CN101922870B - 一种间壁式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种间壁式换热器，由导热基板加工制造而成，在基板上表面内侧设置有上层流道，在基板下表面内侧设置有下层流道，上/下层流道均采用构形树状结构的流道网络，在上层流道和下层流道之间设置有管束流道层，在管束流道层内设置有连通上层流道和下层流道的呈阵列布置的连通通道，在管束流道层的上下表面设置有肋化表面。该换热器充分利用了上/下层薄空间来布置构形树状结构流动通道网络和设置肋化表面，大大增加了单位体积内冷、热两种流体热交换所需的传热面积，提高了换热器的结构紧凑性；构形树状结构的流动通道网络实现了流体由点到体最佳路径输送，大大减少了流体输运距离，降低流道内的流体输送泵功消耗，提高了换热器的热有效性。

Description

一种间壁式换热器
技术领域
本发明涉及一种流动换热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的具有构形树状结构流动通道网络所构成的结构紧凑的间壁式换热器。
背景技术
间壁式换热器是工程技术领域应用最广的换热器类型。在这类换热器中，冷、热两种流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。提高间壁式换热器的结构紧凑程度是强化该型换热器的流动换热性能的一种主要途径。目前，缩小流动通道直径和采用螺纹、波纹等肋化表面是实现结构紧凑的常用方法。缩小流动通道直径可以使得在有限空间内布置更多的换热通道，也就是说，可以使得换热面积得到大幅度提搞，并且流体流动的传热系数也随着通道直径的减少而增加；通道采用螺纹、波纹等肋化表面设计是通过在流动换热区域内产生持续的局部扰动，提高了流体湍动能强度，实现了传热边界层的重新生成并增强了通道内冷热流体传热系数，提高了板翅式换热器的传热性能。但是这些方法，在提高流体流动换热性能的同时也带来了流动压降(即泵功消耗)的急剧增加。
随着换热器应用领域的不断拓宽，尤其是在航空、航天和微电子等领域，迫切需要对间壁式换热器结构进行优化设计，以达到结构紧凑、提高热有效性(换热量/泵功)和缩小占用空间的目的。受构形理论成功应用于解决流传递结构体内优化设计问题的思想启迪，本发明将间壁式换热器内的换热通道布置成构形树状特征的流动通道网络，以实现间壁式换热器的结构紧凑和高效换热。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有的间壁式换热器结构设计上存在的泵功消耗和传热能力不匹配、结构不紧凑和占用空间大问题，本发明提供了一种具有构形树状结构流动通道网络所构成的结构紧凑的间壁式换热器，该换热器能大大提高换热器的热有效性，实现高效换热和结构紧凑。
技术方案
为解决间壁式换热器设计上存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种结构紧凑的间壁式换热器，由高效导热基板加工制造而成，在所述的基板上表面内侧设置有上层流道，在所述的基板下表面内侧设置有下层流道，在所述的上层流道和下层流道之间设置有管束流道层，在所述的管束流道层内设置有连通所述的上层流道和下层流道的呈阵列布置的连通通道，其特征在于：所述的上/下层流道均采用构形树状结构的流动通道网络，所述的流道网络以平面方式铺展开来，流道网络至少含有2级，每级通道连接着分叉数N＝2的下一级通道，上下级流道之间的交叉角α为180度，且不同级流道的长度、直径大小按照一定比例关系生成。
所述的上/下层流道和呈阵列布置的连通通道内流动着同一种流体工质，该流体工质由所述的上/下层流道经过所述的连通通道到达所述的下/上层流道。所述的管束流道层内流动着与之进行热量交换的另一种流体工质，在所述的管束流道层内流体垂直冲刷呈阵列布置的连通通道。冷、热两种流体通过所述的管束流道层上下表面和呈阵列布置的连通通道壁进行热量交换。
所述的上/下层流道所采用构形树状结构的流动通道网络，以平面方式铺展开来。所述构形树状结构的流动通道网络至少含有2级，可根据需要选择3、4、5、6、7、8、9、10等等，每级流道连接着分叉数N＝2的下一级流道，上下级分叉连接流道之间的分叉角α为180度。所述的构形树状结构的流动通道网络的第0级流道为流体出/入口，所述的流动通道网络的末级流道由所述的呈阵列布置的连通通道贯通。所述的上下级分支流道的直径之比为N-1/Δ，其中Δ为直径维数。已有的研究表明，对于管道内为层流流动，Δ＝3时流动阻力最少，而对于湍流流动Δ＝7/3时流动阻力最少。所述的上下级分支流道的长度之比为N-1/d(d长度维数取大于1且小于等于2的实数)。
所述的管束流道层的上下表面可设置有肋片、螺纹和波纹等肋化表面，充分利用了所述高效导热基板上层的空间布置更多的换热面积，并且，该肋化换热表面也能有效提高流体流动换热的传热系数。
所述的构形树状结构的流动通道网络，通过分叉产生越来越多的分支，随着级数的增加，管径越来越小，流道尺度的缩小能大幅提高传热系数；所述的构形树状结构的流动通道网络沿平面铺展布置不仅有效利用了上/下层薄空间来布置更多的流道以增加换热面积，还实现了流道内流体在分叉处能垂直冲刷流道壁面的作用使得流道内的流动换热性能得到了大幅度提高；所述的构形树状结构的流动通道网络由于通道呈树状网络分布，可使换热板表面的温度分布更加均衡，也能提高流动换热效率。同时，所述的构形树状结构的流动通道网络类似于优化了的流体分配器/集合器，实现了流体由点到体最佳路径输送，大大减少了流体输运距离，能有效降低流道内的流体流动压降。所述的构形树状结构的流动通道网络的这些特征，使得本发明所提出的间壁式换热器能达到结构紧凑和提高热有效性目的。
有益效果
本发明涉及一种由构形树状结构流动通道网络所构成的结构紧凑的间壁式换热器。该换热器充分利用了上/下层薄空间来布置构形树状结构流动通道网络和设置肋化表面，大大增加了单位体积内冷、热两种流体热交换所需的传热面积，提高了换热器的结构紧凑性；构形树状结构的流动通道网络实现了流体由点到体最佳路径输送，大大减少了流体输运距离，降低流道内的流体输送泵功消耗，并且肋化表面和构形树状结构流动通道网络也大幅度地强化流动换热性能，进而提高了热有效性。
附图说明
图1间壁式换热器的结构示意图。
图2构形树状结构流动通道网络结构示意图。
图3间壁式换热器管束流道层表面结构示意图。
图4间壁式换热器局部结构示意图。
图中，1.构形树状流动通道网络；2.连通通道；3.管束流道层；4.肋化表面；5.构形树状流动通道网络出口；6.构形树状流道流体；7.管束流道层流体；8.连通通道连接处；9.构形树状流动通道入口。
具体实施方式
结合附图对本说明作进一步的描述：
本发明提出的间壁式换热器的结构如图1所示，所述间壁式换热器，由高效导热基板加工制造而成，在所述的基板上表面内侧设置有上层构形树状流动通道网络1，上层构形树状流动通道的结构与各级分支如图2所示(图2中10，11...，16表示第0级，第1级，...第6级流道)，所述的流道网络以平面方式铺展开来，流道网络至少含有2级，每级通道连接着分叉数N＝2的下一级通道，上下级流道之间的交叉角α为180度，为了得到最优的流动换热效果，分支结构中各级水力直径与长度按照一定比例关系生成。根据构形理论，设计要求分支结构中各级水力直径与长度满足一定的关系，上下级分支流道的直径之比为N-1/Δ，其中直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数，上下级分支流道的长度之比为N-1/d，其中d为长度维数取大于1且小于等于2的实数。该构形树状通道的级数可根据实际需要来确定，取为大于2小于10的整数。在所述的基板下表面内侧设置有下层流道，下层流道的结构与上层流道相同，只是下层流道的第0级方向与上层流道相反。在所述的上层流道和下层流道之间设置有管束流道层3，在所述的管束流道层内设置有连通所述的上层流道和下层流道的呈阵列布置的连通通道2，并且管束流道层的上下表面可设置有肋片、螺纹和波纹等肋化表面4，充分利用所述高效导热基板上层的空间布置更多的换热面积，并且，该肋化换热表面也能有效提高流体流动换热的传热系数。
所述的上/下层流道和呈阵列布置的连通通道内流动着同一种流体工质，该流体工质6由所述的上/下层流道1的入口9进入换热器，流体依次分散流经构形树状流道网络第0级至末级流道网络，再由与上、下层流道连通通道2到达所述的下/上层流道，流体在下层通道流动方向，与上/下层流道流动方向相反，流体依次流经构形树状流道网络的末级流道汇合到下/上层流道的第0级，如图4所示，再由下/上层流道的出口5流出换热器。
所述的管束流道层内流动着与之进行热量交换的另一种流体工质7，在所述的管束流道层内流体垂直冲刷呈阵列布置的连通通道。冷、热两种流体通过所述的管束流道层上下表面和呈阵列布置的连通通道壁进行热量交换。

Claims (5)

1.一种间壁式换热器，由导热基板加工制造而成，在所述的基板上表面内侧设置有上层流道，在所述的基板下表面内侧设置有下层流道，在所述的上层流道和下层流道之间设置有管束流道层，在所述的管束流道层内设置有连通所述的上层流道和下层流道的呈阵列布置的连通通道，其特征在于：所述的上/下层流道均采用构形树状结构的流道网络，所述的流道网络以平面方式铺展开来，流道网络至少含有2级，每级流道连接着分叉数N＝2的下一级流道，两下一级流道之间的交叉角α为180度。
2.根据权利要求1所述的间壁式换热器，其特征在于：上下级流道的直径之比为N-1/Δ，其中直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数，上下级流道的长度之比为N-1/d，其中长度维数d取大于1且小于等于2的实数。
3.根据权利要求1所述的间壁式换热器，其特征在于：该构形树状结构的流道网络级数为大于2小于10的整数。
4.根据权利要求1所述的间壁式换热器，其特征在于：所述的管束流道层的上下表面设置有用于增加换热面积的肋化表面。
5.根据权利要求4所述的间壁式换热器，其特征在于：所述的肋化表面为肋片、螺纹和波纹。
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