CN102080937A

CN102080937A - 工形树状式交叉流换热器

Info

Publication number: CN102080937A
Application number: CN 201110030424
Authority: CN
Inventors: 陈永平; 杨立波; 张程宾; 施明恒
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明公开了一种“工”形树状式交叉流换热器，包括换热管束、壳体、管箱和管板，所述的管箱和管板位于壳体的两侧，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板与管箱连通，所述的换热管束为“工”形树状结构，所述的“工”形树状结构至少包含一个树状单元结构，所述的树状单元结构包含两层树状结构换热管束和末端连通管道，两层树状结构换热管束的末级分支端口之间由末端连通管道相连通。本发明充分利用了壳体空间，大大增加了流体进行热交换所需的换热面积，并且实现了流体输运和能量传递的路径优化作用，可有效降低流体流动泵功消耗和强化流动换热，达到高效换热和节能的目的。

Description

工形树状式交叉流换热器

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为强化流动和换热综合性能而设计的具有“工”形树状结构特征换热管束的“工”形树状式交叉流换热器。

背景技术

交叉流换热器是间壁式换热器的一种主要型式，具有传热效率高、结构紧凑、经济性好等特点，广泛应用于机械动力、制冷低温、汽车、航空与航天等领域，主要用于解决单相流和多相流的热量传递以及反应器内的传热反应。

管束式换热表面结构是交叉流换热器设计中常用的一种方式。管束式交叉流换热器通常是在一个壳体内布置许多平行管束，冷热两种流体通过平行换热管束进行热量交换。为提高管束式交叉流换热器的对流换热效率，目前采取的强化传热手段主要有：(1) 对管束的内外表面进行了螺纹形、波纹形等多种形式设计；(2) 在管束外的流体空间内进行折流板式的结构设计。这些优化设计手段是通过在流动换热区域内产生持续的局部扰动，提高了流体湍动能强度，实现了传热边界层的重新生成，进而提高了管束内外冷热流体传热性能，与此同时，也导致了流动阻力的增加，即增加了泵功消耗。并且，已有的换热管束设计对于流体输送路径优化缺乏考虑，在结构设计上存在换热管束内流体输送路径不合理、泵功消耗和传热性能不匹配的问题。

为此，迫切需要开展换热器内换热管束结构优化设计以实现高效换热。受自然界中树状分叉结构（例如：树木、血管等）的思想启迪，本发明将交叉流换热器内的换热管束布置成“工”形树状结构特征，以提高该类换热器流动和换热的综合性能,即最大限度地提高换热器的热有效性（换热量/泵功），进而达到高效换热和节能目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的管束式交叉流换热器在结构设计上存在的换热管束内流体输送路径不合理、泵功消耗和传热性能不匹配的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种“工”形树状式交叉流换热器，包括换热管束、壳体、管箱和管板，所述的管箱和管板位于壳体的两侧，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板与管箱连通，所述的换热管束为“工”形树状结构，所述的“工”形树状结构至少包含一个树状单元结构，所述的树状单元结构包含两层树状结构换热管束和末端连通管道，两层树状结构换热管束的末级分支端口之间由末端连通管道相连通。所述的“工”形树状结构换热管束具有流体流量的分散作用，其结构类似于流体流动的优化分散器/集合器，可使各单元流体分散流动，实现了流体由点到体的最佳路径输送，大大减小了流动距离。

上述树状单元结构的每层树状结构换热管束均由主连通管道和“工”形分支管道构成，以平面方式铺展开来，每层树状结构换热管束至少有2级分支，每级管道在下一级都有两个分叉，即分叉数N=2，且分叉角为180度；

本发明的换热管束的截面形状为矩形、圆形、梯形或者三角形。

作为本发明的优选技术方案，所述的“工”形树状结构为至少由两个所述的树状单元结构串联构成的阵列单元结构，树状单元结构的两个主连通管道（4）方向相反，各树状单元结构之间直接由主连通管道（4）相连通，并且所有树状结构换热管束均分别位于两个平行的平面上；所述的“工”形树状结构为所述的阵列单元结构沿所述的壳体方形阵列布置后构成的换热管束阵列布置结构；所述“工”形树状结构分支的上下级分支通道长度之比为N ^-1/d，长度分形维数d取大于1且小于等于3的实数；所述“工”形树状结构分支的上下级分支通道直径之比为N ^-1/d’，直径分形维数d’取大于等于7/3且小于等于3的实数。

本发明构建了多层“工”形树状结构换热管束，所述的“工”形树状结构换热管束通过分叉产生越来越多的分支，且随着分叉级数的增加，各分支的管长和管径均逐渐减小，如此不但大幅增加了管程换热面积，同时通道尺度的缩减亦能大幅提高换热系数；分叉还能有助于二次流的形成，即流体在分叉点附近产生回流和分离的现象。这种二次流能有效扰动换热管束内流体的流动，促进流道中近壁面流体与中间层流体的相互混合，并伴随有流体在分叉处冲刷流道壁面作用，从而强化流动换热。所述的“工”形树状结构换热管束具有流体流量的分散作用，其结构类似于流体流动的优化分散器/集合器，可使各单元流体分散流动，实现了流体由点到体的最佳路径输送，大大减小了流动距离。流动长度的大比例缩短不仅有效抵消了分叉及尺度缩减所导致的压损增加，还能有效降低树状结构换热管束内的流体流动压降，减少泵功消耗。所述的“工”形树状结构换热管束沿平面展开并呈阵列布置充分利用了壳体空间来布置更多的换热管束以增加换热面积，强化流动换热，同时呈树状网络结构分布的换热管束可使换热器内流体的温度分布更加均匀，亦能提高流动换热效率。与此同时，对于壳程内的流体流动，相对于折流板式的结构设计，流体流动更为畅通，泵功消耗亦将减少。因此，所述的“工”形树状结构换热管束能有效提高流动换热性能，亦能有效降低泵功消耗，即最大限度地提高换热器的热有效性（换热量/泵功），进而达到高效换热和节能的目的。

本发明所产生的有益效果为：本发明充分利用了壳体空间来布置“工”形树状结构换热管束，大大增加了冷、热两种流体进行热交换所需的换热面积。并且，树状换热管束实现了流体输运和能量传递的路径优化作用，可有效降低流体流动泵功消耗和强化流动换热，进而大大提高了换热器的热有效性（换热量/泵功），达到高效换热和节能的目的。

附图说明

图1是本发明“工”形树状式交叉流换热器结构示意图；

图2是本发明“工”形树状式交叉流换热器主视图；

图3是本发明“工”形树状式交叉流换热器的树状换热管束单层树状结构示意图；

图4是本发明“工”形树状式交叉流换热器的树状换热管束树状单元结构示意图；

图5是本发明“工”形树状式交叉流换热器的树状换热管束阵列单元结构示意图；

图6是本发明“工”形树状式交叉流换热器的树状换热管束阵列布置结构示意图；

图7是本发明“工”形树状式交叉流换热器的工作原理示意图。

其中：1. 左封头，2. 左管箱，3. 左管板，4. 主连通管道，5. “工”形树状换热管束，6. 壳体，7. 右管板，8. 右管箱，9. 右封头，10. 末端连通管道，11. “工”形分支管道，12. 管程流体，13. 壳程流体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1、图2给出了本发明“工”形树状式交叉流换热器的结构示意图。一种具有“工”形树状结构特征换热管束的交叉流换热器，由“工”形树状换热管束5、壳体6、管箱和管板等主要部分组成。壳体6截面形状一般为矩形，管箱分为左管箱2和右管箱8，管板分为左管板3和右管板7，左管箱2、右管箱8和左管板3、右管板7分别位于壳体6的两侧，“工”形树状换热管束5以平面方式铺展开来，位于“工”形树状换热管束5两侧的主连通管道4的两端固定并穿过左右管板3、7分别与左右管箱2、8连通，主连通管道4的两端分别与左右管板3、7焊接连接，位于树状结构换热管束层与层之间的末端连通管道10则与树状结构换热管束的末级分支端口焊接连接。左右封头1、9分别与左右管板3、7连接，管程流体进出口位于左右封头1、9上，壳程流体进出口位于壳体上，如此，管板便不仅能分隔管箱内的管程流体与壳体内的壳程流体，还能均匀分配管箱内流体进入各树状换热管束，并起密封作用。

图3给出了所述“工”形树状换热管束单层树状结构示意图。所述的“工”形树状结构分叉通道网络至少有两级分支（可根据需要增加级数，如设计为3、4、5、6、7、8、9、10级等等），图中仅画出了4级通道网络。所述的通道网络以平面方式铺展开来，由主连通管道4和“工”形分支管道11构成，通道网络至少有两级，每级通道在下一级都有两个分支，即分叉数N=2，各级分叉通道之间的分叉角为180度。所述的“工”形树状结构换热管束网络的第0级通道即主连通管道4为流体进/出口，为了得到最佳的流动换热效果，主连通管道4以及各级“工”形分支管道11的长度和水力直径可基于以下法则进行设计：上下级分支通道长度之比为N ^-1/d(d为长度分形维数，取大于1且小于等于3的实数)，上下级分支通道水力直径之比为N ^-1/d’(直径分形维数d’取大于等于7/3且小于等于3的实数)。即所述的“工”形树状换热管束第k级管道长度与k-1级管道长度之比为

，递推得

(L ₀为初始管道长度)；“工”形树状分支在分叉前和分叉后的水力直径之比为

，则

(D ₀为初始管道水力直径)。经CFD数值模拟计算表明，当d’=3时，本发明所提供的树状式交叉流换热器内的层流流动换热的热有效性（换热量/泵功）最高；当d’=7/3时，本发明所提供的树状式交叉流换热器内的湍流流动换热的热有效性最高。

所述的“工”形树状换热管束5至少包含一个树状单元结构。图4给出了包含有两层树状结构换热管束以及末端连通管道的树状单元结构示意图（仅画出了4级网络）。所述树状单元的每层树状结构换热管束均由主连通管道4和“工”形分支管道11构成，主连通管道4为流体进/出口，为了使流体能自由循环且换热效果均匀，所述树状单元的“工”形树状结构换热管束分为平行的两层，两层通道网络除了进、出口方向相反外，其他都相同，且两层树状换热管束的末级分支端口之间由末端连通管道相连通。

本实施例的“工”形树状换热管束5根据壳体空间为阵列单元结构沿所述的壳体方形阵列布置后构成的换热管束阵列布置结构，所述的阵列单元结构为至少由两个所述的树状单元结构串联构成。图5给出了所述的阵列单元结构示意图。所述的阵列单元至少由两个（可根据需要选择3、4、5个等等）所述的树状单元串联构成，各树状单元之间直接由主连通管道4相连通，且所有树状结构换热管束均分别位于两个平行的平面上（如图4所示），如此便可实现管程流体在换热管束内的循环流动。所述阵列单元经方形阵列布置后，便可得到如图6所示的换热管束阵列布置结构示意图。其方形阵列的维数至少为2×2，可根据实际需要进行布置，如2×3、2×4、3×3等等。如此便可充分利用壳体空间，以实现换热器结构紧凑和高效换热的目的。所述的由所述树状单元换热管束串联构成的阵列单元在壳体内呈方形阵列布置直至壳体，壳体截面形状为矩形。主连通管道、各级“工”形分支管道以及末端连通管道的截面形状皆可为矩形、圆形、梯形、三角形等任意形状。

图7给出了本发明的工作原理示意图。管程流体从主连通管道4进入树状单元换热管束，依次分散流经各级“工”形分支管道，在当前层面不断分流直至末级分支端口，然后通过末端连通管道到达另一层换热管束，流体在该层面从各级“工”形分支管道向主连通管道汇合，经主连通管道流入下一个树状单元，接着如此循环地流经各换热管束，最终从主连通管道流出换热器。在此过程中，管内流体通过树状换热管束与壳体内垂直冲刷树状换热管束的壳程流体进行热量交换，完成流动换热过程。其管程和壳程的换热方式可为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热等方式。

本发明提供的一种具有“工”形树状结构特征换热管束的“工”形树状式交叉流换热器，充分利用了壳体空间以增加冷、热两种流体进行热交换所需的换热面积，并且实现了流体输运和能量传递的路径优化作用，可强化换热管束内外流动换热性能和有效降低流体流动泵功消耗，进而大大提高了换热器的热有效性，达到高效换热和节能的目的。

Claims

1.一种“工”形树状式交叉流换热器，包括换热管束、壳体（6）、管箱和管板，所述的管箱和管板位于壳体的两侧，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板与管箱连通，其特征在于：所述的换热管束为“工”形树状结构，所述的“工”形树状结构至少包含一个树状单元结构，所述的树状单元结构包含两层树状结构换热管束和末端连通管道（10），两层树状结构换热管束的末级分支端口之间由末端连通管道（10）相连通。

2.根据权利要求1所述的“工”形树状式交叉流换热器，其特征在于：所述的每层树状结构换热管束均由主连通管道（4）和“工”形分支管道（11）构成，以平面方式铺展开来，至少有两级分支，每级管道连接着分叉数N=2的下一级管道，且分叉角为180度。

3.根据权利要求1或2所述的“工”形树状式交叉流换热器，其特征在于：所述的换热管束的截面形状为矩形、圆形、梯形或者三角形。

4.根据权利要求1所述的“工”形树状式交叉流换热器，其特征在于：所述的“工”形树状结构为至少由两个所述的树状单元结构串联构成的阵列单元结构，树状单元结构的两个主连通管道（4）方向相反，各树状单元结构之间直接由主连通管道（4）相连通，并且所有树状结构换热管束均分别位于两个平行的平面上。

5.根据权利要求1所述的“工”形树状式交叉流换热器，其特征在于：所述的“工”形树状结构为所述的阵列单元结构沿所述的壳体（6）方形阵列布置后构成的换热管束阵列布置结构。

6.根据权利要求1所述的“工”形树状式交叉流换热器，其特征在于：所述“工”形树状结构分支的上下级分支通道长度之比为N ^-1/d，长度分形维数d取大于1且小于等于3的实数；所述“工”形树状结构分支的上下级分支通道直径之比为N ^-1/d’，直径分形维数d’取大于等于7/3且小于等于3的实数。