CN110470163A - 具有扰流皮肤结构的换热器芯体及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体及换热器，由多层换热单元堆叠构成，每层换热单元由隔板隔开，每个换热单元上下两个隔板的壁面均设有扰流皮肤结构，扰流皮肤结构包括多个阵列分布的扇形结构，相邻两排扇形结构相互交错，相邻两排扇形结构的圆弧边相互接触；上下两个隔板上的扰流皮肤结构采用相同的排列方式，所有上下两个扇形结构之间均设有柱肋。本发明大幅度提升换热量，有效控制压损，不易出现堵塞，质轻，体积适应性强，灵活应用，解决了现有技术中存在的问题。

Description

具有扰流皮肤结构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，涉及一种具有扰流皮肤结构的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，动力、化工、船舶、航空航天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：提高传热温差、增大传热面积、增大对流换热系数。在无相变的换热器中，提高传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。从目前来看，应用最广泛的是管壳式换热器和板式换热器；常规板式换热器的内部流动形式较为简单，波纹板对边界层的破坏有限，尤其对于粘性较大流体，扰动作用更不明显，同时波纹板产生的流阻较高。

作为换热设备的主要性能，高效性和紧凑性已经成为近几十年来换热器研究的主要目标。而在航空航天领域，设备各部分的冷热流体温度、压力、成分的差异巨大，而且由于流动压力损失的严格要求、重量的限制、空间的限制、自身温度压力水平这些都对于作为冷热交换中间环节的换热器提出了极其苛刻的要求。换热器除了具备高效的特点，还要具有质轻、紧凑体积小的特点。常规的换热器尤其是老式的管壳式换热器单位体积换热量不足，导致换热器体积和重量巨大，不能满足实际要求；而管式换热器体积较大，紧凑性差，对空间要求严格的场合并不适用；因此，新型换热器的研究迫在眉睫。

目前国内外对于新型换热器结构形式的研究可以分为三个方面：一是常规管道换热器的优化与创新，另一方面是采用各种形式的微通道实现高效换热。

针对常规管道换热器的优化主要集中在两方面，其一是改变换热管形状以加大管程流体湍流程度或传热面积，如螺纹管、伸缩管、波纹管、翅片管等；另一种是管内插物，用来增强管程湍流程度。这些结构能有效强化换热，但时由于增加波纹翅片或者管道形状的周期性变化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，使得换热器在换热提高的同时，流阻也急剧增加。

微通道结构由于具有较高的表面积-体积比，因而具有高效的换热效率。微通道换热器是通过减小尺度实现比表面积的增加，随着通道水力直径的减小，流道数量增加，换热效率提高，但当水力直径减小到一定尺度时，由于流量分配以及微尺度效应的会使微通道结构在较高工质流量的工况下换热效率降低，并且流阻增大。此外，对于粘度较大的流体，微通道结构堵塞的风险高于其他类型的换热器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，大幅度提升换热量，有效控制压损，不易出现堵塞，质轻，体积适应性强，灵活应用，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，一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，由多层换热单元堆叠构成，每层换热单元由隔板隔开，每个换热单元上下两个隔板的壁面均设有扰流皮肤结构，扰流皮肤结构包括多个阵列分布的扇形结构，相邻两排扇形结构相互交错，相邻两排扇形结构的圆弧边相互接触；上下两个隔板上的扰流皮肤结构采用相同的排列方式，所有上下两个扇形结构之间均设有柱肋。

进一步的，扇形结构为扇形环状结构，柱肋设于扇形中心的隔板上；扇形结构相互交错的形式为：扇形结构圆弧边的端部与另一排扇形结构圆弧边的中点接触。

进一步的，所述偶数排相互交错的扇形结构组成一个重复单元，相邻两个重复单元之间留有通道。

进一步的，所述柱肋为圆柱形。

进一步的，所述柱肋为椭圆柱形、截面是菱形的四棱柱或其它多边形棱柱中的任意一种。

进一步的，所述扰流皮肤结构的高度为0.1～0.5mm，扰流皮肤结构的高度不超过柱肋高度的1/3。

进一步的，所述扇形结构的半径R为柱肋直径D的1～4倍。

进一步的，所述扇形结构的圆心角θ＝90～150°。

进一步的，所述换热单元的进口设于扇形结构的半径侧，换热单元的出口设于扇形结构的圆弧侧。

一种换热器，包括上述具有扰流皮肤结构的换热器芯体。

本发明的有益效果是，具有以下优点：

1、本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体采用扰流皮肤结构、柱肋结构强化换热的同时，通过扰流皮肤结构对柱肋流场中的不利因素进行控制，使得流动的边界层不断破坏与生长，避免产生过多死区，控制流阻的增加，进行复合强化换热，能够明显提升换热量的同时控制压力损失，对于粘性流体，比如滑油或其它油类工质，同样具有良好的换热效果；相同换热量的前提下，本发明换热器的质量更轻，在航空航天领域具有较高的应用价值。

2、本发明具有扰流皮肤结构的换热芯体的流道设置均匀，各个方向上均为连通状态，没有固定的流道，同时在扰流皮肤结构的干扰作用下，介质流体不易结垢，极大降低堵塞的可能性，能够避免局部热应力过大的问题。

3、体积适应性强，灵活应用；具有扰流皮肤结构的换热器芯体的柱肋和扰流皮肤结构均为阵列分布，其尺寸和疏密程度可以根据需要进行设置，结构紧凑，柱肋和扰流皮肤结构的复合强化换热效果不受换热器形状的影响，完全能够适应异形结构的换热器中，增强体积适应性。扰流皮肤结构也可以根据实际需要，在换热薄弱区域增加扰流皮肤结构，在其他区域采用常规结构的复合形式，进一步增强换热效果，具有灵活应用的特点。

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是本发明实施例中换热单元的结构示意图。

图2a是本发明实施例中扰流皮肤结构的结构参数示意图。

图2b是图2a的局部放大图。

图3a是本发明实施例中换热单元的正视图。

图3b是图3a中B-B截面图。

图4a是直通道换热单元的正视图。

图4b是图4a中A-A截面图。

图中，1.进口，2.隔板，3.柱肋，4.扰流皮肤结构，5.出口，6.扇形结构，7.通道。

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。

实施例1，

本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体，属于板式换热结构，结构如图1-2所示，由多层换热单元堆叠构成，每层换热单元由隔板2隔开，每个换热单元的上下两个隔板2的壁面均设有扰流皮肤结构4，扰流皮肤结构4包括多个阵列分布的扇形结构6，相邻两排扇形结构6相互交错，相邻两排扇形结构6的圆弧边相互接触，上下两个隔板2上的扰流皮肤结构4采用相同的排列方式，所有上下两个扇形结构6之间均设有柱肋3。扇形结构6为扇形环状结构，柱肋3设于扇形中心的隔板2上；扇形结构6相互交错的形式为：扇形结构6圆弧边的端部与另一排扇形结构6圆弧边的中点接触。

为了提高本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体的应用灵活性，将偶数排(2、4、6排等)相互交错的扇形结构6组成一个重复单元，单排扇形结构6难以构成重复单元，在进行交错布局时，操作难度大，容易出现交错混乱的情况，对流场产生的影响难以控制，大幅提升流阻；相邻两个重复单元之间留有通道7，使得相邻两个重复单元之间不重叠和互相干扰；不同的通道7宽度可以起到调节强化换热效果的作用，在布局扰流皮肤结构4时，可以在强化换热要求高的区域减小通道7宽度，在强化换热需求低的区域增大通道7宽度，具有灵活应用的特点；同时由于扇形结构6由三角形和圆弧边组合而成，流体流经扰流皮肤结构4时，使流体在流向方向上的不同位置处产生不完全相同的扰动，有利于破坏柱肋3形成的周期性涡流，产生周期性扰动。如图3a-3b所示，两排相互交错的扇形结构6组成单个重复单元，能够实现相互交错的同时保证排列整体，每排扇形结构6的数量为10个。

扰流皮肤结构4的高度为0.1～0.5mm，扰流皮肤结构4的高度不超过柱肋3高度的1/3，保证能够充分发挥扰流皮肤结构4和柱肋3的复合强化换热效果，扰流皮肤结构4的高度太低，增加流体扰动、破坏边界层以及柱肋3引起的涡流作用不明显；扰流皮肤结构4的高度太高，增强换热的同时，流阻会显著增加，流阻的增大倍数会超过换热量的增加。扇形结构6的宽度n＝0.1～1mm，扇形结构6的圆心角θ＝90～150°，超过该范围会使扰流皮肤结构4的布局过于紧凑或宽松，影响强化换热效果；柱肋3为圆柱形，扇形结构6的半径R为柱肋3直径D的1～4倍，是基于结构的强度和柱肋3的分布密度进行考量，超过这个范围柱肋3和扰流皮肤结构4的复合强化换热效果会减弱。

所有扇形结构6的半径侧朝向一致，换热单元的进口1设于扇形结构6的半径侧，换热单元的出口5设于扇形结构6的圆弧侧，流体从扇形结构6半径侧流入，从扇形结构6的圆弧侧流出，相比于反方向的流动流阻小。换热芯体可以采用腐蚀、微铣雕刻或者3D打印的加工方式实现。

实施例2，

本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体的替代结构，柱肋3为椭圆柱形、截面是菱形的四棱柱或其它多边形棱柱中的任意一种。不同工况下，最优柱肋形状不同，椭圆柱形的柱肋3流阻最小，多边形棱柱的柱肋3会使近壁面边界层分离后移，有利于干扰卡门涡的形成，减少振动的产生。圆柱形的柱肋3介于两者之间，实际应用中，需要根据散热和流阻工况需求选择。

本发明技术效果验证：

与实施例1结构相同，扰流皮肤结构4采用15个重复单元，其中扰流皮肤结构4的参数进行了设置(n＝0.2，θ＝120°，R＝2D)。为了对本发明的优势作进一步说明，设计了一种具有与实施例1相同入口、相同外形、相同流体体积的直通道换热芯体和仅设有柱肋阵列的换热芯体(去掉扰流皮肤结构4)，直通道换热芯体的结构如图4a-4b所示；分别堆叠成20层换热单元，形成两种流体各10层的逆流换热器，以航空发动机中常用的燃滑油为换热介质，给定两侧的工质质量流量，对换热器的流阻和换热量进行计算比较，获得如下热交换结果：

表1实施例1的计算结果

表2直通道换热芯体的计算结果

表3仅设有柱肋阵列的换热芯体的计算结果

从表1和表2可以看出，本发明实施例1的换热量接近直通道换热器的两倍，同时本发明换热器的压损相对于直通道换热器仅升高了33％～40％，且其他扰流结构远比直通道结构的压损高，因此本发明换热器大幅度提高换热量的同时具有较为明显的控制流阻的能力。

从表1和表3可以看出，本发明实施例1与仅设有柱肋阵列的换热芯体相比，换热量提高了25％，压损增加了7％～14％，控制压损并非压损不升高；本发明实施例1增加了扰流皮肤结构4后，散热量增加25％，对于一般强化换热结构，换热增加时，必然会使压损增大，且压损增幅远超过换热量的增幅，从这个角度上讲，本结构有效的控制了流阻的增加。

本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体内介质流体的流动过程：

在相邻两个换热单元内分别通入冷介质流体和热介质流体，每个换热单元内，流体的主体流动形式为，绕着柱肋3流体不断被打断和合并，而在这种波动中，由于扰流皮肤结构4的存在，流体在近壁面处的流动不断被干扰，但主体的流动形式与柱肋3排布相关，柱肋3和扰流皮肤结构4相互配合、相互影响，组成复合方式，利用柱肋3的优势，同时结合扰流皮肤结构4，增加流体的脉动，将柱肋3流场的不利因素转换为有利条件，提升换热率的同时，有效控制压损的增加。

本发明具有扰流皮肤结构的换热器芯体具有以下优势：

1.提高换热效率的同时，控制流阻；换热器的两个重要指标是换热量和压力损失，一般情况，换热量的增加会使压力损失增大、换热器质量的增加；流体如果在平滑的壁面的流道内流动时，随着流动的稳定，边界层完全形成并且呈一定的厚度，这种边界层将流体和壁面隔开，不利于散热器的强化换热，而扰流皮肤结构4会干扰边界层的生成，使边界层难以稳定生成，提高强化换热的效果。对于单纯的柱肋阵列换热结构，相邻两个柱肋3的横向间距a和纵向间距b处于某一特定值时，柱肋3的固有频率会与卡门涡接近，柱肋3会在垂直流动的方向上产生振动，产生周期性的旋涡，这种旋涡会使流动的阻力增大；而扰流皮肤结构4会干扰和破坏这种旋涡的形成，从而控制流阻。单纯的柱肋阵列换热结构的流态受雷诺数的影响较大，当雷诺数增大时，单纯的柱肋阵列换热结构由于层流边界层在发生分离前就发生了转捩，流动的分离点在柱肋的位置上会前移，阻力系数会增大；而本发明在柱肋3排布的流场中，扰流皮肤结构4产生的扰动与柱肋3外缘流体的波动互成法向，干扰了柱肋3的边界层的生长，使流体在柱肋3壁面附近的流动分离点产生后移，降低压损。采用扰流皮肤结构、柱肋结构强化换热的同时，通过扰流皮肤结构对柱肋流场中的不利因素进行控制，进行复合强化换热，能够明显提升换热量的同时控制压力损失；从实施例1和直通道换热芯体的数据对比可以看出，当具有相同重量时，实施例1的散热量为直通道换热芯体的1.94倍，若具有相同的散热量的前提下，本发明换热器的重量将小于直通道结构，质量会更轻，在航空航天领域具有较高的应用价值。

本发明换热器芯体存在一个最优设计点：根据采用的介质流体、流速及介质粘度，适当调节扰流皮肤结构4的高度，以保证在流动过程中能够有效破坏边界层又不会使换热器的压力损失明显增加。

2.本发明换热芯体的流道设置均匀，各个方向上均为连通状态，没有固定的流道，同时在扰流皮肤结构4的干扰作用下，介质流体不易结垢，极大降低堵塞的可能性，能够避免局部热应力过大的问题。

3.体积适应性强，灵活应用；柱肋3和扰流皮肤结构4均为阵列分布，其尺寸和疏密程度可以根据需要进行设置，结构紧凑，柱肋3和扰流皮肤结构4的复合强化换热效果不受换热器形状的影响，完全能够适应异形结构的换热器中，例如换热器外形为异形时，或者每层换热结构在不同位置流道高度不同时，柱肋3和扰流皮肤结构4能够随形状变化而不影响其强化换热效果，从而增强体积适应性。扰流皮肤结构4也可以根据实际需要，在换热薄弱区域增加扰流皮肤结构4，在其他区域采用常规结构的复合形式，进一步增强换热效果，具有灵活应用的特点。

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 (10)

1.一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，由多层换热单元堆叠构成，每层换热单元由隔板(2)隔开，每个换热单元上下两个隔板(2)的壁面均设有扰流皮肤结构(4)，扰流皮肤结构(4)包括多个阵列分布的扇形结构(6)，相邻两排扇形结构(6)相互交错，相邻两排扇形结构(6)的圆弧边相互接触；上下两个隔板(2)上的扰流皮肤结构(4)采用相同的排列方式，所有上下两个扇形结构(6)之间均设有柱肋(3)。

2.根据权利要求1所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，扇形结构(6)为扇形环状结构，柱肋(3)设于扇形中心的隔板(2)上；扇形结构(6)相互交错的形式为：扇形结构(6)圆弧边的端部与另一排扇形结构(6)圆弧边的中点接触。

3.根据权利要求2所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述偶数排相互交错的扇形结构(6)组成一个重复单元，相邻两个重复单元之间留有通道(7)。

4.根据权利要求1所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述柱肋(3)为圆柱形。

5.根据权利要求1所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述柱肋(3)为椭圆柱形、截面是菱形的四棱柱或其它多边形棱柱中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述扰流皮肤结构(4)的高度为0.1～0.5mm，扰流皮肤结构(4)的高度不超过柱肋(3)高度的1/3。

7.根据权利要求4所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述扇形结构(6)的半径R为柱肋(3)直径D的1～4倍。

8.根据权利要求2所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述扇形结构(6)的圆心角θ＝90～150°。

9.根据权利要求1所述的一种具有扰流皮肤结构的换热器芯体，其特征在于，所述换热单元的进口(1)设于扇形结构(6)的半径侧，换热单元的出口(5)设于扇形结构(6)的圆弧侧。

10.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的具有扰流皮肤结构的换热器芯体。