CN108088288A

CN108088288A - 一种自激振荡腔体换热器

Info

Publication number: CN108088288A
Application number: CN201711037966.2A
Authority: CN
Inventors: 汪朝晖; 孙笑; 王永龙; 饶长健; 潘正江; 甘霖
Original assignee: Wuhan University of Science and Technology WHUST
Current assignee: Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-05-29

Abstract

本发明为一种自激振荡腔体换热器，包括换热芯体(3)、封头(4)、流体入口(5)、流体出口(6)，所述封头(4)内部具有腔体，所述换热芯体(3)包含但不限于隔板(3a)、封条(3b)，所述换热芯体(3)中设计有可产生自激振荡的腔体。用于换热的自激振荡腔体换热器在平直翅片板翅式换热器的基础上，对翅片的流道结构进行改造，使换热器的结构更加紧凑，在换热器的内部加入了专门设计的自激振荡腔体，其流道结构能使流体产生自激振荡效应，该结构能够使扰动得到显著加强，能够使流体在该结构中形成湍流，达到提高流体扰动和流体速度效果，使得流体的湍流性能得到改进，实现通过改变流道达到提高换热器热换率的效果。

Description

一种自激振荡腔体换热器

技术领域

本发明涉及一种板翅式换热设备的内部流道结构，尤其涉及一种自激振荡腔体换热器。

背景技术

板翅式换热器传热效率高、结构紧凑、成本低、可靠性高。与列管式换热器相比，板翅式换热器其翅片的特殊结构，使流体形成强烈的湍流，从而有效降低热阻，提高传热效率，其传热系数比列管式换热器高5-10倍，并且传热效率与功耗比低，可精确控制介质温度；传热面积密度高，一般为管壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍；其翅片很薄，而结构紧凑、体积小、又可用铝合金制造，因而重量很轻，可比管壳式换热器降低80％，故成本低；因此板翅式换热器广泛应用在石油化工、车辆、航空航天、动力工程、原子能和宇宙航空等部门。

板翅式换热器由于其传热效率高，紧凑、适应性强等优点被广泛应用传，然而板翅式换热器对流体在流道内的扰动有限，换热传能效率一般。

中国专利号“CN 104990433 A”名为“板翅式换热器”的中国发明专利公开了一种板翅式换热器，它实现了板翅式换热器通道间的两相流均配，提高了换热效率，结构紧凑，但依然没有突破板翅式换热器换热效率的瓶颈。

发明内容

针对上述背景技术中提出的技术问题，本发明提供了一种换热效率高的自激振荡腔体换热器。

发明人设计了一种自激振荡腔体换热器，包括换热芯体3、封头4、流体入口5、流体出口6，所述封头4内部具有腔体，所述换热芯体3包含但不限于隔板3a、封条3b，所述换热芯体3中设计有自激振荡腔体，所述自激振荡腔体由左、右两部分相对组成，左、右两部分之间有间隔；所述左、右两部分围合而成所述自激振荡腔体的腔室1；左、右两部分的间隔形成喷嘴2，所述喷嘴2供流体进、出所述腔室1。

上述结构的创造点在于：

当流体进入腔室后，腔室入口处将产生扰动剪切层，扰动剪切层与下游腔壁撞击产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动，当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时射流上游就不断地周期性激励，其固有波形受到调制，自激振荡腔室内就产生流体自激振动并在下喷嘴出口形成脉冲射流。该过程持续反复将形成涡环结构，同时涡环在剪切层中不断被加强，该结构能够使扰动得到显著加强，并且能够使流体在该结构中能够形成湍流，达到提高流体的扰动和流动速度，使得流体的的湍流性能得到改进，从而达到了通过改变流道形成提高换热器的热换率的效果。

作为优选，所述换热芯体3还包括平直翅片8，所述平直翅片8同所述自激振荡腔体同向布置，将流体按照设定导入至所述自激振荡腔体。

作为优选，所述腔室1中流体进入的喷嘴2为入口2a、流体流出的位置为出口2b；

靠近入口2a的腔室部分可为方形、内圆性、外圆形或锥形；

靠近出口2b的腔室部分可为方形、内圆性、外圆形或锥形。

作为优选，所述靠近入口2a的腔室部分和靠近出口2b的腔室部分同为同向的锥形。

作为优选，所述锥形尖端的朝向同流入入口2a的流体方向相反。

作为优选，所述锥形的锥度为120°。

作为优选，所述入口的喷嘴直径为d₁，出口的喷嘴直径为d₂，腔室的腔长为L、腔径为D；其中，出、入口喷嘴直径比d₂/d₁在1.2～1.4之间、腔长与入口喷嘴直径比L/d₁在4.5～5.2之间，腔长与腔径比L/D在0.5～0.6。

作为优选，所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括N个换热芯体3、流体入口5、流体出口6及N+1个封头4，所述N个换热芯体3同向并列放置组成芯体组，其中N≥2，所述N+1个封头4中包括2个单封头4a和N-1个双封头4b，其中：

所述芯体组的第1个换热芯体3的一端安装一个单封头4a，并在所述单封头4a上设置流体入口5，另一端安装一个双封头4b，其双封头4b内的空腔可将相邻两个换热芯体3连通；

第N个换热芯体3的一端安装一个单封头4a，并在所述单封头4a上设置流体出口6，另一端安装一个双封头4b，其双封头4b内的空腔可将相邻两个换热芯体3连通；

其余换热芯体3通过两端的双封头4b逐个交错连通，从而在芯体组中形成S形或U形流道。

作为优选，所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括N个换热芯体3、第一流体入口5a、第一流体出口6a、第二流体入口5b、第二流体出口6b及2N个单封头4a，所述N个芯体3同向并列放置组成芯体组，其中N≥4；所述芯体组的所有换热芯体3两端均安装有单封头4a；

芯体组中第1、3、5···n(n为奇数，且n≤N)个换热芯体3的两端通过设置在单封头4a上的第一流体连通管7a上下交错连通，在芯片组中形成S形或U形流道；

芯体组中第2、4、6···n(n为偶数，且n≤N)个换热芯体3的两端通过设置在单封头4a上的第二流体连通管7b上下交错连通，在芯体组中形成S形或U形流道；

第一流体入口5a设在第1个换热芯体3的单封头4a上，第一流体出口6a根据第一流体的流向设在第n(n为奇数，且n≤N)个芯体3的单封头4a上；

第二流体入口5b设在第2个换热芯体3的单封头4a上，第二流体出口6b根据第二流体的流向设在第n(n为偶数，且n≤N)个换热芯体3的单封头4a上。

作为优选，所述第一流体入口5a同第二流体入口5b为反向设置。

作为优选，所述N个换热芯体3中N为3。

作为优选，所述N个换热芯体3中N为4。

有益效果：

本发明较传统平直流道结构的优势在于，传统平直翅片流道中流体流动速度大致一样，受流道约束，没有明显的速度梯度，流动平稳，无法形成有利于流体换热的条件，换热效率受限；而相对于传统平直流道，新型流道不仅利用了自激振荡响应，在一定程度上也提高了流道中流体的速度梯度的变化，对形成湍流创造了良好的条件；自激振荡腔室流道结构可以明显改进换热器内流体的流动情况，不仅增加了流道中流体的转折段数，还因自激振荡腔室形成的自激振荡效应大大提高了流体的扰动和流动速度，使得流体的的湍流性能得到改进，有效的提高了换热器的热换率。

附图说明

图1，为本发明的自激振荡腔体结构示意图；

图2，为本发明的自激振荡腔体结构参数标注图；

图3，为本发明的芯体叠置示意图；

图4，为本发明的单流体换热器芯体排列结构示意图；

图5，为本发明的双流体换热器芯体排列结构示意图；

附图标记：1-腔室、2-喷嘴、2a-入口、2b-出口、3-换热芯体、3a-第一换热芯体、3b-第二换热芯体、3c-第三换热芯体、3d-第四换热芯体、4-封头、4a-单封头、4b-双封头、5-流体入口、5a-第一流体入口、5b-第二流体入口、6-流体出口、6a-第一流体出口、6b-第二流体出口、7a-第一流体连通管、7b-第二流体连通管、8-平直翅片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例。

如图1所示实施例，一种自激振荡腔体换热器的自激振荡腔体，所述自激振荡腔体由左、右两部分相对组成，左、右两部分之间有间隔；所述左、右两部分围合而成所述自激振荡腔体的腔室1；左、右两部分的间隔形成喷嘴2，所述喷嘴2供流体进、出所述腔室1。所述腔室1中流体进入的喷嘴2为入口2a、流体流出的位置为出口2b；

靠近入口2a的腔室部分为锥形；

靠近出口2b的腔室部分为锥形；

且所述靠近入口2a的腔室部分和靠近出口2b的腔室部分为同向的120°锥形，其锥形尖端的朝向同流入入口的流体方向相反。自激振荡腔室1设计的核心在于通过CFD软件的模拟和不断的改进，设计出最佳的自激振荡腔室流道结构，使自激振荡的振荡频率达到最佳，自激振荡腔体靠近入口2a位置的腔室壁面设计成平面形的时候不利于流体的运动，当自激振荡腔体靠近入口2a位置的腔室壁面设计成锥面形式，锥度为120°的截锥形碰撞壁时，其对腔室内流体流动以及湍动性能影响很小，且有利于翅片排列，增加换热器的机构紧凑性；所述的自激振荡腔室流道结构下游壁的设计成锥面形式，在装置结构参数、系统压力和流量保持不变的条件下，通过实验可得，下游壁设计为锥形与平面形、外球面形、内球面形相比，自激振动幅值最大；

在平直翅片8的基础上，加入所述自激振荡腔体，所述腔体同所述平直翅片同向放置，以便流体通过。在自激振荡腔室1的流道的周围改变流道的结构，改变传统的平直排列方式，这样不仅能够改变了原来单一的流动方式，也能够使换热器结构更加紧凑；不仅增加了流道中流体的转折段数，还因自激振荡腔室1形成的自激振荡效应大大提高了流体的扰动和流动速度，使得流体的的湍流性能的到改进，达到了通过改变流道形成提高换热器的热换率的效果。

如图2所示实施例，所述的自激振荡腔体的腔室1的上下游喷嘴直径比d₂/d₁＝1.2～1.4之间、腔长与上游喷嘴直径比L/d₁＝4.5～5.2之间，腔长与腔径L/D＝0.5～0.6之间时，腔体内的湍流强度最好，传热性能也最好。

如图3所示实施例，所述换热芯体3包含隔板3a、封条3b、平直翅片8以及自激振荡腔体，其中平直翅片8同向放置于所述自激振荡腔体两端，通过隔板3a将所述平直翅片8及所述自激振荡腔体隔开，利用封条3b将换热芯体3周边密封，通过钎焊组成包含多个换热芯体3的芯体组。且每层芯体3的入口方向要与自激振荡脉冲腔室1的入口相同，这样才能起到自激振荡的作用。

如图4所示实施例，所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括3个换热芯体3、流体入口5、流体出口6及4个封头4，所述3个换热芯体3同向并列放置通过钎焊组成芯体组，所述4个封头4中包括2个单封头4a和2个双封头4b，其中：

所述芯体组的最右端的第一换热芯体3a的顶部安装一个单封头4a，并在所述单封头4a上设置流体入口5供流体进入芯体组，在上述第一换热芯体3a的底部安装一个双封头4b并将相邻的第二换热芯体3b的同端一起连接，双封头4b内的空腔可将第一换热芯体3a和第二换热芯体3b连通，使流入第一换热芯体3a的流体通过双封头4b从第二换热芯体3b的底部流入第二换热芯体3b；

第二个换热芯体3b的顶端安装一个双封头4b并将相邻的第三换热芯体3c的同端一起连接，双封头4b内的空腔可将第二换热芯体3b和第三换热芯体3c连通，使流入第二换热芯体3b的流体通过双封头4b从第三换热芯体3c的顶部流入第三换热芯体3c；

所述芯体组的最左端的第三换热芯体3c的底部安装一个单封头4a，并在所述单封头4a上设置流体出口6，使第三换热芯体3c中的流体流出所述芯体组。

这样的设计使流体在所述芯体组中按照S形流道进行流动。

如图5所示实施例，所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括4个换热芯体3、第一流体入口5a、第一流体出口6a、第二流体入口5b、第二流体出口6b及8个单封头4a，所述4个芯体3同向并列放置通过钎焊组成芯体组，所述芯体组的4个换热芯体3两端均安装有单封头4a，其中：

芯体组中最右端的第一换热芯体3a同第三换热芯体3c的顶端封头4a上并排设置有2个第一流体连通管7a；

芯体组中的第二换热芯体3b同第四换热芯体3d的底端封头4a上并排设置有2个第二流体连通管7c；

这样的设计使流体在所述芯体组中按照S形流道进行流动。

第一流体入口5a设在第四换热芯体3d顶端的单封头4a上，供第一流体流入；第一流体出口6a设在第二换热芯体3b顶端的单封头4a上，供第一流体流出；

第二流体入口5b设在第三换热芯体3c底端的单封头4a上，供第二流体流入；第二流体出口6b设在第一换热芯体3a底端的单封头4a上，供第二流体流出。

这样的设计使芯体组中的第一流体的流动方向同第二流体的流动方向相反，形成一种逆流式的自激振荡腔体换热器，其传热性能更佳高效。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为在阅读本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种自激振荡腔体换热器，包括换热芯体(3)、封头(4)、流体入口(5)、流体出口(6)，所述封头(4)内部具有腔体，所述换热芯体(3)包含但不限于隔板(3a)、封条(3b)，其特征在于：所述换热芯体(3)中设计有自激振荡腔体，所述自激振荡腔体由左、右两部分相对组成，左、右两部分之间有间隔；所述左、右两部分围合而成所述自激振荡腔体的腔室(1)；左、右两部分的间隔形成喷嘴(2)，所述喷嘴(2)供流体进、出所述腔室(1)。

2.根据权利要求2所述的一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述换热芯体(3)还包括平直翅片(8)，所述平直翅片(8)同所述自激振荡腔体同向布置。

3.根据权利要求2所述一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述腔室(1)中流体进入的喷嘴(2)为入口(2a)、流体流出的位置为出口(2b)；

靠近入口(2a)的腔室部分可为方形、内圆性、外圆形或锥形；

靠近出口(2b)的腔室部分可为方形、内圆性、外圆形或锥形。

4.根据权利要求3所述一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述靠近入口(2a)的腔室部分和靠近出口(2b)的腔室部分同为同向的锥形。

5.根据权利要求4所述一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述锥形尖端的朝向同流入入口(2a)的流体方向相反。

6.根据权利要求3或4或5所述一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述锥形的锥度为120°。

7.根据权利要求6所述一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述入口的喷嘴直径为d₁，出口的喷嘴直径为d₂，腔室的腔长为L、腔径为D；其中，出、入口喷嘴直径比d₂/d₁在1.2～1.4之间、腔长与入口喷嘴直径比L/d₁在4.5～5.2之间，腔长与腔径比L/D在0.5～0.6。

8.根据权利要求7所述的一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括N个换热芯体(3)、流体入口(5)、流体出口(6)及N+1个封头(4)，所述N个换热芯体(3)同向并列放置组成芯体组，其中N≥2，所述N+1个封头(4)中包括2个单封头(4a)和N-1个双封头(4b)，其中：

所述芯体组的第1个换热芯体(3)的一端安装一个单封头(4a)，并在所述单封头(4a)上设置流体入口(5)，另一端安装一个双封头(4b)，其双封头(4b)内的空腔可将相邻两个换热芯体(3)连通；

第N个换热芯体(3)的一端安装一个单封头(4a)，并在所述单封头(4a)上设置流体出口(6)，

另一端安装一个双封头(4b)，其双封头(4b)内的空腔可将相邻两个换热芯体(3)连通；

其余换热芯体(3)通过两端的双封头(4b)逐个交错连通，从而在芯体组中形成S形或U形流道。

9.根据权利要求7所述的一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述用于换热的自激振荡腔体换热器包括N个换热芯体(3)、第一流体入口(5a)、第一流体出口(6a)、第二流体入口(5b)、第二流体出口(6b)及2N个单封头(4a)，所述N个芯体(3)同向并列放置组成芯体组，其中N≥4，其中：

所述芯体组的所有换热芯体(3)两端均安装有单封头(4a)；

芯体组中第1、3、5···n(n为奇数，且n≤N)个换热芯体(3)的两端通过设置在单封头(4a)上的第一流体连通管(7a)上下交错连通，在芯片组中形成S形或U形流道；

芯体组中第2、4、6···n(n为偶数，且n≤N)个换热芯体(3)的两端通过设置在单封头(4a)上的第二流体连通管(7b)上下交错连通，在芯体组中形成S形或U形流道；

第一流体入口(5a)设在第1个换热芯体(3)的单封头(4a)上，第一流体出口(6a)根据第一流体的流向设在第n(n为奇数，且n≤N)个换热芯体(3)的单封头(4a)上；

第二流体入口(5b)设在第2个换热芯体(3)的单封头(4a)上，第二流体出口(6b)根据第二流体的流向设在第n(n为偶数，且n≤N)个换热芯体(3)的单封头(4a)上。

10.根据权利要求9所述的一种自激振荡腔体换热器，其特征在于：所述第一流体入口(5a)同第二流体入口(5b)为反向设置。