CN102435086B

CN102435086B - 一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片

Info

Publication number: CN102435086B
Application number: CN2011102794651A
Authority: CN
Inventors: 简弃非; 吴明泉
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU HUIDI NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102435086A

Abstract

本发明公开了一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，包括导流区、密封区、蜂窝区和边框；蜂窝区是由多个周边正六边形从纵向和横向依次连接构成，形成蜂窝状；在仿生蜂窝型板片均匀密布多个周边正六边形；每个周边正六边形中央设有一个中心正六边形，中心正六边形为凸起结构，两个周边正六边形之间的连接处为凸起结构，多个周边正六边形之间的连接处连接构成类波纹结构，凸起的中心正六边形和类波纹结构之间的周边正六边形形成流道。本发明流体在空腔内流动过程中，受到流道和中心正六边形以及类波纹结构的凹凸结构的扰动，提高了热交换效率；相互牵制的密集蜂窝犹如许多小工字梁，可分散承担来自面板的压力，增加了板片的使用工况和范围。

Description

一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片

技术领域

本发明涉及一种换热板，特别是涉及一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片。

背景技术

板式换热器与板式换热装置是工业传热及热能利用过程所不可缺少的设备，包括动力、化工、冶金、食品、轻工等工业部门，也是空调及供热设备中的重要组成部分。传统的板式换热器是由具有一定波纹形状的传热板片，按照要求的间隔，通过橡胶密封垫片压紧而成的换热设备。换热板片在组装板式换热器时，每个间隔通道的换热板片交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成一定间隔的流体换热通道。换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在较低的流速状态下形成湍流状态，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和出口通道，两种换热介质分别流入各自的流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。在装配板式换热器是采用波纹板片相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，在较低的雷诺数（如Re=50~200）下产生紊流，所以板式换热器的传热系数比较高，它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和流体泵功率消耗情况下，可达到管壳式的3~5倍，在结构紧凑高效的换热装置应用中有取代管壳式换热器的趋势。

现有的板式换热器的换热板主要采用的是人字形波纹板和水平平直波纹板。其技术发展趋势为：对称型波纹发展到非对称型波纹结构；

从对称流道发展到宽窄流道、宽宽流道；由波深为3~5mm的一般波纹板发展到波深为2~3.0mm的浅、密结构不同的波纹板。传统人字形波纹板和水平平直波纹板的优点：传热系数K比较高，由于波纹板相互倒置排列，使流体在波纹板间流道内呈现出旋转状态的三维流动，在较低的雷诺数下产生紊流，其传热系数可以达到管壳式的3倍以上；

对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数通常在0.95左右，并且换热器中的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃；

容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板片，即可达到增加或减少换热面积的目的，改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况；

占地面积小板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。

但传统波纹板的板式换热器也存在如下缺点：

单位长度的压力损失大。由于波纹板相互倒置排列，板片之间的间隙较小，加上传热面上有凹凸波纹，因此板式换热器中流体的压力损失比管壳式换热器的压力损失大；

容量较小。容量只有管壳式换热器的20%~30%；

工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露。板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250℃以下；

易堵塞。由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。

自然界中的蜜蜂根据自己本能制作的蜂巢，其优美的结构形状，是经过数千年甚至更长时间进化而成的，是自然界最有效结构的代表之一。经研究测试，蜂巢结构是自然界中强度比、刚度比最大的一种，用蜂巢结构制成的复合材料已经广泛用于通讯、家具、建筑、装饰和军事领域。将蜂窝结构应用于板式换热器中板片表面的结构，使板片表面凹凸结构形状仿生于蜂窝结构，可促进板式换热器板片的结构强度同时强化过程传热。基于蜂窝结构的板片及相应的板式换热器，在国内外专利文献中尚未有相关的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种能有效扰动流体以及提高传质传热效率，具有合理的强度和制造工艺的用于板式换热器的仿生蜂窝型板片。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，包括导流区、密封区、蜂窝区和边框；在边框内设有导流区、密封区和蜂窝区；蜂窝区两端分别设有导流区和密封区；导流区和密封区分布在板片两端；导流区和密封区分别位于仿生蜂窝型板片两端的两侧；导流区内设有多块导流挡板，导流区内还设有导流流体进口或流体出口；导流流体进口或流体出口位于仿生蜂窝型板片两端的一侧，导流区中相对仿生蜂窝型板片端部的一侧设有多块间隔分布的导流挡板，导流挡板与水平面的倾斜角为30-50°，两导流挡板之间形成了导流通道；密封区位于仿生蜂窝型板片端部导流区的另一侧，密封区内设有多个密封槽，密封槽内设有垫片，垫片总高度大于两块仿生蜂窝型板片之间的距离，通过压紧两仿生蜂窝型板片实现密封；

蜂窝区是由多个周边正六边形从纵向和横向依次连接构成，形成蜂窝状；在仿生蜂窝型板片均匀密布多个周边正六边形；每个周边正六边形中央设有一个中心正六边形，中心正六边形为凸起结构，两个周边正六边形之间的连接处为凸起结构，从横向看，多个周边正六边形之间的连接处连接构成类波纹结构，凸起的中心正六边形和类波纹结构之间的周边正六边形形成流道

进一步地，所述周边正六边形的边长优选为10mm。

所述类波纹结构与中心正六边形的高度相同。

所述流道到类波纹结构或中心正六边形的高度为5-7mm。

所述中心正六边形的宽度与中心正六边形到类波纹结构的距离之比为1:1。

两端的导流区长度之和与中间的蜂窝区的长度比为2:3。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明是用于板式换热器热交换的元件，两板片之间由于设置了中心正六边形凸起和类波纹结构，使得两板片相互配合后两夹层之间形成了空腔，流体在空腔内流动过程中，由于受到流道和中心正六边形以及类波纹结构的凹凸结构地扰动，流体能够进行有效的热交换，有效的提高热交换效率；

2、在通常的工作状况下，换热板片除了要求有足够的强度外，还需要具备一定的刚度，以控制板片的变形过程，使得换热介质在板片通道内液层厚度均匀，保证换热效率。本发明的蜂窝结构，相互牵制的密集蜂窝犹如许多小工字梁，可分散承担来自面板的压力，使其承压能力远远超过一般板片，大大增加了板片的使用工况和范围，保证了板片的板面在较大面积时仍能保持不弯曲变形，有助于克服目前波纹板片存在的一些不足，如现有板片的两侧流体存在较大的压差时，容易使板片发生变形，从而改变流道的流通截面积。

3、整个板片结构紧凑，耐腐蚀能力强，节省材料，且中心正六边形与流道之间的连接处是平滑的过渡，因此可以使用一套模具压制板片，具有工艺可行性。

4、本发明的目的是在于继承现有的波纹板片的大部分优点的基础上，而本发明的仿生蜂窝型结构拥有很高的强度比和刚度比，具有分散来自板面正方向压力的能力，使板面受力均匀，板片不易发生弯曲变形，且蜂窝结构美观。

附图说明

图1为用于板式换热器的仿生蜂窝型板片的主视图。

图2为图1中蜂窝区的A—A向截面图。

图3为用于板式换热器的仿生蜂窝型板片的蜂窝区左视图。

图4为4块仿生蜂窝型板片在板式换热器中的安装示意图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明的作详细描述，需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施方式的描述。

如图1、2、3所示，一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，包括导流区1、密封区2、蜂窝区3和边框4；在边框4内设有导流区1、密封区2和蜂窝区3；蜂窝区3两端分别设有导流区1和密封区2；导流区1和密封区2分布在板片两端；导流区1和密封区2分别位于仿生蜂窝型板片一端的两侧；两端的导流区1长度之和与中间的蜂窝区的长度比优选为2:3；导流区1内设有多块导流挡板11，导流区1内还设有导流流体进口12或流体出口13；导流流体进口12或流体出口13位于仿生蜂窝型板片两端的一侧，导流区1中，相对仿生蜂窝型板片端部的一侧设有多块间隔分布的导流挡11，导流挡板11与水平面的倾斜角为30-50°，两导流挡板11之间形成了导流通道，导流挡板可由冲压形成，与导流通道形成了凹凸结构；密封区2位于仿生蜂窝型板片端部导流区1的另一侧，

密封区2的密封形式为密封槽结构，密封区2内设有多个密封槽，密封槽内设有垫片，垫片大于两块仿生蜂窝型板片之间的距离，通过压紧两仿生蜂窝型板片实现密封。采用密封槽结构密封具有加工成型较为简单、密封垫片结构简单、易于粘结、密封垫片在密封槽内的稳定性好的优点。密封槽中根据流体流动的需要来放置垫片，密封垫片的材料可以选用丁腈橡胶、三元乙丙橡胶和氟橡胶等材料。整个密封区的起到了阻止冷热流体进入板片两侧不同通道的作用，达到热交换的目的。

蜂窝区3是由多个周边正六边形7从纵向和横向依次连接构成，形成蜂窝状；在仿生蜂窝型板片均匀密布多个周边正六边形7；每个周边正六边形7中央设有一个中心正六边形8，中心正六边形8为凸起结构，两个周边正六边形7之间的连接处为凸起结构，从横向看（图1的左右方式为横向），多个周边正六边形7之间的连接处连接构成类波纹结构6，凸起的中心正六边形8和类波纹结构6之间的周边正六边形7形成流道5。周边正六边形7的边长优选为10mm，类波纹结构6与中心正六边形8的都为凸起结构，高度相同，流道5到类波纹结构6或中心正六边形8的高度优选为5-7mm。中心正六边形8的宽度d₁（中心正六边形8两平行边之间的距离）与中心正六边形8到类波纹结构6的距离d₂之比优选为1:1。蜂窝区3的结构设计形成相互牵制的密集蜂窝，如同许多小工字梁，可分散承担来自面板的压力，使其承压能力远远超过一般板片，大大增加了板片的使用工况和范围。同时，蜂窝区3的结构设计有效地降低流动阻力、使流体分布更均匀。而且，由于蜂窝结构的存在，使得当流体流过该结构时，容易在此处形成漩涡，这样在流体的流速不变的情况下，增加了流体的湍流程度，换热过程更加充分。

如图4所示，用于板式换热器的仿生蜂窝型板片在换热器中安装时，每2块仿生蜂窝型板片结合成一对板，对接边框构成，边框作用主要是定位和密封。

图4所示为4块板片结合后形成的A-A截面图，整个换热板片的换热流程为：图中标注“冷”的空腔内，流动的是冷流体，标注“热”的空腔内，流动的是热流体，冷热流体在板片两侧流动，通过板片进行换热。流体（冷、热流体基本相似）首先由导流流体进口12流入仿生蜂窝型板片一侧，进入板片的流体导流区1，在导流区1内存在导流通道，流体顺着导流通道进入板片传热主区的蜂窝区3。多块导流挡板与水平面的倾斜角为30-50°，使得流体在进入换热区时分布均匀。当流体要进入蜂窝区3时，需先经过周边正六边形的类波纹结构6，再进入周边周边正六边形的流动通道5。由于流动通道中间设置了中心正六边形，根据流体力学的原理，流体在遇到障碍物（中心正六边形）时，会绕过障碍物，在障碍物背面形成漩涡，该漩涡能大大的增加流体的湍流程度，这时流体的热量释放增加，增大仿生蜂窝型板片的传热效率。流体流经中心正六边形后，必须再次流过类波纹结构进入流体流道，如此反复，大大的提高了传热的有效面积。最后经过板片出口的导流区，由出口出去。

Claims

1.一种用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，其特征在于：包括导流区、密封区、蜂窝区和边框；在边框内设有导流区、密封区和蜂窝区；蜂窝区两端分别设有导流区和密封区；导流区和密封区分布在板片两端；导流区和密封区分别位于仿生蜂窝型板片两端的两侧；导流区内设有多块导流挡板，导流区内还设有导流流体进口或流体出口；导流流体进口或流体出口位于仿生蜂窝型板片两端的一侧，导流区中相对仿生蜂窝型板片端部的一侧设有多块间隔分布的导流挡板，导流挡板与水平面的倾斜角为30°-50°，两导流挡板之间形成了导流通道；密封区位于仿生蜂窝型板片端部导流区的另一侧，密封区内设有多个密封槽，密封槽内设有垫片，垫片总高度大于两块仿生蜂窝型板片之间的距离，通过压紧两仿生蜂窝型板片实现密封；

蜂窝区是由多个周边正六边形从纵向和横向依次连接构成，形成蜂窝状；在仿生蜂窝型板片均匀密布多个周边正六边形；每个周边正六边形中央设有一个中心正六边形，中心正六边形为凸起结构，两个周边正六边形之间的连接处为凸起结构，从横向看，多个周边正六边形之间的连接处连接构成类波纹结构，凸起的中心正六边形和类波纹结构之间的周边正六边形形成流道。

2.根据权利要求1所述的用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，其特征在于：所述周边正六边形的边长为10mm。

3.根据权利要求1所述的用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，其特征在于：所述类波纹结构与中心正六边形的高度相同。

4.根据权利要求1所述的用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，其特征在于：所述中心正六边形的宽度与中心正六边形到类波纹结构的距离之比为1:1；中心正六边形的宽度为中心正六边形两平行边之间的距离。

5.根据权利要求1所述的用于板式换热器的仿生蜂窝型板片，其特征在于：两端的导流区长度之和与中间的蜂窝区的长度比为2:3。