CN116294703A - 一种翅片管式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管式换热器技术领域，尤其是涉及一种翅片管式换热器。包括若干个垂直排列的散热翅片，所述散热翅片上设有若干根翼型管，所述翼型管贯穿所有所述散热翅片；所述翼型管沿气流方向设置若干行，每行所述翼型管的尖端朝向与气流方向一致，每行相邻的两个所述翼型管之间的距离相同，相邻的两行所述翼型管交错设置。该翅片管式散热器减少了流动过程中的涡流与回流情况，降低了阻力系数和管后回流区的大小，由于翼型管独特的结构特征及翼型管之间交错的排列方式，主流与散热翅片和管表面有更充分的接触，强化了管和主流之间的换热，增大了换热器整体换热量，相较于传统翅片显著提升了换热性能。
Description
技术领域
本发明涉及管式换热器技术领域，尤其是涉及一种翅片管式换热器。
背景技术
翅片管式热交换器是最常用的热交换器之一，它由于制造简单，适应性强等特点被应用于各种工业领域，如空调系统、制冷、汽车散热器、发电厂、航空航天等。现如今，翅片管式换热器的发展已进入高能效、小型化、低资源消耗的时代，这要求换热器在提高换热效率的同时降低流动阻力。对于翅片管式换热器而言，由于空气较差的热物理特性，空气侧的综合换热性能通常占据了整体性能的主体地位。因此改善翅片管式换热器空气侧的综合换热性一直是该领域内研究的重点。
翅片管式换热器的管型是影响换热器空气侧换热特性和阻力特性的重要因素，传统的管型结构通常为圆形和椭圆形。研究表明，来流空气流经圆管后会产生流动分离，并在圆管后形成较大面积的回流区，在回流区内所形成横向涡流会将高热量的空气困在该区域内并与主流区的冷空气隔离，这会导致较高的热阻和流阻从而不利于换热器综合换热性能的提升。虽然椭圆管相较于圆管能明显较少流动阻力，但于此同时也会降低换热量。
鉴于上述问题，需要一种能够提升换热性能的同时减少流动阻力的新型翅片管式换热器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种翅片管式换热器，该换热器能够在提升换热性能的同时减少流动阻力。
本发明提供一种翅片管式换热器，包括若干个垂直排列的散热翅片，所述散热翅片上设有若干根翼型管，所述翼型管贯穿所有所述散热翅片，所述翼型管沿气流方向设置若干行，每行所述翼型管的尖端朝向与气流方向一致，每行相邻的两个所述翼型管之间的距离相同，相邻的两行所述翼型管交错设置。
进一步地，所述翼型管的内壁横截面形状弦线长为17-21mm。
进一步地，所述翼型管的内壁横截面形状弦线长为19mm，最大厚度为弦长的35.7％，位于弦长的22.8％处。
进一步地，每行相邻的两根所述翼型管的前缘之间的水平距离为36mm。
进一步地，相邻的两行所述翼型管的中心线的垂直距离为12.7mm。
进一步地，每行所述翼型管的数量相同。
进一步地，相邻的两行所述翼型管的交错距离为18mm。
进一步地，所述翼型管的管壁厚度为0.4mm。
进一步地，所述散热翅片的厚度为0.4mm。
进一步地，所述翼型管的材质采用铝。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提供的技术方案设置的翼型管与传统圆管或椭圆相比，减少了流动过程中的涡流与回流情况，降低了阻力系数和管后回流区的大小，使得翅片翼型管式换热器的流动阻力远远低于传统的翅片管式管热器；设置的多行翼型管及翼型管之间交错的排列方式，主流与散热翅片和管表面有更充分的接触，强化了管和主流之间的换热，增大了换热器整体的换热量，显著提升了换热性能。
本发明提供的翅片管式换热器在增强换热性能的同时显著减少了压力损失，具有更综合的换热性能，可通过减少换热器总体体积、降低翅片重量、降低材料成本的同时节约空间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中翅片管式换热器的结构示意图；
图2为本发明实施例中翅片管式换热器的俯视图；
图3为本发明实施例中翼型管的结构示意图；
图4为现有技术中翅片圆管式换热器在3.75m/s入口风速下的流场分布特征示意图；
图5为本发明实施例中翅片管式换热器在3.75m/s入口风速下的流场分布特征示意图；
图6为现有技术中翅片圆管式换热器在3.75m/s入口风速下的温度分布特征示意图；
图7为本发明实施例中翅片翼型管式换热器在3.75m/s入口风速下的温度分布特征示意图。
附图标记说明：1-翼型管、2-散热翅片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种翅片管式换热器，如图1和图2所示。
包括若干个垂直排列的散热翅片2，散热翅片2上设有若干根翼型管1，翼型管1贯穿所有散热翅片2；翼型管1沿气流方向设置若干行，每行翼型管1的尖端朝向与气流方向一致，每行翼型管1的数量、大小、形状及间隔距离均相同，相邻的两行翼型管1交错设置。本实施例中翼型管1的材质采用金属铝制成。
翼型管1内壁横截面形状弦线长Lc为17-21mm，最优选择为19mm。本实施例中翼型管1内壁横截面形状弦线长Lc为19mm，最大厚度为弦长的35.7％，位于弦长的22.8％处，如图3所示。为了控制变量，保证翼型管和传统的翅片圆管换热器的圆管具有相同的横截面积，翼型弦线长度选取19mm。此翼形型线具有宽前缘及窄后缘的特点，在保持前缘迎风向有足够的对流换热面积的同时保证减少尾流区域的面积。管后的回流区大小明显减少，增加了有效的空气流通区域面积，大幅度减少流动阻力，总压力损失大大减少。此外，通过交错布置翼型管，流体流动时受到扰动，破坏管后热边界层的发展，提升主流空气与翼型管之间的有效接触面积，相较于传统的翅片圆管或椭圆管式换热器综合换热性能显著提升。
本实施例中设置6行，每行设置3根翼型管1。每行相邻的两根翼型管1前缘之间的水平距离为36mm(即图2中的St)；相邻的两行翼型管1的中心线的垂直距离为12.7mm(即图2中的S1)；相邻两行的交错距离为18mm，也就是每行的第一根翼型管1的前缘之间的水平距离为18mm(即图2中的L)。若设置的间隔距离小于上述设置距离，换热性能会提升，但同时会造成压力损失。
本实施例中散热翅片2的厚度为0.4mm，翼型管1的管壁厚度为0.4mm。散热翅片2的整体长度及间隔距离、每行翼型管1的数量及行数可以根据与所需的工况设置，翼型管1的两边区域需要流出相应的空间用于空气的流入和流出。
下面通过数值模拟证明上述翅片管式换热器的效果，采用ANSYS FLUENT软件对本发明实施例和传统圆管流动换热性能进行数值计算。根据翅片管式换热器结构的对称性和周期性，取图2中的虚线部分为模拟单元进行数值计算。计算条件为：空气的入口流速为3.75m/s，进口温度为303.15K，管内壁面设置为等壁温条件323.15K，且各壁面均设置无滑移条件。通过有限体积法对控制方程进行离散并采用稳态、常物性的SST k-ω湍流模型进行模拟计算。采用速度入口和压力出口条件，压力与速度的耦合采用Coupled算法并采用二阶迎风离散格式。当各项计算的残差低于10-6时，认为数值计算结果收敛。
图4展示出了现有技术中翅片圆管式换热器在3.75m/s入口风速下的流场特征示意图，图5展示出了本实施例中的翅片管式换热器在3.75m/s入口风速下的流场特征示意图。对比可以看出，圆管通道后部的回流区域面积非常大，管后缘区域产生边界层分离，流体区域被分割为流向出口的主流区和横向涡流占据主体的回流区，回流区内空气流速远小于主流从而产生较大的压力损失。对比图4和图5可以明显看出，翼型管换热通道的回流区域远小于圆形管换热通道，从而能大幅减少流动阻力。
图6展示了现有技术中翅片圆管式换热器在3.75m/s入口风速下的温度分布特征示意图，图7展示出了本实施例中翅片管式换热器在3.75m/s入口风速的温度分布特征示意图。对比图6和图7可以看出，本发明中的翼型管相较于圆管明显减少管后形成的热边界层厚度，温度分布更具有均匀性从而提升整体换热性能。
通过提取计算区域的速度场与温度场，计算出不同管形状下换热器中流体出入口之间的温度差与压力差，即可获得换热器整体热效率对比情况。结果表明相较于传统翅片圆管式换热器，本实施例所运用的翼型管努塞尔数提升了7.85％，流动阻力下降了45.4％，此外本实施例的翼型管相较于圆管具有更好的紧凑性。
综上所述，本发明提供的新型翅片管式换热器实现了综合热力性能的显著提升，可通过减少换热器体积、降低翅片重量、降低翅片材料成本的同时节约空间。
公开号为CN105758243A和CN214537520U的中国专利文件中均公开了一种水滴型翅片管，本发明提供的翅片管式换热器中的翼型管比水滴型管相比：翼型管的流阻表现更好，翼型管的最大厚度位置比水滴型靠近后缘，且前缘半径比水滴型管小，上表面比水滴型管更加平坦，能使翼型管表面尽可能保持层流流动，从而可减少摩擦阻力。
其中公开号为CN 105758243 A的专利文件中公开的水滴型管的换热系数的衰减约为同等布置形式圆型管换热性能的10％。而通过数值模拟计算的结果显示，本发明所提出的翼型管相较于圆管在换热性能上是有小幅度提升的(努塞尔数提升了7.85％)，故本发明提供的翼型管比水滴型管的换热性更好。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种翅片管式换热器，其特征在于，包括若干个垂直排列的散热翅片(2)，所述散热翅片(2)上设有若干根翼型管(1)，所述翼型管(1)贯穿所有所述散热翅片(2)；所述翼型管(1)沿气流方向设置若干行，每行所述翼型管(1)的尖端朝向与气流方向一致，每行相邻的两个所述翼型管(1)之间的距离相同，相邻的两行所述翼型管(1)交错设置。
2.根据权利要求1所述的翅片管式换热器，其特征在于，所述翼型管(1)的内壁横截面形状弦线长为17-21mm。
3.根据权利要求2所述的翅片管式换热器，其特征在于，所述翼型管(1)的内壁横截面形状弦线长为19mm，最大厚度为弦长的35.7％，位于弦长的22.8％处。
4.根据权利要求1所述的翅片管式换热器，其特征在于，每行相邻的两根所述翼型管(1)的前缘之间的水平距离为36mm。
5.根据权利要求4所述的翅片管式换热器，其特征在于，相邻的两行所述翼型管(1)的中心线的垂直距离为12.7mm。
6.根据权利要求5所述的翅片管式换热器，其特征在于，每行所述翼型管(1)的数量相同。
7.根据权利要求6所述的翅片管式换热器，其特征在于，相邻的两行所述翼型管(1)的交错距离为18mm。
8.根据权利要求1所述的翅片管式换热器，其特征在于，所述翼型管(1)的管壁厚度为0.4mm。
9.根据权利要求1所述的翅片管式换热器，其特征在于，所述散热翅片(2)的厚度为0.4mm。
10.根据权利要求1所述的翅片管式换热器，其特征在于，所述翼型管(1)的材质采用铝。
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2023
- 2023-03-16 CN CN202310265068.1A patent/CN116294703A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117628946B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-05 | 中国核动力研究设计院 | 一种换热器及换热系统 |
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