CN203980996U - 混沌流道及对应的隔板、翅片结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种混沌流道，包括有若干正交几何形状基本单元，组成一种新型传热流道，流体在流道中周期性地重复流过正交几何形状基本单元，形成混沌对流，从而获得更好的传热效果。本实用新型还提供了一种对应该混沌流道的隔板、翅片结构。在低雷诺数范围内，混沌流道构成的翅片的传热性能较锯齿翅片与平直翅片有较大的提高，且在雷诺数较小时，混沌翅片的摩擦因子与锯齿翅片相差较小。当雷诺数越小时，混沌翅片的综合性能也更加突出。对于一般流体，新型混沌板翅式换热器在低雷诺数下，均有着很好的热力性能。

Description

混沌流道及对应的隔板、翅片结构

技术领域

本实用新型涉及热交换领域，特别涉及一种基于新型传热方式的传热流道及对应的翅片、隔板结构。 

背景技术

能源、材料、信息是当代科学技术的三大支柱，能源的开发利用水平已成为衡量一个国家现代化水平的重要指标。能源是经济发展的基础，能源短缺以及由能源消费引起的环境问题是全球化的问题。初级能源消费中，80％要经历传热和换热设备，传热过程的效率显著影响各行业的能源使用效率。目前我国能源问题突出，能源短缺且能源结构很不合理；提高能源利用率、降低能耗，对国民经济发展和社会进步具有极其重要的意义。传热强化过程的研究与高效节能过程装备的开发是当今工程节能降耗的重要手段之一。由于传热技术和换热设备在现代化生产中具有明显的重要性，换热设备的技术性能影响到整个工艺装置的综合技术指标，设计新颖的换热设备，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。因而，换热设备传热技术的研究、开发和应用受到广泛的重视，换热设备新结构的开发对于发展国民经济的意义是十分重要的。由于湍流会造成较大的边界剪切力，而一些在流动与传热过程比较敏感的生物、化学或食品行业中的流体，由于含有容易被较大剪切力破坏的长分子链结构，根据工艺要求，一般在低流速情况下混合或加热。而且许多的紧凑式换热器，由于具有很高的传热面积密度，为了追求较大的经济性，一般要求流体在低流速下运行。实用新型所在的研发团队于2006年申请的专利号为200610128281.4的“混沌翅片及包括该翅片的板翅式换热器”实用新型专利提出了能够发生混沌流的流道具有较好的热力性能。同时，随着相关科学技术的发展与应用，各种紧凑式换热器的竞争力不断上升，板翅式换热器已成为工程领域青睐的一种换热设备。探索新型结构在板翅式换热器中应用，可以促进板翅式换热器的发展。随着对许多产品质量要求的提高，以及聚合物加工中混合的重要性增加，也需要发展在低雷诺数下运行的静态混合器。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是在此研发的基础上提出一种混沌流道，该混沌流道在低雷诺数下，有着很好的热力性能，本实用新型还提供了一种对应该混沌流道的隔板、翅片结构。 

本实用新型所采取的技术方案是： 

一种混沌流道，包括有若干正交几何形状基本单元，组成一种新型传热流道，流体在流道中周期性地重复流过正交几何形状基本单元，形成混沌对流，从而获得更好的传热效果。这种结构既能单独作为层流状态下的强化传热流道，也方便应用于紧凑式换热器中。

混沌流道由能够达到混沌对流的正交几何形状基本单元依次连接而成。 

几何形状基本单元可以为正弦、余弦波纹状或三角形、梯形、半圆形、椭圆形、半菱形等及其它不规则形状，尤以正交余弦波纹状效果最佳。 

正交余弦波纹状基本单元的流道内的前半部分，上下面为相同的两个波纹面，左右两个面为平面；后半部分中，左右两个面为相同的两个波纹面，上面两个面为平面。 

为制造方便，前后两部分中的波纹面的波纹形式一样。 

为制造方便，正交余弦波纹状基本单元的截面呈长方形。 

为实现具有正交波纹的混沌流道的紧凑型换热器，需要采用对应形式的隔板和翅片形式 

对应正交余弦波纹状基本单元的隔板沿流体流动方向上对应由直段和波纹交替组合形成。

翅片的形式与隔板稍微有所不同，在流体流动方向上也由直段和波纹交替组合形成，为了形成正交波纹型式且与隔板相配合，直段的里外侧具有波纹形式，波纹段则在里外侧是直段形式。 

在正交波纹的流道内，流体在沿流动方向的横截面上的速度分布，随其几何位置的不同发生着明显的变化。但在普通直流道内，速度成抛物线形状分布。且可以根据工况要求，对结构参数进行变化，从而产生不同的流体流动、传热与混合特性。设波纹高度为2a，长度为l，流道截面的宽和高分别为w，h。受流道的影响和流体黏性力的作用，流道参数波纹高度与长度之比a/l值和波纹高度与流道截面宽度或高度之比a/w或a/h值，对流道内流线的分布有较大的影响。a/l值较小时，即波纹的波长相对较长，波纹高度相对较小，流纹对流体的扰动就较小，流体在流动中的黏性力影响较大，流体流线随流体在流道的位置变化而变化的程度相对较小。当a/l值较大时，波纹的波长相对较短，波高相对较大，流体的黏性力影响较小，流道中波纹对流体的扰动相对较大，流体在流道中受的径向力会较大，而且随流体在几何位置的不同，其受力大小也不同，流线在流道中的变化较。当a/l值相当适中时，波纹的几何形状与流体的黏性力均对流体的流动影响相当，流体流线随流体在流道中几何位置变化而变化的同时，流线间的相对位置变化也比较显著。 

除a/l值外，波纹高度与流道截面宽度或高度之比a/w或a/h值也对流道内流体流线有着较大的影响。在保持其它参数不变的情况下，随着a/w或a/h的增大，波纹形状对流线的相对影响就随之增大。对于流道内的流体流动，当a/l值较小时，流体在流动中的黏性力影响较大，不但流体流线随其在流道的位置变化而变化的程度相对较小，而且流体的高速区域均分布在流道中心处，并不会随着流动发生较大的变化，流体在流道中的摆动较小，强化传热与混沌的效果较小；当a/l值较大时，不论流体流道中波纹对流体的扰动较大，还是波纹的几何形状与流体的黏性力均对流体的流动有较大影响，流体流线在随流道几何变化、流线间的相对位置变化也比较显著的同时，其最大速度的分布区域在横截面中的位置也会发生明显的变化。对于流道内的温度分布，当a/l值较小时，流体在流动中的受到黏性力影响较大，流线在流道中的摆动较小，不仅流体的高速区域均分布在流道中心处，流体的低温区域也几乎分布在流道的中心，随着流动发生较大的变化程度较小；靠近壁面的热流体与流道中心处的冷流体的换热过程，与其它流道中相比，热传导的作用相对较大。当a/l值较大时，流体流线在其在流道中的几何位置变化发生着比较显著的变化，温度的分布区域在横截面中的位置也随之变化较大；在横截面上的较大的流体对流加速了流道中心低温流体与靠近壁面的高温流体的热量交换，有利于传热。 

本实用新型能够达到的有益效果是： 

在低雷诺数范围内，混沌流道构成的翅片的传热性能较锯齿翅片与平直翅片有较大的提高，且在雷诺数较小时，混沌翅片的摩擦因子与锯齿翅片相差较小。当雷诺数越小时，混沌翅片的综合性能也更加突出。对于一般流体，新型混沌板翅式换热器在低雷诺数下，均有着很好的热力性能。

附图说明

图1为本实用新型具有正交波纹的混沌单元结构示意图（a为正视图，b为俯视图，c为立体图）。 

图2为本实用新型具有正交波纹混沌流道的结构示意图。 

图3为本实用新型采用新流道而成的板翅式换热器芯体示意图。 

图4为本实用新型的隔板示意图。 

图5为本实用新型的翅片示意图（a为正视图，b为俯视图）。 

图6  10个周期结构内的两条流体流线图。 

图7  入口面中心线上均布粒子的映射。 

图8 不同几何结构内的流体速度分布。 

图9翅片性能曲线。 

图10 表一内容。 

图11 表二内容。 

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：如图1、2、3、4、5所述的混沌流道及对应的隔板、翅片结构，包括有若干正交几何形状基本单元，组成一种新型传热流道，流体在流道中周期性地重复流过正交几何形状基本单元，形成混沌对流，从而获得更好的传热效果。这种结构既能单独作为层流状态下的强化传热流道，也方便应用于紧凑式换热器中，该混沌流道由能够达到混沌对流的10个正交余弦波纹状基本单元依次连接而成。几何形状基本单元也可以为正弦、余弦波纹状或三角形、梯形、半圆形、椭圆形、半菱形等及其它不规则形状，尤以正交余弦波纹状效果最佳。正交余弦波纹状基本单元的流道内的前半部分，上下面为相同的两个波纹面，左右两个面为平面；后半部分中，左右两个面为相同的两个波纹面，上面两个面为平面。为制造方便，前后两部分中的波纹面的波纹形式一样，正交余弦波纹状基本单元的截面呈长方形。为实现具有正交波纹的混沌流道，需要采用对应形式的隔板和翅片形式；

对应正交余弦波纹状基本单元的隔板沿流体流动方向上对应正交波纹状基本单元对应由直段和波纹交叉组合形成；翅片的形式与隔板稍微有所不同，在流体流动方向上也由直段和波纹交替组合形成，为了形成正交波纹型式且与隔板相配合，直段的里外侧具有波纹形式，波纹段则在里外侧是直段形式。

上述10个正交余弦波纹状基本单元混沌流道及对应的隔板、翅片结构所组成各换热部件的实验数据及结论如下。 

流动分析

在Re=300时，在10个周期研究结构内，流道入口面上相邻两点在流道中形成的流线如图6所示。可以看出，流体在进入混沌流道内，受到了较大程度的拉伸与折叠作用。

当截面高宽比h/w为1，即截面形状为5mm×5mm的正方形时，在入口面中心线上均布的5000个粒子，经过数个周期后的映射如图所示。 

由于流道内边界的几何布置的影响，流体在沿主流方向运动的过程中，在横截面内产生的横向速度分量较大。从第一个几何单元入口面中心线上出发的所有脉线被迅速分离，在经过多个混沌对流单元的作用后，在横截面上的映射被迅速拉伸，各相邻点间长度增加，然后被折叠在一起。从不同几何周期出口面上的粒子分布可以看出，原中心线上各流体物质点之间的相对速度较大，且在不同的几何位置处速度的大小与方向各不相同，使得相邻位置的流体质点可以被迅速地分离开，从而使得它们之间原本有序、相关的排放位置变得杂乱无章。经过5个周期后，这些空间点的映射几乎均匀地遍布流道的整个横截面。 

流道内的流动分布如图8所示： 

从图中流体沿流动方向横截面上的分布并结合传热机理可以得出，流体流线在流道中的几何位置变化发生着比较显著的变化，温度的分布区域在横截面中的位置也随之变化较大；在横截面上的较大的流体对流加速了流道中心低温流体与靠近壁面的高温流体的热量交换，有利于传热。

传热分析

正交波纹流道采用具有较大热导率的紫铜板材加工，由分别加工而成的四个壁面焊接而成。在实验中所得的结果如表1所示。

混合分析

标准差是一个概率统计中的概念，在误差分析中有厂泛的应用，对于混合可以借用标准差，来衡量流体介质分布的均匀程度，作为衡量混合性能的一个指标。混合越均匀，标准差就会趋向于零，相反，如果混合效果越差，则标准差的值就会越大。

作为衡量混合均匀程度的标准差可以表示为： 

                                            

式中，M _i 为选定截面内的节点上流体A的质量百分数；V _i 为节点所在单元的体积；N为选定截面上的单元数；为浓度的平均值，其定义值如下：

                                                

根据计算中设定的混合初值，混合均匀程度的标准差σ在0~0.5范围内变化，若两种流体完全混合，则可得到：σ＝0，若两种流体完全不混合，则有σ＝0.5。混合均匀程度的标准差σ值越小表示混合越均匀、充分。在任一流道中，由于分子扩散始终存在，且伴随流体流动，随着流体运动，表示混合均匀程度σ值总是在减小，只是在由于流道的不同造成变化率不同。

在此，利用上文中混合均匀程度标准差的定义，计算上述两种流道内，沿流动方向各截面上的标准差σ值，分析研究雷诺数和结构参数对混合性能的影响，以此来定量评流道混合性能。设流动截面5×5mm和5×10mm的混沌流道分别为模型1与模型2，为进一步对比混沌元件的混合性能，根据所得结果，又建立了一个流动截面5×5mm的平直方管模型，采用同样的进出口条件及边界条件，设为模型3。三种模型中，沿流动方向各截面上的混合标准差σ值分布如表2所示。 

通过这种定量的分析，可以清楚地得到在相同雷诺数时，截面为正方形的混沌流道混合效果较截面为长方形的流道好；对于同种结构，在雷诺数较大时，对流体的混合效果较好。对于普通的平直流道，在所研究的雷诺数下，则对两种流体几乎没有混合作用。 

综合前述的流动与扩散性研究，并结合混合机理，可以得出混沌流道中，当雷诺数较大，雷诺数较大时，在各截面上有相对较大的横向速度分量，流道内物质面和物质线被拉伸与折叠的程度较大，物质线或物质面上的粒子位置随流体流动的变化很大，可以较快地分布于整个流道内，因此，混合效果就较好。 

假设入口面上两种流体具有不同的初始温度，借助两种流体间的混合，具有不同流体间的热量可以得到传递，在各个小空间上两种混合越好，表明不同流体间接触的越好，可以形成具有温差的区域就越多，热量传递的机会就会越多，宏观上的传热效果就越好。将混合效果与传热性能相对比，可以发现，混合效果的优劣与得到传热效果的强弱关系完全一致。 

采用本流道板翅式换热器的热力性能分析

为直观地对采用混沌对流结构的新型板翅式换热器的热力性能评价，在低雷诺数范围下，以截面高宽比h/w为2时，在流体Pr数为1时，混沌翅片、锯齿翅片与平直翅片的传热因子与摩擦因子如下图9所示。

由图10中结果可知，在低雷诺数范围内，混沌翅片的传热性能较锯齿翅片与平直翅片有较大的提高，且在雷诺数较小时，混沌翅片的摩擦因子与锯齿翅片相差较小。当雷诺数越小时，混沌翅片的综合性能也更加突出。 

Claims (8)

1.一种混沌流道，其特征在于：包括有若干正交几何形状基本单元，组成一种新型传热流道，流体在流道中周期性地重复流过正交几何形状基本单元，形成混沌对流。

2.如权利要求1所述的混沌流道，其特征在于：混沌流道由能够达到混沌对流的正交几何形状基本单元依次连接而成。

3.如权利要求1或2所述的混沌流道，其特征在于：几何形状基本单元为正弦、余弦波纹状或三角形、梯形、半圆形、椭圆形、半菱形形状。

4.如权利要求3所述的混沌流道，其特征在于：正交余弦波纹状基本单元的流道内的前半部分，上下面为相同的两个波纹面，左右两个面为平面；后半部分中，左右两个面为相同的两个波纹面，上面两个面为平面。

5.如权利要求4所述的混沌流道，其特征在于：前后两部分中的波纹面的波纹形式一样。

6.如权利要求5所述的混沌流道，其特征在于：正交余弦波纹状基本单元的截面呈长方形。

7.如权利要求3～6任一所述的混沌流道对应的隔板，其特征在于：对应正交余弦波纹状基本单元的隔板沿流体流动方向上对应由直段和波纹交替组合形成。

8.如权利要求3～6任一所述的混沌流道对应的翅片结构，其特征在于：翅片的形式与隔板稍微有所不同，在流体流动方向上也由直段和波纹交替组合形成，为了形成正交波纹型式且与隔板相配合，直段的里外侧具有波纹形式，波纹段则在里外侧是直段形式。