CN108662941A - 一种换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热器，包括可流通高温热源的内壳，还包括与内壳外侧壁密封连接的外壳，外壳内侧壁与内壳外侧壁围成柱状的换热腔，换热腔设有载热流体入口和载热流体出口，换热腔内设有用于使载热流体呈旋涡状流动的导流翼片。本发明提供的换热器设置有导流翼片，当载热流体沿换热腔长度方向流动时，在导流翼片使载热流体偏移并呈旋涡状流动，增大载热流体的涡旋静态扰动，加大流体力学扰流运动，打乱载热流体与换热腔壁面之间的传热换热边界层，加快换热效果进而提高换热速率。

Description

一种换热器

技术领域

本发明涉及热交换技术及机械结构领域，更具体地说，涉及一种换热器。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，能够将低温流体加热或者将高温流体冷却，是实现热量交换和传递不可缺少的设备。

现有技术中，常见的热管、板式等结构换热器在工作过程中，流体与壁面之间存在换热边界层。换热边界层是阻碍流体换热的重要因素，换热边界层较厚会导致换热效率低、换热量小的问题。

综上，如何提供一种能够打破换热边界层提高换热效果的换热器，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种换热器，能够打乱换热边界层、提高换热效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种换热器，包括可流通高温热源的内壳，还包括与所述内壳外侧壁密封连接的外壳，所述外壳内侧壁与所述内壳外侧壁围成柱状的换热腔，所述换热腔设有载热流体入口和载热流体出口，所述换热腔内设有用于使载热流体呈旋涡状流动的导流翼片。

优选的，所述导流翼片的截面尺寸由所述换热腔侧壁向靠近所述换热腔中心的方向渐缩、且所述导流翼片的两侧面为内凹流线形曲面。

优选的，所述内壳呈板状，所述外壳包括多个设于所述内壳两侧、且并行排列的弧形板，一个所述弧形板的两侧与所述内壳侧壁连接形成一个所述换热腔，各所述换热腔的端部连通。

优选的，所述内壳内部的热源流道呈横向蛇形分布，各所述弧形板纵向排列。

优选的，两相邻所述弧形板的径向端部通过隔层板与所述内壳连接。

优选的，所述内壳的热源入口设于热源出口的上方，所述载热流体入口设于所述载热流体出口的下方。

优选的，所述导流翼片设于所述弧形板的内侧壁和/或所述内壳的外侧壁。

优选的，所述内壳外侧壁设有碳晶发射层；或所述弧形板外侧壁设有隔热层。

优选的，所述换热腔内流通有载热流体、且所述载热流体为金属流体，还包括用于加快所述金属流体回转流动的磁感线圈，所述磁感线圈与交流转换器连接。

优选的，以重量百分比计，所述金属流体包括所述金属流体包括10％～18％的纳米级铁粉，15％～30％的Fe₃O₄纳米级粉末，1％～2.7％的稳定剂，3％～5.7％的抗氧化剂，30％～70％的石墨烯粉末，余量为烷基苯型基液。

本发明提供的换热器包括内壳和外壳，内壳用于流通高温热源，外壳与内壳外侧壁密封连接形成用于流通载热流体、柱状的换热腔，换热腔的内壁设有用于使载热流体呈旋涡状流动的导流翼片。

换热腔内的载热流体通过内壳侧壁与高温热源进行换热，由于换热腔内壁设置有导流翼片，载热流体沿换热腔流动的过程中，在导流翼片的作用下沿换热器径向产生偏移并最终呈旋涡状流动。导流翼片的设置增大载热流体的流速，增强流体边界层扰动，打乱了载热流体与换热腔壁面之间的换热边界层，提高换热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的换热器的外观示意图；

图2为本发明所提供的换热器的侧视外观示意图；

图3为本发明所提供的内壳的剖面图；

图4为本发明所提供的换热腔的内壳外侧壁的剖面图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明所提供的换热腔的外壳内侧壁的剖面图；

图7为图6的侧剖图；

图8为图6中的A局部放大图；

图9为本发明所提供的换热器工作状态示意图；

图10为本发明所提供的换热器的侧剖图；

图11为本发明所提供的换热器的横剖图；

图12为本发明所提供的换热器的控制原理图。

图1-12中的附图标记为：

内壳1、弧形板2、导流翼片3、排气阀4、气凝胶隔热层5、铝箔反射层6、碳晶发射层7、隔层板8、磁感线圈9、交流转换器10；

热源入口11、热源出口12、载热流体入口21、载热流体出口22。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种换热器，能够打乱换热流体的换热边界层，提高换热效率高，并增大流体的自然对流内压，加大流动速度。

请参考图1-12，图1为本发明所提供的换热器的外观示意图；图2为本发明所提供的换热器的侧视外观示意图；图3为本发明所提供的内壳的剖面图；图4为本发明所提供的换热腔的内壳外侧壁的剖面图；图5为图4的侧视图；图6为本发明所提供的换热腔的外壳内侧壁的剖面图；图7为图6的侧剖图；图8为图6中的A局部放大图；图9为本发明所提供的换热器工作状态示意图；图10为本发明所提供的换热器的侧剖图；图11为本发明所提供的换热器的横剖图；图12为本发明所提供的换热器的控制原理图。

本发明提供一种换热器，包括可流通高温热源的内壳1，还包括与内壳1外侧壁密封连接的外壳，外壳内侧壁与内壳1外侧壁围成柱状的换热腔，换热腔设有载热流体入口21和载热流体出口22，换热腔内设有用于使载热流体呈旋涡状流动的导流翼片3。

具体的，换热器内部包括冷流体流道和热流体流道，内壳1用于流通高温热源，为了对生产生活中的余热进行回收，内壳1中流通的高温热源可以具体为污水、生活废水或化工企业余热废水。外壳与内壳1围成的腔体称为换热腔，在工作过程中换热腔内填充有载热流体、且载热流体在循环泵的作用下在换热腔内部循环流动。载热流体通过内壳1的侧壁与高温热源进行热交换，因此内壳1优选采用银铜合金或其他导热性好、强度高、耐腐蚀的材料制成。本申请提供的一种实施例中，内壳厚度为0.5mm，外壳厚度1.5mm，二者均采用铜银合金制成并避免焊口不同金属的电腐蚀。

换热器通常设置有热源入口11、热源出口12、载热流体入口21和载热流体出口22。另外，考虑到随着温度的变化，流体内部可能会有气体析出，导致空气封堵、换热不畅的问题，外壳和内壳1可分别设置与自身流道相对应的排气阀4，以便排出气体。

参考图8，导流翼片3设置在换热腔的内壁，可采用铜银合金制成。导流翼片3呈条形、且导流翼片3的轴线与换热腔的轴线具有夹角，该夹角的范围可以为30度至60度。当载热流体沿换热腔轴向流动时，在导流翼片3的作用下产生沿换热腔径向的偏移、并最终呈旋涡状流动。导流翼片3的设置增大载热流体的流速，增强流体扰动，打乱了载热流体与换热腔壁面之间的换热边界层，提高换热效果。

另外，考虑到在地转偏向力的作用下，北半球的水流逆时针旋转、而南半球水流顺时针转动。对于北半球的流体、其逆时针流动性能的自然动力压差大于顺时针，因此导流翼片3的结构可结合地转偏向力方向进行设计。对于地球北半球，可以对应设置导流翼片3的旋向使载热流体呈逆时针流动，减小流动换热介质水阻，从而更有利于载热流体的回转式流动。

可选的，导流翼片3的截面尺寸由换热腔侧壁向靠近换热腔中心的方向渐缩、且导流翼片3的两侧面为内凹的流线型曲面。即导流翼片3的横截面大体呈三角形、包括底面和两侧面，其中底面与换热腔侧壁贴合连接，两侧面为曲面结构、且向两侧面的中心凹陷。

可选的，本申请提供的一种实施例中，内壳1呈板状，外壳包括多个设于内壳1两侧、且并行排列的弧形板2，一个弧形板2的两侧与内壳1侧壁连接形成一个换热腔，各换热腔的端部连通。

具体的，换热器厚度方向包括三层结构，中间层为板状的内壳1、内壳1的内部设置热源流道；内壳1的外侧两层结构均为换热腔。弧形板2呈条状，两侧指弧形板2的直边，弧形板2两侧与内壳1的侧壁密封连接，一个弧形板2和内壳1外壁所围成的空间为一个换热腔，多个弧形板2形成多个柱状的换热腔、且各个换热腔的端部保持连通，形成完整的流道。

本实施例中采用板式壳体作为内壳1、弧形板2作为外壳，该种结构的换热腔的一侧呈弧形，更有利于载热流体的回转式流动。

为了增强传热效果，本实施例中，参考图3、图11，内壳1内部的热源流道呈横向蛇形分布，各弧形板2纵向排列。

具体的，内壳1的热源流道平行排布、且各个热源流道端部连通形成蛇形回转结构，板状的内壳1设置有热源入口11和热源出口12，热源从热源入口11进入、依次流经全部平行设置的流道、并最终从热源出口12离开。蛇形分布的流道结构增大了热源的流程，从而提高热能利用率，增强换热效果。

另外，热源流道横向水平分布，载热流体垂直于热源流动方向流动。二者呈错流式换热，错流换热有利于增加两侧流体温差，更有利于载热流体吸收热源的热量。

需要说明的是，该种结构的换热器的具体尺寸需要进行理论计算，具体可参考下述公式：

其中，

s为热源侧与载热流体侧结构对热传导过程中热流密度的影响；

B₀为常数，即7.3W/(m²*K)；

R为数值，即2πR＝2(a+h)；

a为热源流道的宽，单位m；

h为热源流道的高，单位m；

i为热源导管层数，此处为1；

α为连接构造参数，此处为1；

n为数值，取1；

T为热源导管的均温，单位℃；

K为载热流体侧表面到内壳结构的导热系数，单位W/(m²*K)；

R_M为载热流体侧表面与内壳外边界宽度，单位m；

R_A为载热流体侧表面与内壳外边界宽度，单位m；

λ_R0为热源流体侧表面到外壳的导热系数，单位W/(m²*K)；

F_M为热源流体侧表面与内壳外边界宽度，单位m；

F_A为热源流体侧表面与内壳内边界宽度，F_M-0.015，单位m。

可选的，参考图2和图9，内壳1的热源入口11设于热源出口12的上方，载热流体入口21设于载热流体出口22的下方。

具体的，换热器竖直放置时板片内壳1的热源入口11设置在壳体上方、热源出口12设置在壳体下方，热源在壳体内部整体呈从上至下的流动趋势；弧形板2竖直设置在内壳1外侧，载热流体从换热腔下端流入、上端流出。热源和载热流体呈逆流式换热，增大换热面两侧流体温差，使载热流体离开外壳时温度更高。

为了进一步增强换热，本实施例中，两相邻弧形板2的径向端部通过隔层板8与内壳1连接。

具体的，隔层板8呈条形，优选采用导热性好的材料制成，内壳1外侧设置有多个弧形板2，相邻弧形板2通过隔层板8连接，隔层板8远离弧形板2的端部与内壳1侧壁密封连接。此时弧形板2、隔层板8和内壳1所围成的腔体为换热腔。

本实施例中换热器设置有隔层板8，内壳1所流通的高温热源将热量传导至隔层板8，隔层板8增大了换热腔的换热面积，起到增强换热的作用。

可选的，为了加工方便，导流翼片3设于弧形板2的内侧壁和/或内壳1的外侧壁。

具体的，隔层板8可采用钢板等材料制成，隔层板8端部与弧形板2和内壳1焊接固定，弧形板2和/或内壳1的外侧壁可设置多个导流翼片3，在保障载热流体呈涡旋状流动的基础上，隔层板8无需另加工导流翼片3结构，降低换热器的加工难度。本申请优选在弧形板2和内壳1上均设置导流翼片3，且两部分的导流翼片3应使载热流体朝同一方向回转。

可选的，参考图5，内壳1外侧壁设有碳晶发射层7。碳晶发射层7设置在换热腔内部，可增强沿垂直板片法向量方向的辐射热，加大辐射热与载热流体的光热效应，提高载热流体换热效率。

可选的，参考图7，为了减少外壳散热量，弧形板2外侧壁设有隔热层。弧形板2外部设置保温隔热结构可减少载热流体的热损失。本申请中优选采用1cm厚的气凝胶隔热层5。另外，气凝胶隔热层5和外壳之间还可设置0.2mm的铝箔反射层6，避免能量以辐射形式散失。可以理解的，隔热层的具体材料、厚度和铝箔反射层6的厚度需要结合理论计算进行选择。

更进一步的，参考图12，为了增强载热流体的扰动，增强换热效果，在上述任意一个实施例的基础上，换热腔内流通有载热流体、且载热流体为金属流体，还包括用于加快金属流体回转流动的磁感线圈9，磁感线圈9与交流转换器10连接。

具体的，外壳的外侧平行设置有电木板或其他绝缘体板状结构，电木板靠近外壳的一侧铺设有磁感线圈9。在使用过程中，磁感线圈9与调压器和交流转化器均连接，调压器接通市电后可升高磁感线圈9的电压，促进金属流体自身在管道内震动，在防止冬季换热过程出现换热器内部液体冻结，避免换热系统冻裂或堵管的现象。

本申请优选将金属流体与碳晶发射层7结合使用，碳晶发射层7能够将热能以特定波长电磁波形式向周围辐射，而金属流体吸收该长度段电磁波的光热效果最优，从而提升了换热效果。

另外，在控制换热器工作状态的过程中，可以结合实际需求采用声控、光控、红外线热成像技术集成耦合控制等方式。可用户用户、也可用户工厂大规模换热。

可选的，以重量百分比计，金属流体的成分包括10％～18％的纳米级铁粉，15％～30％的球磨Fe₃O₄纳米级粉末，1％～2.7％的稳定剂，3％～5.7％的抗氧化剂，30％～70％的石墨烯粉末，余量为烷基苯型基液。

其中，烷基苯型基液具体指烷基苯型导热油；稳定剂可以具体为硬脂酸盐，抗氧化剂可以具体为二丁基羟基甲苯；除上述成分外还可以根据实际需求添加少量的锂、钛、铜等材料。

相比于传统的以水为媒介的换热器，金属流体具有吸收红外线的作用，换热效果更好。且烷基苯型基液在-80℃至170℃之间均为液态，具有流动温度域大、运动粘度低、导热性好的特点。另外，上述材料的金属流体不含有毒重金属及稀有金属，具有友好环境的作用。

可以理解的，本申请对金属流体所使用的原料来源不做限定，各成分均可以为市售品，各组分的化学配比视具体情况而定，以满足流体换热过程中低温辐射光波的能带为准，从而增加光热效应、提高热回收效率。

在实际制作过程中，可以先将铁粉研磨至纳米级并与烷基苯型导热油在125℃至155℃进行混合搅拌。加入稳定剂后与球磨Fe₃O₄纳米级粉末进行二次混合搅拌，最后添加石墨烯粉末、硅铁合金粉末等其他成分。在低温辐射光波的能带吸收率达到91％状态下停止搅拌，最后经超声波震荡，使混合物成为无沉淀无分层的悬浊液。

需要说明的是，上述成分的金属流体在换热过程中可能会发生化学反应并产生气体，因此换热腔可配和设置排气阀4以保障换热效果。

在载热流体的填充进换热腔过程中，应当避免氧化气体进入换热腔造成流道的氧化。为了解决上述问题，填充载热流体的具体操作可以为：先封闭载热流体出口22并对换热腔做抽真空处理，而后利用负压将载热流体吸入至载热流体入口21；填充完毕后利用超声波震荡直至无气泡，最后利用生物、亚麻等材料缠绕载热流体出口22，并用丝扣或其他结构进行密封处理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的换热器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换热器，包括可流通高温热源的内壳(1)，其特征在于，还包括与所述内壳(1)外侧壁密封连接的外壳，所述外壳内侧壁与所述内壳(1)外侧壁围成柱状的换热腔，所述换热腔设有载热流体入口(21)和载热流体出口(22)，所述换热腔内设有用于使载热流体呈旋涡状流动的导流翼片(3)。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述导流翼片(3)的截面尺寸由所述换热腔侧壁向靠近所述换热腔中心的方向渐缩、且所述导流翼片(3)的两侧面为内凹的流线型曲面。

3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述内壳(1)呈板状，所述外壳包括多个设于所述内壳(1)两侧、且并行排列的弧形板(2)，一个所述弧形板(2)的两侧与所述内壳(1)侧壁连接形成一个所述换热腔，各所述换热腔的端部连通。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述内壳(1)内部的热源流道呈横向蛇形分布，各所述弧形板(2)纵向排列。

5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，两相邻所述弧形板(2)的径向端部通过隔层板(8)与所述内壳(1)连接。

6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述内壳(1)的热源入口(11)设于热源出口(12)的上方，所述载热流体入口(21)设于所述载热流体出口(22)的下方。

7.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述导流翼片(3)设于所述弧形板(2)的内侧壁和/或所述内壳(1)的外侧壁。

8.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述内壳(1)外侧壁设有碳晶发射层(7)；或所述弧形板(2)外侧壁设有隔热层。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的换热器，其特征在于，所述换热腔内流通有载热流体、且所述载热流体为金属流体，还包括用于加快所述金属流体回转流动的磁感线圈(9)，所述磁感线圈(9)与交流转换器(10)连接。

10.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，以重量百分比计，所述金属流体包括10％～18％的纳米级铁粉，15％～30％的Fe₃O₄纳米级粉末，1％～2.7％的稳定剂，3％～5.7％的抗氧化剂，30％～70％的石墨烯粉末，余量为烷基苯型基液。