CN114963840B - 一种板式换热器康达导流封头 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种板式换热器康达导流封头，包括圆方过渡段与辐射导流段，圆方过渡段连接圆管与辐射导流段的入口面，辐射导流段包括封头外壳和多层康达导流板，辐射导流段分为两部分，第一段为对数曲线，第二段为抛物线。流体在通过换热器芯体后进入出口导流封头，出口导流封头的布置与入口导流封头关于换热器中心线对称，出口封头与入口封头结构相同。自入口至出口，保证流体有序转向，均匀分布。采用此结构可以显著改善物流分配均匀性、提高换热器传热性能、提高换热面积利用率同时优化压降性能。

Description

一种板式换热器康达导流封头

技术领域

本发明专利属于换热器技术领域，涉及一种板式换热器康达导流封头结构。

背景技术

板式换热器是一种高效的换热设备，广泛应用于冶金、石油、化工、制冷等工业领域。工业生产中，对重点用能设备的能效和节能有了更高的要求。如果换热器在运行过程中存在较大能量损失，会给工业生产带来一定的经济损失。因此，换热设备能效水平的高低直接影响着工业行业节能。板式换热器主要由封头、板片、隔板等结构组成。换热器封头的主要作用是将进入换热器的冷热流体分散到多层板片组成的流道区域，然而流体经由入口封头结构进入板式换热器内部，是一个从标准通道直接分配到较大芯体内小通道过程，流量会重新分配，导致在此过程中各层各通道之间存在严重的流体分配不均匀现象，随之造成换热器各局部的换热不均，加剧温度场分布的不均和纵向传热，而且这种影响随着换热器传热单元数的增加而扩大，这是板式换热器性能下降的主要原因。国内外普遍认为，不合理的封头结构是引起物流分配不均匀的主要因素，从而引起板式换热器能效的降低。改善封头结构，提高板式换热器物流分配的均匀性，是一种提升工程效益的有效途径。

本发明专利提出的板式换热器康达导流封头，基于流体的康达效应在进出口封头设计多层导流板结构，促使流体自小截面向大截面均匀扩散，具有阻力小、流体分布均匀、成本低、方便施工等特点。工质自圆柱通道进入圆方过渡段，其流型与芯体通道入口截面达到相似；随后工质进入封头对数曲线段，在任何流速状态下，因康达效应的作用工质均可沿各层通道横截面均匀流动并分配至各通道，同时避免了在封头中心区的涡旋扰流，提高工质通行速度；工质随后进入抛物线段，其流动方向与芯体通道入口截面垂直，可避免冲击射流带来的压力损失；流体在通过换热器芯体后，仍沿着出口康达导流板流动并有序汇聚至圆管，避免流体无序掺混额外阻力。

专利CN2735284所公开的一种均匀导流板翅式换热器封头结构是在封头中装置一个基板，基板上布满圆孔，工质的分配受圆孔影响，更均匀地流入换热器芯体通道。然而部分流体被基板阻挡，经过沿基板板壁的流动才能穿过圆孔进入换热器芯体，会造成封头内较大的流动压损，与本专利提出的无冲击射流、低流动阻力、适用所有流速范围的特点存在显著差异。

专利CN109059603A所公开的一种印刷电路板换热器封头内的导流装置及方法是在封头内安装导流多孔板和导流侧板，能够改变传统封头内的流场结构，提高分配到换热器芯体通道入口的流量均匀度。然而其导流侧板背部会出现涡流，而且远离中轴线的换热芯体通道入口的流量会很小，流量均匀性未明显提升。本专利提出的康达封头，工质在封头内不会产生涡旋，且分配效果不受工质流速的影响。

专利CN206540460U所公开的一种立式管壳式换热器封头是在封头内部设置防冲板和过滤隔板，过滤隔板上打有孔眼，工质经防冲板分流后，穿过过滤隔板上的孔眼而进入换热器芯体通道，流量均匀性确有提升，然而不能实现本专利所提出的无冲击射流且低流动阻力。

专利CN207231300U所公开的一种换热器一体式封头是将封头本体与换热介质腔一体化，能够简化工艺，提高制造精度和结构牢固性。然而该专利所述结构中的工质直接冲进封头，被管壁阻挡回流后进入换热介质腔，其流量分配均匀度较低。未见有本专利提出的消除工质在封头内涡旋，且分配效果不受工质流速影响的效果。

专利CN207268584U所公开的一种换热器封头是通过在封头底部焊接一块垫板，在封头内壁上沿着弧面焊接一块弧形挡片，从而提高换热器的承压能力，可满足氢气换热器的压力要求。然而其仅在工艺方面做出改进，并没有涉及到对工质流动方面的改进。

专利CN207456260U所公开的一种适用于摇晃工况的板翅式换热器封头是在封头内设置导流圆管和流道分隔板，导流圆管前端与封头入口连接，尾端与换热器芯体通道相连，能够保证各流道区域的制冷剂分布均匀。然而制冷剂在导流圆管流动过程中要经过两个弯头，不能实现本专利所提出的无冲击射流且低流动阻力。

专利CN207456261U所公开的一种可均匀分配两相流体的板翅式换热器封头是在封头内部布置多层三角形导流板，实现流体进入流道入口的大致均等分配。然而多层布置的导流板会大大增高封头内部的流体压损，不能实现本专利提出的降低阻力的同时，提升工质均匀性的效果。

专利CN106679140A所公开的一种空调导风板，迎风面设置为外凸曲面，利用“康达效应”尽可能将热气流向下引导。然而该发明专利没有涉及到流量分配的改进，与本专利不相同。

专利US2011162339A1公开了通过添加适当弯曲的表面以引起康达效应，改进了向减排催化剂的燃气轮机过渡。然而该发明专利没有涉及到流量分配的改进，与本专利不相同。

专利US2021041188A1所公开的一种包括转向叶片的热交换器组件。包括：入口管道，热交换器，以及多个转动叶片，热交换器连接入口管道，转动叶片连接到热交换器并突出到所述入口管道中。转向叶片的凸形下表面将前缘的底部过渡到热交换器的下通道的上壁；凹形上表面将转动叶片的远端点过渡到热交换器的第二通道。然而该发明专利没有体现出组件对热交换器整体流量分配均匀性的改进。

专利KR101012302B1所公开的一种康达进气口和包括该康达进气口的通风系统，利用康达效应，通过以彼此不同的曲率半径形成在主体内部的上部面板和下部面板的流体速度差，优化了通风系统中气体的流动形式然而该发明专利没有涉及到流量分配的改进，与本专利不相同。

发明内容

针对上述现有技术的现状，本发明的目的在于，提供一种可以显著改善物流分配均匀性、提高换热器传热性能、提高换热面积利用率同时压降性能也较好的板式换热器康达导流封头。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种板式换热器康达导流封头，包括圆方过渡段与辐射导流段，圆方过渡段连接圆管与辐射导流段的入口面，辐射导流段包括封头外壳和多层康达导流板，辐射导流段分为两部分，第一段为对数曲线，第二段为抛物线。圆方过渡段的圆截面与方截面具有相同的横截面积。康达导流板对数曲线和抛物线的曲率随圆管和换热器芯体通道截面积比的增大而增大，随圆管出口和换热器芯体通道入口间距的增大而减小。封头外壳与康达导流板的形状特点相同。导流板间的流通面积自辐射导流段入口面至换热器芯体逐渐扩大，抛物线段的末端与板式换热器芯体通道横截面垂直。圆管位于封头几何中心，距离圆管中轴线越近的导流板，其对数曲线与抛物线的曲率越小。圆管、圆方过渡段、多层康达导流板通过焊接方式连接。封头与板式换热器芯体可以通过焊接方式连接，或用法兰连接。出口导流封头与入口导流封头关于换热器中心线对称。

本发明提供的这种板式换热器康达导流封头，圆方过渡段连接圆管与辐射导流段的入口面，流体在进入圆方过渡段后由分层导流板将流体均匀分多层且与换热器芯体入口面对应，分层数量与每层的截面积可依换热器芯体通道层数的不同而变化；辐射导流段的布置分为两部分，第一段为对数曲线，流体流动方向基于康达效应沿对数曲线发生偏转，只要曲线曲率不大，流体就会贴着封头内表面流动，最外部导流板对数曲线的曲率与圆管和换热器芯体通道间的截面积比、距离有关，能够保证流体顺着导流板壁面流动，工质以任何流速进入康达导流封头均可实现工质的均匀分布，而且离圆管中轴线距离越近的导流板，因圆柱截面减小，其对数曲线曲率越小。第二段为抛物线部分，导流板的抛物线段可用于衔接好前部对数曲线和后部的换热器芯体通道，使分配后的流体垂直流入换热器芯体通道，可保证流体均匀进入板式换热器芯体，同样离圆管中轴线距离越近的导流板，因圆柱截面减小，其抛物线曲率越小。流体在通过换热器芯体后进入出口封头，随后通过方圆过渡段进入圆管，出口封头与前文描述结构相同，保证流体有序流出，能够降低流体出口阻力与当地背压。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明提供的板式换热器康达导流封头，其相比于传统封头，可以使更多的流体流向与入口管轴线距离较大的换热器通道，进入换热器的冷热流体均匀分散到多层板片组成的流道区域，可有效提高板式换热器换热面积的利用率，显著提升其换热性能，大大提升工程效益。

本发明提供的板式换热器康达导流封头，其封头外壳形状与分层导流板形状都基于康达效应，且各结构相互配合，使流体工质自行流向换热器芯体通道，而且进入通道前的流动方向与芯体入口截面垂直，避免在封头中心区产生涡旋扰流，避免了冲击射流带来的压力损失，同时也能够提高工质的通行速度。

本发明提供的板式换热器康达导流封头，其封头内各分层导流板的布置具有灵活性，可按照换热器芯体通道入口截面积的分布规划各分层导流板的布置方式，包括导流板的位置、形状、个数，使得这种板式换热器康达导流封头的应用具有广泛性。

附图说明

图1是装配板式换热器康达导流封头的单侧换热器示意图；

图2是板式换热器康达导流封头结构示意图；

图3是板式换热器康达导流封头主视图；

图4是板式换热器康达导流封头左视图；

图5是板式换热器芯体通道划分及编号图；

图6是板式换热器棱锥型封头示意图；

图7是板式换热器康达封头示意图；

图8是各通道质量流量分配图；

图9是康达导流封头内部流动图。

其中：1、入口圆管；2、封头外壳；3、康达导流板；4、圆方过渡段；5、辐射导流段；6、对数曲线段；7、抛物线段；8、板式换热器芯体通道；9、出口圆管

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。一种采用康达导流封头的板式换热器，包括入口圆管1、入口导流封头、出口圆管9、出口导流封头和换热器芯体8。其中导流封头包括封头外壳2，康达导流板3，圆方过渡段4，辐射导流段5，对数曲线段,6，抛物线段7。

如附图1所示，离入口圆管1最近的部分是圆方过渡段4，长度约为圆管1出口到板式换热器芯体通道8入口截面的垂直距离的

圆方过渡段4之后是辐射导流段5，辐射导流段包括封头外壳2和多层康达导流板3，形状由两部分组成，第一段是对数曲线段6，第二段是抛物线段7，由于流体流动中的康达效应，进入封头的流体沿着对数曲线发生偏转，流体会贴着封头内表面流动，到了抛物线段7，流体转向逐渐与板式换热器芯体通道8横截面垂直并进入芯体进行换热。上述所有对数曲线按通用方程式：y＝C₁log₁₀x定义，其中C₁为对数曲线曲率系数，封头外壳、各层导流板的曲率系数各不相同；上述所有抛物线按通用方程式：

定义，其中C₂为抛物线曲率系数，封头外壳、各层导流板的曲率系数各不相同。相比于传统封头，这种板式换热器康达导流封头可以使更多的流体流向与入口管轴线轴向距离较大的换热器通道。

为了验证本发明的效果，应用商用软件Fluent进行流动的数值仿真。如图5所示，由于整体模型结构既上下对称，又左右对称，可利用Fluent提供的对称边界条件简化模型，提高计算效率，因此可以将原模型切分成四分之一模型。对传统的棱锥型封头、无导流板的康达封头及有导流板的康达导流封头都实现了数值仿真，棱锥型封头如附图6所示，康达封头如附图7所示。模拟计算完成后，使用Fluent的后处理功能，自主将换热器芯体通道的入口截面划分出28个通道截面，统计出每个通道截面流过的质量流量。如图8所示，可观察出棱锥型封头和无导流板康达封头的流量分配都很不均匀，尤其是6号、7号通道流量过大，而有一些通道的流量过小。对比来看，康达导流封头中大多数通道的流量都相差不多，仅有几个通道的流量偏离较大。以所有28个通道质量流量的方差值作为流量均匀度的参考值，统计数据并计算后得出，康达导流封头的流量均匀度比康达封头的流量均匀度高出79.42％，比棱锥型封头的流量均匀度高出96.33％，证明本发明具有优良的流量分配性能。

如图1所示，封头与板式换热器主体之间既可以按堆焊连接，确保焊缝质量，也可用法兰连接，法兰之间垫上石棉垫片确保密封良好，组装前各零件要严格去水渍等污物，组装时各层零件要相互靠紧，但不重叠。如图4所示，在封头内装置康达导流板3，导流板按上下对称布置，以板式换热器芯体通道8为例，为了严格保证流量均匀分配，在图正中间的入口圆管1截面中，从上到下，各层的面积比例与换热器芯体各通道截面积有关系，同时由于封头和换热器芯体通道都是上下对称的形式，没有以导流板把中间两个通道分开，这样既能节约工艺成本又能减小安装难度。比如图4中分层的面积比例约为1:2:2:4:2:2:1(封头中间的两个通道合二为一)，如果是其它面积比例的换热器芯体通道，分层面积比要等于换热器芯体通道的面积比，同时要注意换热器芯体通道的布置形式是否对称，如果对称，那么最靠近中间的通道不必分开。如图2所示，各个导流板与封头内壁按焊接工艺施焊，确保焊缝质量，圆管与封头入口按焊接工艺施焊，确保焊缝质量。

本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种板式换热器康达导流封头，其特征在于：包括圆方过渡段与辐射导流段，圆方过渡段连接圆管与辐射导流段的入口面，辐射导流段包括封头外壳和多层康达导流板，辐射导流段分为两部分，第一段为对数曲线，第二段为抛物线，封头外壳与康达导流板的形状特点相同。

2.如权利要求1所述的板式换热器康达导流封头，其特征在于：圆方过渡段的圆截面与方截面具有相同的横截面积。

3.如权利要求1所述的板式换热器康达导流封头，其特征在于：康达导流板对数曲线和抛物线的曲率随换热器芯体通道截面积和圆管之比的增大而增大，随换热器芯体通道入口和圆管出口间距的增大而减小。

4.如权利要求1所述的板式换热器康达导流封头，其特征在于：导流板间的流通面积自辐射导流段入口面至换热器芯体逐渐扩大，抛物线段的末端与板式换热器芯体通道横截面垂直。

5.如权利要求1所述的板式换热器康达导流封头，其特征在于：圆管位于封头几何中心，距离圆管中轴线越近的导流板，其对数曲线与抛物线的曲率越小。

6.如权利要求1所述的板式换热器康达导流封头，其特征在于：圆管、圆方过渡段、多层康达导流板通过焊接方式连接，封头与板式换热器芯体可以通过焊接方式连接，或用法兰连接。

7.一种采用康达导流封头的板式换热器，包括入口导流封头、出口导流封头和换热器芯体，其特征在于：出口导流封头与入口导流封头关于换热器中心线对称，所述导流封头为权利要求1-6任一所述的康达导流封头。

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