CN112503971B - 一种异形颗粒有序堆积换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异形颗粒有序堆积换热装置，所述换热装置本体设有入口整流格栅、支撑平板和异形颗粒，支撑平板表面设有定位凸起和涡流发生器，异形颗粒表面设有定位槽和二次曲面结构。通过定位凸起和定位槽的配合，将异形颗粒固定在支撑平板上装配形成单层堆积单元，在垂直支撑平板方向将多个堆积单元依次堆叠，即可形成有序堆积结构。本发明提出的异形颗粒有序堆积换热装置，与格栅支撑颗粒有序堆积结构相比，既允许两种不同流体间接换热，又通过改变流动传热特性，进一步提升流动传热性能。

Description

一种异形颗粒有序堆积换热装置
技术领域
本发明属于多孔介质流动传热领域，涉及一种异形颗粒有序堆积换热装置。
背景技术
颗粒堆积床作为反应器和热交换器，广泛应用于核工、化工等领域。颗粒堆积床按照堆积形式可分为颗粒无序堆积床和颗粒有序堆积床。颗粒无序堆积床因其具有堆积形式容易实现，成本低的优点，被广泛应用于工业领域。实际工业生产中，颗粒无序堆积床因颗粒无序分布，导致流道复杂多变，会引起较大的流动损失，同时也不利于其传热性能。因此，虽然目前颗粒无序堆积床被广泛应用，但是其并不是最优的堆积方式。
在现有的对颗粒有序堆积床的流动传热特性研究中，发现有序堆积结构可以降低压降，提高流体与颗粒换热能力，进一步提高堆积床的整体换热效率。理想有序堆积结构具有很多形式，通常包括简单堆积(SC)、面心立方堆积(FCC)和体心立方堆积(BCC)，但是有序堆积形式在工业实现中具有一定的难度。
现有的工业生产中，颗粒堆积床中光滑颗粒被广泛应用。但是近年来，因非光滑表面有可能实现减阻强热，而被越来越多的学者关注。相比于光滑颗粒，流动过程中，非光滑颗粒因表面的二次曲面结构会引起“小尺度扰动”，进而影响流动的“大尺度推流”状态，使流场更接近推流状态，进而降低流动的阻力，同时，二次曲面结构的存在也会使传热更均匀。
在已发表的专利文献中，针对颗粒有序堆积床，已经提出格栅颗粒复合和格架颗粒复合有序堆积方法，但尚未有针对异形颗粒的有序堆积方法，也尚未有允许两种不同流体通过的颗粒有序堆积方法。因此本发明基于异形颗粒和构造两种流动通道，提出了一种异形颗粒有序堆积换热装置。
发明内容
为了克服传统颗粒无序堆积床和单流道的缺点，基于异形颗粒，本发明提出了一种异形颗粒有序堆积换热装置，即通过合理的设计颗粒表面二次曲面结构和支撑平板表面定位凸起尺寸，改变定位凸起位置和堆积单元预装配形式，可以实现多种异形颗粒有序堆积结构，满足多种实际需求。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于，该装置本体设有入口整流格栅、支撑平板和异形颗粒，所述支撑平板顶部和底部表面设置定位凸起和涡流发生器，所述异形颗粒表面设置定位槽和二次曲面结构，异形颗粒上的定位槽与支撑平板顶部的定位凸起配合安装固定在支撑平板上组成单层堆积单元，多个单层堆积单元沿垂直支撑平板的方向依次堆叠形成堆积单元体，堆积单元体内所采用的多个异形颗粒需保证沿垂直支撑平板方向高度一致，上一层堆积单元的异形颗粒上的定位槽与下一层支撑平板底部上的定位凸起相配合，其中颗粒间距比为1-3，通过改变支撑平板表面定位凸起位置，及改变预装配形式，可形成不同的颗粒间距比和不同的管径粒径比快速有序堆积结构，其中管径粒径比为1.5或10，其中两相邻支撑平板之间的空间组成流动通道，不同层之间的流动通道被支撑平板分隔开，互不影响，采用U形管路将奇数层堆积单元和偶数层堆积单元分别连接，即形成两种流体间接换热的异形颗粒有序堆积结构；该装置可实现两种工作过程，一种工作过程是异形颗粒为高温颗粒，冷流体经两个入口段流入，冷流体可以是种类不同的两种流体，另一种工作过程是两种不同的冷热流体分别经过入口段流入堆积单元通道，异形颗粒则作为中间换热介质另一种工作过程是异形颗粒为高温颗粒，冷流体经两个入口段流入。
该装置本体设有入口整流格栅、支撑平板和异形颗粒，所述支撑平板顶部和底部表面设置定位凸起和涡流发生器，所述异形颗粒表面设置定位槽和二次曲面结构，异形颗粒上的定位槽与支撑平板顶部的定位凸起配合安装固定在支撑平板上组成单层堆积单元，多个单层堆积单元沿垂直支撑平板的方向依次堆叠形成堆积单元体，上一层堆积单元的异形颗粒上的定位槽与下一层支撑平板底部上的定位凸起相配合，两相邻支撑平板之间的空间组成流动通道，不同层之间的流动通道被支撑平板分隔开，互不影响，采用U形管路将奇数层堆积单元和偶数层堆积单元分别连接，即形成两种流体间接换热的异形颗粒有序堆积结构。定位凸起沿流向和垂直流向有序的分布在支撑平板表面，用于固定异形颗粒，异形颗粒的间距比为。异形颗粒主体是由一条平面曲线绕其所在平面的一条定直线旋转所围成的一个旋转体，堆积单元体内所采用的多个异形颗粒仅需保证沿垂直支撑平板方向高度一致即可，不限于统一的形状，每一个异形颗粒上布置两个定位槽，该两个定位槽呈中心对称布置在异形颗粒沿垂直支撑平板方向的两端。异形颗粒是圆球体或椭球体。支撑平板上布置涡流发生器，用于破坏流动边界层。异形颗粒表面设置二次曲面结构。异形颗粒二次曲面结构包括凹坑形、泪滴形多种形状，用于延缓流动边界层的分离及增加换热面积。单层堆积单元通道是方形、圆形或椭圆形多种形状通道。
采用以上技术方案可以设计出一系列异形颗粒有序堆积换热装置。本发明的有益效果是：
1.提出了一种异形颗粒有序堆积的实现方法，使允许不同流体通过的异形颗粒快速有序堆积易行成为可能；
2.所提出的异形颗粒有序堆积方法通过改变颗粒表面二次曲面结构、尺寸、支撑平板表面定位凸起尺寸和位置及堆积单元预装配形式，可以提供实际应用中所需的多种不同有序堆积结构；
3.以本方法合理设计出的异形颗粒有序堆积换热装置，可以提升装置的流动传热性能。
附图说明
图1是一种异形颗粒类简单立方堆积方法的三维示意图；
图2是一种异形颗粒有序堆积换热装置的剖面示意图；
图3是支撑平板表面定位凸起和涡流发生器细节示意图；
图4是一种采用“类高尔夫球”为二次曲面结构的异形颗粒示意图；
图中：1：支撑平板；2：定位凸起；3：异形颗粒；4：涡流发生器；5-1：入口段1；5-2：入口段2；6-1：整流格栅1；6-2：整流格栅2；7-1：U形管路1；7-2：U形管路2；8-1：出口段1；8-2：出口段2；9：定位槽；10：二次曲面结构。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
具体实施方式
附图为本发明的具体实施例。
一种异形颗粒有序堆积换热装置，将支撑平板与异形颗粒通过定位凸起与定位槽固定，进行预装配形成一个有序的堆积单元，然后从容器顶部将该堆积单元一层层的填充至容器，堆积单元填充过程中支撑平板和异形颗的相对位置不发生变化，将奇数层和偶数层堆积单元分别用不同的U形管路连接，最终可形成被支撑平板分隔开的有序堆积结构。通过改变支撑平板上定位凸起的位置和堆积单元预装配形式，可实现多种不同的有序堆积结构或者同样的有序堆积结构但异形颗粒之间距离不同的堆积床。改变异形颗粒表面的二次曲面结构，即可形成多种不同的异形颗粒，满足不同的实际应用。改变支撑平板表面定位凸起位置，及改变预装配形式，可形成不同的颗粒间距比和不同的管径粒径比有序堆积结构。依据实际换热需求，对支撑平板表面的涡流发生器进行改变。所述的堆积方法，不仅适用于容器为方形通道的情况，只需要改变平板形状和大小，仍按照原有方法堆积，即可适用于圆形和椭圆形等多种形状通道的情况。
一种异形颗粒有序堆积换热装置，该装置可实现两种工作过程，一种工作过程是异形颗粒为高温颗粒，冷流体经两个入口段流入，支撑平板上的涡流发生器增强流体流动过程中的扰动，从而增强换热效果，有序布置的异形颗粒可以显著降低流动损失，而异形颗粒表面所布置的二次曲面结构同样可以降低流动阻力，经过换热的冷流体则从两个出口段分别流出，最终实现异形颗粒的降温及冷流体的加热过程，此外，依据实际换热需求，冷流体可以是种类不同的两种流体；另一种工作过程是两种不同的冷热流体分别经过入口段1和2流入堆积单元通道，支撑平板上所布置的涡流发生器起到增强扰动的目的，异形颗粒则作为中间换热介质，在降低流动阻力的基础上，同时可以储存部分热量，提高冷热流体间的换热效率。
如图1所示，本发明提供了一种异形颗粒有序堆积结构的实现方法，该方法可以实现多种不同的有序堆积方式，图1给出了异形颗粒简单立方堆积结构的实现方式。本发明所提出的异形颗粒有序堆积简单立方结构的实现方法是：通过支撑平板1表面的定位凸起2和异形颗粒表面定位槽9将异形颗粒3放置于支撑平板1上，将另一支撑平板1放置在异形颗粒3上，然后将另一层异形颗粒3放置在支撑平板1上，如此反复至满足实际需求，即可形成类简单立方堆积结构；此外，在该方法中，改变异形颗粒3表面的二次曲面结构10的形状和尺寸，即可形成多种不同的异形颗粒，改变支撑平板1表面的定位凸起2在支撑平板1表面所处的位置和数量，即可形成不同的异形颗粒间距比有序堆积结构。由此可见，本发明所提出的方法使异形颗粒有序堆积结构的实现变为可能。
如图2所示，支撑平板1将堆积单元分为两部分分别通过U形管路7-1和U形管路7-2连接，支持不同的流体同时流过该有序堆积通道，两个流道均具有入口段5和出口段8，入口段5均设置有整流格栅6，可以使流体流过入口段后流动更加均匀。
如图3所示，上下层支撑平板仅有一侧表面具有定位凸起和涡流发生器，中间层支撑平板两侧均具有定位凸起和涡流发生器。异形颗粒直径为D，沿水平方向粒径间距比为X/D，沿竖直方向粒径间距比为Y/D，通过改变定位凸起的位置，即X/D及Y/D的大小，可实现多种不同的粒径间距比和多种不同的管径粒径比异形颗粒有序堆积结构，从而获得最优管径粒径和间距粒径比，在不同的实际需求中运用。依据实际换热需求，可改变涡流发生器的结构及尺寸。
如图4所示，表面具有定位槽12和二次曲面结构13，如图所示的二次曲面结构为“类高尔夫球”凹坑结构，凹坑深度为k3，每两个凹坑之间间距为b3，通过改变尺寸，可获得不同的二次曲面结构，获得不同二次曲面结构的异形颗粒。
基于颗粒直径和入口来流速度，在雷诺数为40000时，对三种不同的结构单个颗粒绕流进行数值计算，其中阻力系数和努塞尔数均基于颗粒表面进行积分求解。经计算，发现相比于大空间，受限空间内阻力会有提升，但是换热得到了加强，此外，异形颗粒存在减小阻力和强化传热的效果。
结构 管径粒径比 表面凹坑数目 阻力系数 努塞尔数
1 10 - 0.42 161.41
2 1.5 - 0.97 193.90
3 1.5 328 0.92 197.31
因此，本发明不仅提供了一种异形颗粒有序堆积换热装置的实现方法，也为进一步提高传统有序堆积床的流动传热特性提供了可能。

Claims (7)

1.一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于，该装置本体设有入口整流格栅(6)、支撑平板(1)和异形颗粒(3)，所述支撑平板(1)顶部和底部表面设置定位凸起(2)和涡流发生器(4)，所述异形颗粒(3)表面设置定位槽(9)和二次曲面结构(10)，异形颗粒(3)上的定位槽(9)与支撑平板(1)顶部的定位凸起(2)配合安装固定在支撑平板(1)上组成单层堆积单元，多个单层堆积单元沿垂直支撑平板(1)的方向依次堆叠形成堆积单元体，堆积单元体内所采用的多个异形颗粒(3)需保证沿垂直支撑平板(1)方向高度一致，上一层堆积单元的异形颗粒(3)上的定位槽(9)与下一层支撑平板(1)底部上的定位凸起(2)相配合，其中颗粒间距比为1-3，通过改变支撑平板(1)表面定位凸起(2)位置，及改变预装配形式，可形成不同的颗粒间距比和不同的管径粒径比快速有序堆积结构，其中管径粒径比为1.5或10，其中两相邻支撑平板(1)之间的空间组成流动通道，不同层之间的流动通道被支撑平板(1)分隔开，互不影响，采用U形管路(7)将奇数层堆积单元和偶数层堆积单元分别连接，即形成两种流体间接换热的异形颗粒有序堆积结构；该装置可实现两种工作过程，一种工作过程是异形颗粒为高温颗粒，冷流体经两个入口段流入，冷流体可以是种类不同的两种流体，另一种工作过程是两种不同的冷热流体分别经过入口段流入堆积单元通道，异形颗粒则作为中间换热介质另一种工作过程是异形颗粒为高温颗粒，冷流体经两个入口段流入。
2.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：异形颗粒(3)主体是由一条平面曲线绕其所在平面的一条定直线旋转所围成的一个旋转体，堆积单元体内所采用的多个异形颗粒(3)需保证沿垂直支撑平板(1)方向高度一致，每一个异形颗粒(3)上布置两个定位槽(9)，该两个定位槽(9)呈中心对称布置在异形颗粒(3)沿垂直支撑平板(1)方向的两端。
3.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：异形颗粒(3)是圆球体或椭球体。
4.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：支撑平板(1)上布置涡流发生器(4)，用于破坏流动边界层。
5.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：异形颗粒(3)表面设置二次曲面结构(10)。
6.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：异形颗粒(3)二次曲面结构(10)包括凹坑形、泪滴形，用于延缓流动边界层的分离及增加换热面积。
7.根据权利要求书1所述的一种异形颗粒有序堆积换热装置，其特征在于：单层堆积单元通道是方形、圆形或椭圆形多种形状通道。
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