CN109883238A - 一种板翅式热交换器芯体及其翅片结构 - Google Patents

一种板翅式热交换器芯体及其翅片结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种板翅式热交换器芯体及其翅片结构；板翅式热交换器芯体，包括：若干隔板；翅片；翅片支撑固定于两块相邻隔板之间；相邻隔板之间密封形成流道单元；流道单元在相邻隔板之间形成若干介质流动的换热通道；所述翅片上设有若干球凸/球凹，所述球凸/球凹上设有冲孔，形成冲孔球凸/冲孔球凹。本发明芯体结合了球凸/球凹结构和冲孔结构的多种优势：翅片增加了换热面积；球凸/球凹结构不仅提高了板翅结构的承压能力，而且增强了流体扰流，使得流动边界层、热边界层减薄；冲孔结构形成局部射流，促进翅片相邻流道内流体混合对流，且减小了球凸/球凹结构涡旋死区，达到了强化传热并降低流动阻力的效果。

Description

一种板翅式热交换器芯体及其翅片结构
技术领域
本发明涉及板翅热交换器技术领域，特别涉及一种板翅式热交换器芯体。
背景技术
据统计，在世界范围的初级能源消费中，经过热交换器的能源约占80％，所以提高热交换器的整体传热效率对节约能源具有重要的意义。与其他热交换器相比，板翅热交换器具有结构紧凑、传热效率高、轻巧、灵活性高、适应性强、结构坚固等特点，如传热系数比列管式热交换器提高5-8倍，重量比管壳式热交换器降低80％，传热面积密度为管壳式热交换器的6-10倍，被广泛应用于石油化工、航空航天、军事、船舶、制冷等领域，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本等方面取得了显著的经济效益。
板翅热交换器是由换热翅片、隔板、封条、导流片、端板、封头和流体进出口接管等组成，板翅热交换器芯体包括隔板、翅片和封条，翅片与翅片之间通过隔板支撑，相邻隔板之间通过封条密封，重复单元叠加，然后通过扩散焊或钎焊连成一体，通道内冷热流体之间传热主要是通过隔板之间的翅片结构完成，另一小部分通过隔板传递，由于翅片不能直接换热，称为“二次表面”。翅片主要有锯齿翅片、波纹翅片、平直翅片、多孔翅片、百叶窗翅片、钉状翅片等多种结构形式。板翅热交换器主要通过增加换热面积、增强扰流作用等有效手段，实现强化传热。
国内外学者逐渐展开了对板翅热交换器的研究。有研究提出了一种具有球凸/球凹结构的板翅结构(CN207163297)和翅片管结构(CN207763553U)，利用球凸/球凹翅片结构增加换热面积，形成扰流作用，产生涡旋和二次流，使流动边界层不断发展，从而达到了强化传热的目的。然而，扰流后方形成涡旋死区，导致球凸后侧和球凹内前侧换热局部减弱，且使得流动阻力显著增加。有研究提出了一种多孔板翅结构(CN104390508)，当流体流向孔口附近时，产生横向混合，减薄边界层，随着翅片开孔率增加，流体间的横向混合越强，起到一定的强化传热的作用。然而，大量的孔隙结构导致换热面积减少，整体的换热性能并未显著提升，且开孔结构还会削弱板翅热交换器的强度，降低了板翅结构的耐压能力。
综上，优化设计板翅热交换器结构，提高板翅热交换器整体换热效率，降低板翅热交换器流动阻力，对实现节能降耗、降低企业生产成本具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种板翅式热交换器芯体及其翅片结构，进一步提高板翅热交换器的紧凑性和整体传热效率，以解决上述现有技术存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种翅片结构，所述翅片上设有若干球凸/球凹，所述球凸/球凹上设有冲孔，形成冲孔球凸/冲孔球凹。
进一步的，冲孔球凸和冲孔球凹上的冲孔位于对应冲孔球凸/冲孔球凹的中心。
进一步的，冲孔球凸和冲孔球凹上的冲孔相对于对应冲孔球凸/冲孔球凹的中心具有偏移量。
进一步的，有偏移量的冲孔位于冲孔球凸的来流背风侧；有偏移量的冲孔位于冲孔球凹的来流侧。
进一步的，所述冲孔为圆孔。
进一步的，翅片为平直翅、波纹翅或锯齿翅。
进一步的，所述翅片为平直翅片、波纹翅片或锯齿翅片。
一种板翅式热交换器芯体，其特征在于，包括：
若干隔板；
翅片；翅片支撑固定于两块相邻隔板之间；相邻隔板之间密封形成流道单元；流道单元在相邻隔板之间形成若干介质流动的换热通道。
进一步的，所述一种板翅式热交换器芯体包括若干叠加固定在一起的流道单元。
进一步的，相邻流道单元共用一块隔板。
进一步的，冲孔球凸和冲孔球凹在换热通道内两侧呈交错排列；翅片通道两侧结构为冲孔球凸结构、冲孔球凹结构或冲孔球凸/球凹混合结构。
板翅式热交换器芯体由隔板、冲孔球凸/球凹翅片和封条组成，相邻翅片之间由隔板支撑，相邻隔板之间利用封条密封，形成互不渗透的流体通道，可实现多股流和不同翅片层流体的顺流、逆流、交叉流等流动形式。
板翅式热交换器芯体的翅片结构主要是结合多孔翅片和球凸/球凹翅片结构特点，在球凸/球凹结构的不同位置冲孔，冲孔形式包括无偏移冲孔和有偏移冲孔两种形式，冲孔偏移量位于球凸结构来流方向的背风侧和球凹结构来流侧。
所述的板翅式热交换器翅片冲孔球凸/球凹结构在通道两侧交错排列，翅片通道两侧结构不仅可以为冲孔球凸结构、冲孔球凹结构或冲孔球凸/球凹混合结构，而且该翅片还可以和其他类型的翅片混合使用，具有很好的通用性。
所述的板翅式热交换器翅片主要通过冲压而成，在矩形板片上冲出冲孔球凸/球凹结构，然后轧制而成。
冲孔球凸/球凹翅片结构作为“二次表面”，增加换热面积，增强流体扰动，破坏边界层，有效降低流动阻力，具有显著强化传热效果。
所述板翅式热交换器翅片的主要结构参数有：L—翅片长度；W—翅片宽度；R—球凸/球凹半径；hf—翅片高度；d—冲孔结构直径；δ—翅片厚度；S—翅片间距；Cf—相邻球凸、球凹之间水平距离；e—相邻球凸、球凹之间竖直距离；bf—球凸/球凹结构到翅片边距离；a—冲孔偏移量。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、板翅式热交换器的翅片具有一般多孔翅片和球凸/球凹翅片的优势：增加换热面积，增强扰流作用、减薄边界层，提高传热效率；
2、冲孔结构形成局部射流，促进翅片相邻通道内流体混合对流，减小球凸/球凹翅片结构涡旋死区，提高流道内流体局部传热系数，实现强化传热；
3、冲孔球凸/球凹结构对翅片起到一定的支撑作用，提高板翅热交换器的承压能力，改善多孔翅片强度不足问题；
4、所述板翅式热交换器翅片加工简单且具有通用性，可以单独使用和其他翅片混合使用。
综上所述，本发明具有以下优点：本发明可以高效的利用翅片有效传热面积，在增强扰流的同时有效降低板翅热交换器的流动阻力，提高板翅热交换器的整体传热效率；本发明可以减小球凸/球凹翅片结构涡旋死区，提高球凸/球凹翅片局部强化传热系数；本发明可以明显提升多孔翅片换热性能并提高翅片承压能力；本发明可以提高板翅热交换器紧凑度、减轻重量，节约制造成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为板翅式热交换器的芯体结构示意图；
图2为板翅式热交换器的翅片相邻流道分布图；
图3为板翅式热交换器无偏移冲孔球凸/球凹翅片整体示意图；
图4为板翅式热交换器无偏移冲孔球凸/球凹翅片主视图；
图5为板翅式热交换器无偏移冲孔球凸/球凹翅片侧视图；
图6为板翅式热交换器偏移量为a的冲孔球凸/球凹翅片整体示意图；
图7为板翅式热交换器偏移量为a的冲孔球凸/球凹翅片后视图；
图8为板翅式热交换器偏移量为a的冲孔球凸/球凹翅片前视图；
图9为板翅式热交换器偏移量为a的冲孔球凸/球凹结构示意图；
图10为板翅式热交换器外形结构示意图。
图11为本发明板翅式热交换器与球凸/球凹翅片、直翅片流动传热性能中努赛尔数Nu对比示意图；
图12为本发明板翅式热交换器与球凸/球凹翅片、直翅片流动传热性能中阻力系数f对比示意图。
附图标记：1-隔板；2-冲孔球凸；3-冲孔球凹；4-热流道；5-冷流道；6-隔板；7-封条；8-有偏移冲孔球凸；9-封头；10-端板。
符号说明：L—翅片长度；W—翅片宽度；R—球凸/球凹半径；hf—翅片高度；d—冲孔结构直径；δ—翅片厚度；S—翅片间距；Cf—相邻球凸、球凹之间水平距离；e—相邻球凸、球凹之间竖直距离；bf—球凸/球凹结构到翅片边距离；a—冲孔偏移量。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1至图2所示，本发明提供一种板翅式热交换器芯体，包括若干隔板(1、6)、翅片100和封条7，翅片100之间由对应的两块隔板(1、6)支撑，相邻隔板(1、6)之间由封条7密封以在相邻隔板间形成热流道4/冷流道5，将若干个流道叠加，通过扩散焊接或钎焊方式连接，形成板翅式热交换器芯体，可以形成顺流、逆流、交叉流等流动形式，能够实现多股流流动。
请参阅图3至图9所示，为板翅式热交换器的翅片100的结构示意图；翅片100主要是由冲孔球凸2/球凹3结构的流道组成，冲孔200包括无偏移和偏移量为a两种结构形式，通道两侧球凸/球凹结构呈交错排列，当流体流经冲孔球凸2/球凹3结构时，由于冲孔结构的存在，不仅增强扰动，破坏边界层，而且可以有效的改善球凸/球凹结构涡旋死区问题，降低流动阻力，提高板翅式热交换器的综合性能。
板翅式热交换器翅片通道可以为平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片等多种结构形式，改善换热结构，有效降低流动阻力，实现强化传热。通道两侧结构可以为冲孔球凸结2构、冲孔球凹3结构或冲孔球凸/球凹混合结构多种形式，而且冲孔球凸/球凹翅片可以和其他类型翅片混合使用，以达到不同工况下的最佳传热性能。
本发明一种板翅式热交换器芯体结合了球凸/球凹结构和冲孔结构的多种优势：翅片增加了换热面积；球凸/球凹结构不仅提高了板翅结构的承压能力，而且增强了流体扰流，使得流动边界层、热边界层减薄；冲孔结构形成局部射流，促进翅片相邻流道内流体混合对流，且减小了球凸/球凹结构涡旋死区，达到了强化传热并降低流动阻力的效果。
请参阅图10所示，板翅式热交换器芯体通过端板10和封头9密封形成板翅式热交换器。
请参阅图11和图12所示，为本发明板翅式热交换器与球凸/球凹翅片、直翅片流动传热性能对比示意图，从图11可以看出本发明翅片相对于现有球凸/球凹翅片、直翅片，同等条件下努赛尔数Nu更大；从图12可以看出本发明翅片相对于现有球凸/球凹翅片，同等条件下阻力系数f更小。本发明板翅式热交换器的流动传热性能更优。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种翅片结构，其特征在于，所述翅片上设有若干球凸/球凹，所述球凸/球凹上设有冲孔，形成冲孔球凸(2)/冲孔球凹(3)。
2.根据权利要求1所述的一种翅片结构，其特征在于，冲孔球凸(2)和冲孔球凹(3)上的冲孔位于对应冲孔球凸(2)/冲孔球凹(3)的中心。
3.根据权利要求1所述的一种翅片结构，其特征在于，冲孔球凸(2)和冲孔球凹(3)上的冲孔相对于对应冲孔球凸(2)/冲孔球凹(3)的中心具有偏移量。
4.根据权利要求3所述的一种翅片结构，其特征在于，有偏移量的冲孔位于冲孔球凸(2)的来流背风侧；有偏移量的冲孔位于冲孔球凹(3)的来流侧。
5.根据权利要求1所述的一种翅片结构，其特征在于，所述冲孔为圆孔。
6.根据权利要求1所述的一种翅片结构，其特征在于，翅片(100)为平直翅、波纹翅或锯齿翅。
7.一种板翅式热交换器芯体，其特征在于，包括：
若干隔板(1、6)；
权利要求1至5中任一项所述的翅片(100)；翅片(100)支撑固定于两块相邻隔板(1、6)之间；相邻隔板(1、6)之间密封形成流道单元；流道单元在相邻隔板(1、6)之间形成若干介质流动的换热通道。
8.根据权利要求7所述的一种板翅式热交换器芯体，其特征在于，所述一种板翅式热交换器芯体包括若干叠加固定在一起的流道单元。
9.根据权利要求7所述的一种板翅式热交换器芯体，其特征在于，相邻流道单元共用一块隔板。
10.根据权利要求7所述的一种板翅式热交换器芯体，其特征在于，冲孔球凸(2)和冲孔球凹(3)在换热通道内两侧呈交错排列；翅片通道两侧结构为冲孔球凸结构、冲孔球凹结构或冲孔球凸/球凹混合结构。
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