CN109855436A - 剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器 - Google Patents

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曾敏
李年祺
马挺
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Abstract

本发明公开一种剑鱼梭型‑倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器。该冷凝器利用激光金属3D打印、光化学蚀刻等方式对换热板加工出微细流道,结合扩散焊工艺将微细通道换热板整装组合为冷凝器。微细通道结构设计遵从仿生学原理,以海洋生物剑鱼和被子植物猪笼草的生物学特征为灵感,充分利用剑鱼梭型减阻特性和猪笼草缘口倾斜沟槽液膜主动搬运特性,其中梭型仿生减阻结构能够降低工质流动阻力,从而降低系统压降;倾斜沟槽仿生结构有助于提高冷凝器表面液膜流动性,避免大面积膜状冷凝,降低冷凝热阻;交错微细通道具备多孔介质降噪的结构特征,有助于冷凝器工作噪音的降低。本发明具备低阻、高比功率的显著特征,有效提高了冷凝器的工作效率。

Description

剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器
技术领域
本发明涉及一种在石化、能源、军工等工业中使用的高温高压板式冷凝器,特别涉及一种具备仿生结构的高温高压微细通道冷凝器,可以采用激光金属3D打印、光化学蚀刻和扩散焊工艺制备。
背景技术
冷凝器是一种伴随蒸汽凝结传热过程的换热器,是制冷、热泵、能源、动力等工业系统中的重要设备,管壳式冷凝器、板式冷凝器都有广泛的应用。近年来,随着微电子、核能、军工等产业的飞速发展,高热通量和有限的空间对冷凝器提出了新的技术性能要求。因此,冷凝器也向高紧凑度、高比功率的目标发展,所以微细通道冷凝器的开发具备优良的应用前景。
微细通道冷凝器的流阻、压降和传热效率等参数对其性能有很大影响。同时,区别于传统冷凝器,在微细通道内随着水力直径的减小,流体受重力和浮力的影响不断减小,而表面张力、剪切力和壁面润湿性的作用逐渐增强,进而导致流体各方面特性与宏观大尺度通道内产生明显差异。所以,强化冷凝器中传热和流动,对降低系统压降体积、强化冷凝传热过程、提升系统比功率有着重要意义。
发明内容
为了克服现有冷凝器存在的性能缺陷,本发明提供了一种剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器。该新型冷凝器结合仿生学、流体力学和传热学原理,借鉴自然界生物结构特征,从流动减阻和强化传热两个角度对冷凝器性能进一步优化提升。通过激光金属3D打印、光化学蚀刻和扩散焊工艺制备具有仿生结构特特征的微细通道冷凝器,制备的产品能够满足高温高压的工况需求,且具备低阻、高效、高比功率的特点。
为了实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口、冷侧出口、仿生结构微细通道换热板,冷凝器壳体,热侧入口、热侧出口,冷侧入口、冷侧出口均通过焊接安装于冷凝器壳体,安装位置与仿生结构微细通道换热板两端的流体进出扩口相对应。所述冷凝器壳体内部具备多层仿生结构微细通道换热板,采用扩散焊工艺对多层仿生结构微细通道换热板逐层堆叠整合,构成换热器芯体。
仿生结构微细通道换热板具备两种仿生特征结构,分别是仿生剑鱼梭型翅片和仿生连续倾斜沟槽。
仿生结构微细通道换热板分为交错梭型微细通道换热板和非交错梭型微细通道换热板,换热板上的仿生剑鱼梭型翅片排布方式不相同,在交错梭型微细通道换热板上,沿工质流动方向,相邻两行仿生剑鱼梭型翅片呈现交错排布,首尾错位不相连;而在非交错梭型微细通道换热板上,沿工质流动方向,相邻两行仿生剑鱼梭型翅片呈现非交错排布,首尾对应。
仿生剑鱼梭型翅片沿流动方向具有不同的曲率和特征长度。
仿生连续倾斜沟槽,连续沟槽内具备楔形盲孔构件,且盲孔构件的曲率由下向上递减。
本发明的技术优点与效果是:①减小流动阻力,降低冷凝器压降,节省驱动能源。②促进凝液流动,降低冷凝热阻,强化传热效率,提升冷凝效率。③仿生结构增大冷凝器内的有效传热面积,而换热器外形尺寸不变或更小,提升了系统比功率,增强换热器紧凑度。④采用激光金属3D打印、光化学蚀刻和扩散焊工艺进行加工制备得到的冷凝器具备优良的结构精度、强度。
附图说明
图1是本发明设计换热器整体外形示意图。
图2(a)是交错梭型微细通道换热板结构示意图。
图2(b)是交错梭型微细通道换热板剖面图。
图3(a)是非交错梭型微细通道换热板结构示意图。
图3(b)是非交错梭型微细通道换热板剖面图。
图4(a)为剑鱼梭型翅片结构示意图。
图4(b)为剑鱼梭型翅片设计图。
图5(a)为连续倾斜沟槽结构示意图。
图5(b)为连续倾斜沟槽剖面图。
图5(c)为连续倾斜沟槽内楔形盲孔构件设计图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器设置有热侧流体进出口和冷测流体进出口,通过改变冷、热流体进出口方向,能够实现顺流换热或逆流换热;换热器壳体内根据工况需求,以扩散焊工艺整合多层仿生结构微细通道换热板,在各层换热板两端设有渐扩导流口和渐缩导流口,有助于流体工质的均匀分布流动,促进能量均衡交换。
本发明工作时,蒸汽热流体由热侧入口1进入换热器,与冷侧入口3流入的冷却水通过仿生结构微细通道换热板5进行热量交换,蒸汽热流体在冷凝后形成凝液由热侧出口2排出冷凝器,完成冷凝换热过程。冷却水通过冷侧出口4排出冷凝器,并在冷却后由冷侧入口3流入冷凝器,形成冷却水循环回路。
所述的仿生结构微细通道换热板5具备两种仿生结构特征,其中剑鱼梭型翅片7具备海洋生物剑鱼的流线型外观,当冷凝器内流体流过剑鱼梭型翅片时,流线型翅片能够有效降低流动阻力,从而降低冷凝器压降;连续倾斜沟槽8对冷凝过程中形成的凝液可以起到主动输运的作用,从而壁面液膜聚集导致的高冷凝热阻,强化冷凝传热。综合上述两点,所设计的冷凝器能够强化冷凝流动传热过程。
所述剑鱼梭型翅片7根据剑鱼流线型特征,对传统翼型翅片扁平化处理,强化减阻效果。
所述连续倾斜沟槽结构8根据猪笼草缘口特征,在平行多沟槽内均布楔形盲孔结构,且盲孔结构的曲率由下向上递减。
所述的剑鱼梭型翅片7和连续倾斜沟槽结构8共同设计于同一块换热板上,连续倾斜沟槽结构布置于剑鱼梭型翅片之间。
所述仿生结构微细通道换热板根据剑鱼梭型翅片排布方式的不同,分为交错梭型微细通道换热板51和非交错梭型微细通道换热板52,不同翅片布置方式可以满足不同工质工况需求。
所述仿生结构微细通道换热板上的微细仿生结构及其所构成的微细通道采用3D打印和光化学蚀刻方法加工制备,具备优良的结构精度;各层换热板采用扩散焊工艺整合,具备耐高压、高温的能力。
如图1所示,换热器具备冷、热流体进出口共4个,可以调整冷、热工质流动换热方式以满足不同换热需求,且热侧入口1、热侧出口2、冷侧入口3、冷侧出口4均采用渐扩设计,采用法兰连接。换热器壳体6内的多层换热板采用扩散焊工艺整合。
如图2(a)所示,为交错梭型微细通道换热板51,工质流动方向如图所示。换热板工质进出口两端采用渐扩设计,可以促进流体均匀流动。在换热板上具备剑鱼梭型翅片7和连续倾斜沟槽8两种仿生特征结构。剑鱼梭型翅片7轴线与流动方向相同,在交错梭型微细通道换热板51中,翅片呈交错布置,相邻两行翅片轴线不重合,起到降低压降、强化传热的作用。
如图2(b)所示,连续倾斜沟槽8布置于剑鱼梭型翅片7之间的平板区域。
如图3(a)所示,为非交错梭型微细通道换热板52,工质流动方向如图所示。。其结构特性证与交错梭型微细通道换热板51一致,主要区别在于非交错梭型微细通道换热板52上的剑鱼梭型翅片7相邻两行轴线共线,翅片首尾对应。
如图3(b)所示,与交错梭型微细通道换热板51相同,连续倾斜沟槽8布置于剑鱼梭型翅片7之间的平板区域。
如图4(a)所示,剑鱼梭型翅片7采用3D打印加工制备,具备优良的结构精度和三维特征。工质流动方向如图所示,参照剑鱼的身体结构特征,对翼型尾部、头部进行流线型扁平化处理,优化后的结构前、后端扁尖。流动方向如图所示,从流体动力学角度分析,该结构打破并削弱流体流动过程中逐渐增厚的附面层,减小黏性阻力,抑制尾部流动分离,从而具有低流动阻力的特征。
如图4(b)所示,剑鱼梭型翅片7设计图,曲率沿流动方向递减,起到削弱粘附阻力作用。
如图5(a)所示,连续倾斜沟槽8由多条平行直通道构成,直通道内楔形盲孔构件9构成带盲孔结构的连续倾斜沟槽,工质流动方向如图所示。该结构尺度在50微米到500微米之间,液体流动时的表面张力和毛细作用对表面液膜行为有很大影响。根据Taylor毛细原理,该结构对表面液膜具有主动输运作用,工质流动方向与液膜主动方向一致,能够有效促进凝液流动和排出,避免膜状凝结导致的高热阻,能够强化冷凝传热。连续倾斜沟槽8采用光化学蚀刻方法加工制备,具备优良的微细结构精度和三维特征。
如图5(b)所示,连续倾斜沟槽8内的盲孔规律排布。
如图5(c)所示,为连续倾斜沟槽8内的楔形盲孔构件9设计图,盲孔内部曲率由下向上逐渐降低。

Claims (5)

1.剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,包括热侧入口(1)、热侧出口(2)、冷侧入口(3)、冷侧出口(4)、仿生结构微细通道换热板(5),冷凝器壳体(6)。其特征在于,热侧入口(1)、冷侧入口(3)安装于冷凝器壳体(6)工质流入侧,热侧出口(2),冷侧出口(4)安装于冷凝器壳体(6)工质流出侧,热侧入口(1)、热侧出口(2)、冷侧入口(3)、冷侧出口(4)的流道与仿生结构微细通道换热板(5)两端的流体进出扩口相对应,所述仿生结构微细通道换热板(5)安装于冷凝器壳体(6)内,构成换热器芯体。
2.根据权利要求1所述的剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,其特征在于,仿生结构微细通道换热板(5)具备两种仿生特征结构,分别是仿生剑鱼梭型翅片(7)和仿生连续倾斜沟槽(8)。
3.根据权利要求1所述的剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,其特征在于,仿生结构微细通道换热板(5)分为交错梭型微细通道换热板(51)和非交错梭型微细通道换热板(52),换热板上的仿生剑鱼梭型翅片(7)排布方式不相同,在交错梭型微细通道换热板(51)上,沿工质流动方向,相邻两行仿生剑鱼梭型翅片(7)呈现交错排布,首尾错位不相连;而在非交错梭型微细通道换热板(52)上,沿工质流动方向,相邻两行仿生剑鱼梭型翅片(7)呈现非交错排布,首尾对应。
4.根据权利要求1或2所述的剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,其特征在于,仿生剑鱼梭型翅片(7)沿流动方向具有不同的曲率和特征长度。
5.根据权利要求1或2所述的剑鱼梭型-倾斜沟槽仿生微细通道冷凝器,其特征在于,仿生连续倾斜沟槽(8),连续沟槽内具备楔形盲孔构件(9),且盲孔构件的曲率由下向上递减。
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