CN114353564B - 一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体，该芯体由换热板堆叠而成，换热板包括冷侧换热板以及位于冷侧换热板两侧的热侧换热板，所述换热板上采用光化学蚀刻法蚀刻有若干开槽纺锤形翅片，所述开槽纺锤形翅片为非连续对称型翅片，冷侧换热板与两侧热侧换热板之间的空间分别形成冷流体通道和热流体通道，用于供冷热流体流动传热。本发明提供的开槽纺锤形翅片流体通道有如下优势：第一，可以抑制流动分离，消除翅片前缘的法向冲击，有效降低流动阻力；第二，非连续型翅片能破坏边界层发展，强化传热；第三，翅片开槽可以增加换热面积，提升换热器紧凑性。经数值模拟，本发明与相同几何参数的翼型翅片PCHE相比，单位长度压降降低9.2％～11.3％。
Description
技术领域
本发明属于高效低阻紧凑式换热器领域，具体涉及一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体。
背景技术
印刷电路板换热器(PCHE,printed circuit heat exchanger)属于微通道板式换热器范畴，其毫米级流体通道是在金属板上通过光化学蚀刻技术加工形成的，换热器芯体是通过扩散焊接技术将换热板结合形成的。PCHE具有耐高温高压、结构紧凑、换热器效能高的优势，适用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统、超高温气冷堆和钠冷堆等领域。
PCHE的翅片可以分为两大类：连续型翅片和非连续型翅片。连续型翅片沿流动方向连续，翅片之间形成流体通道，常见形式有直通道、之字形通道和波形通道等；非连续型翅片沿流动方向不连续，常见形式有矩形翅片、S型翅片、翼型翅片等。研究表明非连续型翅片的流动传热性能优于连续型翅片，其中，以翼型翅片PCHE的综合性能最优，其翅片的不连续性可以破坏边界层发展，提高传热性能，且流线型翅片外形可以有效抑制流动分离，降低流动阻力。在相同换热量条件下，翼型翅片PCHE的压降仅为之字形通道PCHE的1/20，但翼型翅片前缘的流动滞止会增加局部流动阻力，需要对翅片外形进一步优化以降低流动阻力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体，该芯体由换热板堆叠而成，换热板包括冷侧换热板以及位于冷侧换热板两侧的热侧换热板，所述换热板上采用光化学蚀刻法蚀刻有若干开槽纺锤形翅片，所述开槽纺锤形翅片为非连续对称型翅片，冷侧换热板与两侧热侧换热板之间的空间分别形成冷流体通道和热流体通道，用于供冷热流体流动传热。
所述热侧换热板和冷侧换热板的厚度为1.0～3.0mm。
所述冷流体通道和热流体通道的高度为0.5～2.0mm。
所述开槽纺锤形翅片最大内切圆圆心位于翅片几何中心，翅片外缘光滑无拐点，翅片迎流面中心开槽，若干开槽纺锤形翅片在换热板上呈错列排列。
所述开槽纺锤形翅片的长度为2.0～8.0mm，翅片宽度为0.5～2.0mm，翅片高度为0.5～2.0mm，开槽宽度为0.1～0.6mm。
相邻开槽纺锤形翅片的水平间距为4.0～24.0mm，翅片错列间距为1.0～12.0mm，翅片垂直间距为1.0～8.0mm。
与现有PCHE类型相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
(1)流动阻力显著降低。与之字形通道PCHE相比，开槽纺锤形翅片可以抑制流动分离，有效降低流动压降。与翼型翅片PCHE相比，开槽纺锤形翅片的减阻外形是降低流动阻力的直接原因：一方面，开槽纺锤形翅片头部尖锐，翅片前缘切线与主流方向夹角减小，可以避免流动滞止；另一方面，开槽纺锤形翅片前端曲率变化减小，翅片周围流场速度梯度显著减小。另外，翅片开槽对降低流动阻力也有重要作用：第一，开槽方向平行于主流方向，可以减小迎流面积，减弱法向冲击；第二，流过开槽区的流体分隔主流，延迟主流混合；第三，由于主流未直接混合，低速区延长至下游翅片前端，降低下游翅片的来流速度。总之，开槽纺锤形翅片能抑制流动分离与流动滞止，提高速度分布均匀性，有效降低流动阻力。经数值模拟，相比于相同几何参数的翼型翅片PCHE，本发明单位长度压降降低9.2％～11.3％。
(2)传热强化。相比于直通道PCHE，开槽纺锤形翅片为非连续型翅片，可以破坏边界层的发展，增强扰动，提高对流换热系数。相比于翼型翅片PCHE，开槽纺锤形翅片可以增加换热面积，保证PCHE的整体换热性能。经数值模拟，本发明单位体积换热量与相同几何参数的翼型翅片PCHE相当。
(3)换热器紧凑性提升。翅片开槽可以增加换热面积，相比于相同几何参数的翼型翅片PCHE，本发明换热面积密度提高12.1％，换热器紧凑性提升。
(4)综合流动传热性能提升。本发明采用开槽纺锤形翅片提高速度分布均匀性，有效降低了流动阻力，同时利用非连续型翅片增加扰动、利用翅片开槽增加换热面积来提高换热性能，实现了PCHE综合流动传热性能的提升。
附图说明
图1为本发明提供的印刷电路板换热器芯体结构示意图；
图2为本发明提供的印刷电路板换热器芯体前视图；
图3为本发明提供的开槽纺锤形翅片结构示意图；
图4为本发明提供的翅片排列方式示意图；
附图标记说明：
H-流体通道高度；Lc-翅片长度；Lh-翅片水平间距；Ls-翅片错列间距；Lt-翅片宽度；Lv-翅片垂直间距；t-换热板厚度；Ws-开槽宽度；1-开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体；2-热侧换热板；3-冷侧换热板；4-开槽纺锤形翅片；5-冷流体通道；6-热流体通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1所示为一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体结构，该芯体1由冷侧换热板3和热侧换热板2堆叠而成。冷侧换热板3和热侧换热板2上采用光化学蚀刻法蚀刻有若干开槽纺锤形翅片4。冷侧换热板3与两侧热侧换热板2之间的空间分别形成冷流体通道5和热流体通道6，用于供冷热流体流动传热。
图2所示为一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体前视图，热侧换热板2和冷侧换热板3的厚度t为1.0～3.0mm，冷流体通道5和热流体通道6的高度H为0.5～2.0mm。
图3所示为开槽纺锤形翅片结构，开槽纺锤形翅片为非连续对称型翅片，开槽纺锤形翅片最大内切圆圆心位于翅片几何中心，翅片外缘光滑无拐点，翅片迎流面中心开槽。开槽纺锤形翅片的长度Lc为2.0～8.0mm，翅片宽度Lt为0.5～2.0mm，翅片高度为0.5～2.0mm，开槽宽度Ws为0.1～0.6mm。
图4所示为开槽纺锤形翅片排列方式，若干开槽纺锤形翅片在换热板上呈错列排列，相邻开槽纺锤形翅片的水平间距Lh为4.0～24.0mm，翅片错列间距Ls为1.0～12.0mm，翅片垂直间距Lv为1.0～8.0mm。
本发明的工作原理如下：
(1)有效降低流动阻力。开槽纺锤形翅片可以抑制流动分离，因此，开槽纺锤形翅片PCHE的流动压降显著低于之字形通道PCHE。开槽纺锤形翅片外形的减阻原理：第一，开槽纺锤形翅片头部尖锐，翅片前缘切线与主流方向夹角较小，可以避免流动滞止；第二，开槽纺锤形翅片前端曲率变化较小，翅片周围流场速度梯度较小。翅片开槽的减阻原理：第一，开槽方向平行于主流方向，可以减小迎流面积，减弱法向冲击；第二，流过开槽区的流体分隔主流，延迟主流混合；第三，由于主流未直接混合，低速区延长至下游翅片前端，降低下游翅片的来流速度。因此，在减阻外形和翅片开槽的共同作用下，开槽纺锤形翅片PCHE的流动阻力小于翼型翅片PCHE。总之，开槽纺锤形翅片能抑制流动分离与流动滞止，提高速度分布均匀性，有效降低流动阻力。
(2)提高换热性能。开槽纺锤形翅片为非连续型翅片，可以破坏边界层的发展，增强扰动，提高对流换热系数，因此，开槽纺锤形翅片PCHE的换热性能优于直通道PCHE。相比于翼型翅片，开槽纺锤形翅片可以增加换热面积，保证PCHE的整体换热性能，因此，开槽纺锤形翅片PCHE的换热性能与翼型翅片PCHE相当。
(3)提升换热器紧凑性。翅片开槽可以增加换热面积，提高换热面积密度，提升换热器紧凑性。
(4)提升综合流动传热性能：采用开槽纺锤形翅片可以提高速度分布均匀性，有效降低流动阻力，同时非连续型翅片可以增加扰动，翅片开槽可以增加换热面积，以此保证PCHE的整体换热性能，从而提升PCHE的综合流动传热性能。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明技术构思范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体，其特征在于，该芯体（1）由换热板堆叠而成，换热板包括冷侧换热板（3）以及位于冷侧换热板（3）两侧的热侧换热板（2），所述换热板上采用光化学蚀刻法蚀刻有若干开槽纺锤形翅片（4），开槽纺锤形翅片（4）在换热板上呈错列排列；冷侧换热板（3）与两侧热侧换热板（2）之间的空间分别形成冷流体通道（5）和热流体通道（6），用于供冷热流体流动传热；
所述开槽纺锤形翅片（4）为非连续对称型翅片，最大内切圆圆心位于翅片几何中心，翅片外缘光滑无拐点，翅片迎流面中心开槽，且开槽方向沿着翅片水平轴线并贯穿整个翅片；
开槽纺锤形翅片（4）的长度为2.0 ~ 8.0 mm，翅片宽度为0.5 ~ 2.0 mm，翅片高度为0.5 ~ 2.0 mm；
开槽纺锤形翅片（4）的开槽宽度为0.1 ~ 0.6 mm；
相邻开槽纺锤形翅片（4）的水平间距为4.0 ~ 24.0 mm，翅片错列间距为1.0 ~ 12.0mm，翅片垂直间距为1.0 ~ 8.0 mm。
2. 根据权利要求1所述的一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体，其特征在于，热侧换热板（2）和冷侧换热板（3）的厚度为1.0 ~ 3.0 mm。
3. 根据权利要求1所述的一种开槽纺锤形翅片印刷电路板换热器芯体，其特征在于，冷流体通道（5）和热流体通道（6）的高度为0.5 ~ 2.0 mm。
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