CN111692896A - 一种热熔体型气液双相换热芯体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热熔体型气液双相换热芯体结构，包括第一芯体和第二芯体，所述的第一芯体和第二芯体中均开设有多条气体流道和液体流道；所述的气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构；所述的气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直；待换热液体流穿第一芯体的液体通道后能够通过外设导向部件流入第二芯体的液体流道中；待换热气体通过气体流道依次流穿第二芯体和第一芯体完成气‑液换热。与现有技术相比，本发明中的热交换芯体在一次成型的基础上，显著的提升了换热效率，并可以大幅降低材料的使用率，并可根据需求调节气液比，极高的提升了换热效率并降低材料损耗，解决了传统换热芯体换热性能无法提升的瓶颈问题。
Description
技术领域
本发明涉及气液换热器领域，尤其是涉及一种热熔体型气液双相换热芯体结构。
背景技术
气液换热器广泛的用于工业生产过程中，其作用包括气体或液体的预热及加热、液体或气体的残热回收等用途，气液换热器包括双管式、壳管式、以及板框架式等结构。
目前，市面上常用的换热器芯体类型虽然多样，但大多都结构相似。受制于工业生产要求，大多数零部件需要分开生产，且需要采用减材制造的制作方式，导致设备零部件需要考虑密封难易程度、生产难易程度等复杂问题。
现有的气液换热芯体中，大多采用气液流道相互独立的设计，即两套独立的流体结构体系，虽然设计者能够通过波浪板等方式增加气液接触面积，但传热面积始终小于材料表面积，无法充分利用材料，造成了大量材料的浪费以及无法突破的换热效率瓶颈等本质问题。
CN102012175B公开了一种新型气液换热装置，包括主换热板及若干辅助换热肋片；其特征在于：所述主换热板上设有进、出液口，内部则设有分别与进、出液口相连的进、出液主流道，而所述辅助换热肋片竖向平行间隔排布于主换热板上，每根辅助换热肋片内设有分别与进、出液主流道相连的进、出液分流道，同时在每根辅助换热肋片内还设有若干竖向贯通连接前述进、出液分流道的次分流道。该气液换热器中材料表面积远大于换热面积，使得换热器中换热材料的利用难以提升，无法克服进一步提升换热性能的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种热熔体型气液双相换热芯体结构，本发明利用了3D螺旋流道的良好周期性、较高的材料利用率以及增材制造的便利优势，使本热交换芯体可在一次成型的基础上，显著的提升了换热效率，并可以大幅降低材料的使用率，并可根据需求调节气液比，提升了换热效率并降低材料损耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中的热熔体型气液双相换热芯体结构，包括第一芯体和第二芯体，所述的第一芯体和第二芯体中均开设有多条气体流道和液体流道；
所述的气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构；
所述的气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构；
待换热液体流穿第一芯体的液体通道后能够通过外设导向部件流入第二芯体的液体流道中，使得待换热液体形成U型折返流向；
待换热气体通过气体流道依次流穿第二芯体和第一芯体完成气-液换热。
进一步地，所述的气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构。
进一步地，所述的气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。
进一步地，所述的液体流道在第一芯体和第二芯体中均在垂向上螺旋延伸，以此在水平截面上构成阵列式的排布。
进一步地，所述的气体流道在第一芯体和第二芯体中均在水平向螺旋延伸，以此在垂直截面上构成阵列式的排布。
进一步地，任意一条气体流道中的气体与所有与其同一垂向层面上的所有液体流道中的液体间壁式换热。
进一步地，所述的气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘。
进一步地，所述的气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍。
进一步优选地，所述的气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的3倍。
进一步地，所述的第一芯体和第二芯体均由导热金属或非金属材料构成。
进一步地，所述的第一芯体和第二芯体均通过增材制备加工而成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、使用范围广：由于本换热器芯体可以根据气液特性进行选材，采用金属、非金属材料，适配外部的换热器壳体后，在不同的环境需求中均可适用。
二、密闭性能好：由于本换热器芯体采用增材制造工艺，及一体化制备的，没有任何的焊点或者连接部件，结构体可整体打印，芯体与结构壁的连接密闭可以保证。
三、换热效率高：由于本换热器芯体采用了热熔体型特殊结构体，气液流道分别采用结构体自身的孔洞，换热发生在结构壁，传热面积近似等于材料表面积，将材料利用率提升至近乎于100％。同时孔状的结构特征在相同体积内，加长了气体液体流程，增加了单位体积内的换热面积。
四、结构优良：所采用的热熔体型结构体自身拥有良好的结构优势，表面张力近似于零的同时还能够达自制撑，降低对液体的阻力同时大幅度降低了打印难度。
附图说明
图1为本发明中热熔体型气液双相换热芯体结构的垂向剖面图；
图2为本发明中热熔体型气液双相换热芯体结构的水平剖面图；
图3为本发明中换热芯体结构的3D孔道结构图；
图4为本发明中换热芯体结构的内部孔道富平面图；
图5为本发明中换热芯体结构的实物剖面结构图；
图6为本发明中换热芯体的具体换热原理图；
图中：1、气体流道，2、液体流道，3、隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本热熔体型气液双相换热芯体结构，包括第一芯体和第二芯体，第一芯体和第二芯体之间通过隔板隔开，所述的第一芯体和第二芯体中均开设有多条气体流道和液体流道。
待换热液体流穿第一芯体的液体通道后能够通过外设导向部件流入第二芯体的液体流道中，使得待换热液体形成U型折返流向，参见图6中的具体原理图，待换热气体通过气体流道依次流穿第二芯体和第一芯体完成气-液换热，参见图1与图2。气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构。气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构；气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构。气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。
液体流道在第一芯体和第二芯体中均在垂向上螺旋延伸，以此在水平截面上构成阵列式的排布。气体流道在第一芯体和第二芯体中均在水平向螺旋延伸，以此在垂直截面上构成阵列式的排布。任意一条气体流道中的气体与所有与其同一垂向层面上的所有液体流道中的液体间壁式换热。气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘。
气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍，具体实施时优选3倍。第一芯体和第二芯体均由导热金属或非金属材料构成。第一芯体和第二芯体均通过增材制备加工而成。
本实施例中通过thermosoid函数形结构来实现具体芯体结构的构建，即通过thermosoid函数实现的芯体内部构型是本发明中的一个例子。其中本“thermosoid函数形结构“实施案例中的生成表达式为(图3与图4)，其中XL,YL,ZL依托可变参数b可以实现整个换热结构的整体调节，同时实现不同的单元体内气液体积比组合。
thermosoid函数曲面可由以下语句在Mathematica软件中生成：
B＝.；b＝1；
XL＝x-b cos[(x/2)]2
YL＝y-b cos[(x/2)]2
ZL＝z-b cos[(x/2)]2
PL＝ContourPlot3D[cos[XL]sin[YL]+cos[YL]sin[ZL]+cos[ZL]sin[XL]＝0
{x，Pi，Pi}，{y，Pi，Pi}，{z，Pi，Pi}
实施例中的函数公式形成的换热单元体(参见图3)，形成了两条相互独立的流程通道(即气体通道和液体通道)，经软件对于单元体两通道的体积测量，其气相通道体积：液体通路体积比＝3：1，结合thermosoid函数结构在空间内的密集分布，加之根据流体对流传热的表达式Q＝hΔT×S，(h是换热系数(W/K·m2)，Q是传热量，提高传热量的方法则是首要提高气-壁接触面积，这种气液比的分布形式有效提高了单位体积内的气-壁接触面积，大幅度提升了换热效率。
根据软件估算，以传统波浪换热器为例，水路栅格的设计和表面积对换热本质上没有作用。根据分析，它起到了水路紊流化以提高换热系数h、均分冷却水流以及管壁支撑作用，却没有有效使换热表面积提升。
以本实施例中的“thermosoid函数形结构”实施案例分析，实施例中的结构体壁面可以全部充当换热发生面，以近乎于100％的材料利用率，大幅度提升了气-壁接触面积，从而提升了换热效率。
本实施例中具体的实物结构剖面图参见图5，其中芯体结构本身依托正余弦函数组合的高度对称性以及周期性形成了如下特征：气相通道在行和列上以类似正弦函数的分布规律排布，形成独立的气相通道；液体流程通道则在剩余空间内同样的以相同的排布规律排布。两者形成独立完整的行列组合，平面上呈现相邻的关系，空间上呈现相互错叠的关系同时，两者之间相互不会发生交替(参见图4)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，包括第一芯体和第二芯体，所述的第一芯体和第二芯体中均开设有多条气体流道和液体流道；
所述的气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构；
所述的气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构；
待换热液体流穿第一芯体的液体通道后能够通过外设导向部件流入第二芯体的液体流道中，使得待换热液体形成U型折返流向；
待换热气体通过气体流道依次流穿第二芯体和第一芯体完成气-液换热。
2.根据权利要求1所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构。
3.根据权利要求2所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。
4.根据权利要求1所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的液体流道在第一芯体和第二芯体中均在垂向上螺旋延伸，以此在水平截面上构成阵列式的排布。
5.根据权利要求4所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的气体流道在第一芯体和第二芯体中均在水平向螺旋延伸，以此在垂直截面上构成阵列式的排布。
6.根据权利要求5所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，任意一条气体流道中的气体与所有与其同一垂向层面上的所有液体流道中的液体间壁式换热。
7.根据权利要求6所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘。
8.根据权利要求1所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍。
9.根据权利要求1所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的第一芯体和第二芯体均由导热金属或非金属材料构成。
10.根据权利要求1所述的一种热熔体型气液双相换热芯体结构，其特征在于，所述的第一芯体和第二芯体均通过增材制备加工而成。
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