CN113834354B - 一种三维均混流换热器芯体及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维均混流换热器芯体及换热器，换热器芯体包括换热单元，换热单元包括上层肋排板片、下层肋排板片和层内隔板，上层肋排板片的肋条和下层肋排板片的肋条相互交错，且上下两个肋条在换热单元的边界处相交；上层肋排板片和下层肋排板片之间设有层内隔板，同层相邻肋间流道内分别通入冷介质流体和热介质流体；从垂直于上层肋排板片和下层肋排板片的板面方向投影，上层肋排板片的肋间流道与下层肋排板片的肋间流道中同种流体的重合位置全部设置通孔。本发明有效提升了换热器比表面积、强化了换热性能，换热能力优于同等水力直径的其他微小、微通道换热器；同时耐压强度高、紧凑度高、可靠性强、易于加工。

Description

一种三维均混流换热器芯体及换热器

技术领域

本发明属于换热器技术领域，涉及一种三维均混流换热器芯体及换热器，能够用于飞机发动机。

背景技术

飞机发动机对换热器的比表面积、换热能力等性能提出了更高的要求；增大换热面积通常通过增加肋片等扰流结构、二次换热表面来实现，而传热系数的增大主要通过流体的射流、冲击、旋转等扰动实现。这些设计都体现在诸如波纹板式换热器、螺旋折流板管壳式换热器等的设计上。然而，这些换热器的换热能力仍然有限，由于其通道水力直径通常处于常规尺度附近、微小尺度之上，且没有充分扰动冷热流体、冷热流体相对独立，因此造成换热器比表面积较小、换热效果不佳，进而使得换热器体积重量偏大。现有板式换热器多采用密封圈密封，板片之间通过螺栓紧固连接，耐压性能有限、不能采用特殊介质流体。

在实现本发明的过程中还发现现有技术1（公开号CN101100951A的发明专利）存在以下问题：冷却腔被倾斜角为β和-β的两组交错肋分隔成多个小的副流体通道，两组交错肋内部均充满冷却介质流体，与两组交错肋外部进行热交换，显著限制了冷热流体之间的充分换热，特别是肋侧面的强化换热区域的热量传递要经过肋片的热阻传递（即存在肋效率），从而导致了热效率的衰减。在实际应用中，为了获得更低的芯体重量（增大孔隙率）、更低的压降、相对更大的流通面积，肋高通常大于肋宽和隔板厚度，这样设计带来的缺点是，两种流体之间换热距离为两倍肋高+隔板厚度，水平面方向距离为无限大，肋高的存在使得肋效率存在，肋高越高，肋效率越低，肋宽越窄，肋效率也越低。

因此，迫切需要开发一种布置紧凑、换热能力强、易于加工的耐压换热器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种三维均混流换热器芯体，有效提升了换热器比表面积、强化了换热性能，换热能力优于同等水力直径的其他微小、微通道换热器；同时耐压强度高、紧凑度高、可靠性强、易于加工。

本发明的另一目的是，提供一种换热器。

本发明所采用的技术方案，一方面，提供一种三维均混流换热器芯体，包括换热单元，换热单元包括上层肋排板片、下层肋排板片和层内隔板，上层肋排板片的肋条和下层肋排板片的肋条相互交错，且上下两个肋条在换热单元的边界处相交；上层肋排板片和下层肋排板片之间设有层内隔板，同层相邻肋间流道内分别通入冷介质流体和热介质流体；从垂直于上层肋排板片和下层肋排板片的板面方向投影，上层肋排板片的肋间流道与下层肋排板片的肋间流道中同种流体的重合位置全部设置通孔。

进一步的，所述换热单元的前后两侧分别设有进出口，换热单元的左右侧均设置侧挡板；或者所述换热单元的左右两侧分别设有进出口，换热单元的前后侧均设置侧挡板。

进一步的，所述冷介质流体、热介质流体的进口在换热单元的同侧间隔排列且对称设置，使得冷介质流体、热介质流体在换热单元内部独立且紧密围绕式的流动。

进一步的，多个所述换热单元上下堆叠，在每个换热单元的下层肋排板片的底部设层间隔板，上层肋排板片的上部与上层换热单元的底部共用一个层间隔板，每N个所述换热单元在一个层间隔板上设置通孔，通孔的设置方式与层内隔板相同，1≤N且小于换热单元的总数量。

进一步的，最上层与最下层所述层间隔板上设置通孔，介质流体的进出口设于芯体的上下两侧，芯体的前后侧、左右侧均设置侧挡板。

进一步的，所述换热单元在高度上堆叠的数量，并向下取整；其 中，h_z表示换热器芯体的高度，h表示上层肋排板片（1）或下层肋排板片（3）的厚度，表示 层间隔板（4）的厚度。

进一步的，所述换热芯体的长为L ₁、宽为L ₂、上下肋排的交错角、肋节距L _p，L _p=b+ t，b表示肋宽，t表示肋间距；令，，要求K₁、K₂为整数或者 K₁/2、K₂/2为整数。

进一步的，所述上层肋排板片的相邻肋间流道、下层肋排板片的相邻肋间流道截面均为正方形。

进一步的，层间隔板的厚度为0.1mm~4mm。

另一方面，提供一种换热器，包括上述一种三维均混流换热器芯体。

本发明的有益效果是：

1、本发明换热芯体实现了冷热流体在同层肋排三维流动分布，部分现有换热器内冷热流体为一维分布，即冷流体仅有一个Z轴方向可以指向热流体，与现有换热器相比，本发明减小了冷热流体换热间距，增大了换热器的比表面积，实现了换热强化，为高热流密度换热结构，尤其适用于需要高强度换热的航空发动机等产品。

2、本发明换热芯体采用直肋构成折转通道，强迫流体周期性的进行上下翻转，且其内部交错处的压差致串流、剪切流动，能够自协调地强化其翻转带来的纵向涡，这样的扰动增大了湍流强度，强化换热。

3、进出口可以布置在三个X、Y、Z轴三个方向，在这三个方向上两股流体都有规律性的周期性分开分布，因此集流腔（集液腔）可以布置在任意方向，适用性更强。

4、本发明换热芯体能够采用激光切割/水切割/腐蚀雕刻、表面研磨、扩散焊等工艺实现，其整体强度高、精度高、可靠性高；满足航空航天等高效换热的需求。

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是本发明实施例的芯体结构爆炸示意图。

图2是本发明实施例的片层立体结构示意图。

图3是本发明实施例1中各片层的俯视图。

图4是本发明实施例1芯体结构俯视图。

图5a-5b是本发明实施例1芯体结构中流体分布示意图。

图6是本发明实施例1芯体结构中流体分布示意图（省去上下层间盖板和左右侧挡板）。

图7是本发明实施例1中冷热介质流体流道流通面积比例关系。

图8是本发明实施例2中各片层的俯视图。

图9是本发明实施例1的仿真图。

图10是本发明实施例2中芯体 Z方向进出口截面图。

图11是本发明另一实施例的芯体结构爆炸示意图。

图中，1.上层肋排板片，2.层内隔板，3.下层肋排板片，4.层间隔板，5.通孔，6.侧挡板，7.冷介质流体，8.热介质流体，9.冷流体进口封头，10.热流体进口封头，11.热流体出口封头，12.冷流体出口封头。

图12是本申请实施例2与现有技术相比的换热量变化程度。

图13是本申请实施例2与现有技术相比的压降变化程度。

图14是固定内部各个典型参数相同的情况下现有技术1与本申请实施例2的换热效率拟合曲线。

图15是固定内部各个典型参数相同的情况下现有技术1与本申请实施例2的压降拟合曲线。

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，

一种三维均混流换热器芯体，结构如图1-3所示，换热单元包括上层肋排板片1、下层肋排板片3和层内隔板2，上层肋排板片1的肋条和下层肋排板片3的肋条相互交错，且上下两个肋条在换热单元的边界处相交；上层肋排板片1和下层肋排板片3之间设有层内隔板2，同层相邻肋间流道内分别通入冷介质流体7和热介质流体8，从垂直于上层肋排板片1和下层肋排板片3的板面方向（Z方向）投影，上层肋排板片1的肋间流道与下层肋排板片3的肋间流道中同种流体的重合位置全部设置通孔5，增大换热空间，提高换热效率。

如图3-6所示，换热单元的前后两侧分别设有进出口（即沿Y轴方向设置），换热单元的左右侧均设置侧挡板6，冷介质流体7、热介质流体8的进口在换热单元的前侧间隔排列且关于换热单元的宽度方向对称，以保证冷介质流体7、热介质流体8在换热单元内部独立且紧密围绕式的流动。

实施例1的仿真图如9所示，从图9中可以看出冷热流体紧密交织在一起，相互之间距离极短，从而强化了换热。

如图3所示，换热单元的边界处的通孔5为三角形，其余通孔5为菱形，通孔5的大小应尽量大，但不能导致上下两层的两种流体掺混。

在实施例1中，冷热流体在同层内交错、交叉流动，热交换距离为一个通道宽度+肋宽（水平面方向），或者一个通道高度+隔板厚度（Z方向），同时将大部分的二次换热表面转化为直接换热表面。流体仍然被肋板导向至两侧，并在侧面完成折转，但是上下肋板构成的两层流道之间的通孔5（即混流截面）由于层内隔板2的阻挡减少了一半。肋效率的影响大幅下降，当雷诺数Re越高、固体热导率越低，这种结构的优势就越明显。

固体热导率对于交错肋形式的微小通道换热芯体的肋效率具有明显的影响。当Re=100时，肋宽系数为0.2的模型的肋效率理论计算值为35%～90%（热导率10～200）；而随着Re的上升，肋效率随着表面换热系数的提升而下降，这是由于流体侧换热提升后肋表面的温度相对肋根处要更加接近流体温度，温差的下降削弱了肋上的换热。当Re达到1000时，肋效率仅为19%～75%。对于常见的钛合金、不锈钢等材料（除铝合金以外），在100～1000的Re下，肋效率预计都位于28%～50%之间。肋的二次换热表面的努塞尔数Nu又相对较高，且肋面积占比在芯体总面积的一半左右，所以肋上的换热是LHE（直线肋排）芯体的重要组成部分，而存在的固体热阻成为削弱LHE芯体性能的重要因素。在流固共轭传热的一篇文献中（WangY., Wang L.-C., Lin Z.-M., Yao Y.-H., Wang L.-B., The condition requiringconjugate numerical method in study of heat transfer characteristics of tubebank fin heat exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55(2012) 2353-2364.），针对管翅换热器认为当肋效率低于80%时，即不能忽略其产生的误差并应该采用流固共轭传热计算，显然在本模型中，肋效率已经成为不可忽视的换热阻碍。在已经进行的实际三维数值模拟计算中，发现实际肋效率比上述提供的数值更低，因此原始结构受到严重制约。

总之，现有技术1公开的结构受到肋效率的严重制约，而本申请实施例1公开的混排交错肋几乎不受肋效率的影响，因此在各种设计参数相同、内部流动结构相似的情况下能取得更高的换热性能。

实施例2，

一种三维均混流换热器芯体，介质流体的进出口设于换热单元的左右两侧（即沿X轴方向设置），换热单元的前后两侧设置侧挡板6，其余结构与实施例1相同。

实施例3，

一种三维均混流换热器芯体，结构如图8、10所示，由多个换热单元上下堆叠，在每个换热单元的下层肋排板片3的底部设层间隔板4，上层肋排板片1的上部与上层换热单元的底部共用一个层间隔板4，每N个所述换热单元在一个层间隔板4上设置通孔5，通孔5的设置方式与层内隔板2相同，1≤N且小于换热单元的总数量。当每个层间隔板4均按照实施例2的方式完全打孔时（即N=1），换热器芯体内部达到最大通孔量，其固体重量降低到最低。

在空间约束下确定换热器芯体的高度和换热器芯体的长宽L ₁、L ₂，并以h=0.2mm ~6mm设计上层肋排板片1或下层肋排板片3的厚度（决定了肋高），以=0.1mm~4mm确定层 间隔板4的厚度，进而确定换热单元在高度上堆叠的数量（向下取整），通常 Z≥10，因此可以在设计计算中设置上下表面周期性边界条件。

图4中，换热芯体长为L ₁、宽为L ₂、上下肋排的交错角、肋节距L _p，L _p=b+t，b表示肋 宽，t表示肋间距；令，，要求K₁、K₂为整数时，满足肋排两 侧规整要求，K₂为整数倍时满足进出口规整要求。当K₁/2、K₂/2仍为整数时，满足两侧周期对 齐要求。实施例中，K₁、K₂分别为2和3，满足对齐要求时，可视换热器尺寸约束和规整要求条 件确定L ₁、L ₂的值；对于本发明换热器，应使板长满足进出口规整要求（不周期对齐时意味着 进出口冷热流体位置不完全一致），而板宽满足两侧规整要求（不周期对齐时意味着冷热流 体在换热器内并非对称分布）。

实施例4，

一种三维均混流换热器芯体，如图10所示，最上层与最下层层间隔板4上设置通孔5，介质流体的进出口设于芯体的上下两侧（即沿Z轴方向设置），芯体的前后侧、左右侧均设置侧挡板6。现有技术1的换热芯体仅能在X、Y两个方向上布置进出口，导致尺寸空间受限大，本发明实施例能够沿X、Y、Z轴方向设置进出口，适用性更强。图12中，冷流体从冷流体进口封头9进入芯体，热流体从热流体进口封头10进入芯体，冷流体进口封头9处的层间隔板4上仅于冷流体的位置打孔，热流体进口封头10处的层间隔板4上仅于热流体的位置打孔，冷流体出口封头12处的层间隔板4上仅于冷流体的位置打孔，热流体出口封头11处的层间隔板4上仅于热流体的位置打孔，从而构成进出口区分，经过热交换的冷流体从冷流体出口封头12流出，经过热交换的热流体从热流体出口封头11流出，进出口之间可以调换。

在一些实施例中，冷热流体流道流通面积比例不同，如图7所示，第一种流体的流道宽度在入口方向投影长度a1，第二种流体的流道宽度在入口方向投影长度a2，a1≠a2，因此两种流体的流道面积比例为a1/a2，比例范围视两种流体的流量和流阻设计值而定，应以满足流阻设计要求为第一原则，当一侧的流体不能满足阻力要求时，适当增大该侧流道面积。

在一些实施例中，相邻肋间流道截面为正方形；当现有技术1相邻肋间流道截面为正方形，结构受到肋效率限制影响非常大，而本申请实施例1、2受肋效率影响非常小，提高了平均换热系数。当然换热的提升有多种方式，在固定水力直径的情况下通道截面形状会优化为正方形，但如果能够缩小水力直径，优先缩小水力直径，再追求正方形的通道截面。在实际应用中，缩小水力直径会显著增大压降，无法满足压降需求，同时进一步缩小水力直径会触碰加工边界（存在精度问题），导致加工成本直线上升。

在一些实施例中，肋宽尽量小、隔板尽量薄。层间隔板4的厚度为0.1mm~4mm，上层肋排板片1和下层肋排板片3的厚度均为0.2mm~6mm；相邻肋间流道的宽度为0.2~6mm，上层肋排板片1和下层肋排板片3的肋条宽度为0.2~4mm。

在一些实施例中，各片层可以设置为圆形或其他形状；如图11所示，各片层为腰圆形，提升了换热效果。

实施例5，

一种换热器，包括实施例1-4所述的换热芯体。

技术效果验证：

采用三维数值模拟，流固共轭传热计算，相同基础设计数据（例如上下肋排的交错角均为60°、层间隔板4、肋高、肋间距、肋宽、芯体宽度）、相同体积芯体、相同流体工况（温度、流量）下，以现有技术1的换热量作为分母，本申请实施例2换热量及压降的变化情况，结果如图12-13；根据图12-13可知，与现有结构相比，本申请实施例2换热性能提升明显、压降增加很低。

因为数值模拟时固定了内部Re数，但是为了得到固定芯体体积、固定工况下的性能数据，必须进行折算（当然，即便不折算仍然显示出了更加优异的性能）。这是因为本申请的换热单元多了层内隔板2，导致高度高于现有结构，也就是说流过同样流量时芯体比现有结构大，为了公平起见将两者体积也控制在完全一样的程度，图14和图15采用的是相同Re下的换热、压降曲线，其中，1E+01表示1×10¹，1E+02表示1×10²；针对两种结构进行了拟合，然后根据现有结构内部的Re数，试验结果表明本申请实施例2的混排结构换热功率提升大于30%，且随Re上升倾向于稳定在40%以上，而压降增加则随Re上升倾向于接近现有结构，甚至略低于现有结构，这样的结果是非常优秀的，更容易满足客户需求，适用性更强。

当然，通常评价性能的研究采用的标准不一，但是容易发现上述评价方式具有非常明显的工程意义，因而比一些理论化的评价因子诸如PEC（热工水力性能评价参数）要更加实用。采用考虑泵功的评价因子后，本申请结构的优势会被更加放大，因为如大家所熟知，大部分强化换热的实现都牺牲了数倍甚至更多的压降，因此本申请中压降放大系数低于换热放大系数的优化是极其难以实现的，尤其是在模拟计算中还固定了内部通道水力直径与原结构相同，因此实现的难度更大。

此外，在进行过整体数值模拟后，发现采用仅层内隔板完全通孔的方式（实施例2），比另外两种模式（完全通孔、仅层内两侧通孔）换热、流阻性能更佳。

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 (8)

1.一种三维均混流换热器芯体，包括换热单元，其特征在于，所述换热单元包括上层肋排板片（1）、下层肋排板片（3）和层内隔板（2），上层肋排板片（1）的肋条和下层肋排板片（3）的肋条相互交错，且上下两个肋条在换热单元的边界处相交；上层肋排板片（1）和下层肋排板片（3）之间设有层内隔板（2），同层相邻肋间流道内分别通入冷介质流体（7）和热介质流体（8）；从垂直于上层肋排板片（1）和下层肋排板片（3）的板面方向投影，上层肋排板片（1）的肋间流道与下层肋排板片（3）的肋间流道中同种流体的重合位置全部设置通孔（5）；

所述冷介质流体（7）、热介质流体（8）的进口在换热单元的同侧间隔排列且对称设置，使得冷介质流体（7）、热介质流体（8）在换热单元内部独立且紧密围绕式的流动；

所述换热单元的前后两侧分别设有进出口，换热单元的左右侧均设置侧挡板（6）；或者所述换热单元的左右两侧分别设有进出口，换热单元的前后侧均设置侧挡板（6）。

2.根据权利要求1所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，多个所述换热单元上下堆叠，在每个换热单元的下层肋排板片（3）的底部设层间隔板（4），上层肋排板片（1）的上部与上层换热单元的底部共用一个层间隔板（4），每N个所述换热单元在一个层间隔板（4）上设置通孔（5），通孔（5）的设置方式与层内隔板（2）相同，1≤N且小于换热单元的总数量。

3.根据权利要求2所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，最上层与最下层所述层间隔板（4）上均设置通孔（5），介质流体的进出口设于芯体的上下两侧，芯体的前后侧、左右侧均设置侧挡板（6）。

4.根据权利要求2所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，所述换热单元在高度上堆叠的数量，并向下取整；其中，h_z表示换热器芯体的高度，h表示上层肋排板片（1）或下层肋排板片（3）的厚度，δ _z表示层间隔板（4）的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，所述换热芯体的长为L ₁、宽为L ₂、上下肋排的交错角α、肋节距L _p，L _p=b+t，b表示肋宽，t表示肋间距；令K₁= L ₂ cosα/ L _p，K₂= L ₂ cosα/ L _p，要求K₁、K₂为整数或者K₁/2、K₂/2为整数。

6.根据权利要求1所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，所述上层肋排板片（1）的相邻肋间流道、下层肋排板片（3）的相邻肋间流道截面均为正方形。

7.根据权利要求2所述的一种三维均混流换热器芯体，其特征在于，所述层间隔板（4）的厚度为0.1mm~4mm。

8.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的一种三维均混流换热器芯体。