开的许多微小的孔流入燃烧室，使高温气体与壁面隔离开，从而达到冷却效果。

(5)再生主动冷却

再生主动冷却是对流冷却方式的一种，是当发动机工作时，使用推进燃料作为冷却剂，注入冷却通道，对燃烧室内壁进行冷却，温度升高后，再进入燃烧室燃烧做工。冷却剂通过推力室内壁所吸收的热量又回到了燃烧室，实现了能量的再生，因此称为再生冷却。

要将再生主动冷却引入到超声速飞行器进气道前端使用的冷却系统当中，就需要设计一种换热效率高，占用空间小的冷却器，这不仅面临着追求在有限的较小空间内尽可能增加换热面积、提高换热效率的难题，还要面对超声速的飞行状态下，换热器材料本身所承受的非常高的工作温度，需要引入换热器壁面冷却结构的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种带壳体冷却的管翅式气－液换热器，该换热器在较小空间内具有较大换热面积，提高了换热效率和性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种带壳体冷却的管翅式气－液换热器，针对如何提高高热流、高雷诺数下，超声速飞行器中换热器使用再生冷却的换热效率和性能问题，设计了壳体壁面夹层冷却通道，通过对流换热原理使燃料燃烧后的高温燃气的热量被低温燃料如煤油等带走，从而达到冷却高温燃气以及换热器材料的目的。

本发明的带壳体冷却的管翅式气－液换热器，包括壳体和设置在壳体内的多个换热单元，在壳体和换热单元之间设置夹层，所述夹层具有内壁和外壁；每个换热单元包括换热管、平直翅片、油路挡板；平直翅片沿壳体横截面延伸，换热管垂直穿过平直翅片，换热管、油路挡板和夹层形成唯一液体冷却通道，具体结构为换热管和夹层相通，油路挡板沿壳体纵截面延伸，每块油路挡板与夹层之间留有空隙，所述空隙位置不同，使得液体穿过每一个换热单元的换热管。壳体上设置气体进口、气体出口、液体进口、液体出口。

作为进一步改进，所述壳体为长方体，包括第一、二两个底面和第一、二、三、四四个侧面，第一和第三侧面相对，第二和第四相对；所述夹层分为第一、二、三、四四个夹层，分别与第一、二、三、四侧面相对应；每块所述油路挡板均有三个边与三个夹层的外壁相交；相邻的两个油路挡板，其中一个油路挡板与第二夹层外壁之间留有空隙，另一个油路挡板与第四夹层外壁之间留有空隙。

更进一步，气体进口和气体出口设置在壳体相对的两个底面上，液体进口、液体出口设置在壳体相对的两个侧面上；气体进口和液体出口临近，气体出口和液体进口临近。

每个换热单元有多排换热管，比如两排、四排或六排等等。