利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置

摘要

本发明公开了一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置，包括带有换热流体出入口的两个封头，以及位于两个封头之间的换热芯体；所述换热芯体内设有分别与对应换热流体出入口连通的换热通道，至少有一组换热通道内为含氧低温流体，所述利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置还包括对所述含氧低温流体产生梯度磁场作用力的磁场发生装置。本发明还公开了一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法。本发明通过环绕换热芯体的外磁体使换热表面形成高梯度磁场，在不改变换热器结构、不引入额外阻力的前提下实现对流换热的强化，提高了换热效率，降低了换热器体积和能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及低温介质换热，尤其涉及利用热磁对流强化低温含氧流体 传热的方法及装置。

背景技术

换热器是实现冷热流体热量交换的主要场所。低温换热器在以空气分 离为代表的大型工业流程中占有重要地位。在空气压缩过程中，为了提高 压缩效率需要机壳冷却、级间冷却器；空气液化循环中需要设置主换热器； 空气分离装置的冷箱内又有液化器、过冷器以及精馏设备中部的主冷凝蒸 发器等。这些换热器的性能直接影响整个系统的稳定运行和经济指标。

换热器在120K以下的低温环境中工作时，一般具有如下特点：

(1)换热效率要求高，低温换热器消耗的是低温冷量，温度越低， 制冷花费的代价就越高。因此为了减少换热过程中的能量损失，就要求换 热温差尽量减小，换热效率尽量高。这也是造价很高的高效紧凑式换热器 广泛应用于低温系统的主要原因。

(2)允许阻力小，换热器的阻力直接影响能耗，尤其是在低压工业 流程中，对换热器的阻力要求十分苛刻，在大流量情况下的允许压降只有 0.01～0.02MPa。

(3)以对流换热为主，从传热方式上看，由于温度很低，辐射换热 所占的比例很小，可忽略不计。传热方式以对流为主。为了强化换热，降 低能耗，必须提高对流换热系数。

综上所述，对于低温环境下工作的换热器，各方面要求均更加苛刻。 大型空气分离装置中，由于整体焊接工艺及交通运输的限制，对于换热器 的体积也有严格的要求。因此在现有加工工艺和允许体积前提下，提高低 温换热器效率，进而降低能耗、提高生产率，具有现实意义。以空分系统 中最常见的板翅式换热器为例，目前强化传热的措施主要有：

(1)增加传热面积，传热面积越大，所传递的热量就越多，板翅式 换热器中的翅片就起到了增大换热面积的作用。目前，换热面积增大主要 受到加工工艺与换热器体积的限制。

(2)加大温差，可通过合理紧凑的流道布置来实现，目前比较成熟， 但换热温差的增大也会带来一定的不可逆损失。

(3)增强对流换热，主要通过锯齿、波纹、多孔翅片破坏边界层， 如李清等在申请号为CN 201410364670.1的专利文献中提出混合型翅片。 是目前换热器强化的主要趋势，缺点是会引入额外阻力，破坏换热器强度。

在空气分离流程中的换热器，参与换热的介质通常为液氧或含氧流 体。这些介质由于含有大量的氧分子，一般具有强顺磁性，可以被磁体吸 引。利用这一性质可以控制氧的流动，甚至实现如申请号为CN 200510086240.9及申请号为CN200820010636.4的专利文献中提出的磁氧 分离。杨昆仑等在申请号为CN 200610165529.4的专利文献中提出了一种 包含加热器、磁极和封闭环路的磁性流体换热系统，实现了固定环路里无 机械驱动的对流环路。

目前还没有利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置的相 关报道。

发明内容

为了进一步提高低温换热器的运行效率，本发明提供一种非接触、换 热效率高、体积小、流动阻力小、附加能耗低的利用热磁对流强化低温含 氧流体传热的方法和装置。

一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置，包括带有换热流体 出入口的两个封头，以及位于两个封头之间的换热芯体；所述换热芯体内 设有分别与对应换热流体出入口连通的换热通道，至少有一组换热通道内 为含氧低温流体，所述利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置还包括 对所述含氧低温流体产生梯度磁场作用力的磁场发生装置。

在低温制冷领域，低温流体一般是指液态的氧、氮、氩、氢、氦，及 其混合物等。本发明提到的含氧低温流体一般是指液态氧、或者其他含氧 混合流体，例如液态空气等。

液态的氧气是一种强顺磁性流体，参加换热的含氧低温流体将受到朝 向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁 化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，温度 -183.15℃时，液氧的体积磁化率为0.00345。相反地，常见的其它纯质液 体只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关。

如果有一个非均匀磁场放在顺磁性流体附近，顺磁性流体受磁场吸引 而流向高磁感应强度区域。如在流动的同时对流体加热，流体温度升高， 受磁场的吸引力减小，从而受到后面磁化率高的冷流体推挤，排出高磁感 应强度区域。于是在非均匀磁场和热流的综合作用下，不断有顺磁性流体 流过非均匀磁场，这种现象被称为热磁对流或称磁风。

本发明的工作原理是通过对顺磁性的低温含氧流体施加非均匀磁场， 使得换热通道内由于热磁对流现象形成许多不稳定的涡流，从而实现在不 改变换热器机械结构的前提下实现破坏边界层、增大对流换热系数的目 的。

作为优选，所述磁场产生装置包括：

包围在换热芯体外周的外磁体；

位于外磁体的磁场内，且靠近换热通道侧壁设置的一个或多个内磁 体。

其中外磁体提外加磁场，内磁体在外加磁场作用下可具备磁力作用。 本发明的内磁体一般为软磁体，当外磁体工作时，内磁体具备磁性，当外 磁体的外加磁场作用力消失时，内磁体的磁力也消失。在外加磁场的作用 下，所述内磁体表面将形成很高的磁场梯度。另外，内磁体一般设置在那 些供含氧低温流体通过的换热通道侧壁附近，对低温氧原子提供磁力。

作为优选，所述外磁体为超导磁体。由于本发明的利用热磁对流强化 低温含氧流体传热的装置本身处于低温下，无需额外的超导冷却装置，可 以在消耗极少能量的前提下获得很高的磁场强度。

作为优选，所述内磁体为独立于换热通道的导磁件。此时，内磁体与 换热通道之间可独立设置，作为进一步优选，所述导磁件为轴向与换热通 道长度方向一致的多个独立的导磁棒，多个导磁棒沿换热通道侧壁周向均 匀布置。

作为优选，所述内磁体为与换热通道侧壁一体设置的导磁条，多个导 磁条之间相互隔离。加工时，通过本身为导磁材料或表面镀有导磁金属的 薄板冲压制成，在外加磁场的作用下，所述换热芯体将形成很高的磁场梯 度。

作为优选，所述导磁条的长度方向与换热通道长度方向一致，且多个 导磁条沿换热通道侧壁周向均匀布置。采用该技术方案，可保证含氧低温 流体内产生不稳定的涡流。

作为优选，所述换热芯体包括：

若干平行设置的隔板；

间隔设置在相邻两个隔板之间的翅片；

每个翅片的两侧分别与相邻两个隔板固定，翅片与隔板之间设有换热 通道。

上述技术方案中，所述换热芯体由多个翅片与隔板交替叠放构成，每 个翅片两侧与封条相连。本发明为非接触式的间壁换热器，参与换热的壁 面带有磁场，且越靠近壁面处的磁场强度越强。所述翅片为平直翅片、波 纹翅片或者多孔翅片等形式，所述换热芯体通过真空钎焊或扩散熔合焊等 技术焊接成形。板翅式换热器中的一股或多股传热介质为含氧低温流体。

本发明中，根据需要，可在封头与换热芯体之间设置分配段和导流片， 用于实现换热芯体内换热通道与换热流体出入口的连通。

本发明还提供了一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法，包 括：将两股或多股换热流体进行非接触式换热，该两股或多股换热流体中 至少有一股换热流体为含氧低温流体；换热过程中，同时对含氧低温流体 施加梯度磁场作用力，使得受梯度磁场作用力的含氧低温流体产生涡流， 热流体放出热量温度降低，冷流体吸收热量温度升高，以完成传热。

参见图4，本发明中，对于一个换热通道，远离壁面的A处流体的温 度较低，受到很强的朝向壁面的磁化力，从而向着壁面的方向流动；靠近 壁面的B处接近壁面的流体吸收壁面传来的热量Q而温度升高，磁化率 降低，受到的磁化力减弱，在A处流体的推动下横向运动到C；运动过程 中流体温度进一步升高，由于冷流体不断涌向壁面，C处流体受到挤压而 远离壁面运动到D；由于惯性的作用，以及为了补充A处流失的流体，D 处的流体运动到A，并在这一过程中向周围的冷流体放出热量，温度降低， 从而完成一个循环。在所述的换热通道内，可以形成许多类似的不稳定涡 流，从而不停地破坏靠近壁面的层流边界层，流体中的对流换热过程因此 得到强化，整个换热器的换热效率得到提高。

本发明通过环绕换热芯体的外磁体使换热表面形成高梯度磁场，在不 改变换热器结构、不引入额外阻力的前提下实现对流换热的强化，提高了 换热效率。空气分离等低温工业流程中经常以液氧或含氧流体作为换热工 质，且具备超导强磁体工作所需的低温环境，与本发明具有良好的结合性。

本发明的利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置，通过对 换热介质施加非均匀磁场，使得换热通道内形成许多不稳定的涡流，从而 实现在不改变换热器机械结构的前提下破坏边界层、增大对流换热系数的 目的。本发明中的低温换热器具有换热效率高、体积小、流动阻力小、附 加能耗低的特点。

附图说明

图1是利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置的结构示意图；

图2是图1中所述装置的A-A剖视图；

图3是图1中单层换热通道的立体结构图；

图4是图3中单个换热通道中的热磁对流示意图；

图5是矩形流道内热磁对流速度分布仿真结果；

图6是图5中矩形流道内沿流动方向的截面平均温度分布图；

图7是实施例中仿真装置的结构示意图。

图8是实施例中仿真装置的磁力线分布图。

上述附图中；

1.翅片，2.隔板，3.封条，4.换热芯体，5.外磁体，6.分配段，7.封头， 8.导流片，9.内磁体，10.换热通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法，包括两股或多股低 温含氧流体在换热通道中进行非接触式换热，继而热流体放出热量温度降 低，冷流体吸收热量温度升高，在冷热流体换热区域设有能对氧分子产生 作用力的梯度磁场。

上述非接触式换热可在非接触式的间壁换热器中进行，参与换热的壁 面带有磁场，且越靠近壁面处的磁场强度越强。由于液态的氧气是一种强 顺磁性液体，参加换热的含氧流体将受到朝向磁场强度增大方向的磁化 力。

如图1、2所示，实现上述热磁对流强化低温含氧流体传热方法的一 种热磁对流强化低温含氧流体传热装置，包括板翅式换热器，板翅式换热 器包括换热芯体4、外磁体5、封头7、分配段6以及设置在换热芯体4 内与外磁体5配合在换热通道内形成梯度磁场的内磁体。封头7上设置有 换热流体a，b，c，d的进出口，a，b，c，d中的一股或多股为含氧低温 流体。封头7与分配段6相连，分配段6与换热芯体4相连，用于换热流 体a，b，c，d的进出口与换热芯体4内换热通道的连通。外磁体5环绕 换热芯体4布置，从而在换热芯体4内部提供磁场，内部磁体在外磁体5 磁场作用下，在换热通道内形成梯度磁场。

同时参见图3，换热芯体4由多个翅片1与隔板2交替叠放构成，每 个翅片1两侧与封条3相连，翅片1、隔板2、封条3之间通过真空钎焊 或扩散熔合焊等技术焊接成形。翅片1和两侧的两个隔板2之间形成多个 矩形的换热通道。翅片1为平直翅片、波纹翅片或者多孔翅片等形式。

外磁体5可以采用超导线圈制作，例如可采用市售的超导磁体。由于 换热器本身处于低温下，无需额外的超导冷却装置，可以在消耗极少能量 的前提下获得很高的磁场强度。

如图3所示，内磁体9可为设置在换热通道内的导磁件，或者内磁体 可为与翅片1或/和隔板2一体设置的导磁条，内磁体可仅仅设置在翅片1 或者隔板2上，也可在翅片1和隔板2上同时设置，多个内磁体一般保证 相互独立，以形成多个磁场梯度，增加对氧分子的作用力，，在外加磁场 的作用下，翅片1与隔板2表面将形成很高的磁场梯度。内磁体为导磁件 时，可选择导磁棒，导磁棒可沿换热通道内壁周向布置，比如均与换热通 道的长度方向平行。内磁体为设置在翅片1或/和隔板2上的导磁条时，可 将条形的导磁条薄板按照一定方向冲压在翅片1或/和隔板2上，例如所述 导磁条为沿换热通道长度方向的多条，且沿换热通道内壁均匀分布。

如图4所示，对于一个换热通道，下表面有热量Q传入。远离壁面的 A处流体的温度较低，受到很强的朝向壁面的磁化力，从而向着壁面的方 向流动；靠近壁面的B处接近壁面的流体吸收壁面传来的热量而温度升 高，磁化率降低，受到的磁化力减弱，在A处流体的推动下横向运动到C； 运动过程中流体温度进一步升高，由于冷流体不断涌向壁面，C处流体受 到挤压而远离壁面运动到D；由于惯性的作用，以及为了补充A处流失的 流体，D处的流体运动到A，并在这一过程中向周围的冷流体放出热量， 温度降低，从而完成一个循环。在所述的换热通道内，可以形成许多类似 的不稳定涡流，从而不停地破坏靠近壁面的层流边界层，流体中的对流换 热过程因此得到强化，整个换热器的换热效率得到提高。

为了验证高梯度磁场对于低温含氧流体对流传热的促进作用，对换热 通道10内液氧流体在无磁场及外磁体5的磁感应强度为0T、1T、2T、5 T、10T条件下的流动和传热状况进行了有限元仿真，梯度磁场由贴近壁 面的圆柱形导磁硅钢营造。入口液氧温度设定为70K，换热通道壁面维持 90K恒温。

图7为仿真用装置结构示意图，图7中内磁体9为圆柱形导磁硅钢， 设置在矩形的换热通道10侧壁外壁。换热通道10宽度为10mm，长度为 100mm，含氧低温流体为液氧。

图8为仿真装置内的磁力分布图。从图8中可知，外磁体5作用下， 内磁体9导磁，在内磁体9周围产生磁场梯度。

如图5所示，换热通道10内的液氧速度分布，无磁场情况下的流体 维持层流流动，在贴近壁面处形成了稳定的边界层；而在1T背景磁场下， 由于氧分子受到磁场力的作用，在贴近传热壁面处形成了数个涡流，这些 涡流的存在破坏了流动边界层，促进了冷热流体的快速混合，可以起到强 化对流的作用。

如图6所示，矩形流道内沿流动方向的截面平均温度分布，在背景磁 场的作用下，由于通道内流体的对流得到了强化，沿流动方向温度变化的 斜率显著增大，并且背景磁场强度越高，升温的速度越快。这表明，梯度 磁场和热量共同驱动的磁热对流，有效促进了通道内含氧流体与壁面的传 热，通道的传热效率显著提高。