CN104819656B - 边界层反转开缝翅片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种边界层反转开缝翅片，包括基片和坡形微型肋片，坡形微型肋片成对设置在基片上，每对均由一个短微肋和一个长微肋组成，短微肋和长微肋在基片同侧翘起且互相指向对方；长微肋在垂直于基片方向上的翘起高度大于短微肋的翘起高度；每对坡形微型肋片中，短微肋位于流体流动上游，长微肋位于流体流动下游。当流体从短微肋流到长微肋的时候，边界层会被反转，流体速度与温度梯度的协同程度改善，流体扰动增加，传热性能提高，减少了换热设备的体积，降低了产品成本。

Description

边界层反转开缝翅片
技术领域
本发明属于换热领域，具体涉及一种边界层反转开缝翅片，适用于管翅式、板翅式等换热器。
背景技术
在换热领域中应用的管翅式、板翅式换热器，以及其他类型的热交换器中，流体在管外流动，为了增强换热，在流体侧有翅片，以增大换热面积，减小流体侧热阻。使用一般的平直翅片管，沿着流体流动方向，在翅片表面会形成逐渐增厚的边界层，使流体流动下游处的速度和温度梯度的场协同性变差，使翅片传热性能下降。
为了进一步提高翅片管换热器的传热性能，采用了强化换热性能更好的翅片，开缝翅片是其中一种比较有效的强化换热方式，开缝型式各异，对换热效果的影响也不同。至今有许多文献和专利对开缝翅片进行了研究。
专利CN96113216.7中使用了梯形的百叶窗式微肋，并对梯形微肋长边和短边的布置方向进行了要求；专利CN97117302.8在翅片表面提供了四种不同形式的切口方式；专利CN03108079.0在翅片表面架设桥形条片，并对条片的布置密度进行了要求。上述几种方法尽管可以提高翅片的换热性能，但仍存在以下问题：1）加工困难；2）随着流体向前流动，流体流动阻力增加明显。
结合现有技术可知，研究和开发一种合理的开缝形式十分重要，这种开缝形式必须具有以下特点：对流体的扰动和对边界层的破坏少，能更好的改善场协同性，同时对流动的阻碍作用较小，使整个换热器的阻力增加较少，而传热性能提高明显。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明的目的是提供一种边界层反转开缝翅片，本发明对流体的扰动和对边界层的破坏少，能更好的改善场协同性，对流动的阻碍作用较小，使整个换热器的阻力增加较少，传热性能提高明显，能有效减小管翅式、板翅式等换热器的体积。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种边界层反转开缝翅片，包括基片(21)和开设在基片(21)上的坡形微型肋片(22)，坡形微型肋片(22)一端与基片(21)相连，一端翘离基片(21)，在基片(21)上形成开缝(23)，所述的坡形微型肋片(22)成对设置在基片(21)上，每对均由一个短微肋(22a)和一个长微肋(22b)组成，短微肋(22a)和长微肋(22b)在基片(21)同侧翘起且互相指向对方；长微肋(22b) 在垂直于基片方向上的翘起高度大于短微肋(22a)在相同方向上的翘起高度；每对坡形微型肋片(22)中，短微肋(22a)位于流体流动上游，长微肋(22b)位于流体流动下游。
作为对本发明的进一步改进，每个坡形微型肋片(22) 相对于基片(21)的翘起角度为0°～45°。
作为对本发明的进一步改进，在流体流动方向上，每对坡形微型肋片(22)交替的设置在基片(21)的两侧。
作为对本发明的进一步改进，在基片(21)上，两个相邻的换热管(11)之间设有一对或数对坡形微型肋片(22)。
作为对本发明的进一步改进，每对坡形微型肋片(22) 短微肋(22a)和长微肋(22b)形成的开缝(23)长度称作间距，在基片(21)上，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的间距大于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的间距。
作为对本发明的进一步改进，在基片(21)上，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的对数小于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的对数。
作为对本发明的进一步改进，所述的坡形微型肋片(22)在垂直于流体流动的方向上，靠近换热管(11)的部分呈弧形。
本发明的有益效果是：
由于本发明的独特结构设计，当流体从短微肋流到长微肋的时候，边界层会被反转，该边界层反转过程在流经每对坡形微型肋片时重复，流体的扰动会增加，使流体速度与温度梯度的协同程度改善，增强了换热，同时由于每对坡形微型肋片交替设置，顺应流体流动趋势，因而流体阻力增加不明显，所以大大提高了翅片管换热器的传热性能，从而减少换热设备的体积，降低了产品成本。
附图说明
图1是采用本发明的热交换器的透视图。
图2是本发明第一实施例的局部正视图。
图3是图2中虚线方框部分的放大图。
图4是图3中A-A线的剖面图。
图5是本发明的第二实施例的局部正视图。
图6是本发明的第三实施例的局部正视图。
图7是本发明的第四实施例的局部正视图。
图8是本发明的第五实施例的局部正视图。
图9是本发明的第六实施例的局部正视图。
图中：10-管子；11-换热管；20-翅片；21-基片；22-坡形微型肋片；22a-短微肋；22b-长微肋；23-开缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，是采用本发明的热交换器的透视图，该热交换器包括多个U型弯折的管子(10)以及多个平行装在管子(10)上的翅片(20)，翅片(20)用薄板制成，设计为与管子(10)的外缘接触，以增大与流体接触面积，增大传热面积，减小热阻，从而改善热交换效率。
如图2、图3和图4所示，是发明的第一实施例，在本实施例中，一种边界层反转开缝翅片，包括基片(21)和开设在基片(21)上的坡形微型肋片(22)，坡形微型肋片(22)一端与基片(21)相连，一端翘离基片(21)，在基片(21)上形成开缝(23)，所述的坡形微型肋片(22)成对设置在基片(21)上，每对均由一个短微肋(22a)和一个长微肋(22b)组成，短微肋(22a)和长微肋(22b)在基片(21)同侧翘起且互相指向对方；长微肋(22b) 在垂直于基片方向上的翘起高度大于短微肋(22a)在相同方向上的翘起高度；每对坡形微型肋片(22)中，短微肋(22a)位于流体流动上游，长微肋(22b)位于流体流动下游；
图4所示，在本实施例中，在流体流动方向上，每对坡形微型肋片(22)交替的设置在基片(21)的两侧。
在第一实施例中，每个坡形微型肋片(22) 相对于基片(21)的翘起角度为0°～45°；每个坡形微型肋片(22)在沿流体流动方向上相对于换热管(11)截面的中心线相互对称。
下面将对装有上述翅片结构的翅片式热交换器的工作情况予以说明：
流体沿管子(10)流动，流体通过翅片(20)形成的空间时即发生热交换。这里，流入此空间的流体当流经第一个短微肋(22a)时即发生第一次热交换，并在坡形微肋表面形成边界层，随后，流体离开短微肋(22a)，由于长微肋(22b)略高，流体沿着长微肋(22b)流动，同时在短微肋(22a)表面形成的边界层被反转，即原贴近基片(21)进行换热的一侧 (内侧)被反转出来，而将上一坡形微型肋片(22)远离翅片(20)的一侧 (外侧) 反转至贴近基片(21)，外侧由于相对于内侧保存有较高的换热势能而使换热加强。以上边界层反转过程在流体流经下一对坡形微型肋片(22)时得到重复，从而流体不断受到扰动，增强换热效果，同时，由于每对坡形微型肋片(22)在基片(21)两侧交替设置，顺应了流体流动趋势，不产生旋流甚至回流，对其在流动过程中产生的阻碍作用很小。
在本发明中，在基片(21)上，两个相邻的换热管(11)之间设有一对或数对坡形微型肋片(22)，每对坡形微型肋片(22) 短微肋(22a)和长微肋(22b)形成的开缝(23)长度称作间距，每两个相邻的换热管(11)之间坡形微型肋片(22)的对数以及每对坡形微型肋片(22)的间距可以相同或不同。在第一实施例中，每两个相邻的换热管(11)之间设有两对坡形微型肋片(22)，每对坡形微型肋片(22)的间距的间距均相同。
图5和图6是本发明的第二实施例和第三实施例，这两个实施例与第一实施例的差异在于：两个相邻的换热管(11)之间坡形微型肋片(22)对数增加，在基片(21)上密度增大。在第二实施中，两个相邻的换热管(11)之间有三对坡形微型肋片(22)。在第三实施中，两个相邻的换热管(11)之间有四对坡形微型肋片(22)。合理的设置两个相邻的换热管(11)之间坡形微型肋片(22)的对数有助于不断扰动流体，增强换热效果。
图7、图8是本发明的第四实施例和第五实施例，这两个实施例与前述实施例的差异在于：在基片(21)上，以流体流动方向的中心为界，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的间距大于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的间距；同时，在基片(21)上，以流体流动方向的中心为界，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的对数小于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的对数。在第四实施例中，流体流动上游两个相邻的换热管(11)之间有1对坡形微型肋片(22)，流体流动下游两个相邻的换热管(11)之间有2对坡形微型肋片(22)。在第五实施例中，流体流动上游两个相邻的换热管(11)之间有2对坡形微型肋片(22)，流体流动下游两个相邻的换热管(11)之间有4对坡形微型肋片(22)。
通过对平翅片的流动和传热进行数值模拟的结果表明：在翅片流体流动上游，速度场和温度场的协同性比较好，而在翅片流体流动下游，速度场和温度场的协同性比较差。本发明利用场协同原理对于开缝的布置进行了优化，结果表明在翅片流体下游，即在速度场和温度场协同情况比较差的地方开较多的缝，产生较多的坡形微肋能改善该区域的场协同情况，这就是第四实施例和第五实施例采用前疏后密的布置方式的原因。
图9是本发明的第六实施例，第六实施例与前述实施例的差异在于：所述的坡形微型肋片(22)在垂直于流体流动的方向上，靠近换热管(11)的部分呈弧形。第六实施例的特殊设置有助于均匀换热，提高换热效率。
由于第二、三、四、五、六优选实施例的工作机理与第一优选实施例相同，其详细说明从略。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例,而不是对本发明技术方案的限定，任何对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种边界层反转开缝翅片，包括基片(21)和开设在基片(21)上的坡形微型肋片(22)，坡形微型肋片(22)一端与基片(21)相连，一端翘离基片(21)，在基片(21)上形成开缝(23)，其特征在于：所述的坡形微型肋片(22)成对设置在基片(21)上，每对均由一个短微肋(22a)和一个长微肋(22b)组成，短微肋(22a)和长微肋(22b)在基片(21)同侧翘起且互相指向对方；长微肋(22b) 在垂直于基片方向上的翘起高度大于短微肋(22a)在相同方向上的翘起高度；每对坡形微型肋片(22)中，短微肋(22a)位于流体流动上游，长微肋(22b)位于流体流动下游。
2.如权利要求1所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：每个坡形微型肋片(22) 相对于基片(21)的翘起角度为0°～45°。
3.如权利要求1所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：在流体流动方向上，每对坡形微型肋片(22)交替的设置在基片(21)的两侧。
4.如权利要求1所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：在基片(21)上，两个相邻的换热管(11)之间设有一对或数对坡形微型肋片(22)。
5.如权利要求4所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：每对坡形微型肋片(22) 短微肋(22a)和长微肋(22b)形成的开缝(23)长度称作间距，在基片(21)上，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的间距大于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的间距。
6.如权利要求4所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：在基片(21)上，流体流动上游的坡形微型肋片(22)的对数小于流体流动下游的坡形微型肋片(22)的对数。
7.如权利要求1所述的边界层反转开缝翅片，其特征在于：所述的坡形微型肋片(22)在垂直于流体流动的方向上，靠近换热管(11)的部分呈弧形。
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