CN116989599B - 一种采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换热器技术领域，提出了一种采用优化Weaire‑Phelan结构的多孔介质换热器，该换热器包括法兰、封头，壳体和芯体。芯体由间隔的冷流体通道和热流体通道组成，冷流体通道内插入错列翅片结构，热流体通道内插入优化的Weaire‑Phelan结构多孔介质。相邻的通道间采用隔板隔开并通过隔板进行热交换，冷流体通道和热流体通道进出口处采用封条阻隔，防止流体间的相互掺混。优化的Weaire‑Phelan结构多孔介质较传统的Weaire‑Phelan结构多孔介质在流动方向的阻力大幅降低，并保留了对流体的充分扰动作用。当采用优化的Weaire‑Phelan结构多孔介质换热器，可以在相同重量下减少流动阻力、提高换热效率，为高效低流阻多孔介质换热器设计提供了思路。
Description
技术领域
本发明属于换热器技术领域，涉及一种强化换热结构，特别是涉及一种采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器。
背景技术
换热器广泛应用于航空航天、汽车工程、化工制药、食品生产等行业。一些工程领域对换热器提出了轻量化、换热高、流阻低的要求。因此设计综合性能良好的紧凑式换热器对于满足行业需求有着重大意义。传统的紧凑式换热器大多使用板翅式换热器，但是其换热较低的问题亟待解决。Weaire-Phelan结构作为金属泡沫的理想替代结构，具有金属泡沫具有的质轻、比表面积大的特性。同时Weaire-Phelan结构在其他领域已被证明其良好力学结构特性。这种结构具有良好力学稳定性和轻量化。CN 217379961 U公开(公告)日2022.09.06，一种采用类Weaire-Phelan多面体结构芯材的防屈曲支撑，该结构具有自重轻、抗震性能优异的特点。
但由于Weaire-Phelan结构的孔隙结构复杂，流体在这种结构中流动压降大，所以在换热领域鲜有应用。本发明在Weaire-Phelan结构的基础上进行了优化，提出一种采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，减少流动方向的阻力，提升换热器的综合换热能力。
发明内容
本发明为解决Weaire-Phelan结构多孔介质换热器存在流动阻力大、综合换热能力低的问题，设计了的一种优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器。
本发明为解决此问题所采用的技术方案如下：
一种采用优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器，包括芯体、封头、法兰以及壳体，所述芯体包括冷流体通道和热流体通道，所述热流体通道垂直于热流体流动方向的截面为矩形，所述热流体通道内填充优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，所述优化的Weaire-Phelan结构胞体为在原始Weaire-Phelan结构胞体的基础上减少一组Weaire-Phelan胞体间连接杆；所述被减掉的一组Weaire-Phelan胞体间连接杆为在垂直于热流体流动方向的截面内且平行于截面长边的一组连接杆。
进一步地，换热器材质为高温合金、钛合金、铝合金的一种或几种的组合，其中优化Weaire-Phelan结构采用3D打印方式制造，各部件间连接方式为焊接。
进一步地，当所述热流体通道垂直于热流体流动方向的截面为正方形时，所述被减掉的一组Weaire-Phelan胞体间连接杆为在垂直于热流体流动方向的截面内且平行于任一截面边的一组连接杆。
进一步地，所述壳体内部包括填充的芯体、冷流体通道和热流体通道之间的隔板、壳体分别与冷流体通道和热流体通道之间的隔板以及换热器各流体通道入口端和出口端的封条；所述冷热流体采用叉流布置；所述法兰通过封头与壳体连接，所述法兰包括热流体通道进出口法兰和冷流体通道进出口法兰共四个。
进一步地，所述优化的Weaire-Phelan结构胞体尺寸为4～10mm，孔隙率为0.75～0.95。
进一步地，所述冷流体通道内填充错列翅片，所述错列翅片高度为2～10mm，错列长度为5～20mm，翅片厚度为0.5～2mm，翅间距为2～8mm。
进一步地，所述优化的Weaire-Phelan结构采用3D打印方式加工制造。所述冷流体通道内填充的错列翅片采用冲压成型的方式加工制造。所述换热器各部件连接方式为焊接。所述换热器材质包括高温合金、钛合金、铝合金中的一种或多种。
本发明的有益效果，采用本发明的优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，具有结构紧凑、轻质化、换热面积大、换热效率高等优点，尤其是优化Weaire-Phelan结构的应用，较之于传统Weaire-Phelan结构，在不减小换热面积的基础上，极大的减小了流动阻力，从而提高换热效率，为高效低流阻多孔介质换热器设计提供了思路。
附图说明
图1是本发明实施例采用优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器的主视图(剖面结构图)；
图2是本发明实施例采用优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器的左视图(剖面结构图)；
图3是本发明实施例采用优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器的俯视图；
图4是本发明对比例采用优化的Weaire-Phelan结构多孔介质换热器的主视图(剖面结构图)示意图；
图5是本发明优化的Weaire-Phelan结构图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为俯视图。
图6是Weaire-Phelan胞体单元结构，其中(a)是未优化结构胞体，(b)是优化结构胞体。由于胞体为对称结构，因此只在此标注单侧连接杆以作示意。
图中：1法兰；2封头；3壳体；4冷流体流道；5壳体与流道之间的隔板；6热流体通道；7冷、热流道间的隔板；8封条；9方向1连接杆；10方向2连接杆；11方向3连接杆。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例
下面根据本发明的结构图进行更细致的阐述。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例换热器由四个法兰1组成，分别位于冷、热流体出入口。法兰1分别与冷、热流体进出口的封头2相连，封头2与壳体3相连，壳体3和冷流体通道4以及热流体通道6之间通过隔板5相连。冷、热侧流体通道之间采用隔板7相连，冷热侧流体出入口采用封条8进行隔断。
所述的冷流体为水，热流体为空气，冷流体通道为错列翅片结构，热流体通道为优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，换热器的流动方式为叉流，冷热侧通道长度、高度、宽度相同。所述热流体通道垂直于热流体流动方向的截面为矩形，所述热流体通道内填充优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，所述优化的Weaire-Phelan结构胞体为在原始Weaire-Phelan结构胞体的基础上减少一组Weaire-Phelan胞体间连接杆；如图6(a)所示，原始Weaire-Phelan结构胞体在空间x、y、z方向上分别有连接杆结构，所述被减掉的一组Weaire-Phelan胞体间连接杆为在垂直于热流体流动方向的截面内且平行于截面长边的一组连接杆，如图6(b)所示。
错列翅片采用冲压成型的方式加工，优化的Weaire-Phelan结构采用3D打印的方式加工制造。换热器芯体材料以及换热器壳体材料都采用GH4169(一种高温合金)。
每个热流体通道填充的优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，其高度为10mm，长度和高度都为50mm，胞体大小为10mm，孔隙率为0.85；每个冷侧通道填充的错列翅片，其高度为10mm，长度和宽度都为50mm，翅间距为8mm，翅厚为2mm。错列长度为20mm。
换热器工作时，冷、热侧流体通过与换热器法兰连接的管路进入换热器封头，冷、热流体分别通过封头进入冷流体通道和热流体通道。由于冷、热通道出入口存在封条，所以不会发生冷、热流体的掺混。冷流体经过通道中的错列翅片结构、热流体经过通道中的优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，流体进入旺盛的湍流状态，极大的增强了扰动。冷、热流体进行了充分的热交换后，经过出口处的封头离开换热器。
对比例
在实施例1的基础上将热流体通道的优化Weaire-Phelan结构多孔介质替换为未优化的Weaire-Phelan结构多孔介质，图4所示。两种结构的孔隙率相同，都为0.85。
对实施例1优化的Weaire-Phelan结构多孔介质以及对比例未优化的Weaire-Phelan结构多孔介质分别进行流动换热实验，工质为空气。
实验结果表明，当底面加热热流密度为15000W/m2时，当来流速度为10m/s，13m/s，16m/s，19m/s，22m/s，25m/s时，优化Weaire-Phelan结构的压降分别比未优化的Weaire-Phelan结构降低了22.2％，21.9％，22.6％，23.5％，24％，23.9％；采用j/f作为换热结构的综合换热性能评价指标时，优化的Weaire-Phelan结构分别比未优化的Weaire-Phelan结构提升了19.3％，19.1％，19.0％，21.4％，20.0％，20.8％。
因此采用优化的Weaire-Phelan结构，大幅降低了流动阻力，从而提高了换热器的综合性能，为高流阻结构换热器设计提供了新思路。
Claims (10)
1.一种采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，包括芯体、封头、法兰以及壳体，所述芯体包括冷流体通道和热流体通道，其特征在于，所述热流体通道垂直于热流体流动方向的截面为矩形，所述热流体通道内填充优化的Weaire-Phelan结构的多孔介质，所述优化的Weaire-Phelan结构的胞体为在原始Weaire-Phelan结构胞体的基础上减少一组Weaire-Phelan胞体间连接杆；所述被减掉的一组Weaire-Phelan胞体间连接杆为在垂直于热流体流动方向的截面内且平行于截面长边的一组连接杆。
2.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，当所述热流体通道垂直于热流体流动方向的截面为正方形时，所述被减掉的一组Weaire-Phelan胞体间连接杆为在垂直于热流体流动方向的截面内且平行于任一截面边的一组连接杆。
3.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述壳体内部包括填充优化的Weaire-Phelan结构多孔介质的芯体、冷流体通道和热流体通道之间的隔板、壳体分别与冷流体通道和热流体通道之间的隔板以及换热器各流体通道入口端和出口端的封条；所述冷热流体采用叉流布置；所述法兰通过封头与壳体连接，所述法兰包括热流体通道进出口法兰和冷流体通道进出口法兰共四个。
4.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述优化的Weaire-Phelan结构胞体尺寸为4~10mm，孔隙率为0.75~0.95。
5.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述冷流体通道内填充错列翅片。
6.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述冷流体通道内填充错列翅片，所述错列翅片高度为2~10mm，错列长度为5~20mm，翅片厚度为0.5~2mm，翅间距为2~8mm。
7.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述优化的Weaire-Phelan结构多孔介质采用3D打印方式加工制造。
8.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述冷流体通道内填充的错列翅片采用冲压成型的方式加工制造。
9.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述换热器各部件连接方式为焊接。
10.根据权利要求1所述采用优化Weaire-Phelan结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述多孔介质换热器的材质包括高温合金、铝合金中的一种或多种。
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