專利名稱：“工”形樹狀式交叉流換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種換熱裝置，具體涉及的是一種為強(qiáng)化流動和換熱綜合性能而 設(shè)計的具有“工”形樹狀結(jié)構(gòu)特征換熱管束的“工”形樹狀式交叉流換熱器。
背景技術(shù)：
交叉流換熱器是間壁式換熱器的一種主要型式，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì) 性好等特點，廣泛應(yīng)用于機(jī)械動力、制冷低溫、汽車、航空與航天等領(lǐng)域，主要用于解決單相 流和多相流的熱量傳遞以及反應(yīng)器內(nèi)的傳熱反應(yīng)。管束式換熱表面結(jié)構(gòu)是交叉流換熱器設(shè)計中常用的一種方式。管束式交叉流換 熱器通常是在一個殼體內(nèi)布置許多平行管束，冷熱兩種流體通過平行換熱管束進(jìn)行熱量交 換。為提高管束式交叉流換熱器的對流換熱效率，目前采取的強(qiáng)化傳熱手段主要有(1)對 管束的內(nèi)外表面進(jìn)行了螺紋形、波紋形等多種形式設(shè)計；( 在管束外的流體空間內(nèi)進(jìn)行 折流板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這些優(yōu)化設(shè)計手段是通過在流動換熱區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的局部擾動， 提高了流體湍動能強(qiáng)度，實現(xiàn)了傳熱邊界層的重新生成，進(jìn)而提高了管束內(nèi)外冷熱流體傳 熱性能，與此同時，也導(dǎo)致了流動阻力的增加，即增加了泵功消耗。并且，已有的換熱管束設(shè) 計對于流體輸送路徑優(yōu)化缺乏考慮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在換熱管束內(nèi)流體輸送路徑不合理、 泵功消耗和傳熱性能不匹配的問題。為此，迫切需要開展換熱器內(nèi)換熱管束結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)高效換熱。受自然界 中樹狀分叉結(jié)構(gòu)(例如樹木、血管等)的思想啟迪，本實用新型將交叉流換熱器內(nèi)的換熱管 束布置成“工”形樹狀結(jié)構(gòu)特征，以提高該類換熱器流動和換熱的綜合性能，即最大限度地 提高換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)，進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能目的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的管束式交叉流換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在 的換熱管束內(nèi)流體輸送路徑不合理、泵功消耗和傳熱性能不匹配的問題。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種“工，，形樹狀式交叉流 換熱器，包括換熱管束、殼體、管箱和管板，所述的管箱和管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱 管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板與管箱連通，所述的換熱管束為“工”形樹狀 結(jié)構(gòu)，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)至少包含一個樹狀單元結(jié)構(gòu)，所述的樹狀單元結(jié)構(gòu)包含兩層 樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束和末端連通管道，兩層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束的末級分支端口之間由末端連 通管道相連通。所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束具有流體流量的分散作用，其結(jié)構(gòu)類似于 流體流動的優(yōu)化分散器/集合器，可使各單元流體分散流動，實現(xiàn)了流體由點到體的最佳 路徑輸送，大大減小了流動距離。上述樹狀單元結(jié)構(gòu)的每層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束均由主連通管道和“工”形分支管道 構(gòu)成，以平面方式鋪展開來，每層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束至少有2級分支，每級管道在下一級都 有兩個分叉，即分叉數(shù)#=2，且分叉角為180度；[0008]本實用新型的換熱管束的截面形狀為矩形、圓形、梯形或者三角形。作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)為至少由兩個所述的樹 狀單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成的陣列單元結(jié)構(gòu)，樹狀單元結(jié)構(gòu)的兩個主連通管道(4)方向相反，各樹 狀單元結(jié)構(gòu)之間直接由主連通管道(4)相連通，并且所有樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束均分別位于兩 個平行的平面上；所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)為所述的陣列單元結(jié)構(gòu)沿所述的殼體方形陣列布 置后構(gòu)成的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)；所述“工”形樹狀結(jié)構(gòu)分支的上下級分支通道長度之比 為I1氣長度分形維數(shù)i/取大于1且小于等于3的實數(shù)；所述“工”形樹狀結(jié)構(gòu)分支的上下 級分支通道直徑之比為#lAr，直徑分形維數(shù)f取大于等于7/3且小于等于3的實數(shù)。本實用新型構(gòu)建了多層“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管 束通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，且隨著分叉級數(shù)的增加，各分支的管長和管徑均逐漸減 小，如此不但大幅增加了管程換熱面積，同時通道尺度的縮減亦能大幅提高換熱系數(shù)；分叉 還能有助于二次流的形成，即流體在分叉點附近產(chǎn)生回流和分離的現(xiàn)象。這種二次流能有 效擾動換熱管束內(nèi)流體的流動，促進(jìn)流道中近壁面流體與中間層流體的相互混合，并伴隨 有流體在分叉處沖刷流道壁面作用，從而強(qiáng)化流動換熱。所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束 具有流體流量的分散作用，其結(jié)構(gòu)類似于流體流動的優(yōu)化分散器/集合器，可使各單元流 體分散流動，實現(xiàn)了流體由點到體的最佳路徑輸送，大大減小了流動距離。流動長度的大比 例縮短不僅有效抵消了分叉及尺度縮減所導(dǎo)致的壓損增加，還能有效降低樹狀結(jié)構(gòu)換熱管 束內(nèi)的流體流動壓降，減少泵功消耗。所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束沿平面展開并呈陣 列布置充分利用了殼體空間來布置更多的換熱管束以增加換熱面積，強(qiáng)化流動換熱，同時 呈樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布的換熱管束可使換熱器內(nèi)流體的溫度分布更加均勻，亦能提高流動換 熱效率。與此同時，對于殼程內(nèi)的流體流動，相對于折流板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，流體流動更為暢 通，泵功消耗亦將減少。因此，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束能有效提高流動換熱性能， 亦能有效降低泵功消耗，即最大限度地提高換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)，進(jìn)而達(dá)到高 效換熱和節(jié)能的目的。本實用新型所產(chǎn)生的有益效果為本實用新型充分利用了殼體空間來布置“工”形 樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束，大大增加了冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換所需的換熱面積。并且，樹狀換 熱管束實現(xiàn)了流體輸運和能量傳遞的路徑優(yōu)化作用，可有效降低流體流動泵功消耗和強(qiáng)化 流動換熱，進(jìn)而大大提高了換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目 的。

圖1是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器主視圖；圖3是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的樹狀換熱管束單層樹狀結(jié)構(gòu)示 意圖；圖4是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的樹狀換熱管束樹狀單元結(jié)構(gòu)示 意圖；圖5是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的樹狀換熱管束陣列單元結(jié)構(gòu)示 意圖；[0017]圖6是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的樹狀換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)示 意圖；圖7是本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的工作原理示意圖。其中1.左封頭，2.左管箱，3.左管板，4.主連通管道，5. “工”形樹狀換熱管 束，6.殼體，7.右管板，8.右管箱，9.右封頭，10.末端連通管道，11. “工”形分支管道， 12.管程流體，13.殼程流體。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。圖1、圖2給出了本實用新型“工”形樹狀式交叉流換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。一種具 有“工”形樹狀結(jié)構(gòu)特征換熱管束的交叉流換熱器，由“工”形樹狀換熱管束5、殼體6、管箱 和管板等主要部分組成。殼體6截面形狀一般為矩形，管箱分為左管箱2和右管箱8，管板 分為左管板3和右管板7，左管箱2、右管箱8和左管板3、右管板7分別位于殼體6的兩側(cè)， “工”形樹狀換熱管束5以平面方式鋪展開來，位于“工”形樹狀換熱管束5兩側(cè)的主連通管 道4的兩端固定并穿過左右管板3、7分別與左右管箱2、8連通，主連通管道4的兩端分別 與左右管板3、7焊接連接，位于樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束層與層之間的末端連通管道10則與樹狀 結(jié)構(gòu)換熱管束的末級分支端口焊接連接。左右封頭1、9分別與左右管板3、7連接，管程流 體進(jìn)出口位于左右封頭1、9上，殼程流體進(jìn)出口位于殼體上，如此，管板便不僅能分隔管箱 內(nèi)的管程流體與殼體內(nèi)的殼程流體，還能均勻分配管箱內(nèi)流體進(jìn)入各樹狀換熱管束，并起 密封作用。圖3給出了所述“工”形樹狀換熱管束單層樹狀結(jié)構(gòu)示意圖。所述的“工”形樹 狀結(jié)構(gòu)分叉通道網(wǎng)絡(luò)至少有兩級分支(可根據(jù)需要增加級數(shù)，如設(shè)計為3、4、5、6、7、8、9、 10級等等)，圖中僅畫出了 4級通道網(wǎng)絡(luò)。所述的通道網(wǎng)絡(luò)以平面方式鋪展開來，由主連 通管道4和“工”形分支管道11構(gòu)成，通道網(wǎng)絡(luò)至少有兩級，每級通道在下一級都有兩個 分支，即分叉數(shù)#=2，各級分叉通道之間的分叉角為180度。所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)換 熱管束網(wǎng)絡(luò)的第0級通道即主連通管道4為流體進(jìn)/出口，為了得到最佳的流動換熱效 果，主連通管道4以及各級“工”形分支管道11的長度和水力直徑可基于以下法則進(jìn)行 設(shè)計上下級分支通道長度之比為為長度分形維數(shù)，取大于1且小于等于3的實 數(shù))，上下級分支通道水力直徑之比為(直徑分形維數(shù)d，取大于等于7/3且小于等 于3的實數(shù))。即所述的“工”形樹狀換熱管束第A級管道長度與級管道長度之比為
4/4^ = 遞推得4. = A),W (ζ。為初始管道長度)；“工”形樹狀分支在分叉前和 分叉后的水力直徑之比為DsJD1^f ,則Da = D0ITsjs‘ W0為初始管道水力直徑)。
經(jīng)CFD數(shù)值模擬計算表明，當(dāng)d，=3時，本實用新型所提供的樹狀式交叉流換熱器內(nèi)的層流 流動換熱的熱有效性(換熱量/泵功)最高；當(dāng)f =7/3時，本實用新型所提供的樹狀式交叉 流換熱器內(nèi)的湍流流動換熱的熱有效性最高。所述的“工”形樹狀換熱管束5至少包含一個樹狀單元結(jié)構(gòu)。圖4給出了包含有兩 層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束以及末端連通管道的樹狀單元結(jié)構(gòu)示意圖(僅畫出了 4級網(wǎng)絡(luò))。所述 樹狀單元的每層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束均由主連通管道4和“工”形分支管道11構(gòu)成，主連通管道4為流體進(jìn)/出口，為了使流體能自由循環(huán)且換熱效果均勻，所述樹狀單元的“工”形 樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束分為平行的兩層，兩層通道網(wǎng)絡(luò)除了進(jìn)、出口方向相反外，其他都相同， 且兩層樹狀換熱管束的末級分支端口之間由末端連通管道相連通。本實施例的“工”形樹狀換熱管束5根據(jù)殼體空間為陣列單元結(jié)構(gòu)沿所述的殼體 方形陣列布置后構(gòu)成的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)，所述的陣列單元結(jié)構(gòu)為至少由兩個所述的 樹狀單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成。圖5給出了所述的陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖。所述的陣列單元至少由 兩個(可根據(jù)需要選擇3、4、5個等等)所述的樹狀單元串聯(lián)構(gòu)成，各樹狀單元之間直接由主 連通管道4相連通，且所有樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束均分別位于兩個平行的平面上(如圖4所示)， 如此便可實現(xiàn)管程流體在換熱管束內(nèi)的循環(huán)流動。所述陣列單元經(jīng)方形陣列布置后，便可 得到如圖6所示的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)示意圖。其方形陣列的維數(shù)至少為2X2，可根據(jù) 實際需要進(jìn)行布置，如2X3、2X4、3X3等等。如此便可充分利用殼體空間，以實現(xiàn)換熱器 結(jié)構(gòu)緊湊和高效換熱的目的。所述的由所述樹狀單元換熱管束串聯(lián)構(gòu)成的陣列單元在殼體 內(nèi)呈方形陣列布置直至殼體，殼體截面形狀為矩形。主連通管道、各級“工”形分支管道以 及末端連通管道的截面形狀皆可為矩形、圓形、梯形、三角形等任意形狀。圖7給出了本實用新型的工作原理示意圖。管程流體從主連通管道4進(jìn)入樹狀單 元換熱管束，依次分散流經(jīng)各級“工”形分支管道，在當(dāng)前層面不斷分流直至末級分支端口， 然后通過末端連通管道到達(dá)另一層換熱管束，流體在該層面從各級“工”形分支管道向主連 通管道匯合，經(jīng)主連通管道流入下一個樹狀單元，接著如此循環(huán)地流經(jīng)各換熱管束，最終從 主連通管道流出換熱器。在此過程中，管內(nèi)流體通過樹狀換熱管束與殼體內(nèi)垂直沖刷樹狀 換熱管束的殼程流體進(jìn)行熱量交換，完成流動換熱過程。其管程和殼程的換熱方式可為強(qiáng) 迫對流換熱、沸騰/冷凝相變換熱等方式。本實用新型提供的一種具有“工”形樹狀結(jié)構(gòu)特征換熱管束的“工”形樹狀式交叉 流換熱器，充分利用了殼體空間以增加冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換所需的換熱面積，并且實 現(xiàn)了流體輸運和能量傳遞的路徑優(yōu)化作用，可強(qiáng)化換熱管束內(nèi)外流動換熱性能和有效降低 流體流動泵功消耗，進(jìn)而大大提高了換熱器的熱有效性，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
權(quán)利要求1.一種“工”形樹狀式交叉流換熱器，包括換熱管束、殼體(6)、管箱和管板，所述的管 箱和管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板與管 箱連通，其特征在于所述的換熱管束為“工”形樹狀結(jié)構(gòu)，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)至少包 含一個樹狀單元結(jié)構(gòu)，所述的樹狀單元結(jié)構(gòu)包含兩層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束和末端連通管道 (10)，兩層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束的末級分支端口之間由末端連通管道(10)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“工”形樹狀式交叉流換熱器，其特征在于所述的每層樹狀 結(jié)構(gòu)換熱管束均由主連通管道(4)和“工”形分支管道(11)構(gòu)成，以平面方式鋪展開來，至 少有兩級分支，每級管道連接著分叉數(shù)#=2的下一級管道，且分叉角為180度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的“工”形樹狀式交叉流換熱器，其特征在于所述的換熱 管束的截面形狀為矩形、圓形、梯形或者三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“工”形樹狀式交叉流換熱器，其特征在于所述的“工”形樹 狀結(jié)構(gòu)為至少由兩個所述的樹狀單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成的陣列單元結(jié)構(gòu)，樹狀單元結(jié)構(gòu)的兩個 主連通管道(4)方向相反，各樹狀單元結(jié)構(gòu)之間直接由主連通管道(4)相連通，并且所有樹 狀結(jié)構(gòu)換熱管束均分別位于兩個平行的平面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“工”形樹狀式交叉流換熱器，其特征在于所述的“工”形樹 狀結(jié)構(gòu)為所述的陣列單元結(jié)構(gòu)沿所述的殼體(6)方形陣列布置后構(gòu)成的換熱管束陣列布置 結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“工”形樹狀式交叉流換熱器，其特征在于所述“工”形樹狀 結(jié)構(gòu)分支的上下級分支通道長度之比為I1氣長度分形維數(shù)i/取大于1且小于等于3的實 數(shù)；所述“工”形樹狀結(jié)構(gòu)分支的上下級分支通道直徑之比為#lAr，直徑分形維數(shù)f取大于 等于7/3且小于等于3的實數(shù)。
專利摘要本實用新型公開了一種“工”形樹狀式交叉流換熱器，包括換熱管束、殼體、管箱和管板，所述的管箱和管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板與管箱連通，所述的換熱管束為“工”形樹狀結(jié)構(gòu)，所述的“工”形樹狀結(jié)構(gòu)至少包含一個樹狀單元結(jié)構(gòu)，所述的樹狀單元結(jié)構(gòu)包含兩層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束和末端連通管道，兩層樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束的末級分支端口之間由末端連通管道相連通。本實用新型充分利用了殼體空間，大大增加了流體進(jìn)行熱交換所需的換熱面積，并且實現(xiàn)了流體輸運和能量傳遞的路徑優(yōu)化作用，可有效降低流體流動泵功消耗和強(qiáng)化流動換熱，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
文檔編號F28F9/00GK201926341SQ20112002927
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 楊立波, 陳永平 申請人:東南大學(xué)