分布式翅片换热器.pdf

一种结合分布参数模型所设计的新型分布式翅片紧凑式换热器，其总体结构与普通紧凑式翅片换热器相同，包括隔板、热流体侧翅片、冷流体侧翅片、端盖等部分，其主要特征是将分布参数数学模型的思想运用于换热器设计中，使得换热器中不同位置的翅片型式、数目和尺寸可以根据该处的换热条件而具体设计，使得有限空间内的换热能力达到最大，而阻力达到最小，以降低能耗，节省材料；其中热边翅片和冷边翅片都可以是多种结构尺寸的翅片型式的组合。

权利要求书
1.  一种具有分布式翅片结构的紧凑式换热器，用于两种或两种以上流体进行热交换，其包括至少一层具有翅片的构造，其特征在于：
所述翅片构造中，每层所采用的翅片不是单一均匀的，而是随着层数，以及在每一层中的位置而变化的，这种变化包括翅片型式、数目和/或几何尺寸等的变化。

2.  根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：
所述至少一层的翅片构造里，在冷热流体温差较小的区域采用换热效果较好的翅片，在冷热流体温差较大的区域则采用流动阻力较小的翅片。

3.  根据权利要求2所述的换热器，其特征在于：
所述流动阻力较小的翅片包括流动阻力较小的翅片型式、较少的翅片数目、较大的翅片间距中的至少一种形式。

4.  根据权利要求2所述的换热器，其特征在于：
所述换热效果较好的翅片包括换热能力较强的翅片型式、较多的翅片数目、较小的翅片间距中的至少一种形式。

5.  根据权利要求2所述的换热器，其特征在于：
在所述冷热流体温差居中的区域里，采用换热能力居中的翅片。

6.  根据权利要求2所述的换热器，其特征在于：
翅片参数的变化不是随意安置的，而是根据设计要求的目标，通过紧凑式换热器分布参数模型优化设计所得的。

7.  根据权利要求1-6中任何一项所述的换热器，其中所述翅片型式包括平直翅片、锯齿形翅片、波纹形翅片、百叶窗翅片、针形翅片、穿孔翅片中的至少一种。

说明书分布式翅片换热器
技术领域
本发明涉及采用新方法设计的新颖结构的散热设备，其尤其适用于航空航天、电子设备等对换热器的散热性能、重量体积以及能源消耗等方面要求都较高的领域。
背景技术
紧凑式换热器是一种高效的散热设备，单位体积的换热面积可以达到700～2500m2/m3，通常用于两股或两股以上流体之间的热交换，其中流体被金属隔板所隔开。这种换热器的结构单元通常包括隔板、翅片和封条三种元件。两层隔板间放置翅片就构成了流体通道，翅片通常焊接在隔板上，平行于流体流动方向的两侧由封条封固，并用钎焊与隔板结合。若干个这样的结构单元组合起来就构成了一个紧凑式换热器芯体，通常冷热流体层是交替放置的，冷流体的流动方向可以是逆流式或叉流式。紧凑式换热器目前在航空航天、电子设备、能源化工、低温深冷等行业中都得到了非常广泛的应用。但是随着科技的不断发展，各个领域对热控制技术的要求也越来越高。主要表现在：环境和设备的热负荷越来越高，但是由于系统整体的限制，所能提供的散热空间越来越小，散热设备的重量也要求越来越轻，因此迫使换热器必须向小型化、高紧凑度的方向发展，以便使其重量体积、材料和能源的消耗都尽可能地减小，即以最小最轻功耗最小的换热器达到最高的散热效果。因此，就对传统的换热器提出了新的挑战。紧凑式换热器一般具有比较复杂的翅片表面，其中翅片的类型和几何尺寸是最为重要的特征参数，也是决定换热器性能的主要因素。不同翅片表面的换热特性和阻力特性差异很大，一般换热能力强的翅片引起的流动阻力较大，而换热能力较差的翅片流动阻力较小。以往的紧凑式换热器都是以点模型为基础来进行设计的，也就是将整个换热器看作是一个整体，不考虑其内部的参数(如温度、压力、热物性等)变化。根据点模型所设计的紧凑式换热器通常是单一的翅片结构，未考虑换热器各个部位的换热能力的差异，往往使得局部换热性能与局部翅片型式的匹配效果不能达到最优，例如在换热能力差的位置必须采用换热能力强的翅片以满足换热要求；但该翅片用于换热能力强的位置，则过于浪费，既增大了流动阻力使得能耗较大，又浪费较多的材料使得重量增加。因此，如果能够通过一种更好的设计方法，根据不同位置的散热需求设计不同的翅片(包括翅片型式、数目和尺寸等)，那么将可以在最小的流阻和重量下取得最强的散热效果，达到节省材料、降低能耗和强化传热的目的。
发明内容
针对目前紧凑式换热器设计和产品的局限性，本发明的目的在于提供一种基于新设计方法的换热器，为热控制技术领域提供一种全新的设计理念和更有效的散热设备。
分布式翅片换热器的外观和安装方式与普通的紧凑式换热器相似，其主要特征在于：
每层流道是由多种类型翅片组合而成的分布式翅片结构。即根据换热器的设计要求和流体进口参数条件，在换热器的不同层以及同一层的不同位置都可以设置不同的翅片型式、数目和尺寸，使得换热器内各处的换热和流场分布更加均匀，从而达到强化传热的效果。这些都是根据分布参数模型的理论计算结果得到的。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有分布式翅片结构的紧凑式换热器，用于两种或两种以上流体进行热交换，其包括至少一层具有翅片的构造，其特征在于：
所述翅片构造中，每层所采用的翅片不是单一均匀的，而是随着层数，以及在每一层中的位置而变化的，这种变化包括翅片型式、数目和/或几何尺寸等的变化。
根据根据本发明的一个进一步的方面，上述换热器的特征在于：所述至少一层的翅片构造里，在冷热流体温差较小的区域采用换热效果较好的翅片，在冷热流体温差较大的区域则采用流动阻力较小的翅片。
根据本发明的一个进一步的方面，所述的换热器的特征在于：所述流动阻力较小的翅片包括流动阻力较小的翅片型式、较少的翅片数目、较大的翅片间距中的至少一种。
根据本发明的一个进一步的方面，所述的换热器的特征在于：所述换热效果较好的翅片包括换热能力较强的翅片型式、较多的翅片数目、较小的翅片间距中的至少一种方式。
根据本发明的一个进一步的方面，所述的换热器的特征在于：在所述冷热流体温差居中的区域里，采用换热能力居中的翅片。
根据本发明的一个进一步的方面，所述的换热器的特征在于：翅片参数的变化不是随意安置的，而是根据设计要求的目标，通过紧凑式换热器分布参数模型优化设计所得的。
根据本发明的一个进一步的方面，所述翅片型式包括平直翅片、锯齿形翅片、波纹形翅片、百叶窗翅片、针形翅片、穿孔翅片中的至少一种。
附图说明
图1给出了本发明的换热器的一个实施例的整体结构和模型；
图2是图1所示的换热器中的任意一层的翅片安排示意图。
图3以一层2×2的翅片布置方式为例具体阐述了本发明的设计思想和应用。
图4是图3示例中锯齿形翅片的放大图。
具体实施方式
本发明人对紧凑式换热器的设计方法进行了深入的研究，提出了新的数学模型——分布参数模型。该模型的特点是：依翅片尺度将紧凑式换热器划分成若干微元控制体，通过控制体的能量平衡方程来求解每个微元控制体的温度、压力和其它热力参数的分布情况。由于该数学模型计算所采用的特征尺度等于换热器物理模型中翅片的尺度，所以相比CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，微元控制体的物理意义更加明确，而且能够方便地使用现有的翅片传热和阻力性能数据，计算速度比CFD方法有了突破性的提高，使得基于分布参数的换热器优化设计能够实现。分布参数模型与通常的点模型的设计方法相比，优势在于：每个微元控制体的流体局部热物性参数变化以及微元体所处位置的局部翅片型式和尺寸，及其所对应的局部换热面积和局部换热系数都是可以单独考虑和计算的。也就是说，各个微元控制体所处位置的翅片参数也是可以独立设计和优化的。在换热器设计中，增强换热能力和减小流动阻力往往是相互矛盾的，换热能力强的翅片通常流动阻力较大，而流动阻力较小的翅片通常换热能力差些，因此换热器设计中一般根据实际系统的需求权衡二者的关系来选取最合理的翅片结构。根据换热器不同位置的流体温度和物性参数情况，设计加工更合理的翅片(包括型式、数目和尺寸)，使得该处流体在满足换热量的前提下，流动阻力尽可能最小，翅片重量也尽可能最轻。本发明就是在此数学模型的理论研究的基础上设计而成的。
图1是本发明分布式翅片换热器芯体的一个实施例的结构示意图，图中换热器总层数为k。考虑该紧凑式换热器的芯体结构，对于第i个流层，按照热流体和冷流体流动方向分别划分为m和n个节段(如图2所示)，共形成个子模块，(m，n，k的取值为任意大于或者等于1的整数)。对于各个子模块分别选用不同的翅片型式(例如，平直翅片、锯齿形翅片、波纹形翅片、百叶窗翅片、针形翅片、穿孔翅片等)，同时各层翅片高度保持一致。
图2是图1的实施例中换热器某个层的模块划分示意图，在两个方向分别划分若干段，具体数目由分布参数模型的设计要求和设计结果来确定。当两方向划分的节段数目均为1时，本发明中的换热器将退化为普通的紧凑式换热器，因此本发明的换热器至少有一个方向的节段数目大于1。
图3是分布式翅片叉流换热器的一层2×2的翅片结构的详细构造图，用于说明本发明。图3中，上下隔板5之间的一个流层被划分为四个模块即区域1、区域2、区域3、区域4，各个区域分别采用了独立的翅片型式。根据冷热流体的流动方向可以看到，其中的区域1是冷热流体温度差别最大的区域，在同等换热量条件下，只需较小的换热面积和换热系数，因此此处的设计结果为流动阻力较小的翅片，如矩形平直翅片；而区域4是冷热流体温差最小的区域，因此这里需要较大的换热面积和换热系数才能达到同样的换热量，所以这里选用换热能力较强的翅片，如锯齿形翅片；而区域2和3，冷热流体温差居中，此处选用的是换热能力居中而流动阻力也居中的翅片，如三角形平直翅片。换热效果较好的翅片(其换热系数与换热面积之积较大)，除了同等尺寸下换热能力较强的翅片型式外，在同样翅片型式下，设计较多的翅片数目(或较小的翅片间距)，同样可以使换热效果提高。相反地，流动阻力较小的翅片，除了同等尺寸下流动阻力较小的翅片型式外，同样翅片型式下，较少的翅片数目(或较大的翅片间距)也可以减小流动阻力。实际应用中，需要根据具体设计目标，对不同翅片安排方式的计算结果加以比较，获得最优结果。
本发明所提供的分布式翅片换热器的最大改进在于克服了旧式换热器采用单一翅片类型的缺陷，充分针对具体换热情况来设置翅片类型，在保证换热效果的前提下，能够尽量减小系统阻力，以减小配套设备的能耗和系统的重量。
本发明的分布式翅片换热器，包括用导热材料(如铝、不锈钢、铜等)制作的换热器隔板、封头、端盖以及翅片等，其中用导热材料制成的每一层的分布式翅片组合焊接在隔板之间，然后所有层的翅片交替叠加在一起，形成换热器。
本发明所提供的分布式翅片换热器在设计上可采用前面所介绍的分布参数模型的方法。
本发明所提供的分布式翅片换热器在制造上并不比普通的紧凑式换热器的加工方法复杂，只需要按照要求将正确的翅片焊接到正确的位置。
本发明所提供的分布式翅片换热器在应用上与目前常用的紧凑式换热器的应用方法一致，应用场合、管路连接方式和安装要求也一致，因而能够很方便的替换现有的普通紧凑式换热器，因此具有广阔的应用前景。
除了上述翅片型式的分布之外，还可以根据具体的设计条件，通过分布参数的数学模型设计计算得到换热器不同的翅片分布方式，包括不同模块数目和不同翅片参数(包括型式、数目和尺寸)等。
本发明的优点在于：
(1)通过合理设计翅片参数，在保证换热效率的前提下，尽可能减小了翅片阻力，使得换热器在给定的体积要求下，达到最好的散热效果和最小的能源消耗，并使得换热器重量达到最轻；
(2)除翅片分布形式的调整外，换热器整体方案与普通紧凑式换热器方案相同，在保证系统性能提供的前提下，尽可能减小了系统结构和应用上的改变，便于制造和应用。
需要说明的是方案中换热器不同位置的翅片型式、尺寸和数目都是根据分布参数模型的设计结果而定的，由此形成的技术方案也属本发明的保护范围。