发明内容
本发明提供了一种新的板翅式换热器,从而解决沸点不同的多组分混合介质的冷凝,以提高换热效率,降低流体流动阻力。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种用于非共沸多组分混合物冷凝的板翅式换热器,所述板翅式换热器包括互相平行的板片,所述板片之间设置翅片,所述翅片包括倾斜于板片的倾斜部分,其特征在于,在倾斜部分上通过冲压方式加工突起,从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通;所述突起从倾斜部分沿着混合物流动方向向外延伸。
作为优选,所述翅片包括水平部分和倾斜部分,所述水平部分与板片平行并且与板片贴在一起,所述倾斜部分与水平部分连接。
作为优选,所述突起为等腰三角形,所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上,相邻的板片的距离为H,等腰三角形底边的长度为h,相邻的倾斜部分的距离为w,等腰三角形的顶角为b, 所述突起的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a,倾斜部分与板片之间的锐角的夹角为c,满足如下公式:
c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/(w*sin(c))+c2,
sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))2,
其中Ln是对数函数,c1、c2、c3、c4、c5是系数,
0.24<c1<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88, 0.68< c4<0.70,1.14 <c5<1.15,
6.8<c6<7.3;
19°<a<71°,55°<b<165°,90°<c<70°;
10mm<w<15mm, 6mm<H<14mm;
0.19<L*sin(a)/w<0.41, 0.29<7*h/H<0.47;
H是以相邻板片相对的面之间的距离,W是以相邻的倾斜部分相对的面在沿着板片方向上的距离,L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。
作为优选,c1=0.245,c2=0.694,
c3=0.873,c4=0.691,c5=1.1454,c6=7.03。
作为优选,所述突起的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a,同一个倾斜部分设置多个突起,沿着混合物的流动方向,所述的夹角a越来越小。
作为优选,同一个倾斜部分设置多个突起,多个突起交错从倾斜部分两侧向外延伸。
作为优选,所述突起延伸的长度为L,同一个倾斜部分设置多个突起,沿着混合物的流动方向,所述的长度L越来越小。
作为优选,所述突起为等腰三角形,所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上,作为优选,底边与倾斜部分的倾斜角度相同,所述等腰三角形的顶角为b,同一个倾斜部分设置多个突起,沿着混合物的流动方向,所述的顶角b越来越大。
作为优选,所述突起为等腰三角形,所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上,作为优选,底边与倾斜部分的倾斜角度相同,所述等腰三角形的底边为S1,同一个倾斜部分设置多个突起,沿着混合物的流动方向,所述的S1越来越小。
作为优选,同一个倾斜部分设置多个突起,相邻突起的距离为S2,沿着混合物的流动方向,所述的S2越来越大。
与现有技术相比较,本发明的板式换热器及其换热板片具有如下的优点:
1)本发明首次将冲压的突起应用到共沸多组分混合物冷凝的板翅式换热器,克服了长期以来板翅式换热器换热效率低的问题,明显的提高了换热效率。
2)一方面可以破坏层流底层,另一方面与“打孔”翅片相比,未因打孔损失换热面积,而且“刺”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体,强化不同的热阻环节;
3)冲压“微刺”形成的小孔,借助“微刺”下游压力场的影响,可实现翅片两侧介质的压力及质量交换,对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏,强化换热;
4)针对非共沸多组分混合物的流体,能够借助“微刺”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动;
5)易加工实现,制作难度和成本不会明显上升;
6)通过大量的实验,确定了最佳的板翅式换热器的结构尺寸;
7)通过设计相邻的板片的距离为H,等腰三角形底边的长度为h,相邻的倾斜部分的距离为w,等腰三角形的顶角为b, 所述突起的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a等参数沿着流体流动方向的变化,提高了换热效率或者降低流体压力。
8)解决了含有不凝气体的换热效率低的问题,大大的节约了能源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本文中,如果没有特殊说明,涉及公式的,“/”表示除法,“×”、“*”表示乘法。
如图1所示,一种用于非共沸多组分混合物冷凝的板翅式换热器,所述板翅式换热器包括互相平行的板片3,所述相邻的板片3之间形成流体通道2,所述相邻的板片3之间设置翅片7。所述翅片7包括倾斜与板片3的倾斜部分4,所述倾斜部分互相平行。在倾斜部分4上通过冲压方式加工突起6,从而使倾斜部分4两侧的流体通过倾斜部分4上通过冲压方式形成的孔连通;所述突起6从倾斜部分4向外延伸。
因为倾斜部分4互相平行,因此相邻的倾斜部分4与上下板片之间构成了平行四边形通道。
通过设置突起6,具有如下的优点:
1)一方面可以破坏层流底层,另一方面与“打孔”翅片相比,未因打孔损失换热面积,而且“刺”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体,强化不同的热阻环节;
2)冲压“微刺”形成的小孔,借助“微刺”下游压力场的影响,可实现翅片两侧介质的压力及质量交换,对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏,强化换热,见图8
3)针对非共沸多组分混合物的流体,能够借助“微刺”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动;
4)易加工实现,制作难度和成本不会明显上升。
在板翅式换热器内采取上述措施,能够极大的提高了非共沸混合介质冷凝换热简易又有效的技术。与采取“打孔”翅片相比,能够提高20-30%的换热效率。
作为优选,所述的突起6与混合物的流动方向所形成的夹角为锐角。
作为优选,如图2所示,所述的翅片7为倾斜型翅片,所述翅片7包括水平部分5和倾斜部分4,所述水平部分5与板片3平行并且与板片3贴在一起,所述倾斜部分4与水平部分5连接。
如图6所示,所述突起6的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a,如图3所示,沿着混合物的流动方向,同一个倾斜部分4设置多个突起6,沿着混合物的流动方向,所述的夹角a越来越大。
通过实验发现,通过夹角a的逐渐变大,与夹角a完全相同相比,可以实现更高的换热效率,能够大约提高10%左右的换热效率。
作为优选,沿着混合物的流动方向,夹角a变大的幅度越来越小。通过实验发现,变化夹角a的变大的幅度,可以保证换热效率的情况下,进一步降低流动阻力,能够大约降低5%左右的流动阻力。
作为优选,所述突起6延伸的长度为L,沿着混合物的流动方向,同一个倾斜部分4设置多个突起6,沿着混合物的流动方向,所述的长度L越来越大。通过实验发现,通过长度L的逐渐变大,与长度L完全相同相比,可以实现更高的换热效率,能够大约提高9%左右的换热效率。
作为优选,沿着混合物的流动方向,长度L变大的幅度越来越小。通过实验发现,长度L的变大的幅度越来越小,可以保证换热效率的情况下,进一步降低流动阻力,能够大约降低5%左右的流动阻力。
作为优选,所述突起6为等腰三角形,所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分4上,作为优选,底边与倾斜部分的倾斜角度相同,所述等腰三角形的顶角为b,沿着混合物的流动方向,同一个倾斜部分4设置多个突起6,沿着混合物的流动方向,在底边长度保持不变的情况下,所述的突起顶角b越来越小。通过实验发现,通过突起顶角b的逐渐变小,与顶角b完全相同相比,可以实现更高的换热效率,能够大约提高8%左右的换热效率。
作为优选,沿着混合物的流动方向,顶角b变小的幅度越来越小。通过实验发现,顶角b变小的幅度越来越小,可以保证换热效率的情况下,进一步降低流动阻力,能够大约降低4%左右的流动阻力。
作为优选,所述突起6为等腰三角形,所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上,作为优选,底边与倾斜部分的倾斜角度相同,所述等腰三角形的底边长度为h,沿着混合物的流动方向,同一个倾斜部分4设置多个突起6,沿着混合物的流动方向,同一个倾斜部分4设置多个突起,在顶角保持不变的情况下,沿着混合物的流动方向,所述的h越来越大。通过实验发现,通过h的逐渐变大,与h完全相同相比,可以实现更高的换热效率,能够大约提高7%左右的换热效率。
作为优选,沿着混合物的流动方向,h变大的幅度越来越小。通过实验发现,h变大的幅度越来越小,可以保证换热效率的情况下,进一步降低流动阻力,能够大约降低5%左右的流动阻力。
作为优选,沿着流体的流动方向,同一倾斜部分设置多排突起6,如图3和4所示,每排突起之间的距离为S2,沿着混合物的流动方向,所述的S2越来越大。之所以如此设置,主要目的是通过S2的变大,实现在保证换热效率的情况下,进一步降低流动阻力。通过实验发现,流动阻力降低10%左右。
所述S2是以相邻排的突起的底边为计算距离的。
作为优选,如图4所示,多排突起6为错列结构。
在实验中发现,相邻板片3的距离不能过大,过大会导致换热效率的降低,过小会导致流动阻力过大,同理,对于等腰三角形的底边长度、顶角、突起、翅片倾斜部分的距离与流体流动方向的夹角都不能过大或者过小,过大或过小都会导致换热效率的降低或者流动阻力的变大,因此在相邻板片3的距离、等腰三角形的底边长度、顶角、突起、翅片倾斜部分与流体流动方向的夹角之间满足一个最优化的尺寸关系。
因此,本发明是通过多个不同尺寸的换热器的上千次数值模拟以及试验数据,在满足工业要求承压情况下(10MPa以下),在实现最大换热量的情况下,总结出的最佳的换热板片的尺寸优化关系。
相邻的板片的距离为H,等腰三角形底边的长度为h,相邻的倾斜部分的距离为w,倾斜部分与板片之间的锐角的夹角为c,满足如下公式:
c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/(w*sin(c))+c2,
sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))2,
其中Ln是对数函数,c1、c2、c3、c4、c5是系数,
0.24<c1<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88, 0.68< c4<0.70,1.14 <c5<1.15,
6.8<c6<7.3;
19°<a<71°,55°<b<165°,90°<c<70°;
10mm<w<15mm, 6mm<H<14mm;
0.19<L*sin(a)/w<0.41, 0.29<7*h/H<0.47;
H是以相邻板片相对的面之间的距离,W是以相邻的倾斜部分相对的面在沿着板片方向上的距离,L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。
作为优选,c1=0.245,c2=0.694,
c3=0.873,c4=0.691,c5=1.1454,c6=7.03。
作为优选,85°<c<80°。
作为优选,随着夹角c的增加,c6越来越大。
通过上述公式的出的“突起”的最佳的几何尺度,可以提高换热效率,同时可以实现仅对粘性底层、或包含液膜、及至包含气相边界层不同尺度内热阻的强化,避免措施过度,造成不必要的阻力损失。
作为优选,所述的同一排的相邻的突起的底边都在一条线上,同一排相邻的突起距离为S1,所述4×h<S1<6×h,其中S1是以相邻两个等腰三角形突起的底边的中点的距离。
作为优选,相邻排的突起的等腰三角形的底边互相平行,等腰三角形的顶点到底边中点的距离为L,相邻排的距离S2为4*L<S2<7*L。优选为S2=5*L
相邻排的等腰三角形的底边不同时,采取两条底边的加权平均数来计算。
作为优选,同一排的等腰三角形的夹角和底边完全相同。即形状完全相同,为相等形。
对于前面的公式,对于前后排尺寸不同的突起,也依然适用。
对于没有提到的具体尺寸参数,按照正常的换热器进行设计。
作为优选,如图7所示,倾斜部分上设置多个突起6,所述突起向倾斜部分的不同侧延伸
作为优选,同一个倾斜部分设置多排突起,至少一排突起与其他排突起向倾斜部分的延伸侧不同。
作为优选,相邻的每排突起向倾斜部分的不同侧延伸。
通过如此设置,可以使得流体在倾斜部分两侧的通道中交替换热换质,进一步提高换热效率。与在同一侧相比,能够提高8%左右。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。