CN110671961A - 一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器，所述翅片板束包括一块或多块翅片基板，翅片基板为设有凹槽方板状结构，凹槽中设有若干个构成若干条相隔离的不连接波浪形交错排列的错列翅片和若干纵向涡发生器，错列翅片的两长度竖直侧面上设有若干圆形丁胞，纵向涡发生器设在相邻两个相同倾角的错列翅片的相隔离的中间位置处；凹槽下底板沿不连接波浪形方向开有若干条流道，凹槽上设有密封连接的盖板。所述换热器包括翅片板束，在所述翅片板束的流道四周密封连接有封头和喷管。本发明能在较少增加流动阻力的前提下，进一步提高换热性能，从而改善印刷板式换热器的热力性能和紧凑性，达到节能减排的目的。

Description

一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器。

背景技术

近年来我国LNG接收站的规模和数量急剧增大，其中浮式储存及再气化装置作为一种传统陆基LNG接收站的替代品，也可作为普通LNG船舶使用，主要功能是将从其他LNG船舶接收的LNG进行储存或加压气化后输送到管网中，其具有低造价、短工期、高灵活、土地空间占用少等一系列优势。作为再气化模块的核心设备，中间介质气化器依靠诸如丙烷、异丁烷等沸点低的中间介质进行热量传递，中间介质先吸收海水热量产生沸腾，再通过中间介质冷凝器将热量传递给LNG使之气化。而随着天然气的开采处理逐渐向深水区发展，浮式LNG接收站对中间介质气化器的换热效率、体积重量、结构材料和海上适应性等都提出了更高要求。

对比印刷板式换热器内传统的诸如Zigzag型、锯齿型、错列S型等翅片而言，由于其化学刻蚀工艺的局限性，很难在微通道内加工出更为复杂的翅片结构形式。而近年来增材制造技术快速发展，利用增材制造技术可使轻质、高效、可靠、耐低温高压的印刷板式换热器设计生产成为可能。较为有效的无源强化传热措施是在板束流道之间设置扰流结构，破坏翅片表面边界层，减少流动滞止区，从而强化翅片表面传热性能。相比于Zigzag型等间断型翅片增强轴向扰动，以及错列S型、锯齿型等非连续型翅片增强横向和轴向扰动，上述常规翅片仅仅专注于横向或轴向维度，并未对包含纵向维度在内的多维度上实现增强扰动。因此，结合增材制造工艺这一先进制造技术，能设计生产出能实现多维度导流增效的翅片，使其能在较少增加流动阻力的条件下，进一步提高中间介质气化器的换热性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题和不足，提供一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器。

本发明的包含一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束的换热器，使其能在合理压降的前提下，增强其综合换热能力，以缩小换热器的体积并减轻其重量，从而改善印刷板式换热器的热力性能和紧凑性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，包括一块或多块翅片基板1，所述翅片基板1为设有凹槽方板状结构，凹槽中设置有若干个构成若干条相隔离的不连接波浪形交错排列的错列翅片2和若干纵向涡发生器4，所述错列翅片2的两长度竖直侧面上设置有若干圆形丁胞3，所述纵向涡发生器4设置在相邻两个相同倾角的错列翅片2的相隔离的中间位置处；凹槽下底板沿不连接波浪形方向开设有若干条流道5，凹槽上设有密封连接的盖板6。

进一步的优选方案，所述错列翅片2为S形构件，所述S形是由Sin基准曲线施加一对相对方向的位移矢量，两曲线相交而构成的，Sin基准曲线的倾角，即错列翅片2的倾角L1为10～60°；Sin基准曲线的两振幅极值点距离，即错列翅片2的长度L2，其中长度L2与最大厚度L3之比4～40；相邻两个相同倾角的错列翅片2之间的间距，即错列翅片2相隔离的间距L4，其中间距L4与错列翅片2的高度L8之比为0.5～5；所述两相交曲线的夹角处的圆弧半径，即刃口半径L5至少为0.1mm。

进一步的优选方案，所述纵向涡发生器(4)为一D字形片状结构，其底面为长方形、上面为圆弧面，两侧为平面，所述底面的长度L6与宽度L7之比为1～20，两侧平面与上述Sin基准曲线的两振幅极值点连线平行，圆弧面由四个锚点构成的三次方贝塞尔曲线绘制而成，其中第一锚点和第四锚点同在上述底面上，第二锚点与第一锚点之间的间距大于第二锚点与第四锚点之间的间距，第二锚点距离第一锚点和第四锚点连线的高度小于单层隔板厚度，所生成的圆弧面的前端与底面的夹角小于等于45°，所生成的圆弧面的后端与底面的夹角小于等于90°。

进一步的优选方案，所述丁胞3为交错布置的圆形凹坑结构，丁胞深度与直径之比为(0.20～0.25)：1，径向间距与丁胞3直径之比为(2～3)：1。

进一步的优选方案，所述翅片基板1和盖板6的制造材料为不锈钢、钛合金或铝合金。

进一步的优选方案，所述流道5为传统低阻翅片流道。

为实现上述目的，本发明采用的另一技术方案如下：

一种包括基于增材制造的多维度导流增效翅片板束的换热器，在所述翅片板束7的流道四周密封连接有封头8，在所述封头8上沿所述翅片板束的不连接波浪形方向，一端设置有流体入口A，另一端设置有流体出口a；沿所述流道5方向，一端设置有另一流体入口B，另一端设置有流体出口b。

进一步的优选方案，所述封头8的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b分别与所述翅片板束7之间均设置有密闭空腔。

进一步的优选方案，所述封头8的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b还分别固定连接有喷管9。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果主要是：

1、在微通道换热器结构设计中，通过添加各种形状的翅片能起到扩展换热表面，增强流体扰动从而提高整体换热能力的作用。由于传统翅片冲制工艺的束缚，很难去加工出具有微小复杂结构的翅片形式。本发明充分利用了能层层累积快速成型的增材制造工艺，提出了空间多维度上实现导流增效的翅片结构设计方法，利用结构改良后的错列S形翅片增强流体横向和轴向扰动，并采用低阻高效的凹坑结构丁胞来进一步强化轴向方向上的流固表面传热效果，并使用了流线优化后的纵向涡发生器以增强纵向流体扰动，实现了在多维度上实现导流增效的目的。

2、本发明在一定范围的雷诺数内，相较于传统的化学刻蚀而成的诸如Zigzag形等单一或部分维度上增强扰动的翅片而言，多维度导流增效翅片能在较少增加流动阻力的前提下，进一步提高换热性能，从而改善印刷板式换热器的热力性能和紧凑性，达到节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明导流增效翅片板束的三维结构图；

图2为本发明翅片通道俯视图及相关型线的构造曲线；

图3(a)为本发明多层翅片板束7的三维结构图，图3(b)为图3(a)的A-A剖视图；

图4为本发明的换热器三维结构图；

图5为本发明实施例提供的传热因子和摩擦因子与雷诺数的关系图；

其中附图标记说明：1-翅片基板，2-错列翅片，3-丁胞，4-纵向涡发生器，5-流道，6-盖板，7-翅片板束，8-封头，9-喷管；

A-流体入口，a-流体出口，B-另一流体入口，b-另一流体出口。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参见图1、图2和图3，本发明的翅片板束7包括一块或多块翅片基板1，所述翅片基板1为设有凹槽方板状结构，凹槽中设置有若干个构成若干条相隔离的不连接波浪形交错排列的错列翅片2和若干纵向涡发生器4，所述错列翅片2的两长度竖直侧面上设置有若干圆形丁胞3，所述纵向涡发生器4设置在相邻两个相同倾角的错列翅片2的相隔离的中间位置处；凹槽下底板沿不连接波浪形方向开设有若干条流道5，凹槽上设有密封连接的盖板6。

本发明的错列翅片2为S形构件，所述S形是由Sin基准曲线施加一对相对方向的位移矢量，两曲线相交而构成的，Sin基准曲线的倾角，即错列翅片2的倾角L1为10～60°；Sin基准曲线的两振幅极值点距离，即错列翅片2的长度L2，其中长度L2与最大厚度L3之比4～40；相邻两个相同倾角的错列翅片2之间的间距，即错列翅片2相隔离的间距L4，其中间距L4与错列翅片2的高度L8之比为0.5～5；所述两相交曲线的夹角处的圆弧半径，即刃口半径L5至少为0.1mm。

本发明的纵向涡发生器4为一D字形片状结构，其底面为长方形、上面为圆弧面，两侧为平面，所述底面的长度L6与宽度L7之比为1～20，两侧平面与上述Sin基准曲线的两振幅极值点连线平行，圆弧面由四个锚点构成的三次方贝塞尔曲线绘制而成，其中第一锚点和第四锚点同在上述底面上，第二锚点与第一锚点之间的间距大于第二锚点与第四锚点之间的间距，第二锚点距离第一锚点和第四锚点连线的高度小于单层隔板厚度，所生成的圆弧面的前端与底面的夹角小于等于45°，所生成的圆弧面的后端与底面的夹角小于等于90°。

本发明的丁胞3为交错布置的圆形凹坑结构，丁胞深度与直径之比为(0.20～0.25)：1，径向间距与丁胞3直径之比为(2～3)：1。

本发明的翅片基板1和盖板6的制造材料为不锈钢、钛合金或铝合金。

本发明的流道5为传统低阻翅片流道。

参见图4，为本发明的一种包括基于增材制造的多维度导流增效翅片板束的换热器，在所述翅片板束7的流道四周密封连接有封头8，在所述封头8上沿所述翅片板束的不连接波浪形方向，一端设置有流体入口A，另一端设置有流体出口a；沿所述流道5方向，一端设置有另一流体入口B，另一端设置有流体出口b。

进一步的优选方案，所述封头8的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b分别与所述翅片板束7之间均设置有密闭空腔。

进一步的优选方案，所述封头8的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b还分别固定连接有喷管9。

对于所述换热器的流体布置而言，需强化传热的流体流经若干层由错列翅片2、纵向涡发生器4和丁胞3组成的多维度导流增效翅片流道，而换热状况已较好的流体流经若干层诸如Zigzag型等传统低阻翅片流道5。根据强度要求，盖板6的厚度需要根据流动工质状态参数及使用环境，对其进行结构强度校核。

本发明中的翅片板束7采用增材制造技术加工，具体采用选择性激光熔化这种金属粉末快速成型技术，换热器的封头8、喷管9等连接件采用稀有气体保护焊等焊接工艺与翅片板束7焊接而成。

本发明的工作原理为：

本发明创新性地在微通道结构换热器设计中，提出了一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束及其换热器，具体是利用结构改良后的错列S形翅片增强流体横向和轴向扰动，并采用低阻高效的凹坑结构丁胞来进一步强化轴向方向上的流固表面传热效果，此外，为实现空间全维度上的流体扰动并充分利用流道空间，这里提出了一种流线优化后的纵向涡发生器，以增强纵向流体扰动，从而通过改变二次流的分布实现强化换热。本发明充分利用了增材制造技术先进的加工复杂微小结构的能力，避免了传统翅片冲制工艺的束缚，实现了在多维度上实现导流增效的目的。本发明在一定范围的雷诺数内，相较于传统的诸如Zigzag形、S形等单一或部分维度上增强扰动的翅片而言，多维度导流增效翅片能在较少增加流动阻力的前提下，进一步提高换热性能，从而改善印刷板式换热器的热力性能和紧凑性，达到节能减排的目的。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

实施例：

对一种LNG-丙烷中间气化器而言，其LNG侧入口温度220K，入口压力10Mpa，丙烷侧入口温度300K，入口压力1Mpa，出口处丙烷为气液混合物。中间介质气化器采用上述印刷板式换热器。具体地，LNG侧采用多维度导流增效翅片通道，丙烷侧采用常规的Zigzag形传统翅片流道。经过Ansys结构应力验证分析，多维度导流增效翅片的错列S形翅片长度L2为4.8mm，错列翅片高度L8为0.94mm，翅片倾角L1为52°，翅片的最大厚度L3为0.8mm，翅片间距L4为1.88mm，刃口半径L5为0.1mm，隔板厚度L9为0.56mm。多维度导流增效翅片的丁胞直径为0.8mm，丁胞深度为0.2mm，丁胞在侧面上交错布置，丁胞径向间距为2mm。多维度导流增效翅片的纵向涡发生器的底面长度L6为1mm，宽度L7为0.2mm，所述圆弧面的前端与底面的夹角为32.5°，后端与底面的夹角为82.3°。通过CFD数值分析结果可知，在雷诺数为2400～31000的范围内，图5为传热因子和摩擦因子与雷诺数的关系曲线。参见图5，采用多维度导流增效翅片的传热因子比单纯采用错列S形翅片的大31.7％，摩擦因子大8.9％。所以相较于部分维度上增强扰动的错列S形翅片而言，尽管采用多维度导流增效翅片所产生的摩擦阻力要大一些，但由于实现了空间全维度上的导流增效，传热性能获得了大幅增强。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述翅片板束(7)包括一块或多块翅片基板(1)，所述翅片基板(1)为设有凹槽方板状结构，凹槽中设置有若干个构成若干条相隔离的不连接波浪形交错排列的错列翅片(2)和若干纵向涡发生器(4)，所述错列翅片(2)的两长度竖直侧面上设置有若干圆形丁胞(3)，所述纵向涡发生器(4)设置在相邻两个相同倾角的错列翅片(2)的相隔离的中间位置处；凹槽下底板沿不连接波浪形方向开设有若干条流道(5)，凹槽上设有密封连接的盖板(6)。

2.如权利要求1所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述错列翅片(2)为S形构件，所述S形是由Sin基准曲线施加一对相对方向的位移矢量，两曲线相交而构成的，Sin基准曲线的倾角，即错列翅片(2)的倾角L1为10～60°；Sin基准曲线的两振幅极值点距离，即错列翅片(2)的长度L2，其中长度L2与最大厚度L3之比4～40；相邻两个相同倾角的错列翅片(2)之间的间距，即错列翅片(2)相隔离的间距L4，其中间距L4与错列翅片(2)的高度L8之比为0.5～5；所述两相交曲线的夹角处的圆弧半径，即刃口半径L5至少为0.1mm。

3.如权利要求1所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述纵向涡发生器(4)为一D字形片状结构，其底面为长方形、上面为圆弧面，两侧为平面，所述底面的长度L6与宽度L7之比为1～20，两侧平面与上述Sin基准曲线的两振幅极值点连线平行，圆弧面由四个锚点构成的三次方贝塞尔曲线绘制而成，其中第一锚点和第四锚点同在上述底面上，第二锚点与第一锚点之间的间距大于第二锚点与第四锚点之间的间距，第二锚点距离第一锚点和第四锚点连线的高度小于单层隔板厚度，所生成的圆弧面的前端与底面的夹角小于等于45°，所生成的圆弧面的后端与底面的夹角小于等于90°。

4.如权利要求1所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述丁胞(3)为交错布置的圆形凹坑结构，丁胞深度与直径之比为(0.2～0.25)：1，径向间距与丁胞(3)直径之比为(2～3)：1。

5.如权利要求1所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述翅片基板(1)和盖板(6)的制造材料为不锈钢、钛合金或铝合金。

6.如权利要求1所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束，其特征在于，所述流道(5)为传统低阻翅片流道。

7.一种包括如权利要求1-6所述的一种基于增材制造的多维度导流增效翅片板束的换热器，其特征在于，在所述翅片板束(7)的流道四周密封连接有封头(8)，在所述封头(8)上沿所述翅片板束的不连接波浪形方向，一端设置有流体入口A，另一端设置有流体出口a；沿所述流道(5)方向，一端设置有另一流体入口B，另一端设置有流体出口b。

8.如权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述封头(8)的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b分别与所述翅片板束(7)之间均设置有密闭空腔。

9.如权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述封头(8)的流体入口A，流体出口a，流体入口B，流体出口b还分别固定连接有喷管(9)。

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