CN112066778B - 一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片 - Google Patents

一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，包括翅片基体、百叶窗结构和双曲线型开缝结构。翅片基体是三排管翅片，第一排为百叶窗结构，后两排为双曲线型开缝结构；百叶窗结构为首排换热管之间布置的一段百叶窗开缝结构双曲线型开缝结构为迎着流体流动方向，布置于第二三排换热管侧面的两段完全相同的双曲线型多矩形凸台结构。优点是：换热效率高、易于加工、成本低。本发明根据场协同原理对百叶窗和双曲线型开缝结构的顺序进行了优化设计；同时，对双曲线型每个矩形凸台结构的几何布置进行了优化设计，从而有效地改善了流体速度分布，提高了速度与温度梯度的协同性，提高了翅片的换热能力。

Description

一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，特别涉及一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片。
背景技术
翅片管换热器被广泛用于供热、通风、空调与制冷工业。由于流体在紧凑式翅片管换热器中的流动非常复杂，而换热器的主要热阻在空气侧，因此，提高空气侧的换热效率是提高换热器性能的关键。
换热器翅片形式多样，其中连续翅片有平直翅片、波纹翅片等，间断翅片有百叶窗翅片、开缝翅片等，此外，还有纵向涡发生器翅片。平直翅片和波纹翅片换热效果不佳，百叶窗结构能够打断边界层的发展，减薄边界层，从而起到强化换热作用，但百叶窗结构使得翅片在结霜工况下容易被霜层堵塞，降低翅片在结霜工况下的换热能力。开缝结构会较大地增加流动阻力，同时会影响气流速度方向。纵向涡发生器翅片目前受限于工艺水平，难以在铝制翅片上应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，强化传热场协同原理表明，减小流体速度与温度梯度之间的夹角，是强化换热的有效途径。本发明结合百叶窗与开缝的优势，根据场协同原理对百叶窗和双曲线型开缝结构的顺序进行了优化设计；同时，对双曲线型每个矩形凸台结构的几何布置进行了优化设计，最终实现了翅片换热能力的大幅提高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，包括翅片基体1，在翅片基体1上有序排列分布有百叶窗结构2和由若干矩形凸起构成的双曲线型开缝结构3。
所述翅片基体1为三排管翅片，所述百叶窗翅片2分布于第一排，所述双曲线开缝结构3分布于第二排和第三排。
所述翅片基体1为三排管翅片，翅片厚度t与翅片间距H的比值t/H为0.035～0.09，翅片宽度W与翅片长度L的比值W/L为0.50～0.60，换热管外径d与翅片长度L的比值为0.25～0.50。
所述百叶窗结构2中百叶窗叶片的长度方向与流动方向垂直，百叶窗结构2在百叶窗叶片的宽度方向呈弧形分布，将翅片基体1的换热管包围或者离散地包围，所述弧形对应的半径R与换热管外径d的比值R/d为0.60～0.80，百叶窗叶片的宽度w3与翅片长度L的比值为0.08～0.10，百叶窗叶片倾角α1为20°～40°。
所述双曲线型开缝结构3每一段开缝结构都由矩形凸台a31和在矩形凸台a31两侧对称分布的矩形凸台b32、矩形凸台c33、矩形凸台d34组成，在翅片基体1的同一排中，各段开缝结构的矩形凸台a31分布于换热管的中心连线上，在矩形凸台a31的同一侧，各矩形凸台b32、矩形凸台c33、矩形凸台d34的中心点呈双曲线型分布。
所述双曲线型开缝结构3中，所有矩形凸台的尺寸均完全相同，其下底矩形长度L3与换热管外径d之比L3/d为0.16～0.20，宽度w6与换热管外径d的比值w6/d为0.05～0.10，矩形凸台高度h1与翅片间距H的比值h1/H为0.45～0.55，矩形凸台上下矩形的长度之比L4/L3为0.75～0.85，宽度之比w7/w6为0.40～0.50。
所述双曲线型开缝结构3中，矩形凸台a31长边方向与流动方向垂直，且矩形凸台a31中心位于换热管中心线与排中心线的交点上。
所述双曲线型开缝结构3中，矩形凸台b32的中心轴与换热管中心轴的夹角α2为10°～30°，矩形凸台b32下部边缘与该排管中心点纵向间距L5与换热管直径d比值L5/d为0.35～0.50，矩形凸台b32下部边缘与该排管中心点横向间距L6与换热管直径d比值L6/d为1.0～1.3。
所述双曲线型开缝结构3中，矩形凸台c33的中心轴与换热管中心轴的夹角α3为10°～30°，矩形凸台c33下部边缘与该排管中心点纵向间距L7与换热管直径d比值L7/d为0.70～0.95，矩形凸台c33下部边缘与该排管中心点横向间距L8与换热管直径d比值L8/d为0.85～0.95。
所述双曲线型开缝结构3中，矩形凸台d34的中心轴与换热管中心轴的夹角α4为20°～45°，矩形凸台d34下部边缘与该排管中心点横向间距L9与换热管直径d比值L9/d为0.40～0.60，矩形凸台d34下部边缘与该排管中心点纵向间距L10与换热管直径d比值L10/d为0.50～0.70。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
换热效率高、易于加工、成本低，有效地改善了流体速度分布，提高了速度与温度梯度的协同性，提高了翅片的换热能力。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为三排管平直翅片的温度场分布图，图中曲线为等温线。
图3为三排管平直翅片的流线分布图。
图4为本发明实施案例的百叶窗双曲线开缝组合翅片俯视图。
图5为本发明实施案例的百叶窗双曲线开缝组合翅片正视图。
图6为本发明实施案例的百叶窗双曲线开缝组合翅片A局部视图。
图7为本发明实施案例的百叶窗双曲线开缝组合翅片B局部视图。
图8为本发明实施例的温度场分布图，图中曲线为等温线，数字表示温度，单位为℃。
图9为本发明实施例的流线分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，包括翅片基体1，在翅片基体1上有序排列分布有百叶窗结构2和由若干矩形凸起构成的双曲线型开缝结构3。其中，百叶窗结构2为首排换热管之间布置的一段百叶窗开缝结构，双曲线型开缝结构3为迎着流体流动方向，布置于其它各排换热管侧面的两段完全相同的双曲线型多矩形凸台结构。
在本发明的一个实施例中，翅片基体1为三排管翅片，百叶窗翅片2分布于第一排，所述双曲线开缝结构3分布于第二排和第三排。
参考图2和图3三排管平片翅片流线和温度图可知，对于三排管换热器，第一排翅片流体速度矢量和温度场协同性较好，而二、三排翅片流体速度矢量和温度场协同性较差。考虑到百叶窗翅片强化机理主要是打断边界层，对流速方向影响不大，因此第一排选用百叶窗翅片对第一排的协同性影响很小；第二、三两排翅片选用开缝翅片，主要考虑到开缝翅片位置灵活，能够有效的改变流体的流动方向，从而改善二、三排翅片的协同性，提高换热性能。进一步，根据场协同原理优化，得到了双曲线型的开缝形式。
参考图4、图5、图6和图7，翅片基体1中，翅片厚度t与翅片间距H的比值t/H可为0.035～0.09，翅片宽度W与翅片长度L的比值W/L可为0.50～0.60，换热管外径d与翅片长度L的比值可为0.25～0.50。本实施例中，d取7.4mm，t取0.105mm，W取11mm，L取19.05mm。
百叶窗结构2中百叶窗叶片的长度方向与流动方向垂直，百叶窗结构2置于首排换热管侧方，为对称结构，对称轴与换热管中心轴重合，百叶窗结构2在百叶窗叶片的宽度方向呈弧形分布，将翅片基体1的换热管包围或者离散地包围。弧形对应的半径即窗体区域外缘半径R与换热管外径d的比值R/d为0.60～0.80，百叶窗叶片的宽度w3与翅片长度L的比值为0.08～0.10，百叶窗叶片倾角即窗翅倾斜角度α1为20°～40°。本实施例中，R取6.5mm，窗体区域外缘宽度w1取13.2mm，α1取30°，中央及两侧四个较小窗翅(即百叶窗叶片)宽度w2取1.0mm，中间四个较大窗翅宽度w3取1.8mm；翅片基体1两侧延伸区域长L1取1.0mm，宽w4为1.0mm，中部延伸区域长L2为4.6mm，宽w5为2.0mm。
双曲线型开缝结构3对称分布于二三排换热管侧方，其每一段开缝结构都由矩形凸台a31和在矩形凸台a31两侧对称分布的矩形凸台b32、矩形凸台c33、矩形凸台d34组成，在翅片基体1的同一排中，各段开缝结构的矩形凸台a31分布于换热管的中心连线上，在矩形凸台a31的同一侧，各矩形凸台b32、矩形凸台c33、矩形凸台d34的中心点呈双曲线型分布。
具体地，矩形凸台a31长边方向与流动方向垂直，且矩形凸台a31中心位于换热管中心线与排中心线的交点上。
双曲线型开缝结构3中，所有矩形凸台的尺寸均完全相同，其下底矩形长度L3与换热管外径d之比L3/d为0.16～0.20，宽度w6与换热管外径d的比值w6/d为0.05～0.10，矩形凸台高度h1与翅片间距H的比值h1/H为0.45～0.55，矩形凸台上下矩形的长度之比L4/L3为0.75～0.85，宽度之比w7/w6为0.40～0.50。
其中：矩形凸台b32的中心轴与换热管中心轴的夹角α2为10°～30°，矩形凸台b32下部边缘与该排管中心点纵向间距L5与换热管直径d比值L5/d为0.35～0.50，矩形凸台b32下部边缘与该排管中心点横向间距L6与换热管直径d比值L6/d为1.0～1.3。矩形凸台c33的中心轴与换热管中心轴的夹角α3为10°～30°，矩形凸台c33下部边缘与该排管中心点纵向间距L7与换热管直径d比值L7/d为0.70～0.95，矩形凸台c33下部边缘与该排管中心点横向间距L8与换热管直径d比值L8/d为0.85～0.95。矩形凸台d34的中心轴与换热管中心轴的夹角α4为20°～45°，矩形凸台d34下部边缘与该排管中心点横向间距L9与换热管直径d比值L9/d为0.40～0.60，矩形凸台d34下部边缘与该排管中心点纵向间距L10与换热管直径d比值L10/d为0.50～0.70。
在本实施例中，矩形凸台b32与矩形凸台d34的中心轴、矩形凸台c33的中心轴与换热管中心轴的夹角α2和α3分别为15°和30°，矩形凸台下底矩形长度L3为1.40mm，宽度w6为0.60mm；矩形凸台顶部矩形长度l4为1.08mm，宽度w7为0.28mm；方台高度h1为0.80mm；矩形凸台d34外缘间距l5为18.05mm，其上缘连线与换热管相切，即距离翅片边缘d/2；矩形凸台b32的内缘连线、矩形凸台c33的上缘连线与换热管相切，即两连线间距为d；其中矩形凸台b32的下缘与矩形凸台a31的上缘在同一水平线上，即下缘与翅片边缘间距为0.7mm，而矩形凸台c33上缘连线与换热管相切，即距离翅片边缘3.7mm。
仿真计算结果表明：利用常用的ANSYS FLUENT流体仿真软件模拟计算，在壁温50℃，进口温度35℃，进口风速2m/s的情况下，结果显示：仿生开缝结构翅片相比于平直翅片，换热量提高了13.7％，阻力增加36.8％。图8和图9的流线及等温度分布显示，管排结合部协调性得到了明显的改善。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中多定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，包括翅片基体(1)，其特征在于，在翅片基体(1)上有序排列分布有百叶窗结构(2)和由若干矩形凸起构成的双曲线型开缝结构(3)，所述翅片基体(1)为三排管翅片，所述百叶窗翅片(2)分布于第一排，为首排换热管之间布置的一段百叶窗开缝结构，所述双曲线开缝结构(3)分布于第二排和第三排，所述百叶窗结构(2)中百叶窗叶片的长度方向与流动方向垂直，百叶窗结构(2)在百叶窗叶片的宽度方向呈弧形分布，将翅片基体(1)的换热管包围或者离散地包围，所述双曲线型开缝结构(3)每一段开缝结构都由矩形凸台a(31)和在矩形凸台a(31)两侧对称分布的矩形凸台b(32)、矩形凸台c(33)、矩形凸台d(34)组成，在翅片基体(1)的同一排中，各段开缝结构的矩形凸台a(31)分布于换热管的中心连线上，在矩形凸台a(31)的同一侧，各矩形凸台b(32)、矩形凸台c(33)、矩形凸台d(34)的中心点呈双曲线型分布，且各矩形凸台之间均具有间距。
2.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述翅片基体(1)为三排管翅片，翅片厚度t与翅片间距H的比值t/H为0.035～0.09，翅片宽度W与翅片长度L的比值W/L为0.50～0.60，换热管外径d与翅片长度L的比值为0.25～0.50。
3.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述弧形对应的半径R与换热管外径d的比值R/d为0.60～0.80，百叶窗叶片的宽度w3与翅片长度L的比值为0.08～0.10，百叶窗叶片倾角α1为20°～40°。
4.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述双曲线型开缝结构(3)中，所有矩形凸台的尺寸均完全相同，其下底矩形长度L3与换热管外径d之比L3/d为0.16～0.20，宽度w6与换热管外径d的比值w6/d为0.05～0.10，矩形凸台高度h1与翅片间距H的比值h1/H为0.45～0.55，矩形凸台上下矩形的长度之比L4/L3为0.75～0.85，宽度之比w7/w6为0.40～0.50。
5.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述双曲线型开缝结构(3)中，矩形凸台a(31)长边方向与流动方向垂直，且矩形凸台a(31)中心位于换热管中心线与排中心线的交点上。
6.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述双曲线型开缝结构(3)中，矩形凸台b(32)的中心轴与换热管中心轴的夹角α2为10°～30°，矩形凸台b(32)下部边缘与该排管中心点纵向间距L5与换热管直径d比值L5/d为0.35～0.50，矩形凸台b(32)下部边缘与该排管中心点横向间距L6与换热管直径d比值L6/d为1.0～1.3。
7.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述双曲线型开缝结构(3)中，矩形凸台c(33)的中心轴与换热管中心轴的夹角α3为10°～30°，矩形凸台c(33)下部边缘与该排管中心点纵向间距L7与换热管直径d比值L7/d为0.70～0.95，矩形凸台c(33)下部边缘与该排管中心点横向间距L8与换热管直径d比值L8/d为0.85～0.95。
8.根据权利要求1所述基于场协同原理的百叶窗双曲线型开缝组合翅片，其特征在于，所述双曲线型开缝结构(3)中，矩形凸台d(34)的中心轴与换热管中心轴的夹角α4为20°～45°，矩形凸台d(34)下部边缘与该排管中心点横向间距L9与换热管直径d比值L9/d为0.40～0.60，矩形凸台d(34)下部边缘与该排管中心点纵向间距L10与换热管直径d比值L10/d为0.50～0.70。
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