CN110006276A - 一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，该板式换热片涉及的流体通道包含凸起变截面结构和直通段。本发明通过在流体通道中增加凸起变截面结构，极大提高了流体介质的换热面积；通过改变流体介质的过流截面，增大介质流动速度和湍流强度，提高流体介质对壁面的剪切作用，减小壁面边界层厚度，提高换热效率，同时对于壁面区域的杂质沉积形成冲刷，实现换热器运行过程中的自清洗功能，降低流体通道内杂质沉积、堵塞风险。该发明改变了板式换热片上流体通道结构单一、换热面积固定的缺点，同时实现了板式换热器运行过程的自清洗功能，提高了设备整体运行效率和安全稳定性。
Description
技术领域
本发明设计板式换热器领域，具体地，涉及一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片。
背景技术
板式换热器问世100多年来，因其换热效率高、结构紧凑、拆装灵活等优点，在石油、化工、轻纺、暖通、食品、医药等领域获得广泛应用。随着世界能源危机的日益加深，以及我国对于环保要求的日渐提高，高效、节能、经济的板式换热器在未来的市场发展过程中将获得更为广阔的前景。
板式换热器由形状、规格完全相同的换热片交错排列组装而成。换热片的核心区域包括流体入口、流动区(即流体通道区)与流体出口。其中，流体换热的主要区域为流体通道区。目前，已面世的所有换热片的流体通道都为平直通道，一方面限制了换热板有效换热面积的发展，制约了板式换热器的整体运行效率的提高，另一方面容易导致流体介质中的杂质颗粒流动过程发生沉积，造成通道堵塞，影响换热器运行安全。
因此，如何改造换热片流体通道结构，增加流体有效换热面积，提高换热器整体运行效率，降低杂质沉积、堵塞风险，成为制约板式换热器进一步发展的关键问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，以提高流体介质换热面积，降低杂质沉积、堵塞风险。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，所述换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道包括凸起变截面结构和直通段；所述凸起变截面结构排列于直通段上；所述凸起变截面结构为三角形或梯形或圆弧形。
进一步地，本领域技术人员仅需要简单将流体通道设置人字形结构，来降低流体的流动阻力。
进一步地，所述凸起变截面结构与流体介质相接触的两个面，分别为前向面和后向面，前相面倾角α小于后向面倾角β，以降低流体后相面区域介质流动阻力，提高前向面区域的流体湍流速度。
进一步地，所述凸起变截面结构在流体通道内同向设置或相向设置，排布方式灵活多变。
进一步地，所述凸起变截面结构在流体通道内同向分布时，其中，所述凸起变截面结构为三角形时，外侧三角形凸起变截面结构为钝角三角形，其顶角ε大于内侧三角形凸起变截面结构的顶角；所述凸起变截面结构为梯形或圆弧形时，外侧凸起变截面结构的高度h小于内侧凸起变截面结构的高度。本领域技术人员通过这种排布设计，能够有效降低流体介质中的杂质在外侧凸起区域内发生沉积的风险。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：该换热片在流体通道内增设凸起变截面结构，有效扩展了流体的换热面积，提高介质流动过程中的湍流程度，提高了单位面积换热板的有效换热效率和运行效率；同时，凸起变截面结构降低了通道的局部过流截面，使得流体介质在该部位的流速突然提高，形成较强的流动剪切，可以有效去除通道内的沉积杂质，防止通道堵塞，实现换热器运行过程中的自清洗功能。
附图说明
图1为本发明三角形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图；
图2为本发明提供的三角形凸起变截面结构示意图；
图3为本发明梯形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图；
图4为本发明提供的梯形凸起变截面结构示意图；
图5为本发明圆弧形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图；
图6为本发明提供的圆弧形凸起变截面结构示意图；
图7为三角形凸起变截面结构同向排列组成三角形凸起组合单元示意图；
图8为梯形凸起变截面结构同向排列组成梯形凸起组合单元示意图；
图9为圆弧形凸起变截面结构同向排列组成圆弧形凸起组合单元示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，以提高换热板换热面积，增强换热器整体运行效率，降低设备运行过程中的杂质沉积、堵塞风险。所述换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道包括凸起变截面结构1和直通段2；所述凸起变截面结构1排列于直通段上；所述凸起变截面结构1为三角形或梯形或圆弧形。
本领域技术人员仅需根据能量守恒和转化原理，对连接凸起变截面结构1的各直通段2的长度优化设计，从而使流体介质在通道内流动过程的沿程阻力最小，降低设备进、出口压降，减少能量损失。
本领域技术人员也能毫无疑义地设置流体通道整体为人字形结构的流体通道，来降低流体的流动阻力。
该凸起变截面结构1与流体介质相接触的两个面，分别为前向面和后向面。通常使前向面倾角α小于后向面倾角β，以降低流体后相面区域介质流动阻力，提高前向面区域的流体湍流强度。
该凸起变截面结构1在流体通道内同向设置或相向设置，排布方式灵活多变。当其为同向分布时：该凸起变截面结构1为三角形时，外侧三角形凸起变截面结构1为钝角三角形，其顶角ε大于内侧三角形凸起变截面结构1的顶角；该凸起变截面结构1为梯形或圆弧形时，外侧凸起变截面结构1的高度h小于内侧凸起变截面结构1的高度。这样能够有效降低流体介质中的杂质在外侧凸起区域内发生沉积的风险。
下面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、完整的描述，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。基于本发明的实施例，本领域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。
实施例1
图1为本发明三角形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图，从图中可以看出，该三角形凸起变截面流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：三角形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的三角形凸起变截面结构1相向分布，组成三角形凸起变截面结构1的组合单元。该三角形凸起变截面结构1的组合单元使得流体介质在该部位的过流截面急剧缩小，导致流体速度突然增加，引起流体介质湍流程度升高。较高的湍流运动产生强烈的流体剪切，对流体通道壁面的杂质颗粒的沉积进行冲刷，实现设备运行过程中的自清洗功能，降低通道堵塞风险。同时，较高的湍流运动可以有效增加换热系数，极大提高换热器整体运行效率。
如图2所示，本发明所提供的凸起变截面结构为三角形结构。该三角形结构可为等边三角形、钝角三角形、锐角三角形等不同形式。凸起的高度决定流体介质过流截面的宽度，进一步影响流体介质的流动速度和湍流强度。三角形凸起变截面结构与流体相接触的两个面，分别为前向面和后向面。通常使前向面倾角α小于后向面倾角β，以降低流体介质流动过程中的沿程阻力，提高前向面区域的流体湍流强度。
取上述三角形凸起变截面流体通道相向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为23℃。
实施例2
图3为本发明梯形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图，从图中可以看出，该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：梯形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的梯形凸起变截面结构1相向分布，组成梯形凸起变截面结构的组合单元。该梯形凸起变截面结构1的组合单元使得流体介质在该部位的过流截面急剧缩小，导致流体速度突然增加，引起流体介质湍流程度升高。较高的湍流运动产生强烈的流体剪切，对流体通道壁面的杂质颗粒的沉积进行冲刷，实现设备运行过程中的自清洗功能，降低通道堵塞风险。同时，较高的湍流运动可以有效增加换热系数，极大提高换热器整体运行效率。
如图4所示，本发明所提供的凸起结构为梯形结构。该梯形结构的高度、宽度、倾斜角度等结构参数可根据实际工况进行优化设计。凸起的高度决定流体介质过流截面的宽度，进一步影响流体介质的流动速度和湍流强度。梯形凸起结构与流体相接触的两个面，分别为前向面和后向面。通常使前向面倾角α小于后向面倾角β，以降低流体介质流动过程中的沿程阻力，提高前向面区域的流体湍流强度。
取上述梯形凸起变截面流体通道相向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为27℃。
实施例3
图5为本发明圆弧形凸起变截面流体通道相向排布的换热片示意图，从图中可以看出，该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：圆弧形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的圆弧形凸起变截面结构1相向分布，组成圆弧形凸起变截面结构的组合单元。该圆弧形凸起变截面结构1的组合单元使得流体介质在该部位的过流截面急剧缩小，导致流体速度突然增加，引起流体介质湍流程度升高。较高的湍流运动产生强烈的流体剪切，对流体通道壁面的杂质颗粒的沉积进行冲刷，实现设备运行过程中的自清洗功能，降低通道堵塞风险。同时，较高的湍流运动可以有效增加换热系数，极大提高换热器整体运行效率。
如图6所示，本发明所提供的凸起结构为圆弧形结构。该圆弧形结构的高度、宽度、倾斜角度等结构参数可根据实际工况进行优化设计。凸起的高度决定流体介质过流截面的宽度，进一步影响流体介质的流动速度和湍流强度。圆弧形凸起结构与流体相接触的两个面，分别为前向面和后向面。通常使前向面倾角α小于后向面倾角β，以降低流体介质流动过程中的沿程阻力，提高前向面区域的流体湍流强度。
取上述圆弧形凸起变截面流体通道相向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为25℃。
实施例4
图7为三角形凸起变截面结构同向排列组成三角形凸起组合单元示意图，从图中可以看出，该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。同样的该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：三角形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的三角形凸起变截面结构1同向排布，组成三角形凸起组合单元。该组合单元所包含的两个三角形凸起变截面结构1尺寸并不相同。外侧三角形凸起变截面结构1-1为钝角三角形，且其顶角ε大于内侧三角形凸起变截面结构1-2的顶角，降低流体介质中的杂质在外侧三角形凸起变截面结构1-1区域内发生沉积的风险。该实施例所提供的流体通道，在介质过流截面变化较小的情况下，通过通道结构尺寸的改变，增强了流体介质的湍流程度，并提高了换热面积，同时实现了流体通道的运行自清洗功能。
取上述三角形凸起变截面流体通道同向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为26℃。
实施例5
图8为梯形凸起变截面结构同向排列组成梯形凸起组合单元示意图；从图中可以看出，该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：梯形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的梯形凸起变截面结构1同向排布，组成梯形凸起组合单元。该组合单元所包含的两个梯形凸起变截面结构1尺寸并不相同。外侧梯形凸起变截面结构1-1的高度小于内侧梯形凸起变截面结构1-2的高度，降低流体介质中的杂质在外侧梯形凸起变截面区域1-1区域内发生沉积的风险。该实施例所提供的流体通道，在介质过流截面变化较小的情况下，通过通道结构尺寸的改变，增强了流体介质的湍流程度，并提高了换热面积，同时实现了流体通道的运行自清洗功能。
取上述梯形凸起变截面流体通道同向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为25℃。
实施例6
图9为圆弧形凸起变截面结构同向排列组成圆弧形凸起组合单元示意图；从图中可以看出，该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道包括：圆弧形凸起变截面结构1和直通段2。其中，流体通道内的圆弧形凸起变截面结构1同向排布，组成圆弧形凸起组合单元。该组合单元所包含的两个圆弧形凸起变截面结构1尺寸并不相同。外侧圆弧形凸起变截面结构1-1的高度小于内侧圆弧形凸起变截面结构1-2的高度，降低流体介质中的杂质在外侧圆弧形凸起变截面区域1-1区域内发生沉积的风险。该实施例所提供的流体通道，在介质过流截面变化较小的情况下，通过通道结构尺寸的改变，增强了流体介质的湍流程度，并提高了换热面积，同时实现了流体通道的运行自清洗功能。
取上述圆弧形凸起变截面流体通道同向排布的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为25℃。对比实施例
该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道为直通段。
取上述仅有直通段流体通道的换热片20片，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为47℃。
Claims (5)
1.一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，其特征在于，所述换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道包括凸起变截面结构(1)和直通段(2)；所述凸起变截面结构(1)排列于直通段(2)上；所述凸起变截面结构(1)为三角形或梯形或圆弧形。
2.根据权利要求1所述的一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，其特征在于，所述流体通道整体为人字形结构。
3.根据权利要求1所述的一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，其特征在于，所述凸起变截面结构(1)与流体介质相接触的两个面，分别为前向面和后向面，前相面倾角α小于后向面倾角β。
4.根据权利要求1所述的一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，其特征在于，所述凸起变截面结构(1)在流体通道内同向设置或相向设置。
5.根据权利要求4所述的一种板式换热器的凸起变截面流体通道换热片，其特征在于，所述凸起变截面结构(1)在流体通道内同向设置时，其中所述凸起变截面结构(1)为三角形时，外侧三角形凸起变截面结构(1-1)为钝角三角形，其顶角ε大于内侧三角形凸起变截面结构(1-2)的顶角；所述凸起变截面结构为梯形或圆弧形时，外侧凸起变截面结构(1-1)的高度h小于内侧凸起变截面结构(1-2)的高度。
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