CN1329708C - 一种协同式强化换热表面 - Google Patents
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Abstract
一种协同式强化换热表面，包括基板(1)和许多设置在基板上的翅片(2)，其特征在于：所述的翅片采用三维形式，由两个结构相同的侧面(3)和矩形的上端面(4)组成，侧面(3)为直角梯形结构，与基板相连的边为直角边；沿主流方向，上端面与基板之间有一小于90°的倾角β，在换热表面用于层流换热时为15～17°，用于紊流换热时为23～24°，翅片与基板之间形成局部渐缩通道。本发明是一种低泵功消耗、高换热系数的强化换热表面，它具有相对较高的投入产出比。应用此种表面制作换热器，在相同的流体质量流率条件下，传热量增加；传热量要求一定时，所需的流体流量可以减小，从而减小泵送功率的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种协同式强化换热表面，其技术内容属热能利用与动力工程技术领域。这种换热表面可具体应用到制冷及低温工程，化学工程，核反应堆热工，电子系统冷却及航空航天工程等领域。
背景技术
通道内流动换热是工程中常见的传热形式。为了提高热能的利用率，或为了提高热力机械的工作效率，传热过程往往需要强化。传统内流强化换热方法的突出问题是，流动泵送功率的高投入与强化换热效果的相对低产出之间的矛盾问题。衡量某种强化传热方法的优劣，不但要看其传热率提高的幅度，还要看是以多大的代价获得这种提高。“低投入、高产出”的结构是可取的，“高投入、低产出”的结构是不可取的。热工领域通常采用“相同泵功条件下的强化效果”来评价强化传热方法的优劣。其主旨思想是，在相同泵送功率的前提条件下，确定强化结构所能达到的换热率与无强化的对应光滑通道换热率相比的倍数。此倍数大于一，强化方法是可取的；小于一是不可取的。倍数愈大，强化效果愈好，愈有实用价值。
内流换热系统的强化，大多采用在通道内表面上设置扰流元的做法，如附图1所示。
这类扰流元或方形、或圆形，一般都沿垂直于主流方向上设置。其强化换热的思路是，利用扰流元周期性地破坏边界层，减小近壁处热阻，从而达到强化传热的目的。这种结构在换热强化的同时，会导致流动阻力大幅度增加，从节能的角度来说这是不利的。造成这种现象的根本原因，在于扰流元下游会自然地产生一个回流区，它既无谓地消耗流动功，增大阻力损失，又妨碍了主流流体与固体壁面之间的换热，因此从能量利用率的角度看，这种结构不是最优的。
发明内容
本发明的目的在于解决传统内流强化换热方法的突出问题，即流动泵送功率的高投入与强化换热效果的相对低产出之间的矛盾问题。
基于此目的，本发明提出了一种协同式强化换热表面，结构示意图参见附图2，新型结构中采用了倾斜翅片，以强迫流体在近壁区周期性的斜向冲击通道内表面，从而避免了在扰流元下游形成回流区。翅片既是通道壁的延展换热表面，又是流体折向壁面的折流元。翅片和壁面之间形成局部收缩通道，使得流速增加，有利于换热。实际中为了便于敷设，翅片采用三维形式。
本发明中的协同式强化换热表面的具体结构参见附图3、4、5，包括基板1和许多设置在基板1上的翅片2，其特征在于：所述的翅片2采用三维形式，由两个结构相同的侧面3和上端面4组成，侧面3为直角梯形结构，与基板相连的边为直角边；沿主流方向，上端面4与基板之间有一小于90°的倾角β，翅片2与基板1之间形成局部渐缩通道。
所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片2的两个侧面3互相平行，上端面4为矩形。
所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：上端面4与基板1之间的倾角β，在换热表面用于层流换热时为15～17°，在换热表面用于紊流换热时为23～24°。
所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片2与基板1之间的连接方式为钎焊。
所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片2采用铜或铝或其他导热性好的材料。
本发明是基于以下理论提出的：换热是指流体在流动过程中和固体表面之间所发生的热量交换过程。换热的强弱与流体流动状况有很大关系。一般而言，对于单相流动，光滑、平直通道中的换热最弱，射流冲击驻点附近的换热最强。强化换热理论认为，流体的速度矢量与流场中的温度梯度矢量之间的点积，是制约对流换热强弱的重要因素。这个点积愈大，换热就愈强。前述设置横向扰流元的方法，客观上也提高了场矢量的点积，只不过同时导致了扰流元下游贴壁处的涡流产生，这不是所希望的，因为这会使阻力增加。
本发明是一种低泵功消耗、高换热系数的强化换热表面，它具有相对较高的投入产出比。如果应用此种表面设计制作换热器，在相同的流体质量流率条件下，传热量会增加。换言之，传热量要求一定时，所需的流体流量可以减小，从而减小泵送功率的消耗。总之，此种换热表面有利于提高热能利用率，可广泛应用于存在流动换热的场合。
附图说明
图1设置扰流元的传统强化换热结构；
图2设置折流翅片的协同式强化换热结构示意图；
图3翅片布置方式；
图4协同式强化换热表面主视图；
图5三维翅片结构示意图；
图6协同式强化换热结构换热Nu数与相同泵功下光滑通道换热Nu数的比值(通道高度H为24mm)；
(a)层流工况， (b)紊流工况；
图7用于计算机模拟的一个通道周期(计算区域取其中一半)；
其中图1-5中，
1、基板，2、翅片，3、翅片侧面，4、翅片上端面，5、主流方向，6、扰流元。
具体实施方式
针对前述强化换热思路，对通道高度H＝24mm的情形进行了计算机模拟。模拟对象为周期性充分发展段的对流换热，模拟计算的区域见附图7。这种工况代表了内流换热的最不利部分。计算结果按照前述相同泵功条件进行强化效果评价，整理成强化通道换热Nu数与光滑通道Nu数之比值随流动Re数的变化曲线。翅片设置的中心线间距是：横向和纵向均为30mm。翅片宽度即两侧面之间的距离为20mm，沿流向长度为7mm。迎风面高度保持6mm不变，通过改变背风面高度h来改变翅片倾角β。所取h＝3，4，5，6mm对应的β角分别为23.2°、16.0°、8.1°和0°。图6所示分别为层流工况和紊流工况的强化效果，所对应的热边界条件有所不同，层流工况为恒壁温边界条件，紊流工况为恒热流边界条件。
图6所示的研究结果表明，新型结构的强化效果是很明显的，尤其是对层流工况，强化比在1.7～5.7，随Re数的增大而增大。紊流工况的变化规律与层流不同，强化比随Re数的增大而减小，最大值为1.9左右。Re数超过60000以后，小攻角的翅片结构会出现强化比小于一的情况，说明这种结构不太适用于Re数过高的紊流工况。
Claims (6)
1、一种协同式强化换热表面，包括基板(1)和许多设置在基板(1)上的翅片(2)，其特征在于：所述的翅片(2)采用三维形式，由两个结构相同的侧面(3)和上端面(4)组成，侧面(3)为直角梯形结构，与基板相连的边为直角边；沿主流方向，上端面(4)与基板(1)之间有一小于90°的倾角β，翅片(2)与基板(1)之间形成局部渐缩通道。
2、根据权利要求1所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片(2)的两个侧面(3)互相平行，上端面(4)为矩形。
3、根据权利要求1或2所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：上端面(4)与基板(1)之间的倾角β，在换热表面用于层流换热时为15～17°，在换热表面用于紊流换热时为23～24°。
4、根据权利要求1或2所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片(2)与基板(1)之间的连接方式为钎焊。
5、根据权利要求1所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：翅片(2)采用导热性好的材料。
6、根据权利要求5所述的一种协同式强化换热表面，其特征在于：导热性好的材料为铜或铝。
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