CN107543445A - 曲面板及使用该曲面板的流体交互装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体交互设备领域，特别涉及曲面板及使用该曲面板的流体交互装置。曲面板上设有用于与相邻曲面板对合后围成流体通道的流体通槽，流体通槽的槽壁上设有扰流槽。与目前的流体交互装置相比，本发明的曲面板上的流体通槽的槽壁上设有扰流槽，本发明的曲面板上的扰流槽可以对流体通道内的流体产生扰流作用，在流体槽的作用下提高了对流体的扰动能力，解决了目前的流体交互装置的流体通道对流体的扰动能力差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及流体交互设备领域，特别涉及曲面板及使用该曲面板的流体交互装置。
背景技术
根据流体的流动规律，流体在直流道中流动时，中心处的流体的流动速度大于靠近流道壁处的流体速度，比如，采用直管的管壳式换热器，换热效率低，容易结垢堵塞。
为了改变直流道带来的影响，通常采用增加流体扰动的措施，提高流体湍流程度，降低层流的影响，具体的措施包括采用蛇形管、圆柱螺旋管、圆柱螺旋扁管，内槽纹管、管内肋片、管外肋片或鳍片等。目前的板式换热器通常采用曲面板相互对合形成流体通道，例如授权公告号为CN203518759U、授权公告日为2014.04.02的中国专利公开的一种板式换热器板片，板式换热器板片上设有波纹，波纹由半径等于波纹槽槽深的波峰圆弧和波谷圆弧相互连接而成，相邻的两个板式换热器板片对合后，对应的波纹槽对合围成流体通道。其中板式换热器板片即是一种曲面板，板式换热器板片上的波纹槽构成曲面板上的流体通槽。这种流体交互装置虽然能够在一定程度上增大换热面积，并增加流体的扰流程度，增加湍流效果，但是两个曲面板对合后围成的流体通道仍然相当于两个管道，存在对流体的扰动能力差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种曲面板，以解决目前流体交互装置的流体通道对流体的扰动能力差的问题。另外，本发明的目的还在于提供一种使用上述曲面板的流体交互装置。
为实现上述目的，本发明的曲面板的第一种技术方案为：曲面板上设有用于与相邻曲面板对合后围成流体通道的流体通槽，流体通槽的槽壁上设有扰流槽。
本发明的曲面板的第二种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种技术方案的基础上，所述扰流槽设有至少两个，其中至少两个扰流槽构成一组，同一组的扰流槽在流体通槽延伸方向上间隔设置用于在对应的流体通槽围成流体通道后使两个流体通槽上的扰流槽对接形成螺旋型扰流通槽。
本发明的曲面板的第三种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种技术方案的基础上，所述扰流槽为沿垂直于流体通槽延伸方向延伸的横槽或者沿流体通槽延伸方向延伸的纵槽。
本发明的曲面板的第四种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种中任意一种技术方案的基础上，所述流体通槽为螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽的槽壁面为基准线按照设定轨迹平移后经过的曲面。
本发明的曲面板的第五种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种中任意一种技术方案的基础上，所述流体通槽设有至少两个，其中相邻的流体通槽并列布置且开口方向相反以使曲面板截面的形状呈波浪状。
本发明的曲面板的第六种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种中任意一种技术方案的基础上，曲面板上设有贯穿曲面板的扰流通孔。当曲面板用于混合换热、蓄热换热、表面催化反应的情况下，曲面板两侧的圆柱螺旋流道在开通孔处的压强不一样，流体得以在曲面板两侧的流体通道间进行流动，进而增强相邻流体通道间的扰流作用。
本发明的曲面板的第七种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种中任意一种技术方案的基础上，所述曲面板由平面板冲压成型，扰流槽在曲面板冲压成型的过程中一体成型。
本发明的流体交互装置的第一种技术方案为：流体交互装置包括至少两个曲面板，曲面板上设有流体通槽，相邻曲面板对合后对应的流体通槽围成流体通道，所述流体通槽的槽壁上设有扰流槽。
本发明的流体交互装置的第二种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种技术方案的基础上，所述扰流槽设有至少两个，其中至少两个扰流槽构成一组，同一组的扰流槽在流体通槽延伸方向上间隔设置用于在对应的流体通槽围成流体通道后使两个流体通槽上的扰流槽对接形成螺旋型扰流通槽。
本发明的流体交互装置的第三种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种技术方案的基础上，所述扰流槽为沿垂直于流体通槽延伸方向延伸的横槽或者沿流体通槽延伸方向延伸的纵槽。
本发明的流体交互装置的第四种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种任意一种技术方案的基础上，所述流体通槽为螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽的槽壁面为基准线按照设定轨迹平移后经过的曲面。
本发明的流体交互装置的第五种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种任意一种技术方案的基础上，所述流体通槽设有至少两个，其中相邻的流体通槽并列布置且开口方向相反以使曲面板截面的形状呈波浪状。
本发明的流体交互装置的第六种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种任意一种技术方案的基础上，曲面板上设有贯穿曲面板的扰流通孔。
本发明的流体交互装置的第七种技术方案为：在本发明的曲面板的第一种至第三种任意一种技术方案的基础上，所述曲面板由平面板冲压成型，扰流槽在曲面板冲压成型的过程中一体成型。
本发明的有益效果为：与目前的流体交互装置相比，本发明的曲面板上的流体通槽的槽壁上设有扰流槽，本发明的曲面板上的扰流槽可以对流体通道内的流体产生扰流作用，在流体槽的作用下提高了对流体的扰动能力，解决了目前的流体交互装置的流体通道对流体的扰动能力差的问题。
进一步的，所述扰流槽设有至少两个，其中至少两个扰流槽构成一组，同一组的扰流槽在流体通槽延伸方向上间隔设置用于在对应的流体通槽围成流体通道后使两个流体通槽上的扰流槽对接形成螺旋型扰流通槽。螺旋型的扰流通槽能够利用螺旋型通道具有良好的扰流能力的特点，提高对流体的扰流效果。
进一步的，所述流体通槽为螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽的槽壁面为基准线按照设定轨迹平移后经过的曲面，通过螺旋型凹槽能够与相邻的曲面板围成螺旋型流体通道，提高流体通道对流体的扰流能力。
附图说明
图1是本发明的流体交互装置的具体实施例1的曲面板上螺旋型凹槽的基准线的示意图；
图2是图1中基准线在YZ平面内的投影视图；
图3是图1中基准线在XY平面内的投影视图；
图4是本发明的流体交互装置的具体实施例1的曲面板的结构示意图（未显示扰流槽）；
图5是本发明的流体交互装置的具体实施例1的曲面板的仿真模拟图；
图6是本发明的流体交互装置的具体实施例1的曲面板的相邻两曲面板组合后的结构示意图；
图7是本发明的流体交互装置的具体实施例1的相邻两曲面板组合后的仿真模拟图；
图8是本发明的流体交互装置的具体实施例1的相邻三曲面板组合后的结构示意图；
图9是本发明的流体交互装置的具体实施例1的曲面板上的扰流槽布置示意图；
图10是本发明的流体交互装置的具体实施例1的作为换热器使用时的结构示意图；
图11是本发明的流体交互装置的具体实施例1的具有单个螺旋型流体通道的螺旋型管的模型图；
图12是本发明的流体交互装置的具体实施例1的具有单个螺旋型流体通道的螺旋型管的端面简化模型图；
图13是图12的沿A-A的剖视图；
图14是本发明的流体交互装置的具体实施例2的曲面板上的扰流槽布置示意图；
图15是本发明的流体交互装置的具体实施例3的曲面板上的扰流槽布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的流体交互装置的具体实施例，如图1和图4、图5所示，流体交互装置包括曲面板，曲面板1上设有螺旋型凹槽11，螺旋型凹槽构成曲面板上的流体通槽。本实施例中，螺旋型凹槽11有两种，其中一种为正面螺旋型凹槽111，另一种为开口与正面螺旋型凹槽开口相背的反面螺旋型凹槽112，螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽11的槽壁面为基准线110按照设定轨迹平移后经过的曲面。本实施例中基准线的设定轨迹为基准线上端点的轨迹线，如图2所示，以基准线110的轴线端点为零点建立XYZ三维坐标，以基准线110的延长方向为Y方向、以正面螺旋型凹槽的开口方向为Z方向、以曲面板的横向为X方向建立三维坐标系，基准线110的圆柱半径为a，基准线110的螺距为λ1，图2中仅显示出了圆柱螺旋线的一个螺距。基准线110的轴线为圆柱螺旋线所在圆柱的轴线。本实施例中，基准线110在XY平面和YZ平面内的投影分别为正弦函数曲线和余弦函数曲线。
构造基准线110在YZ平面内的余弦函数：z(y)=f1(y)= a*cos(y/λ1*2π)。
其中，λ1为余弦函数的波长，a为余弦函数的振幅。y/λ1表示在y轴方向上，长度y对应的余弦函数的周期数。y/λ1*2π表示的对应周期数下的相位角，余弦函数的初始相位角取0。
如图3所示，构造基准线110在XY平面内的正弦函数：x(y)=f2(y)=a*sin(y/λ1*2π)。其中，λ1为正弦函数的波长，a为正弦函数的振幅。和YZ平面内的余弦函数的参数相同，正弦函数的初始相位角取0。
本实施例中，同一个曲面板1上的各螺旋型凹槽11共用一条基准线110，曲面板的正反两面均设置有螺旋型凹槽，相邻两个正面螺旋型凹槽111之间形成反面螺旋型凹槽112。螺旋型凹槽11的槽壁的截面为平行于XZ平面内的正弦函数曲线，即基准线110的端点的轨迹为处于XZ平面内的正弦函数曲线，构造基准线110端点的轨迹的函数曲线：z(x)=f3(x)= b*sin(x/λ2*2π)。螺旋型凹槽11的槽壁面为基准线110按照设定轨迹平移中所说的设定轨迹即是指基准线端点的轨迹。
其中，λ2为该正弦函数的波长，b为该正弦函数的振幅，b的值大于0。x/λ2表示在x轴方向上，长度x对应的正弦函数的周期数。x/λ2*2π表示对应周期数下的相位角，初始相位角取0。
基准线110端部轨迹的函数曲线的幅值b接近基准线110在YZ平面的余弦函数的幅值a的值，b的值应当取0.5a~2a。
本实施例中的曲面板1成型时在曲面板1的正面形成正面螺旋型凹槽111，同时在反面形成反面螺旋型凹槽112，曲面板1的截面形状呈波浪形，相邻两个正面螺旋型凹槽111的连接处位于波浪形的顶部，相邻反面螺旋型凹槽112的连接处位于波浪形的底部，处于波浪线顶部即基准线110端点轨迹的函数曲线的波峰处对应的一条圆柱螺旋线为顶缘线113，处于波浪线底部基准线110端点轨迹的函数曲线的波谷处对应的一条圆柱螺旋线为底缘线114。曲面板1由平面板压制成型，螺旋型凹槽在平面板压制成型时形成。曲面板通过采用薄板经模具滚压、或冲压成型工艺，或者曲面板经吹塑工艺成型。薄板通常选用等厚均质薄板，成型后也基本能保持等厚，材料强度基本不受影响，且节省材料，用于传热时传热效率高。
如图6和图7所示为两个曲面板1的组合图，相邻两个曲面板1的区别仅在于两个曲面板1的基准线110端部轨迹的函数曲线不同，两个曲面板1沿Z方向布置，板间距c=2b，相邻曲面板1的基准线110端部轨迹的函数曲线的相位差为π，相邻曲面板间能够形成封闭的螺旋型流体通道115。螺旋型凹槽11的槽壁面为基准线110按照设定轨迹平移后经过的曲面，螺旋型流体通道是两个曲面板1相对面上的螺旋型凹槽11的槽口相对后围成的封闭式通道，螺旋型流体通道具有流体通道中心轴线，流体通道中心轴线也是圆柱螺旋线。本实施例中的不同曲面板1上的螺旋型凹槽11的槽型、大小均由基准线110和端部的运动轨迹函数曲线控制，由于不同曲面板1上的基准线110的线型相同，并且基准线110的端部的运动轨迹的函数曲线仅在于相位的差别，因此不同曲面板1上的螺旋型凹槽11的槽型、大小均相同。
在相邻两个曲面板1对合后，两个曲面板1上对应的螺旋型凹槽11围成封闭的螺旋型流体通道115，仅对相对应两个螺旋型凹槽11来说，两个相对应的螺旋型凹槽11对合后可以分别看作是一个螺旋管，螺旋管的中心轴线为圆柱螺旋线。对合后的两个曲面板1通过相互对合的螺旋型凹槽11的槽口口沿相互抵住支撑，即相邻曲面板1上的顶缘线113和底缘线114相互抵住布置，如图7所示，上曲面板1的底缘线114和对应的下曲面板1的顶缘线113相互重合抵住，可以显著提高曲面板1间固定的稳定性。两曲面板1之间形成多个螺旋型流体通道，增强对流体的扰动性。
根据上述两个曲面板1的组合原理，如图8所示为三个曲面板1组合后结构示意图，三个曲面板1沿Z方向布置，板间距为c，相邻曲面板1的基准线110端部轨迹的函数曲线的相位差为π，相邻曲面板1能够形成封闭的螺旋型流体通道115。如图9所示，图中显示出了三个曲面板1间形成了多个相互隔离的螺旋型流体通道115。构建图9中的底部曲面板的基准线端点轨迹的函数曲线：z1(x)=f3(x)，中间曲面板的基准线端点轨迹的函数曲线为：z2(x)=f3(x+λ2/2)+c，顶部曲面板的基准线端点轨迹的函数曲线为：z3(x)=f3(x+λ2)+2c。
为了提高曲面板的扰流能力，曲面板上设有贯穿曲面板的扰流通孔（图中未示出），当曲面板用于混合换热、蓄热换热、表面催化反应的情况下，曲面板两侧的圆柱螺旋流道在开通孔处的压强不一样，流体得以在曲面板两侧的螺旋型流体通道间进行流动，进而增强相邻流体通道间的扰流作用。
为了进一步提高曲面板的扰流能力，如图9所示，本实施例中的曲面板的螺旋型凹槽的槽壁上设有扰流槽116。本实施例中的扰流槽116设有四组，同一组中的扰流槽116在螺旋型凹槽的延伸方向上间隔设置，用于在对应的螺旋型凹槽围成螺旋型流体通道后使两个螺旋型凹槽上的扰流槽116对接形成螺旋型扰流通槽。
为了方便理解，构建单个流体通道的模型，如图11所示，两个曲面板上对应的螺栓型凹槽对接合后围成螺旋型流体通道115，此时单个流体通道模型可以看作是一个具有螺旋型流体通道的螺旋型管，螺旋型管的中心轴线为圆柱螺旋线，为了方便描述，如图12和图13所示，该模型螺旋型管的中心轴线简化成直线，螺旋型管的端面简化为环形，扰流槽116设置在螺旋型管的管壁118上，其中管壁的内壁面和外壁面上均设有扰流槽，内壁面和外壁面上均设有凸起，内壁面上的扰流槽与外壁面上的凸起对应，外壁面上的扰流槽与内壁面上的凸起对应，扰流槽是通过使螺旋型管的管壁冲压变形而成。对应的扰流槽116对接后形成螺旋型扰流通槽117，扰流通槽117沿螺旋型管的延伸方向延伸，其中两个螺旋型凹槽内相对应的四组扰流槽形成四个扰流通槽117，四个扰流通槽117的布置形式类似内螺纹中四头螺纹结构，其中扰流通槽117对应四头螺纹中的沟槽。
本实施例中，曲面板由冲压成型，扰流槽116在曲面板冲压成型的过程中一体成型，为了方便加工，本实施例中管壁的内壁面和外壁面上的扰流槽的截面呈正弦曲线状。
本实施例中，流体交互装置中相邻的两个曲面板1对合后，对应的螺旋型凹槽11围成螺旋型流体通道115，螺旋型凹槽上的扰流槽116对接形成螺旋型扰流通槽，增强对流体的扰流作用。在流体交互装置使用的过程中，曲面板1上的扰流槽116可以对螺旋型流体通道内的流体产生扰流作用，在扰流槽116的作用下提高了对流体的扰动能力。另外，螺旋型扰流通槽能够收集流体中的杂质或分离液，最终使杂质或分离液排出。
为了方便曲面板1的组装，使各曲面板1的结构相同，本实施例中，曲面板1上正面螺旋型凹槽111和反面螺旋型凹槽112上的扰流槽116相对应，任意一个曲面板1的正面螺旋型凹槽111与另一个曲面板1的反面螺旋型凹槽112对合后，对应的扰流槽116均能够对接形成扰流通槽。
本发明的流体交互装置中的多个曲面板1依次交互抵住布置装配，可在空间内的每两层板间形成多个带螺旋扰流通槽的螺旋型流体通道115。其中，同一层的相邻螺旋型流体通道间可以有缝隙连通，而层间的螺旋型流体通道是完全分隔开的。用于换热时，冷热流体分别流过相邻的两层螺旋型流体通道，可以实现高效换热，且螺旋型流体通道具有良好的自清洁能力，不易结垢。
如图10所示，曲面板1交替布置构成的逆流板式换热器横截面图。换热器设置外壳2，外壳2和曲面板1间也形成有流体通道。其中，带＋的螺旋型流体通道115的流体流向为从纸面流出方向，不带＋的螺旋型流体通道115的流体流向为向纸面流入方向。
扰流槽116的大小根据用途需求而定，较大的扰流槽116能够增强换热系数，但是流体通道内的流体压力损失也会相应增加。
本发明的流体交互装置用于化学传质反应时，螺旋型流体通道能够强化混合效果，可以有效地提高化学反应效率，同时，若曲面板1是用于化学反应的催化剂载体的情况下，待反应流体和催化剂接触的机会多，且催化剂表面不易结垢或积灰、沾污，具有自清洁能力，能提高催化效果。
本发明的流体交互装置采用易于加工制作的带扰流槽116的曲面板1，通过曲面板1对合形成带螺旋扰流通槽的螺旋流体通道，制造成本低廉，运行维护方便，带螺旋扰流通槽的螺旋流体通道可以对通过的流体产生强烈的湍流作用，有效提高换热效率、化学传质效率、分离效率、混合搅拌效率，降低能耗，且装置具有良好的自清洁作用，不易结垢，具有广泛的用途。
本发明的流体交互装置的具体实施例2，本实施例中的流体交互装置与上述具体实施例1的区别仅在于：如图14所示，扰流槽216为沿垂直于流体通槽21延伸方向延伸的横槽。
本发明的流体交互装置的具体实施例3，本实施例中的流体交互装置与上述具体实施例1的区别仅在于：本发明的流体交互装置用于汽水分离领域、气固分离领域，如图15所示，流体通槽41上的扰流槽416竖向设置，可以采用较小的扰流槽416，分离出的流体或粉体能够进入扰流槽416中，分离出的流体或粉体靠重力从螺旋型扰流通槽中流出，减小气流撕裂分离出的流体，同时也减小二次携带几率。
本发明的曲面板的具体实施例，本实施例中的曲面板与上述流体交互装置的具体实施例1或2或3中所述的曲面板的结构相同，不再赘述。
本发明的流体交互装置及其曲面板的其他实施例中，上述曲面板的流体通槽的截面形状可以为方形、椭圆形等其他形状；上述曲面板也可以通过铸造成型；上述扰流槽可以设置一组，当然上述曲面板上的扰流槽在对应的曲面板对合后也可以不形成扰流通槽，此时扰流槽不用于排出杂质，仅仅用于扰流；上述扰流通孔可以不设；上述曲面板可以是铸造成型，扰流槽在曲面板铸造成型过程中形成；上述扰流槽也可以通过机加工成型。
Claims (14)
1.曲面板，曲面板上设有用于与相邻曲面板对合后围成流体通道的流体通槽，其特征在于：流体通槽的槽壁上设有扰流槽。
2.根据权利要求1所述的曲面板，其特征在于：所述扰流槽设有至少两个，其中至少两个扰流槽构成一组，同一组的扰流槽在流体通槽延伸方向上间隔设置用于在对应的流体通槽围成流体通道后使两个流体通槽上的扰流槽对接形成螺旋型扰流通槽。
3.根据权利要求1所述的曲面板，其特征在于：所述扰流槽为沿垂直于流体通槽延伸方向延伸的横槽或者沿流体通槽延伸方向延伸的纵槽。
4.根据权利要求1-3任一项所述的曲面板，其特征在于：曲面板上设有贯穿曲面板的扰流通孔。
5.根据权利要求1-3任一项所述的曲面板，其特征在于：所述流体通槽为螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽的槽壁面为基准线按照设定轨迹平移后经过的曲面。
6.根据权利要求1-3任一项所述的曲面板，其特征在于：所述流体通槽设有至少两个，其中相邻的流体通槽并列布置且开口方向相反以使曲面板截面的形状呈波浪状。
7.根据权利要求1-3任一项所述的曲面板，其特征在于：所述曲面板由平面板冲压成型，扰流槽在曲面板冲压成型的过程中一体成型。
8.流体交互装置，包括至少两个曲面板，曲面板上设有流体通槽，相邻曲面板对合后对应的流体通槽围成流体通道，其特征在于：所述流体通槽的槽壁上设有扰流槽。
9.根据权利要求8所述的流体交互装置，其特征在于：所述扰流槽设有至少两个，其中至少两个扰流槽构成一组，同一组的扰流槽在流体通槽延伸方向上间隔设置用于在对应的流体通槽围成流体通道后使两个流体通槽上的扰流槽对接形成螺旋型扰流通槽。
10.根据权利要求8所述的流体交互装置，其特征在于：所述扰流槽为沿垂直于流体通槽延伸方向延伸的横槽或者沿流体通槽延伸方向延伸的纵槽。
11.根据权利要求8-10任一项所述的流体交互装置，其特征在于：曲面板上设有贯穿曲面板的扰流通孔。
12.根据权利要求8-10任一项所述的流体交互装置，其特征在于：所述流体通槽为螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽具有基准线，基准线为圆柱螺旋线，螺旋型凹槽的槽壁面为基准线按照设定轨迹平移后经过的曲面。
13.根据权利要求8-10任一项所述的流体交互装置，其特征在于：所述流体通槽设有至少两个，其中相邻的流体通槽并列布置且开口方向相反以使曲面板截面的形状呈波浪状。
14.根据权利要求8-10任一项所述的流体交互装置，其特征在于：所述曲面板由平面板冲压成型，扰流槽在曲面板冲压成型的过程中一体成型。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111339608A (zh) * | 2018-12-03 | 2020-06-26 | 中国商用飞机有限责任公司 | 通过使曲面板截面展开获取原型板的方法和装置 |
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2017
- 2017-09-07 CN CN201710801372.8A patent/CN107543445A/zh not_active Withdrawn
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| CN111339608A (zh) * | 2018-12-03 | 2020-06-26 | 中国商用飞机有限责任公司 | 通过使曲面板截面展开获取原型板的方法和装置 |
| CN111339608B (zh) * | 2018-12-03 | 2023-05-12 | 中国商用飞机有限责任公司 | 通过使曲面板截面展开获取原型板的方法和装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180105 |