CN110753823A - 用于热交换器的气体流量调节器装置 - Google Patents

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CN110753823A CN201880026489.6A CN201880026489A CN110753823A CN 110753823 A CN110753823 A CN 110753823A CN 201880026489 A CN201880026489 A CN 201880026489A CN 110753823 A CN110753823 A CN 110753823A
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Abstract

一种用在热交换器系统(10)中的流量调节器装置(40)。流量调节器装置包括蜂窝结构(42)和网(44)。蜂窝结构构造为对进入的气流(26)进行整流，并且由界定通道的壁形成，该通道在流动方向(X)上从蜂窝结构的前表面处的入口孔延伸到后表面处的相应出口孔。网由多个丝线形成，这些丝线沿着横向于流动方向的另外的方向(Y、Z)延伸，并且相互间隔开以限定开口。网直接附接到蜂窝结构并邻接第二表面，并且开口的沿着另外的方向限定的截面积根据沿着另外的方向中的至少一个方向的位置而变化。

Description

用于热交换器的气体流量调节器装置
技术领域
本发明涉及一种用于热交换器的气体流量调节器装置，并且涉及一种包括这种流量调节器装置的热交换器系统。
背景技术
流量调节技术用于各种应用中，例如在风洞、流量计量和热交换器中。在风洞设计中，流量调节技术用于去除由风扇或由风洞中的曲线引起的次级流动结构(例如旋涡)，并减少沿横向方向和沿着气流方向的湍流波动。在流量计量应用中，流量调节器装置可定位在测量区段上游的管道系统内，以促进在流量测量设备的位置处的流速分布的均匀性。
在热交换器应用中，具有充分发展的、稳定的和轴向对称的速度分布的流体流动也是所希望的。然而，热交换器的目的是在使用最小功率的同时回收热能，以实现正的净能量增益。这要求热交换器系统的流体管道中的流动阻力和压降保持最小。
这样的热交换器可用作位于热交换器下游的流体管道中的结构的流量调节器。然而，如果在热交换器上游的流体流动中存在扰动，则将会把这种扰动输送到热交换器的入口中。根据流动的特性，将需要一定的非零入口长度来衰减扰动并在热交换器的流体通道内产生充分发展且均匀的速度分布。此入口区域与显著的压力损失相关，并且在最坏的情况下与速度峰值相关，这可能导致热交换器的热侧上的冷凝和腐蚀。在热交换器的入口处的若干通道上的非均匀速度分布也可导致各个流体通道中的变化的流速，这进而可在热交换器的出口处引起显著的流动不对称。这种情况的发生是难以预测的。
已知有各种用于使流体流动中的速度分布均匀化的流量调节装置。专利文献US5,495,872A描述了几种已知的流量调节器装置，其中有穿孔板、网和管式、翅片式及Zanker式调节器。这些已知的装置对于热交换器应用来说不是最佳的。
希望提供一种流量调节器装置，其适于热交换器应用，并且其允许产生具有充分发展的速度分布和高均匀性的流体流动，同时对该流动造成相对低的阻力。
发明内容
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用在热交换器(HE)系统中的流量调节器(FC)装置。FC装置包括蜂窝结构和丝网。蜂窝结构适于对进入的气流进行整流，并且由多个壁形成。壁界定多个通道，该多个通道在流动方向上从蜂窝结构的第一表面处的相应入口孔延伸到第二表面处的相应出口孔。网由多个丝线形成，该丝线沿着横向于流动方向的另外的方向延伸，并且相互间隔开以限定多个开口。此网直接附接到蜂窝结构并与其第二表面邻接。开口的沿着另外的方向限定的截面积根据沿着另外的方向中的至少一个方向的位置而变化。
蜂窝结构构造为对进入的气流进行整流(即，减少或消除旋涡运动)。通过将网以邻接布置直接附接到蜂窝结构的后表面上，获得了具有良好的流动规则化性能但流动阻力低的紧凑的FC装置，其特别适合于热交换器应用。网开口沿着网表面的截面积的变化分布可布置为减轻进入的流体流动的横向速度分布中的局部不均匀性，并且产生具有增加的均匀性的流出的气流。
通过使用丝网，可获得相对高的截面空隙率。这将由FC装置引起的总体流动阻力和相关的压降保持较低。网的此空隙率优选地在80％至90％的范围内。沿着另外的方向的网开口的截面尺寸可以是例如10毫米或更小，并且丝线直径可以是2毫米或更小，例如在500微米和1毫米之间。
为了提供良好的整流效果，蜂窝结构沿着流动方向的通道的长度优选地至少是通道的横向尺寸的四倍。
在FC装置的组装状态中，网直接邻接蜂窝结构的后表面(即出口表面)。网和蜂窝结构共同形成结构单元，该结构单元可安装到HE系统中并相对于HE系统适当地对准。网可通过已知方法附接到蜂窝结构，例如螺栓连接、焊接、夹紧或等同的附接方式。
根据一个实施方式，网直接在蜂窝结构的出口孔上延伸，并且构造为在FC装置下游的规则化气流中产生具有预定长度等级的湍流。
湍流结构的长度等级主要由丝线尺寸(直径)和网中的开口的尺寸限定，开口的尺寸应小于HE装置中的通道的高度。
根据一个实施方式，网的开口的截面积处处小于蜂窝结构的出口孔的沿着另外的方向限定的截面积。根据另一实施方式，开口的截面积根据沿着横向于流动方向的线的位置而单调地变化。
在热交换器应用中，流动气体的速度分布的不均匀性通常由上游流动管道中的弯曲或来自离心风扇的射流引起，该射流倾向于朝向一个管道壁偏转。通过使用开口的截面积根据沿着横向于流动方向的线的位置而单调地变化(即，增加或减小)且相对易于制造和安装的网，这种情况相对易于补救。
根据一个实施方式，网中的丝线布置为形成具有四边形开口的网格。四边形网相对易于制造，并且易于适当地与FC装置和HE系统对准以提供良好的规则化性能。优选地，开口是矩形的，更优选地是正方形的。
根据一个实施方式，蜂窝结构中的壁布置为形成具有四边形入口孔和出口孔的通道。具有四边形通道的蜂窝结构相对易于成形并与板式热交换器装置(其通道入口侧通常也具有四边形形状)结合。优选地，孔是矩形的，更优选地是正方形的。
根据一个实施方式，网中的开口具有与蜂窝结构中的出口孔一致的形状。网中的丝线可相对于蜂窝结构中的多个壁围绕沿着流动方向的标称轴线旋转地移位一非零角度Φ。角度Φ可以例如是大约45°。如果在蜂窝结构中存在对角加强壁，并且如果蜂窝结构直接附接到HE装置的通道入口侧(或与通道入口侧集成)以提供增强的结构支撑，则此相对定向是优选的。
根据本发明的第二方面，并且根据上述优点和效果，提供了一种HE系统，其包括HE装置和根据第一方面的FC装置。FC装置可位于HE装置的通道入口侧的上游。
根据一个实施方式，HE装置是板式的。板式HE装置包括布置在板堆叠物中的传热板。每个板主要在沿着流动方向和第一横向方向的平面中延伸。这些板沿着第二横向方向相互隔开以在板之间限定HE通道。FC装置的网中的丝线可布置为形成具有矩形开口的网格，并且丝线的一部分可沿着第二横向方向定向，以在HE装置的流体通道内引发细湍流。
根据另一实施方式，第一通道中的每个沿着第二横向尺寸的高度在5毫米至40毫米的范围内，例如大约12毫米。
沿着流动方向在网的后侧和HE装置的通道入口侧之间的中间间隔可以是150毫米或更小，例如大约100毫米。
术语“表面”在本文中用于一般地指二维参数表面区域，其可具有完全或分段的扁平形状(例如平面或多边形表面)、弯曲形状(例如圆柱形、球形、抛物线形表面等)、凹陷形状(例如阶梯状或波状表面)，或者更复杂的形状。术语“平面”在本文中用于指由三个不重合的点限定的扁平表面。
附图说明
现在将仅通过实例，参考示意性附图来描述实施方式，其中，对应的参考符号指示对应的部件。在图中，相同的数字表示相同的元件。元件的多个实例可各自包括附加到参考数字的单独字母。例如，特定元素“20”的两个实例可标记为“20a”和“20b”。参考数字可在没有附加字母(例如“20”)的情况下使用，以一般地指代未指定实例或该元素的所有实例，而参考数字将包括附加字母(例如“20a”)以指代该元素的指定实例。
图1示意性地示出了根据一个实施方式的传热系统的一部分；
图2示出了根据一个实施方式的流量调节器装置的透视图；
图3示出了图2的流量调节器装置的细节。
这些图仅用于说明性目的，而不是用于限制权利要求书所限定的范围或保护。
具体实施方式
下面是仅通过实例并参考附图给出的本发明的某些实施方式的描述。
图1示意性地示出了传热系统10的一部分的透视图。传热系统10包括一系列流体连通以限定用于流动气体26、28、30的通道的管道12。管道12彼此连接，并且连接到热交换器(HE)装置20，允许流动气体穿过HE装置20。
参考符号X用于指示纵向方向，其对应于宏观气流的局部方向。此流动方向X对应于管道12的足够直的部分的局部方向，并且可沿着管道12的系统变化。术语“上游”和“下游”分别表示相对于流动方向X相反的方向和沿该流动方向的方向。参考符号Y和Z用于指示垂直于X的(局部)横向方向。
在相对于HE装置20的管道的上游区域22上，管道12容纳流量调节器(FC)装置40。此FC装置40允许进入的气流26通过，并且构造为减小宏观旋转(即“旋涡”)并且促进进入的气流26的速度分布的均匀性。例如，非均匀速度分布可由管道12的上游区域22中的弯曲区段(例如转弯)15引起。该弯曲区段可包括如图1所示的轻微转弯，但是可替代地描绘出更锐利的曲线(例如180°转弯)，或者一系列在不同方向上的转弯。
使在中间管道部分16的侧面处离开FC装置40的所得流动28在其进入多个延伸穿过HE装置20的第一通道34之前规则化(即，具有更均匀的速度分布和更少的旋涡)。
图2更详细地示出了图1的实例性FC装置40。流量调节器装置40包括流量整流器(flow rectifier，均流装置)42和丝网44。在图2中，仅出于说明性目的，示出了从流量整流器42的后表面54移除的网44。在FC装置40的组装状态中，网44直接附接到流量整流器42的后表面54(即，在出口侧)，使得流量整流器42和网44邻接并形成一个单元。网44可通过已知的方法附接到流量整流器42，例如螺栓连接、焊接、夹紧或等同的附接方式。
流量整流器42包括蜂窝结构，其构造为一旦进入的气流26通过蜂窝结构42就对其进行整流(即，减少或甚至消除旋涡运动)。此蜂窝结构42由刚性的壁46、47的阵列形成，壁沿着流动方向X延伸特征长度ΔX1。壁46-47从横向方向Y、Z包围正方形通道48。壁46-47由结构刚性且自支撑的材料(例如碳钢或不锈钢)形成，并且优选地足够薄(例如2毫米或更小量级)以限制流动阻力，同时减小在操作条件下变形的可能性。
通道48从蜂窝结构42的前表面52上的入口孔56沿着流动方向X延伸到蜂窝结构42的后表面54上的出口孔58。为了清楚起见，在图2中仅示意性地示出了一个这样的通道48a、入口孔56a和出口孔58a。然而，应理解，存在多个通道48和孔56、58，其沿着横向方向Y、Z限定规则的二维阵列。
每个通道48在横向方向Y、Z上的横截面积Aa沿着通道48的整个长度ΔX1是基本上恒定的。相对于壁46-47的横向厚度，并且相对于横向通道尺寸Da，通道长度ΔX1相对较长(例如ΔX1＞√Aa)。特别地，通道长度ΔX1至少是通道48的横向尺寸Da的四倍，以提供良好的旋涡减少效果。对于具有50毫米的横向边缘尺寸Da的矩形通道48，通道长度ΔX1可以是例如200毫米或更大。
网44位于蜂窝结构42的后表面54上，并且直接附接到此后表面54。因此，蜂窝结构42直接位于网44的上游，其之间没有空间。网44覆盖蜂窝结构42的出口孔58，并构造为在操作期间在离开FC装置40的规则化气流28中产生具有限定的长度等级的湍流。
蜂窝结构42还包括外围壁50、51，并且还可包括加强壁59a、59b，加强壁在内壁46、47之间延伸，并在外围壁50、51之间呈对角延伸，以为蜂窝结构42提供附加的结构支撑。这些加强壁59的后表面可用作网44的附接区域。
网44由多个丝线60、61形成，这些丝线沿着横向方向Y、Z延伸，并编织为网格结构。第一丝线60和第二丝线61在横向方向Y、Z上包围开口62(同样，为了清楚起见，在图2中仅示出一个这样的开口62a)。在此实例中，开口62具有矩形或正方形形状，并且也在横向方向Y、Z上形成二维阵列。
在此实例中，丝线60-61具有范围在500微米至1毫米的直径
Figure BDA0002241796880000081
网44的截面空隙率优选地在80％至90％的范围内。由于网44中的丝线60-61的交叉，网44延伸网长度ΔX2，该网长度沿着流动方向X是至多2毫米(即ΔX2＜＜ΔX1)。
网开口62的截面积Ao处处小于出口孔58的截面积Aa。在图2的实例中，开口62是矩形的，并且朝向网44的下边缘65更小。此下边缘65与图1的管道系统12中的弯曲壁区段15的较长外部相关联。结果，网44在下部网边缘65上具有更密的区域，在相对的网边缘64上具有更粗的区域。
如图2所示，FC装置40位于上游，在离HE装置20的通道入口侧38一距离ΔX3处。在HE系统10包括板式HE装置20，且该板式HE装置具有沿着第二横向方向Z以10毫米量级的高度ΔZ(即板间距离)延伸的第一流体通道34的情况中，此中间间隔ΔX3优选地是100毫米或更小。
在蜂窝结构42包括对角加强壁59a、59b的实施方式中，FC装置40可机械地固定到HE装置20的通道入口侧38上或与该通道入口侧集成(即ΔX3≈0毫米)，使得这些壁59也可加强HE装置20。
替代地或另外地，可利用由网44产生的规则化气流28中的小规模湍流来改进HE装置20的第一HE通道34内的气流的传热特性。如果间隔ΔX3减小，则此效果变得更加明显。在FC装置40直接安装到HE装置20的通道入口侧38(即ΔX3≈0毫米)的实施方式中，网44的丝线61的第二部分优选地定向为平行于第二横向方向Z，使得这些丝线61限定垂直于传热板32的主表面延伸的细湍流引发结构。
图3更详细地示出了图2的FC装置40中的蜂窝结构42和网44。在此实例中，网44中的开口62具有与蜂窝结构42中的出口孔58一致(congruent)的形状。网44的丝线60、61相对于蜂窝结构42的壁46、47围绕沿着流动方向X的标称轴线旋转移位角度Φ≈45°。如果在蜂窝结构42中存在对角加强壁59a、59b以提供增强的结构支撑，则此相对定向是优选的。
开口62的截面积Ao处处小于蜂窝结构42的出口孔58的截面积Aa。网44具有不均匀的网尺寸，这意味着相邻的丝线60-61之间的间隔和所产生的开口62的横向尺寸Do1、Do2根据沿着网表面的位置而变化。结果，开口62具有变化的截面积Ao1、Ao2。在此实例中，网44具有阶梯状过渡区域，其将网44分成具有较低网密度的矩形区域，即，上侧(与上部网边缘64相关联)上的较大的开口面积Ao1，以及具有较高网密度的矩形区域，即，下侧(与下部网边缘65相关联)上的较小的开口面积Ao2。这里，Ao1≈4·Ao2。
本发明可在不背离其精神或本质特征的情况下以其他特定形式来实施。所描述的实施方式在所有方面都应被认为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可设想本发明的替代实施方式和等效实施方式并将其简化以实践。在权利要求的等同含义和范围内的所有变化都将包含在其范围内。
丝网中的开口可例如具有三角形、四边形、六边形或其他形状。
替代地或另外地，网可包括多于仅两个网密度区域，每个区域包括具有不同于其他区域的截面积Aoi的网开口。此外，在网中从较低网密度区域(即，较大开口面积Ao1)到较高网密度区域(即，较小开口面积Ao2)的过渡可以是逐渐的而不是阶梯状的。
在图2的实例中，蜂窝结构的每个通道的截面积Aa在通道的长度上保持恒定，这意味着存在沿着流动方向具有矩形截面形状的壁。在替代实施方式中，蜂窝结构的壁可具有沿着流动方向的空气动力学轮廓，其可包括圆形前缘和/或锐利后缘。
参考符号列表
10 热交换器系统
12 管道组件
14 第一管道部分(例如供给管道)
15 弯曲管道区段
16 中间管道部分
18 第二管道部分(例如排出管道)
20 热交换器装置
22 上游区域
24 下游区域
26 入流
28 规则化流
30 出流
32 传热板
34 第一HE通道(例如纵向流体通道)
36 第二HE通道(例如横向交叉流动流体通道)
38 HE通道入口
40 流量调节器装置
42 流量整流器(例如蜂窝结构)
44 丝网
46 壁
47 另一壁
48 通道
50 外围壁
51 另一外围壁
52 第一表面(例如前表面/前部表面)
54 第二表面(例如后表面/后部表面)
56 入口孔
58 出口孔
59 加强壁
60 丝线
61 其他丝线
62 开口
64 网边缘
65 另一网边缘
Aa 孔面积
Ao 开口面积
Φ 移位角
X 第一方向(流动方向)
Y 第二方向(第一横向方向)
Z 第三方向(第二横向方向)
ΔX1 通道长度
ΔX2 网长度
ΔX3 中间间隔
ΔZ HE 通道高度
Da 横向通道边缘尺寸
Do1 第一横向网边缘尺寸
Do2 第二横向网边缘尺寸

Claims (14)

1.一种用在热交换器系统(10)中的流量调节器装置(40)，其中，所述流量调节器装置包括：
-蜂窝结构(42)，用于对进入的气流(26)进行整流，其中，所述蜂窝结构由多个壁(46、47)形成，所述多个壁界定多个通道(48)，所述多个通道在流动方向(X)上从所述蜂窝结构的第一表面(52)处的相应入口孔(56)延伸到第二表面(54)处的相应出口孔(58)；
-网(44)，由多个丝线(60、61)形成，所述多个丝线沿着横向于所述流动方向的另外的方向(Y、Z)延伸，并且所述多个丝线相互间隔开以限定多个开口(62)；
其中，所述网直接附接到所述蜂窝结构并且邻接所述第二表面，并且其中，所述开口的沿着所述另外的方向限定的截面积(Ao)根据沿着所述另外的方向中的至少一个方向的位置而变化。
2.根据权利要求1所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)在所述蜂窝结构(42)的所述出口孔(58)上直接延伸，并且所述网构造为在所述流量调节器装置的下游的规则化气流(28)中产生具有预定长度等级的湍流。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)的所述开口(62)的截面积(Ao)处处小于所述蜂窝结构(42)的所述出口孔(58)的沿着所述另外的方向(Y、Z)限定的截面积(Aa)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述开口(62)的截面积(Ao)根据沿着横向于所述流动方向(X)的线的位置而单调地变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述开口(62)的沿着所述另外的方向(Y、Z)限定的截面尺寸(Do1、Do2)是10毫米或更小。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)中的所述丝线(60、61)布置为形成网格，所述网格具有四边形开口(62)，优选地具有矩形开口，更优选地具有正方形开口。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述蜂窝结构(42)中的所述壁(46、47)布置为形成通道(48)，所述通道具有四边形入口孔和出口孔(56、58)，优选地具有矩形孔，更优选地具有正方形孔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)中的所述开口(62)具有与所述蜂窝结构(42)中的所述出口孔(58)一致的形状，并且其中，所述网中的所述丝线(60、61)相对于所述蜂窝结构中的所述多个壁(46、47)围绕沿着所述流动方向(X)的标称轴线旋转地移位一非零角度(Φ)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述通道(48)沿着所述流动方向(X)的长度(ΔX1)是所述通道的横向尺寸(Da)的至少四倍。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)的截面空隙率在80％至90％的范围内。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的流量调节器装置(40)，其中，所述网(44)的所述丝线(60、61)具有小于2毫米的直径
Figure FDA0002241796870000031
并且优选地具有在500微米至1毫米的范围内的直径。
12.一种热交换器系统(10)，包括热交换器装置(20)和根据权利要求1至11中任一项所述的流量调节器装置(40)。
13.根据权利要求12所述的热交换器系统(10)，其中，所述流量调节器装置(40)位于所述热交换器装置(20)的通道入口侧(38)的上游。
14.根据权利要求12或13所述的热交换器系统(10)，其中，所述热交换器装置(20)是板式的，包括传热板(32)，其中，每个传热板主要在沿着所述流动方向(X)和第一横向方向(Y)的平面中延伸，并且其中，所述传热板沿着第二横向方向(Z)相互间隔开以在所述传热板之间限定热交换器通道(34、36)；
其中，所述流量调节器装置(40)的所述网(44)中的所述丝线(60、61)根据权利要求6所述布置为形成具有矩形开口(62)的网格，并且其中，所述丝线(61)的一部分沿着所述第二横向方向定向。
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