CN111207609B - 基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体及换热器，包括多个径向拼接的直通道，直通道的外部设有封闭的壳体，相邻的直通道内分别通入流动方向相反的冷介质和热介质，根据介质不同将直通道分为第一组直通道和第二组直通道，相邻的第一组直通道和第二组直通道共用一个壁面，第一组直通道分别通过对应的变径转接管与介质管道连通，第二组直通道通过壳体与介质管道连通。本发明对异形结构具有较强的适应性，结构紧凑，换热表面均为一次换热表面，实现逆流换热，换热性能好，单位重量的换热量高，耐压强度高。

Description

基于仿生的紧凑型类蜂巢结构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，涉及一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体及换热器。

背景技术

换热器是通过一定的材料和加工工艺，构造出换热通道实现冷热流体之间的热交换。现有换热器的结构型式大体可以分为两类，一类是管壳式换热器，一类是板式、板翅式换热器。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题，下面对此分别进行介绍：

管壳式换热器由圆管、支撑板、折流板、壳体等组件构成，流动形式上整体来说错流居多，难以实现完全意义上的逆流。而从换热性能的角度来说，逆流的换热效果要优于错流。因此，管壳式换热器有进一步优化的空间。

板式、板翅式换热器是通过中间隔板、二次换热表面(翅片)、封条和边框等构成，流动形式上顺流、错流和逆流等均可实现。但构成换热通道时，二次换热表面相对于一次换热表面(中间隔板)，与介质之间的温差更小，换热效果也会变弱。最理想的情况是所有换热表面均为一次换热表面，这样换热器的结构形式将会变得更为紧凑，并且对减重也能发挥一定的作用；但现有的板式、板翅式结构无法实现此效果。

针对航空航天领域的应用来说，除了对换热性能和流动性能较为关注以外，对换热器重量也是极为关注的。对航空发动机来说，换热器的减重就意味着能够提高推重比。随着发动机涡前温度不断上升，推重比需求不断上升，急需高紧凑度、并且能够利用更少材料实现换热的新结构型式的换热器。而过去的管壳式和板式、板翅式换热器的结构形式，部分是受制于加工工艺，不一定是从换热性能上来说最优的结构，都有进一步发展和优化的空间。随着加工技术手段的发展，新型仿生结构换热器能够在原先的基础上进行进一步优化和发展，从而实现更轻质高效的换热。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，对异形结构具有较强的适应性，结构紧凑，换热表面均为一次换热表面，实现逆流换热，换热性能好，单位重量的换热量高，耐压强度高，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种包含上述芯体的换热器。

本发明所采用的技术方案是，一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，包括多个径向拼接的直通道，直通道的外部设有封闭的壳体，相邻的直通道内分别通入流动方向相反的冷介质和热介质，根据介质不同将直通道分为第一组直通道和第二组直通道，相邻的第一组直通道和第二组直通道共用一个壁面，第一组直通道分别通过对应的变径转接管与介质管道连通，第二组直通道通过壳体与介质管道连通。

进一步的，所述第一组直通道的进口端通过对应的变径转接管与介质管道的进口管连接，第一组直通道的出口端通过对应的变径转接管与介质管道的出口管连接，进口管、出口管均与第一组直通道同轴线。

进一步的，所述进口管、出口管均穿出壳体，且与壳体密封连接。

进一步的，所述第二组直通道和第一组直通道交错分布，介质从壳体侧壁进入壳体的内腔，均匀流入所有第二组直通道，再从壳体的另一相对侧壁流至介质管道。

进一步的，所述直通道的截面为直线和/或曲线组成的封闭形状。

进一步的，所述直通道的截面为正三角形、矩形、正五边形、正六边形或其它多边形中的任意一种。

进一步的，所述直通道的截面为扇形、椭圆形、圆形或其它带弧线形状中的任意一种。

进一步的，所述进口管、出口管的截面为圆形或正多边形。

进一步的，所述直通道内壁设置有肋柱、球窝或球凸中一种或两种以上的任意组合。

一种换热器，包括上述基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，由类似积木的直通道拼接而成，外形设置较为灵活，对异形结构具有较强的适应性，结构紧凑，能够实现换热表面均为一次换热表面，让单位重量的材料实现传热效果的最大化，相比于板式、板翅式换热器来说无二次换热表面，能实现体积减小20％-50％，减重20％-50％，单位质量换热功率提升30％～50％。

2、相对于管壳式换热器，本发明基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体能够完全实现逆流换热的效果，第一组直通道和第二组直通道的壁面相互支撑，受力较为均匀，最大可承受20MPa压力，无需折流板、支撑板等组件。

3、本发明基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体通过进口管、出口管结合变径转接管实现第一介质从外接管路到芯体的引流分配；第二介质进入换热器时，在进出口段为叉排管束结构，叉排管束横掠流动阻力较小，满足实际使用需求。

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是本发明实施例换热器芯体轴测图。

图2是本发明实施例换热器芯体正视图。

图3是本发明实施例换热器芯体及进出口结构轴测图。

图4是本发明实施例换热器芯体的进出口结构局部放大图。

图5是本发明实施例换热器芯体及进出口管路正视图。

图6是本发明实施例换热器的轴测图。

图7是本发明实施例换热器的剖视图。

图8a是本发明实施例中芯体端面为扇形的结构示意图。

图8b是本发明实施例中芯体端面为扇形的内部结构示意图。

图8c是本发明实施例中芯体端面为扇形的剖面图。

图9a是本发明实施例中直通道截面为多边形的结构示意图。

图9b是图9a的左视图。

图10a是本发明实施例中直通道截面为圆形的结构示意图。

图10b是本发明实施例中直通道截面为正六边形的结构示意图。

图10c是本发明实施例中直通道截面为矩形的结构示意图。

图11是具有二次换热面的翅片壁面总效率和换热系数的关系。

图12是本发明实施例中直通道截面为正三角形的局部放大图。

图13是典型的板翅式换热器单层结构图。

图中，1.直通道，2.壁面，3.进口管，4.出口管，5.变径转接管，6.第一组直通道，7.第二组直通道，8.壳体，9.第一介质，10.第二介质。

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，

本发明实施例基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，如图1-2所示，包括多个径向拼接的直通道1，直通道1的外部设有封闭的壳体8，相邻的直通道1内分别通入流动方向相反的冷介质和热介质，根据介质不同将直通道1分为第一组直通道6和第二组直通道7，相邻的第一组直通道6和第二组直通道7共用一个壁面2，第一组直通道6分别通过对应的变径转接管5与介质管道连通，第二组直通道7通过壳体8与介质管道连通。实现了热介质和冷介质之间均为一次换热表面；相邻的第一组直通道6和第二组直通道7共用一个壁面2，降低加工难度，减小接触热阻，提高换热能力；多个直通道1径向拼接形成的换热芯体形状不受约束，壳体8可以根据安装需求定制的异形结构，也可以为长方体或圆柱体等。

换热器芯体的进出管路的结构，如图3-4所示，第一组直通道6的进口端通过对应的变径转接管5与介质管道的进口管3连接，第一组直通道6的出口端通过对应的变径转接管5与介质管道的出口管4连接，进口管3、出口管4均穿出壳体8，且与壳体8密封连接，进口管3、出口管4均与第一组直通道6同轴线。

如图5-7所示，第二组直通道7和第一组直通道6交错分布，介质从壳体8侧壁进入壳体8的内腔，均匀流入所有第二组直通道7，再从壳体8的另一相对侧壁流至介质管道。

第一介质9(Flow 1)通过壳体8端面均匀分布的进口管3进入第一组直通道6，由于进口管3、出口管4均与所连接的第一组直通道6同轴线，第一介质9在流动过程中方向不变，从换热器端面的出口管4流出；第二介质10(Flow 2)从壳体8的侧壁进入，经转折后从第二组直通道7的端口流入，再次转折后从壳体8的相对侧壁流出，第一组直通道6内的第一介质9与第二组直通道7内的第二介质10流动方向相反，通过共用壁面2进行整体逆流换热；第一介质9、第二介质10代表温度不同的两种介质，可以在第一组直通道6通入冷介质，第二组直通道7通入热介质，或者第一组直通道6通入热介质，第二组直通道7通入冷介质。

直通道1的直径范围为0.1mm-100mm，直径太小时加工难度较大，直径太大时难以实现轻质高效换热的效果。进口管3、出口管4的管径小于直通道1的水力直径，否则进口管3和出口管4紧密排列，介质无法从壳体8侧壁流入换热芯体。变径转接管5实现了介质管路与直通道1的平滑过渡，避免突缩或突扩的现象。

实施例2，

直通道1的截面为直线和/或曲线组成的封闭形状，比如直通道1的截面为正三角形、矩形、正五边形、正六边形或其它多边形中的任意一种，如图9a-9b所示，直通道1的截面主体为正三角形，且三个边均匀锯齿状，保证介质在芯体内的流动方向和通流截面积不变，与正三角形相比，该结构增大了单位体积下的换热面积，能实现换热器单位质量换热功率的进一步提升。此外，在较大温差的工作环境下，换热器会承受较大的热应力；此时锯齿形结构能够通过本身的弹性形变实现对热应力的释放，具有更好的适应性。直通道1的截面为还可以为扇形、椭圆形、圆形或其它带弧线形状中的任意一种。其中截面为正三角形、矩形的换热器芯体整体强度最好，因为此时构成换热器芯体的通道中第一组直通道6和第二组直通道7截面形状大小相同，均为三角形或者均为矩形，受力较为均匀。而其余形状将会导致第一组直通道6和第二组直通道7必须由不同形状进行组合，才能拼接成无缝隙的芯体结构，此时第一组直通道6和第二组直通道7的壁面受力均匀程度会下降。

如图10a-10c所示，直通道1的截面分别为圆形、六边形、矩形，图10a中，圆形的直通道1内通入第一介质9，6个圆形的直通道1围成的类似六边形的直通道1内通入第二介质10；图10b中六边形的直通道1内通入第一介质9，3个六边形的直通道1围成的三角形的直通道1内通入第二介质10；图10c中，相邻矩形的直通道1内分别通入第一介质9、第二介质10，最终都使得热介质周围全部为冷介质流体，冷介质周围全部为热介质流体。

进口管3、出口管4的截面为圆形、多边形等形状。其中圆形较好，一方面圆形管路相对于多边形管路制备难度更低，另一方面流体横掠叉排圆形管路时压力损失相对更小一些，能够提升换热器在进出口的流动特性。

直通道1内壁设置有肋柱、球窝或球凸中一种或两种以上的任意组合，改变流动形态，实现对流换热系数的进一步提升，增强换热。虽然肋柱、球窝、球凸产生二次换热表面，但该二次换热表面的占比较小，主要还是靠一次换热表面进行换热，此类更改也属于实施例范围以内；此外本发明实施例的换热器芯体可根据实际安装需求进行串联或并联的组合。

本发明实施例的换热芯体可以采用3D打印、扩散焊、钎焊等加工工艺；3D打印工艺能够实现换热器芯体和壳体转接段的整体成型，中间部分无焊接薄弱点，力学性能较为优异。并且由于3D打印出的内壁有粗糙元，能够实现换热性能的进一步提升。扩散焊工艺，是利用超精加工后的板片进行焊接和整体成型，可实现内部结构尺寸的精确控制，加工稳定性和可靠性较好。钎焊工艺可实现加工成本的降低，可采购成本较低的标准型材结合钎焊工艺进行换热器整体成型，相对于3D打印和扩散焊来说，对于尺寸较大的换热器产品能实现制造成本的大幅降低。

结合结构和试验数据，对本发明实施例基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体的效果验证：

首先，对板翅式换热器的二次换热表面翅片效率进行分析：

针对热通道与冷通道间隔排列的情形分析，翅片效率计算公式如下：

其中，η_f为翅片效率，H为翅片高度，m是为了求解二次偏微分方程而引入的一个数学变量，如式(2)；

其中，α'代表复合换热系数，在不考虑垢阻时可认为与对流换热系数α相等。λ_f代表翅片的导热系数，δ代表翅片厚度。

下面对翅片总效率η₀进行定义：将二次换热表面和一次换热表面同等看待，认为都处于一次传热面的传热温差(t_w-t_f)时，对总传热面积所应打的折扣。计算公式如下：

其中F＝F₁+F₂，F₁代表一次换热表面面积，F₂代表二次换热表面面积，F代表总换热表面面积。针对η_f的表达式(1)，取

为不同的数值，翅片效率η_f的统计结果，见表1；

表1翅片效率η_f的统计结果

从表1可以看出η_f＜1，由式(3)可知翅片总效率η₀＜1。此外，从表1还可以看出

的数值越大，翅片总效率η₀越小。

下面以一个常规板翅式换热器的实例说明翅片总效率η₀的取值范围：

以不锈钢为例，如图13，100℃下导热系数λ_f＝15.1W/(m·K)，翅片厚度δ取0.2mm。翅片高度H取9.5mm，翅片间距s取1.7mm。当换热系数α'变化时，η₀变化情况如图11所示；从图11中可以看出在已有换热系数α'的取值范围内，随着换热系数α'的增加，翅片总效率η₀逐渐减小，并且翅片总效率η₀在0.6-1之间变化。依据而翅片总效率η₀的定义可以根据式(4)求出流体与壁面之间的换热功率Q：

Q＝α'×F×η₀×(t_w-t_f) (4)

其中，Q为(t_w-t_f)，(t_w-t_f)表示介质流体温度差。

对本发明中的结构进行分析，如图12所示，认为壁面厚度δ与翅片厚度一致。由于冷侧和热侧介质同样为间隔排列，并且此结构无二次换热表面温度衰减造成的等效换热面积下降的现象，流体与壁面之间的换热功率Q'计算公式，见式(5)：

Q'＝α'×F×(t_w-t_f) (5)

由此可以看出，利用同样体积和重量的材料，构造本发明实施例中的芯体换热结构时，保持流道内对流换热系数一致，则本发明中的换热功率为板翅式换热器换热功率的1/η₀倍。本发明实施例类蜂巢结构由于无二次换热表面，也没有等效换热面积衰减效应，会对换热器单位质量换热功率进行提升。以前面的计算分析为例，当翅片总效率η₀在0.6-1之间变动时，换热功率理论上最高会提升66.7％。

最后，通过试验测试对本发明的类蜂巢结构(直通道1的结构如图12所示)与传统板翅式换热器的换热性能进行了对比。第一介质9和第二介质10均为水，换热器材质为不锈钢，质量流量均为0.1kg/s，试验数据见表2。

表2本发明实施例与传统板翅式换热器换热性能对比

从表2可以看出，同等质量下类蜂巢结构换热功率要比板翅式高40.8％，与上述理论分析结果一致。

本发明实施例基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体的优势：

1、本发明基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，单位重量换热功率高，对异形结构具有较强的适应性；基于传统板翅式及管壳式换热器进行了充分的理论分析与调研，发现二次换热表面带来性能衰减，以及支撑部件并不起到换热作用，提出了类蜂巢结构的换热器芯体及换热器。换热面均为一次换热表面，实现冷侧热侧介质之间的高效换热，并且相对于板式、板翅式换热器，能实现换热器重量的进一步降低。板式和板翅式换热器因为二次换热表面的存在，会导致二次换热表面换热能力低于一次换热表面，根据宽高比的不同二次换热表面翅片效率在50％～90％之间变化。而本发明实施例换热芯体均为一次换热表面，以翅片效率进行类比，可认为翅片效率均为100％，因此能够实现单位重量换热功率的进一步提升，从而实现减重20％～50％的效果，单位质量换热功率提升30％～50％，具有在新一代高推重比航空发动机上应用的潜力。

以航空发动机为例，换热器为发动机附件，往往安装在轮毂外缘，此时扇形的换热器外观将会有助于更好的与发动机进行安装和适配。本发明实施例中换热器芯体结构由类似积木的直通道1拼接而成，外形设置较为灵活，整体的外缘形状可根据需求设置为任意形状。当芯体结构形式变化时，例如直通道1的截面为扇形的体时，见图8a-8c，变径转接管5结合进出口叉排管路具有更好的适应性。

2、相对于管壳式换热器，从流动形式上来说，本发明能够实现芯体逆流换热的效果，是各种流动形式中换热性能最优的流动形式，并且无需折流板、支撑板等组件。管壳式换热器核心换热部件为一个个圆管组成的管束，但仅靠管束难以实现整体的造型和固定，必须依赖单独的支撑板才能实现固定，而折流板是为了改善壳程的流动状况而添加的组件。本发明中换热器芯体的第一组直通道6和第二组直通道7的壁面相互支撑，因此不需要额外的支撑板对管束进行固定；本发明换热芯体可以采用3D打印、扩散焊等工艺，使其具备更好的可加工性和强度，内部充满高压介质时，受力均匀，最大可承受20MPa压力，满足航空航天领域的高温高压工作环境，例如航空发动机上燃滑油换热器、空气燃油换热器等，从而提升实际产品的可靠性与安全性，实现了对传统换热结构的又一次革新，并且提供了更为轻量化的设计思路。

3、如图3、图7所示，本发明通过进口管3、出口管4结合变径转接管5实现第一介质9从外接管路到芯体的引流分配；第二介质10进入换热器时，在进出口段为叉排管束结构，叉排管束横掠流动阻力较小，满足实际使用需求；允许芯体截面在进行变化的同时随形调整，不影响其功能特性，且没有增大设计与加工复杂度。本发明实施例中，介质进入换热器后首先会在进出口段横掠管束并且进行翻转，然后再进入换热器芯体，而横掠管束的流动形式会使进出口段管内与管外介质之间的换热系数增大，进一步提升换热能力。

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 (6)

1.一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，其特征在于，包括多个径向拼接的直通道(1)，直通道(1)的外部设有封闭的壳体(8)，相邻的直通道(1)内分别通入流动方向相反的冷介质和热介质，根据介质不同将直通道(1)分为第一组直通道(6)和第二组直通道(7)，冷介质和热介质之间均为一次换热表面，相邻的第一组直通道(6)和第二组直通道(7)共用一个壁面(2)，第一组直通道(6)分别通过对应的变径转接管(5)与介质管道连通，第二组直通道(7)通过壳体(8)与介质管道连通；

所述第一组直通道(6)的进口端通过对应的变径转接管(5)与介质管道的进口管(3)连接，第一组直通道(6)的出口端通过对应的变径转接管(5)与介质管道的出口管(4)连接，进口管(3)、出口管(4)均与第一组直通道(6)同轴线；所述进口管(3)、出口管(4)的管径小于直通道(1)的水力直径；

所述第二组直通道(7)和第一组直通道(6 )交错分布，介质从壳体(8)侧壁进入壳体(8)的内腔，均匀流入所有第二组直通道(7)，再从壳体(8)的另一相对侧壁流至介质管道；

所述直通道(1)的截面为正三角形或矩形，相邻直通道(1)内分别通入第一介质(9)、第二介质(10)；或者所述直通道(1)的截面为六边形，六边形的直通道(1)内通入第一介质(9)，3个六边形的直通道(1)围成的三角形的直通道(1)内通入第二介质(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，其特征在于，所述正三角形直通道(1)的三个边为均匀锯齿状。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，其特征在于，所述进口管(3)、出口管(4)均穿出壳体(8)，且与壳体(8)密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，其特征在于，所述进口管(3)、出口管(4)的截面为圆形或正多边形。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体，其特征在于，所述直通道(1)内壁设置有肋柱、球窝或球凸中一种或两种以上的任意组合。

6.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项 所述的基于仿生的紧凑型类蜂巢结构换热器芯体。

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