CN108759524A - 基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体及换热器 - Google Patents

基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体及换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，包括由换热板分隔开的至少两层介质流动空腔，每层介质流动空腔内设置有至少两层曲线肋排，所述曲线肋排由相互平行的若干曲线肋条组成，相邻两层所述曲线肋排交叉设置。本发明将仿生元素融合到换热器的设计中，设计出微小交错肺泡换热器，该结构从换热系数、换热面积两方面提升了换热器的性能，且结构轻巧简便，适合用于航空航天换热器中。

Description

基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体及换热器
技术领域
本发明属于换热设备技术领域，具体涉及一种基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体及换热器。
背景技术
换热器在工业中的应用极为广泛，要实现动力、化工、船舶、制冷和机械等领域设备的低能耗和高效运行离不开先进换热器的设计。为提升换热器的换热能力，总体上有以下三种手段：提高换热温差、增大换热面积、增大对流换热系数。在无相变的换热器中，提高换热温差通常通过合理布置流道例如令冷热流体逆流来实现，增大换热面积意味着增大换热器总体积或减小通道截面来布置更多流道，增大对流换热系数可以通过扰流来实现。从目前的换热器设计来看，应用最广泛的是管壳式换热器和板式换热器。其中管壳式换热器如图1所示，其由于体积较大、换热效率较低而难以应用于需要轻质量、小体积换热器的场合。板翅式换热器的典型翅片形式如图2所示，其中传统的直通道板翅式换热器内的流动缺乏足够的扰动，波纹翅片等通道设计又使得流动产生较多的涡和死区，导致流动的形状阻力增大并消耗更多的泵功。
在航空航天换热器中，追求换热效率的同时还需要保证换热器的可靠性，即维护方便、运行可靠。当换热器内流动的流体具有腐蚀性或沉淀、碎屑时，必须保证换热器不易堵塞，因此换热器的通道不能过小。
目前的多数换热器为了提高换热效果，有些设计体积过大造成运行重量过大，有些设计成仿生微通道但思路局限于树状分叉，不能适应现阶段航空航天领域、电子芯片领域等高端设备中的高效换热需求。同时传统管壳式换热器的换热能力又不足以满足当前的换热需求。目前一些在高端领域应用的换热器还需要良好的可靠性，单纯缩小换热器通道来增大换热面积-体积比的途径因此受到了阻碍，即不能通过单纯减小通道尺寸来实现换热强化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，通过借鉴生物体肺泡的交错、腔室间隔结构提升换热器性能，同时可减少换热器芯体体积，解决了现有换热器芯体高换热性能和微体积难以兼顾的问题。
本发明的另一目的是提供具有上述换热器芯体的换热器。
本发明所采用的技术方案是，基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，包括由换热板分隔开的至少两层介质流动空腔，每层介质流动空腔内设置有至少两层曲线肋排，所述曲线肋排由相互平行的若干曲线肋条组成，相邻两层所述曲线肋排交叉设置。
本发明的特点还在于：
进一步地，所述曲线肋条为两侧带有弧度和/或角度的任意规则或不规则长条形肋条。
进一步地，所述曲线肋条为弓字形、锯齿形或波浪形。
进一步地，每层所述曲线肋排与介质流向成一定交错角。
进一步地，每层所述曲线肋排与流体流向之间的交错角在20～160°之间。
进一步地，所述曲线肋条的截面为直线和/或弧线组成的任意规则或不规则的封闭图形。
进一步地，所述每层介质流动空腔内设置2～4层曲线肋排。
进一步地，每层所述介质流动空腔内沿介质流向或与介质流向成一定角度方向还设置有挡板，所述挡板将所述曲线肋排分割为若干组。
本发明还提供一种换热器，具有上述任一种基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体。
本发明设置使得介质流动空腔内形成了很多交错的微小流动空腔，即仿生的交错肺泡。流体在该流动空腔内流动时，围绕交错肋流动，会在两排流道间反复掺混并产生利于换热的扰动；沿着流动方向曲线肋的设置会使得流体在流过表面使形成漩涡，从而使得换热强化，同时流体在边界处受到壁面阻挡折转、翻转，使得其产生漩涡、二次流并借此在后面的流道中强化换热。曲线肋排型交错肺泡结构能极大的增强流体的掺混程度，增大换热系数，并且肋形成的二次表面能增大换热面积。该结构能从增大换热系数、增大换热面积两方面提升换热器的性能。
本发明的有益效果是，本发明将仿生元素融合到换热器的设计中，设计出微小交错肺泡换热器，该结构从换热系数、换热面积两方面提升了换热器的性能，单位面积换热功率达到传统管片式换热器、管壳式换热器的8倍以上，并达到和超过一般层叠式、板式换热器的性能，接近微通道换热器性能。同时由于其内部通道没有达到微通道的尺寸范围，且曲线肋排与交错肋通道使得流体中产生二次流和各种扰动，因而可以很大程度避免堵塞的问题。由于其单位体积换热效果较强，所以可以用较小的体积实现相同的换热需求，从而实现减小换热器体积的目的。同时由于其体积的减小，内部空腔也较传统换热器缩小很多，因此相同换热需求下运行时所需工质会大幅降低，亦即其运行重量可下降60％。
附图说明
图1是传统管壳式换热器结构示意图；
图2是传统板翅式换热器的典型翅片结构示意图；
图3是本发明曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体的结构示意图；
图4a-4c是本发明曲线肋条为弓字形时的结构示意图；
图4a-4c是本发明曲线肋条为弓字形时的结构示意图；
图5a-5c是本发明曲线肋条为锯齿形时的结构示意图；
图6a-6c是本发明曲线肋条为波浪形时的结构示意图；
图7是本发明肋条截图示意图；
图8是本发明隔板示意图。
图中，1.外壳，2.换热板，3.曲线肋条，4.挡板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体的结构如图3、4所示，该芯体包括外壳1，内部通过换热板2将芯体分为两层，分别作为冷热介质流体流动的介质流动空腔，通过换热板2进行热交换。每层空腔内设置有至少两层曲线肋排，该曲线肋排由相互平行的若干曲线肋条3组成，曲线肋条的方向与介质流向成一定交错角α(也即与换热器芯体侧壁成一定交错角α)。相邻两层所述曲线肋排交叉设置，即相邻两层的肋条之间具有一定夹角β。
该曲线肋条的一种结构如图4a、4b所示，肋条两侧均呈弓字形，两侧的弓字形结构可以完全对称设计(图4a)，也可以交错设计(即凹凸相对，图4b)。上下两层曲线肋排交错设置后的结构如图4c所示。弓字型凹陷部分的深度m不宜取得过大，优选取为相邻两根曲线肋条间距的1/5以内；弓字形凸出部分的长度n优选取曲线肋条间距的0.5-5倍。
该曲线肋条的另一种结构如图5a、5b所示，肋条两侧均呈规则的锯齿形，两侧的锯齿结构可以完全对称设计(图5a)，也可以交错设计(即凹凸相对，图5b)。上下两层曲线肋排交错设置后的结构如图5所示。锯齿形凹陷部分的深度m不宜取得过大，优选取为相邻两根曲线肋条间距的1/2以内；锯齿形凸出的尖齿部分的长度n优选取曲线肋条间距的0.5-5倍。
该曲线肋条的结构还可以如图6a、6b所示，肋条两侧均呈波浪形，两侧的波浪结构可以完全对称设计(图6a)，也可以交错设计(即凹凸相对，图6b)。上下两层曲线肋排交错设置后的结构如图6所示。波浪形凹陷部分的深度m不宜取得过大，优选取为相邻两根曲线肋条间距的1/2以内；波浪形凸出部分的长度n优选取曲线肋条间距的0.5-5倍。
本发明曲线肋条除了上述形状，还可以是其他两侧带有弧度和/或角度的任意规则或不规则的长条形肋条，其目的在于改变流体通道内肋条表面流体的流动状态，达到破坏边界层从而强化换热的效果；另一方面亦可增加表面积与体积比，增大换热面积。
本发明的每层曲线肋排可以为具有边框的单层曲线肋排板，将多个肋排板交错重叠固定在一起，并将其安装在介质流动空腔内，即可形曲线肋排结构。也可以将相邻两层曲线肋条焊接在一起，形成固定的网状结构。曲线肋条的方向与介质流向之间的交错角α优选在20～160°之间，交错角α太小会使得换热面积增加有限，太大会使得通流面积变得非常小。
曲线肋条的截面包括但不仅限于图7中的平行四边形、矩形、三角形、切边椭圆形、十字形、L形、六边形等形状，即由直线和/或弧线组成的任意规则或不规则的封闭图形。
为了优化换热器芯体的结构，每层空腔内优选设置2～4层曲线肋排，大于4层时，换热效率提升有限，但换热器芯体的体积和重量却急剧上升；小于2层则就不再是仿生交错肺泡肋结构。
曲线肋条3的高度和间距等根据介质流动空腔的形状设计。优选地，每层曲线肋排的高度占对应介质流动空腔高度的1/4～1/2，如当介质流动空腔层高为0.2mm～40mm时，对应的单层曲线肋排高度可以是0.1mm～20mm。视肋截面及形式不同，每层所述曲线肋排中相邻曲线肋条的间距为0.2mm～30mm。
如图8，为了进一步提高换热性能，每层所述介质流动空腔内沿介质流向或与介质流向成一定角度方向还设置有挡板4，所述挡板将所述曲线肋排分割为若干组，挡板的存在增加了介质在交错肋芯体中的折返次数，改变流动路径，增强换热能力。挡板可设为n个(n≥1)，从而将流域分为1/(n+1)。n具体为多少视介质流动空腔形状和尺寸而定，一般来说n＝2,3,4左右可降低流阻，并且可以增加流体扰动，增强换热；流体从肋条组合形成的空腔流过时，被挡板挡住，进而折返，以加强换热。挡板设置时视换热器体积可以以10mm～200mm为间隔，挡板越密流体折转越频繁，换热越强同时压降越高。换热器的外形整体尺寸、隔板形式和厚度、进出口形式、肋截面参数视需要的换热功率及体积要求而定，其参数较多且变化相对较为任意，这里不给出固定值。
以本发明曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体为例，进行换热性能计算。
取图4c所示的曲线肋排层数为2，流体通道单排肋高1mm，肋间距2mm，弓字型凹陷部分的深度m取0.4mm，无挡板，交错角60°，肋截面取矩形，肋顶和肋底宽0.8mm，即肋截面面积0.8mm2，肋X型交叉布置。
对该实施例的换热器进行计算，当冷热流体平均对数温差为35℃左右时，热流密度约为10W/cm2，单位面积换热功率达到传统管片式换热器、管壳式换热器的9倍以上，并达到和超过一般层叠式、板式换热器的性能，接近微通道换热器性能。同时由于其内部通道没有达到微通道的尺寸范围，且曲线肋排与交错肋通道使得流体中产生二次流和各种扰动，因而可以很大程度避免堵塞的问题。由于其单位体积换热效果较强，所以可以用较小的体积实现相同的换热需求，从而实现减小换热器体积的目的。同时由于其体积的减小，内部空腔也较传统换热器缩小很多，因此相同换热需求下运行时所需工质会大幅降低，亦即其运行重量可下降60％。
同时，从换热器的交错肺泡所可能具有的众多几何变型及几何尺寸变化来看，本发明提供了大量的仿生设计形式和思路，可以进一步开拓仿生设计在实际换热器中的应用。

Claims (9)

1.基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，包括由换热板分隔开的至少两层介质流动空腔，其特征在于，每层介质流动空腔内设置有至少两层曲线肋排，所述曲线肋排由相互平行的若干曲线肋条组成，相邻两层所述曲线肋排交叉设置。
2.根据权利要求1所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，所述曲线肋条为两侧带有弧度和/或角度的任意规则或不规则长条形肋条。
3.根据权利要求2所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，所述曲线肋条为弓字形、锯齿形或波浪形。
4.根据权利要求1所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，每层所述曲线肋排与介质流向成一定交错角。
5.根据权利要求4所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，每层所述曲线肋排与流体流向之间的交错角在20～160°之间。
6.根据权利要求1所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，所述曲线肋条的截面为直线和/或弧线组成的任意规则或不规则的封闭图形。
7.根据权利要求1所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，所述每层介质流动空腔内设置2～4层曲线肋排。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体，其特征在于，每层所述介质流动空腔内沿介质流向或与介质流向成一定角度方向还设置有挡板，所述挡板将所述曲线肋排分割为若干组。
9.一种换热器，具有如权利要求1-8中任一项所述的基于仿生的曲线肋排型微小交错肺泡换热器芯体。
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Denomination of invention: Core and heat exchanger of micro staggered alveolar heat exchanger with curved ribs based on Bionics

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Granted publication date: 20200117

Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee

Pledgor: SHAANXI YIXIN WEICHUANG INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020990001305

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Granted publication date: 20200117

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Pledgor: SHAANXI YIXIN WEICHUANG INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Biomimetic curved ribbed micro staggered alveolar heat exchanger core and heat exchanger

Effective date of registration: 20230918

Granted publication date: 20200117

Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee

Pledgor: SHAANXI YIXIN WEICHUANG INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2023610000680

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