CN212109660U - 一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及换热器技术领域，具体为一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器。包括沿来流方向排列的圆管和套装在所述圆管上的翅片，所述翅片设有用于套装圆管的圆孔，所述圆孔后部冲压出一对三角形翼的涡产生器，并在所述翅片上留有一对三角形孔，所述涡产生器的尾部底端设有缺口，所述涡产生器可在有来流的情况下振动；还包括能够向后方提供周期性速度变化的来流的变流速机构，所述变流速机构包括流体通道和设置于所述流体通道内部可以翻转的翻转片。本实用新型能够周期性速度变化的来流，提升换热效率的同时没有显著增加气体的流动阻力，具有结构简单、冲压模具简单、制造成本低廉的特点。

Description

一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器

技术领域

本实用新型涉及换热器技术领域，具体为一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器。

背景技术

圆管管翅换热器，作为一种结构简单、性能优良的散热器，在飞机、汽车、火车、空调设备上都有很广泛的应用。理论上，增大换热系数较小一侧流体的换热系数相对于同等幅度增强换热系数较大一侧流体的换热系数导致的强化换热的效果更好。现阶段，在对圆管管翅换热器的研究中，部分学者诱导管内流体振动，以强化换热。众所周知，相对水等液体而言，空气的对流换热系数很小。因此，利用振动产生涡流，能够提升管翅换热器的局部换热系数，以增强换热器的换热效率，但对于直接利用气侧流体能量诱导振动以强化换热的研究仍然比较少见。

实践证明，圆管换热器气侧热阻一般占总热阻的90％以上，改变翅片的形式，可强化翅片表面换热性能，现有的翅片形式有波纹翅片、开缝翅片、百叶窗翅片、涡产生器式及组合型等翅片形式。为进一步提升换热性能，可以考虑新的翅片的形式。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，能够周期性提供来流，提升换热效率的同时没有显著增加气体的流动阻力，具有结构简单、冲压模具简单、制造成本低廉的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，包括沿来流方向排列的圆管和套装在所述圆管上的翅片，所述翅片设有用于套装圆管的圆孔，所述圆孔后部冲压出一对三角形翼的涡产生器，并在所述翅片上留有一对三角形孔，所述涡产生器的尾部底端设有缺口，所述涡产生器可在有来流的情况下振动；

还包括变流速机构，所述变流速机构包括流体通道和设置于所述流体通道内部可以翻转的翻转片，所述流体通道由位于翅片之间的隔板组成，多个隔板将翅片之间的区域划分为多个所述流体通道，所述翻转片位于所述流体通道前部，所述圆管及圆管后方的一对涡产生器位于所述流体通道后部，当有来流时翻转片可以翻转并周期性给到后方速度变化的来流。来流先经过变流速机构，圆片会在压力差和冲击力的综合作用下开始偏转，又因其自身具有惯性，会偏过平衡位置持续偏转，持续改变流体通道后方的流体流速。

进一步的，所述流体通道的通道壁对称设有两个小孔，所述翻转片为圆片和贯穿圆片圆心的翻转轴组成，所述翻转轴两端穿过小孔可在小孔内部旋转从而带动圆片旋转，所述翻转轴位于所述流体通道外的部分的直径大于所述小孔的直径。

进一步的，所述圆片和所述翻转轴一体成形。使用前预先拨动翻转片，使其与来流方向的夹角不为90°或0°，可使翻转轴旋转顺利。

进一步的，所述缺口高度为所述涡产生器高度的0.2-0.4倍，所述缺口长度为所述涡产生器底边长度的0.4-0.6倍。经过实验，通过对缺口大小设置，使得涡产生器活动范围更大，涡产生器更加容易振动，从而大大提高二次流的强度，换热效果更好。

进一步的，所述涡产生器沿来流方向在所述圆管两侧对称布置，所述涡产生器底边到所述圆孔圆心的垂线与来流方向之间夹角θ为110-140度，所述涡产生器高度为翅片间距的0.6-0.8倍。由于与来流方向有一定夹角，能加剧涡产生器振动。

进一步的，所述涡产生器的底边长度与涡产生器高度之比为1.5-2.5，所述涡产生器底边到圆孔圆心的垂直距离与圆孔半径之比为1.15-1.35。

进一步的，所述圆管的排列方式包括顺排或叉排排布。使得涡产生器的排列为顺排或叉排，所述涡产生器可采用不同排布方式，可以参与强化换热过程。顺排排布对气体流动阻力较低，但对于换热壁面的冲击不够，采用叉排排布对气体流动阻力较高，可以提高对换热壁面的冲击。

进一步的，所述涡产生器的材质为铝或铜。该材料常用，易于生产制造。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用新型的可摆动的涡产生器，利用来流的能量使涡产生器尾部振动，在保留涡产生器强化换热的优点的基础上，进一步增强圆管管式换热器的换热性能，换热效率高。涡产生器可以在翅片间的流道内产生纵向涡，对壁面边界层产生了扰动，减小了圆柱尾流区，有均匀来流时，涡产生器会发生振动，然后逐渐稳定并偏向压强更小的一侧，涡产生器由平面变为曲面，产生的二次流强度也会提升；在来流不均匀的情况下，涡产生器产生振动会加强，强化了在圆管尾部的二次流强度，同时大大增强对于壁面、圆管所产生的扰动，在流动阻力没有显著提升的情况下，进一步提升换热效率。

2、通过设置变流速机构，来流先经过变流速机构，圆片会在压力差和冲击力的综合作用下开始偏转，又因其自身具有惯性，会偏过平衡位置持续偏转，持续改变流体通道后方的流体流速。具体地，变流速机构可使截面上的流体速度周期变化，从而得到非稳定来流。由于在流动稳定时，涡产生器自身弹性和涡产生器前后压差平衡，涡产生器可以保持一定的弯曲度，进而趋于稳定状态，振动效果不佳。通过设置变流速机构，使得来流不稳定，可以提高涡产生器尾部在流体冲击力和自身弹性的作用下的振动效果。

3、本实用新型制造过程简便，只需简单的冲压、翻折工序即可完成对翅片的加工，冲压模具制造比较简单，套装圆管的操作与常规加工方法一致，在同等换热需求的情况下，可以减小换热器的体积。

附图说明

图1为本实用新型一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器中没有安装变流速机构的结构示意图；

图2为本实用新型一种带非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器中没有安装变流速机构的俯视图；

图3为本实用新型变流速机构的结构示意图；

图4为本实用新型一种带非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器的结构示意图。

其中：1、翅片；2、圆管；101、圆孔；3、涡产生器；4、三角形孔；301、缺口；5、变流速机构；6、流体通道；7、圆片、8翻转轴。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，包括沿来流方向排列的圆管2和套装在所述圆管2上的翅片1，所述翅片 1设有用于套装圆管2的圆孔101，所述圆孔101后部冲压出一对三角形翼的涡产生器3，并在所述翅片1上留有一对三角形孔4，所述涡产生器3的尾部底端设有缺口301，所述涡产生器3可在有来流的情况下振动；

还包括变流速机构5，所述变流速机构5包括流体通道6和设置于所述流体通道6内部可以翻转的翻转片，所述流体通道6由位于翅片1之间的隔板组成，多个隔板将翅片1之间的区域划分为多个所述流体通道6，所述翻转片位于所述流体通道6前部，所述圆管2及圆管2后方的一对涡产生器3位于所述流体通道6后部，当有来流时翻转片可以翻转并周期性给到后方速度变化的来流。来流先经过变流速机构5，圆片7会在压力差和冲击力的综合作用下开始偏转，又因其自身具有惯性，会偏过平衡位置持续偏转，持续改变流体通道6后方的流体流速。

在一优选方案中，所述流体通道6的通道壁对称设有两个小孔，所述翻转片为圆片7和贯穿圆片7圆心的翻转轴8组成，所述翻转轴8两端穿过小孔可在小孔内部旋转从而带动圆片7旋转，所述翻转轴8位于所述流体通道6 外的部分的直径大于所述小孔的直径。

在一优选方案中，所述圆片7和所述翻转轴8一体成形。使用前预先拨动翻转片，使其与来流方向的夹角不为90°或0°，可使翻转轴旋转顺利。

在一优选方案中，所述缺口301高度为所述涡产生器3高度的0.2-0.4 倍，所述缺口301长度为所述涡产生器3底边长度的0.4-0.6倍。经过实验，通过对缺口301大小设置，使得涡产生器3活动范围更大，涡产生器3更加容易振动，从而大大提高二次流的强度，换热效果更好。

在一优选方案中，所述涡产生器3沿来流方向在所述圆管2两侧对称布置，所述涡产生器3底边到所述圆孔101圆心的垂线与来流方向之间夹角θ为125度，所述涡产生器3高度为翅片1间距的0.6-0.8倍。由于与来流方向有一定夹角，能加剧涡产生器3振动。

在一优选方案中，所述涡产生器3的底边长度与涡产生器3高度之比为 1.5-2.5，所述涡产生器3底边到圆孔101圆心的垂直距离与圆孔101半径之比为1.15-1.35。

在一优选方案中，所述圆管2的排列方式包括顺排或叉排排布。使得其后方的涡产生器3的排列为顺排或叉排，所述涡产生器3可采用不同排布方式，可以参与强化换热过程。顺排排布对气体流动阻力较低，但对于换热壁面的冲击不够，采用叉排排布对气体流动阻力较高，可以提高对换热壁面的冲击。

在一优选方案中，所述涡产生器3的材质为铝。该材料常用，易于生产制造。

工作原理：

圆管2及固接在圆管2上的翅片1将管内热流体的热量传导至空气侧，并在空气侧产生热对流，开始进行对流换热。当翅片1通道内有来流时，由翅片1冲压而成的涡产生器3起到导流作用，因为在涡产生器3前后端存在压差，所以在涡产生器3附近产生涡流。由于涡产生器3在靠近翅片1位置有缺口301且自身具有弹性，所以涡产生器3尾部可以在一定范围发生摆动。在有来流时涡产生器3偏向压强更小的一侧，也就是流体流动过程中涡产生器3的尾部会逐渐向圆管2侧靠拢，涡产生器3由平面变为曲面，产生的二次流强度也会提升，延长了空气流脱离圆管2管壁的时间，使得气流有充分的时间可以带走更多的热量，缩小圆柱尾流区域，减小了流动阻力损失。

在均匀来流时，涡产生器3会逐渐稳定并偏向压强更小的一侧弯曲，振动也会慢慢减小，而在来流不均匀的情况下，涡产生器3振动可以持续，进一步强化了在圆管2尾部的二次流强度。

通过设置变流速机构5，使得来流不稳定，可以提高涡产生器3尾部在流体冲击力和自身弹性的作用下的振动效果。本实用新型在没有增加生产工序的情况下，提升了换热效率；因为散热效率高，所以同等散热需求的情况下，换热器体积可以在一定程度上得到缩小，以达到降低生产成本，减少能耗的目标

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，包括沿来流方向排列的圆管(2)和套装在所述圆管(2)上的翅片(1)，其特征在于，所述翅片(1)设有用于套装圆管(2)的圆孔(101)，所述圆孔(101)后部冲压出一对三角形翼的涡产生器(3)，并在所述翅片(1)上留有一对三角形孔(4)，所述涡产生器(3)的尾部底端设有缺口(301)，所述涡产生器(3)可在有来流的情况下振动；

还包括变流速机构(5)，所述变流速机构(5)包括流体通道(6)和设置于所述流体通道(6)内部可以翻转的翻转片，所述流体通道(6)由位于翅片(1)之间的隔板组成，多个隔板将翅片(1)之间的区域划分为多个所述流体通道(6)，所述翻转片位于所述流体通道(6)前部，所述圆管(2)及圆管(2)后方的一对涡产生器(3)位于所述流体通道(6)后部，当有来流时翻转片可以翻转并周期性给到后方来流。

2.根据权利要求1所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于，所述流体通道(6)的通道壁对称设有两个小孔，所述翻转片为圆片(7)和贯穿圆片(7)圆心的翻转轴(8)组成，所述翻转轴(8)两端穿过小孔可在小孔内部旋转从而带动圆片(7)旋转，所述翻转轴(8)位于所述流体通道(6)外的部分的直径大于所述小孔的直径。

3.根据权利要求2所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述圆片(7)和所述翻转轴(8)一体成形。

4.根据权利要求1所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述缺口(301)高度为所述涡产生器(3)高度的0.2-0.4倍，所述缺口(301)长度为所述涡产生器(3)底边长度的0.4-0.6倍。

5.根据权利要求4所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述涡产生器(3)沿来流方向在所述圆管(2)两侧对称布置，所述涡产生器(3)底边到所述圆孔(101)圆心的垂线与来流方向之间夹角θ为110-140度，所述涡产生器(3)高度为翅片(1)间距的0.6-0.8倍。

6.根据权利要求5所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述涡产生器(3)的底边长度与涡产生器(3)高度之比为1.5-2.5，所述涡产生器(3)底边到圆孔(101)圆心的垂直距离与圆孔(101)半径之比为1.15-1.35。

7.根据权利要求1所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述圆管(2)的排列方式包括顺排或叉排排布。

8.根据权利要求1所述的非稳定来流的三角翼的圆管管翅换热器，其特征在于：所述涡产生器(3)的材质为铝或铜。

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