CN110319729B - 基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体及换热器，换热器芯体由多个换热单元堆叠构成，每个换热单元包括两层网状板片，网状板片相对的端面上均匀分布有多个网格，两层网状板片的网肋节点相互交错，形成多个彼此联通的流道和腔室；相邻两个换热单元分别构成冷侧介质流动腔和热侧介质流动腔。本发明介质流动腔内形成许多互相联通的微小腔体，构成仿生骨髓结构，并具有较大的表面积与体积比，相对于内部流道为直通道的换热器，能够实现20％以上的换热功率提升，以及20％以上的重量减小；提高换热器的紧凑度至管壳式换热器的6倍以上，可承受20MPa左右的高压，水力直径较大的条件下具有较高换热效率，适于大热流密度应用场景。

Description

基于仿生堆叠三维构型的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，涉及一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体及换热器。

背景技术

为解决航空航天领域的高热流密度散热问题，需设计出轻质高效换热器。目前已有的解决方案如下：

(1)管式/管壳式换热器：管式/管壳式换热器是工业中应用较为广泛和较为成熟的一种换热器，然而将其应用在航空航天领域时，由于其紧凑度不高，换热能力有限，往往会带来体积过大或者重量过重的问题。这是受其本身的结构特性所限。此外，为了提高其紧凑度，只能通过不断把管内径缩小的方式进行单位体积内换热面积的提升。对航空航天领域的应用来说，燃油在水力直径＜1mm时有结焦和堵塞换热器的风险。

(2)板式/板翅式换热器：板式/板翅式换热器受钎焊工艺限制，耐压能力有限，最高只能到5MPa左右。

(3)微通道换热器：微通道换热器是通过增加通道数和减小水力直径的方式提升换热能力，但由于通道水力直径过小，对于燃油介质来说也同样有结焦和堵塞的风险。

其中现有技术1(名称：直流道交错流波纹板束，申请号：200510076872.7，公开日：2006.12.27)公开了一种直流道交错流波纹板束，板管由两张波纹板片组成，由多排横波纹和多排纵波纹相互交叉排列构成网格状波纹，每张波纹板片上的横波纹和纵波纹凸凹方向相反。由于横波纹和纵波纹不连续且厚度有限，使得波纹板片所能承受的压力受限，不宜采用扩散焊工艺，导致耐压强度差；对两侧流动方向进行了限定，即必须为交错流动，使得介质进出口的设置受到限制；一个换热单元内的板片层数受到限制(两层)，构建的流道形式有限，难以大幅度提升换热功率；以上因素均使其应用场景受到较大局限，尤其在大热流密度的航空航天领域很难适用。

基于以上分析，需提出一种紧凑度较高，耐压性能较好，并且在水力直径较大(＞1mm)条件下也能实现高效换热的装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，具有较大的表面积与体积比，极大程度地提高换热器的紧凑度，承压能力强，在水力直径较大的条件下具有较高的换热效率，加工简单，适于大热流密度的应用场景，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种具有上述芯体的换热器。

本发明所采用的技术方案是，一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，由多个换热单元堆叠构成，每个换热单元包括两层网状板片，网状板片相对的端面上均匀分布有多个网格，两层网状板片的网肋节点相互交错，形成多个彼此联通的流道和腔室；相邻两个换热单元分别构成冷侧介质流动腔和热侧介质流动腔。

进一步的，所述网格的底部为通孔，两层或两层以上的网状板片堆叠构成单个换热单元，单个换热单元的外部设有防止介质泄漏的隔板。

进一步的，所述网格为直线和/或曲线组成的封闭形状。

进一步的，所述网格为三角形、矩形、五边形、六边形或其它多边形中的任意一种。

进一步的，所述网格为扇形、椭圆形、圆形或其它弧线形状中的任意一种。

进一步的，所述相邻两层网状板片中，一层网状板片的网肋节点位于另一层网状板片的网格形心或者偏移形心一定距离，偏移距离不超过网格的半径。

进一步的，所述网格的孔径不小于0.1mm。

进一步的，所述网格的高度不小于0.1mm。

进一步的，所述冷侧介质流动腔和热侧介质流动腔内设置有挡板，挡板垂直或倾斜设于网状板片上。

一种换热器，包括上述基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体。

本发明的有益效果是，具有以下优点：

1、本发明基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体具有极大的表面积与体积比，提高换热器的紧凑度至2000m²/m³左右，是管壳式热交换器的6倍以上，大幅度减小换热器的体积，缩小安装空间，避免与其它附件在安装位置上产生干涉。

2、本发明换热器芯体的每个换热单元由网状板片堆叠构成，构成仿生骨髓结构，流体在换热单元内部流动时经历一系列的翻转和分割，从而产生剧烈的径向扰动，大幅度提高传热系数，相对于内部流道为直通道的换热器，能够实现20％以上的换热功率提升，以及20％以上的重量减小；本发明换热芯体结构能在相对较大的水力直径下，满足大功率的换热需求，对燃油工质来说能够减小高温下结焦造成换热器堵塞的问题。

3、本发明换热器芯体整体结构虽然较为复杂，但基本单元为网状板片，结构简单，便于加工制造；网状板片之间形成大量致密点阵接触，耐压性能较好，可以采用扩散焊工艺制成，充分利用扩散焊工艺的特点，可承受20MPa左右的高压；远高于航空航天领域换热系统内部工质的工作压力(10MPa)，具有较高的可靠性与安全性。

4、本发明换热器芯体内部流动均匀性较好，对进出口的设置位置没有要求，可实现任意位置的进出口设置，因此能较好的适应安装需求，提高适用性。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中第一层网状板片的结构示意图。

图2是本发明实施例1中第二层网状板片的结构示意图。

图3是本发明实施例1中换热单元的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是本发明实施例1中换热器芯体的结构示意图。

图6是本发明实施例2中三层网状板的结构示意图。

图7是本发明实施例2中换热单元结构示意图。

图8是本发明实施例3中换热单元的结构示意图。

图9是图8的俯视图。

图10是传统板翅式结构添加板翅后二次换热表面示意图。

图11是本发明实施例1换热单元的二次换热表面示意图。

图12是本发明实施例1流体在换热单元内流动时上下层网状板片之间的翻转效应。

图13是本发明实施例1流体在换热单元内流动时上下层网状板片之间的切割效应。

图14a是本发明实施例1中换热单元内顺流示意图。

图14b是本发明实施例1中换热单元内逆流示意图。

图14c是本发明实施例1中换热单元内错流示意图。

图中，1.换热单元，2.边框，3.网状板片，4.网格，5.网肋节点，6.冷侧介质流动腔，7.热侧介质流动腔，8.板翅，9.二次表面Ⅰ，10.二次表面Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

根据传热学机理，大部分换热均属于间壁式传热过程。换热功率的计算方程为：Q＝K×F×Δt_m，其中，K为系统总传热系数，F为传热面积，Δt_m为冷热流体进出口间的对数平均温差。因此，增大传热面积，提高传热系数和改变流体之间的温差，都可以达到强化传热以及提高换热量的目的；但一般来说流体之间的温差为给定的已知条件，难以改变；本发明基于增大传热面积和提高传热系数的基本构思，受人体骨髓结构启发，设计基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体。

实施例1，

本发明换热器芯体，如图1-5所示，由多个换热单元1堆叠构成，每个换热单元1包括两层网状板片3，网状板片3相对的端面上均匀分布有多个网格4，两层网状板片3的网肋节点5相互交错(即一层网状板片3的网肋节点5不能和另一层网状板片3的网肋节点5重合)，形成许多彼此联通的流道和腔室；从而实现换热表面和体积比的巨量增加，相邻两个换热单元1分别构成冷侧介质流动腔6和热侧介质流动腔7，进行换热；网状板片3的边缘设有边框2，用于封边，防止介质泄漏，冷侧介质流动腔6通过进、出口与冷介质连通，热侧介质流动腔7通过进、出口与热介质连通，进、出口处设有接头，接头设有积液槽。

网格4孔径不小于0.1mm，这是受流动特性的影响，孔径小于此范围时，介质有堵塞的风险；网格4的高度不小于0.1mm，这是受流动特性的影响，高度小于此范围时，介质有堵塞的风险；冷侧介质流动腔6和热侧介质流动腔7内设置有挡板，挡板垂直或倾斜设于网状板片3上，引导流动走向。

实施例2，

本发明换热器芯体的另一结构，如图6-7所示，网格4的底部为通孔，使得网状板片3的双面具有结构相同的网格4，两层或两层以上的网状板片3堆叠构成单个换热单元1，如图6-7所示，单个换热单元1的外部设有防止介质泄漏的隔板；多层网状板片3叠加能够进一步的扩大单位体积内换热单元1的换热面积，提升换热性能。同一换热单元1或不同换热单元1的网状板片3厚度可以相等，也可以不等，根据实际使用需求进行计算和选取。

实施例3，

本发明换热器芯体的替代结构，如图8-9所示，网状板片3的网格4为六边形，两层网状板片3堆叠，两层网状板片3的网肋节点5相互交错，构成更为复杂的彼此联通的流道和腔室；相邻两层网状板片3中，一层网状板片3的网肋节点5位于另一层网状板片3的网格4形心。

本发明基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体的替代方案：

网格4为直线和/或曲线组成的封闭形状，不封闭的地方机械性能较差，难以进行焊接成型；网格4为三角形、矩形、五边形、六边形或其它多边形中的任意一种；网格4为扇形、椭圆形、圆形或其它弧线形状中的任意一种。

相邻两层网状板片3中，一层网状板片3的网肋节点5偏移另一层网状板片3的网格4形心一定距离，偏移距离不超过网格4的半径；相比较，网肋节点5位于形心的效果更好，因为两股流体要实现充分换热，需要介质在流动过程中尽可能多的进入不同的微小空腔，从而有效利用换热面积，在形心能够实现流体进入内部在各空腔内均匀分布；此外，在形心能够保证空腔几何结构上的均匀性能够让流体更好的均布在空腔内；网肋节点5偏移网格4形心太多会导致各处压损不均匀，造成流量分配不均匀，工质会从空隙更大的空腔流进和流出。

本发明技术效果验证：

实验要求：环境温度20℃，保温棉及隔热锡纸，换热器流动换热性能测试试验台；其中换热器流动换热性能测试试验台包括空压机、空气加热器、温度传感器、流量计、压力传感器、试验测试平台、连接管路、转接头等。

实验内容：将温度加热至600K的空气通过管路通入实施例1-3换热器的热侧介质流动腔7，将温度加热至400K的空气通过管路通入实施例1-3换热器的冷侧介质流动腔6，，调节空压机使得冷热两侧进口压力均为1.6MPa，质量流量均为0.02kg/s；待进、出口处温度、压力稳定，流量计数值稳定后，测定实施例1-3换热器的性能；在同样的条件下测定现有技术1换热器的性能，结果见表1-2：

表1 热空气侧的实验结果

表2 冷空气侧的实验结果

实验结束后，对每个换热器的体积进行测量，并且称重记录，结果见表3：

表3各换热器的体积与重量测试结果

类型	材质	体积	重量
				实施例1	304不锈钢	长100mm×宽50mm×高48mm	1.2kg
实施例2	304不锈钢	长100mm×宽50mm×高48mm	1.2kg
				实施例3	304不锈钢	长100mm×宽50mm×高48mm	1.2kg
现有技术1	304不锈钢	长100mm×宽50mm×高48mm	1.44kg

换热功率的计算方程为：Q＝K×F×Δt_m＝C_P×m×ΔT，其中，C_P表示定压比热，m表示质量流量，ΔT表示换热稳定后的进出口温差；根据表1、表2可知，实施例1-3的进出口温差ΔT均超过现有技术1的20％以上，根据表3可知，与现有技术1相比，实施例1-3的质量减小了20％；即实施例1-3相对于现有技术1能够实现20％以上的换热功率提升，以及20％以上的重量减小。

本发明的换热器选用不锈钢材质，换热器芯体的网格4分别为六边形、带弧线的扇形和正方形，进行流动换热性能实验，热侧为600K空气，冷侧为400K空气，两侧介质质量流量均为0.02kg/s。测试结果表明，在换热器干重和体积相同的前提下，网格4为六边形的换热器热侧温降为140K，网格4为带弧线的扇形的换热器热侧温降为125K，网格4为正方形的换热器热侧温降为130K，网格4为六边形的换热器相对于网格4为正方形的换热器，换热功率提升7.8％，因此网格4为六边形的换热器芯体具有更强的换热能力，且六边形结构具有更好的强度和结构稳定性。

表4 水力直径为2mm的条件下各换热器的单位质量换热功率

类型	进出口温差(K)	换热功率KW	质量kg	单位质量换热功率KW/kg
					实施例1	130	2.71	1.2	2.26
实施例2	136	2.84	1.2	2.36
					实施例3	140	2.92	1.2	2.43
现有技术1	108	2.25	1.44	1.56

根据表4可知，本发明水力直径为2mm(＞1mm)条件下，单位质量换热功率大于相同水力直径的微通道换热器，且相当于水力直径0.5mm的微通道换热器的单位体积换热功率。

经测定实施例1-3的换热器芯体构成的换热器紧凑度高达2000m²/m³左右，是管壳式热交换器的6倍以上，可承受20MPa左右的高压。

本发明基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体内介质流体的流动过程：

冷介质流体流入冷侧介质流动腔6，热介质流体流入热侧介质流动腔7，由于两层网状板片3的网肋节点5相互交错，形成许多彼此联通的流道和腔室，冷介质流体、热介质流体分别在对应的介质流动腔内流动时被垂直于流动方向的网肋改变流动方向，在换热单元1的两层网状板片3间翻转流动，在翻转通过一层网状板片3后总会被另一层网状板片3的网肋节点5或网肋分割，实现对近壁面边界层持续性的破坏，加强近壁面区域的热量交换；介质流动腔内的流体速度沿着主流流动方向通流面积周期性的缩小和变大，产生周期性的波动，各处的流动方向也在不断发生变化，增强扰动。

本发明基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体的优势：

1.传热面积的增加：

在隔板之间添加翅片形成二次换热表面，是板翅式换热器的强化换热的一种典型方法，对于现有技术1中直通道板翅式换热器来说，各个流道之间彼此独立，一旦一个流道发生堵塞便会对换热和流阻造成较大影响。然而本发明将二维网状结构，在高度方向上进行了偏移，从而构造出一种复杂的三维结构，使之具有大比表面积的特性，两层网状板片3的网肋节点5位置相互交错，换热单元1内部形成许多彼此联通的流道和腔室，不易发生阻塞，即使出现局部堵塞并不会对换热单元1的换热和介质流动情况造成较大的影响；此外，传统板翅式结构的换热器，添加板翅8后增加的二次换热表面仅为板翅8侧壁的面积，如图10所示；然而本发明换热单元1的二次换热表面包括二次表面Ⅰ9和二次表面Ⅱ10，二次表面Ⅰ9为网状板片3的网格4侧壁，二次表面Ⅱ10为上下两层网状板片3之间未接触的网肋节点5，极大增加了换热单元1的二次换热表面，见图11，使本发明二次换热表面增量为传统板翅式结构的2-3倍，增大表面积与体积比，极大程度提升了紧凑度，减小换热器的体积。

2.传热系数的提高：

对于粘度较大的流体来说，换热时常处于层流状态，在有传热的情况下，流体的速度分布和温度分布都属于抛物线型，也就是说在直通道内贴近壁面速度和温度较低，而通道中心速度和温度较高，流体和传热壁面之间的温降发生在整个流动截面上。因此，对层流换热的强化必须使流体产生强烈的径向运动以加强流体整体的混合。由于本发明换热单元1由两层网状板片3堆叠构成，且两层网状板片3的网肋节点5位置相互交错，流体在换热单元1内部的流动形态，如图12所示，流体在流动过程中，必须经历上层网状板片3与下层网状板片3之间的翻转；与此同时，流体从前向后进行流动时，也总会被网肋节点5或网肋从中间分割，如图13所示；从而使得流体在换热单元1内部的流动时经历一系列的翻转和分割，这种持续不断的翻转与分割效应将会导致流体产生十分剧烈的径向扰动，对层流原先抛物线型的温度与速度分布造成剧烈的影响，从而促进流体速度分布和温度分布的均匀化，使得网状板片3壁面附近层流底层的温度梯度上升，对于处于层流范围内的流体来说，将传热系数提高至原来的2-3倍，从而较大提升换热效率，减小换热器的重量，在相对较大的水力直径下，满足大功率的换热需求。

3.耐压强度的增强：

扩散焊工艺是一种在高温条件下，在芯体上下表面施加巨大压力，使得晶界重新破坏和生成的焊接工艺，扩散焊焊接无焊料，没有焊料残留从而导致换热衰减的问题，能进一步提升换热器的性能和可靠性。现有换热器芯体结构所能承受的压力有限，只能借助传统的钎焊或其它手段进行焊接，使得焊料在焊件内部残留，导致换热性衰减，此外使得换热器芯体受工艺的限制，进一步降低其耐压性，导致适用场景受到极大的限制。然而本发明三维堆叠结构，对扩散焊工艺具有较好的适用性，因为在整个网状板片3上形成密密麻麻的网肋节点5，并且分布较为均匀，当利用扩散焊工艺进行加工时，网状板片3之间、以及网状板片3与隔板之间能够形成较好的贴合，提高耐压强度，从而让换热器能够工作在较为恶劣的工作环境中，适应航空航天领域换热器的使用需求；实验表明本发明采用扩散焊制得的基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体形成的换热器具有极高的耐压性，最高能耐20MPa左右的高压，适用场景广泛。本发明换热器芯体的基本单元为网状板片，结构简单，便于加工制造，突破了一般意义上的三维异形结构的设计与加工方法，除扩散焊以外，还可以采用的其它焊接方式或采用3D打印的加工手段制得，任意形状的网格4，任意堆叠方式；换热芯体的材质采用常用金属或其它材料。

4.本发明换热单元1的三维堆叠结构，由于内部的均匀性和无导向性，允许顺流、逆流和交错流等不同的流动形式，如图14a-14c所示，可根据实际需求换热单元1的任意位置开放进出口，在无需对安装管路进行较大改动的情况下，能够实现换热器的随形安装，具有较好的实用性。

具有本发明基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体的换热器不易发生阻塞，具有较大表面积与体积比，换热系数高，极大程度提升了紧凑度和换热特性，耐压强度，适用范围广，尤其对于解决航空航天领域的高热流密度散热问题，具有较大的应用前景和推广价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，由多个换热单元（1）堆叠构成，每个换热单元（1）包括两层网状板片（3），网状板片（3）相对的端面上均匀分布有多个网格（4），两层网状板片（3）的网肋节点（5）相互交错，形成多个彼此联通的流道和腔室；相邻两个换热单元（1）分别构成冷侧介质流动腔（6）和热侧介质流动腔（7）；

所述网格（4）为直线和/或曲线组成的封闭形状；

相邻所述两层网状板片（3）中，一层网状板片（3）的网肋节点（5）位于另一层网状板片（3）的网格（4）形心或者偏移形心一定距离，偏移距离不超过网格（4）的半径。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述每个换热单元（1）替换为由两层以上的网状板片（3）堆叠构成，网格（4）的底部为通孔，单个换热单元（1）的外部设有防止介质泄漏的隔板。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述网格（4）为三角形、矩形、五边形、六边形或其它多边形中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述网格（4）为扇形、椭圆形、圆形或其它弧线形状中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述网格（4）的孔径不小于0.1mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述网格（4）的高度不小于0.1mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体，其特征在于，所述冷侧介质流动腔（6）和热侧介质流动腔（7）内设置有挡板，挡板垂直或倾斜设于网状板片（3）上。

8.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的一种基于仿生堆叠三维构型的换热器芯体。

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