專利名稱：帶針肋的氣—液間壁管翅式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，屬于強(qiáng)化換熱和換熱器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
緊湊式熱交換器重量輕，換熱效率高，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、汽車(chē)、火車(chē)、船舶、發(fā)電設(shè)備、空氣分離設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等諸多工業(yè)領(lǐng)域。緊湊式換熱器通常有板翅式、管翅式和管帶式等。板翅式換熱器中冷熱換熱介質(zhì)被金屬平板隔開(kāi)；管翅式散熱器中冷熱換熱介質(zhì)被金屬管道隔開(kāi)，管道外壁布有翅片，如針肋、環(huán)形肋、平直肋等。
最初的換熱器翅片是光滑的平面(平直翅片)，被稱為一次表面。上世紀(jì)50年代人們發(fā)現(xiàn)，在平直翅片的表面上用頻繁的切割并彎曲進(jìn)入流體流動(dòng)區(qū)域的二次表面能破壞流動(dòng)邊界層，比平直翅片可能獲得的更高的換熱系數(shù)。對(duì)邊界層干擾越頻繁，傳熱系數(shù)越高，當(dāng)然，摩擦系數(shù)也隨之增加。這些間斷型翅片常見(jiàn)的有交錯(cuò)型和百葉窗型。研究表明，百葉窗型對(duì)邊界層的破壞更好；而且百葉窗翅片表面由于制造工藝簡(jiǎn)單可以大批量生產(chǎn)，因此較其它間斷翅片價(jià)格便宜，所以目前廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)換熱器，特別是汽車(chē)換熱器上。中小型汽車(chē)的換熱器以百葉窗翅片最為常見(jiàn)，該類(lèi)型換熱器具有換熱性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是百葉窗翅片換熱器體積還是較大，在一些特殊種類(lèi)汽車(chē)，例如清潔能源的燃料電池汽車(chē)中無(wú)法適用，因此需要緊湊度更高的換熱器才能適應(yīng)一些特殊換熱領(lǐng)域的需求。
傳統(tǒng)的管帶式換熱器的基本結(jié)構(gòu)包含液體流動(dòng)的管道和管道之間用于導(dǎo)熱的帶狀翅片，在帶狀換熱器翅片中流動(dòng)的是氣體，所以屬于氣-液間壁式熱交換器。圖1就是典型的百葉窗翅片換熱器的結(jié)構(gòu)圖，可以看出百葉窗翅片呈波浪形的帶狀結(jié)構(gòu)沿液體管道壁面周期布置，將管道壁面的大部分熱量導(dǎo)出同氣體進(jìn)行換熱，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。圖中1是帶狀的百葉窗翅片，2是液體管道。圖2～圖4是一個(gè)周期單元的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)不同視角的示意圖，圖2是斜視圖，圖3是俯視圖，圖4是正視圖。
針肋結(jié)構(gòu)的換熱效率和造成的流阻都較百葉窗和交錯(cuò)型翅片結(jié)構(gòu)的高，目前主要應(yīng)用在需要大規(guī)模高效率換熱的設(shè)備中，例如渦輪尾葉片冷卻、電子設(shè)備以及航天航空領(lǐng)域，但各類(lèi)汽車(chē)換熱器中卻沒(méi)有應(yīng)用，主要原因就是因?yàn)槠淞鲃?dòng)阻力較大，需要較高的泵功。
所以傳統(tǒng)的針肋結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改進(jìn)，使其適用于更多的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高現(xiàn)有百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的換熱器換熱效率和緊湊度，即在更小的空間內(nèi)交換更多的熱量，并節(jié)省耗材，本發(fā)明提出了一種帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，其特征在于在氣-液間壁管翅式換熱器氣體側(cè)設(shè)置圓柱形針肋或直棱柱形針肋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板翅片、錯(cuò)位翅片或者百葉窗翅片；所述針肋的兩端焊接在液體管的外壁上面，針肋軸向垂直于液體管壁面，并沿液體流向周期排列；每個(gè)周期單元中的針肋排列方式兼有順排和錯(cuò)排兩種，若干根針肋順排為一組，每組之間錯(cuò)位排列；所述圓柱形針肋的直徑在0.10mm到0.25mm之間，所述直棱柱形針肋的截面邊長(zhǎng)在0.10mm到0.25mm之間。
在本發(fā)明中，所述直棱柱形針肋的截面可以是正六邊形或正八邊形。
在本發(fā)明中，針肋布置方式優(yōu)選為4或5根肋順排為一組，同一組中相鄰針肋的間距為0.4mm～0.6mm。
在本發(fā)明中，每組針肋之間錯(cuò)位排列，在氣體流動(dòng)方向上的前后間距為0.4mm～1.0mm，在垂直氣體流動(dòng)的方向上的距離為0.4mm～0.6mm。
從傳熱學(xué)角度來(lái)講，對(duì)流體的干擾越頻繁、越劇烈，換熱效果就越好，但同時(shí)會(huì)增加流阻。針肋就屬于這兩方面都較強(qiáng)的一種翅片。同等材料的針肋錯(cuò)排方式布置時(shí)要比平直肋翅片換熱效果好出2～3倍，而比百葉窗也要高出1～2倍；順排方式布置雖然比百葉窗翅片的換熱效果要差，但也明顯比平直翅片好很多。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于細(xì)化了針肋的直徑、設(shè)計(jì)出其獨(dú)特的布置方式，采用順排和錯(cuò)排交錯(cuò)布置，各自取長(zhǎng)補(bǔ)短，使得翅片有足夠的換熱面積，達(dá)到較大的換熱量的同時(shí)不至于使流阻增大太多。該結(jié)構(gòu)符合溫差場(chǎng)均勻性原理，將肋插在流場(chǎng)中空氣溫度相對(duì)較低的地方(空氣吸收熱量)，使得整個(gè)流場(chǎng)中各部分空氣的溫度比較均勻，從而各部分換熱盡量充分且均勻，總換熱量增大。
本發(fā)明提出的帶針肋的緊湊式換熱器屬于氣-液間壁管翅式換熱器，即換熱介質(zhì)為氣體和液體，它們被金屬管壁隔開(kāi)，而針肋布置在金屬管外壁，即氣體側(cè)，起導(dǎo)熱和改變氣流的作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有強(qiáng)化傳熱作用顯著、緊湊度更高、節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)。與目前典型的百葉窗翅片相比，在總換熱量相當(dāng)?shù)那樾蜗驴商岣邠Q熱系數(shù)50％以上，壓降高出不到15％(視空氣流速而定)，體積縮小了20～30％，材料節(jié)省了將近60％。


圖1為百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的管帶式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為一個(gè)周期單元的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)斜視圖。
圖3為一個(gè)周期單元的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖4為一個(gè)周期單元的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)正視圖。
圖5是本發(fā)明所述帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器的針肋翅片結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖6是帶圓柱形針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的斜視圖。
圖7是帶圓柱形針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖8是帶圓柱形針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的正視圖。
圖9是正六邊形棱柱針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖10是正八邊形棱柱針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖11為百葉窗翅片和6種針肋翅片的流阻ΔP比較圖。
圖12為百葉窗翅片和6種針肋翅片的空氣側(cè)換熱系數(shù)h比較圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的一種帶針肋的氣一液間壁管翅式換熱器是在現(xiàn)有管帶式換熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將百葉窗翅片換為針肋，按優(yōu)化后的布置方式連接于液體管壁面之間。所述針肋的兩端焊接在液體管的外壁上面，針肋軸向垂直于液體管壁面，并沿液體流向周期排列；每個(gè)周期單元中的針肋排列方式兼有順排和錯(cuò)排兩種，若干根針肋順排為一組，每組之間錯(cuò)位排列。
所述針肋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下1.針肋外形可以為圓柱形，或截面為正六邊形、正八邊形的直棱，即截面形狀接近圓形均可，邊數(shù)更多就沒(méi)有必要了。如果截面形狀接近矩形，例如正4邊形、正5邊形的針肋會(huì)使氣體流阻過(guò)大。研究表明針肋截面形狀為正六邊形、正八邊形時(shí)(如下文中的實(shí)施例2和3)，同圓形截面相比，空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)基本相同，而壓降略低4～8％。
2.針肋直徑d或截面邊長(zhǎng)S在0.10mm到0.25mm之間，截面積越大、導(dǎo)熱系數(shù)越高，翅片導(dǎo)熱越充分，所以目前常用的金屬材料中最理想的是銅。但截面積增大導(dǎo)致流阻會(huì)相應(yīng)增大，所以取值應(yīng)視工況而定，一般為翅片間距Fp的1/5至1/4左右。Fp為針肋沿液體流動(dòng)方向周期排列的間距，一般可為0.8mm～1.2mm，典型情形Fp＝1.0mm，S＝0.2mm。
3.針肋布置方式優(yōu)選為4、5根肋順排為一組，同一組中相鄰針肋的間距S1為0.4mm～0.6mm；每組之間按一定間距進(jìn)行錯(cuò)位排列，在氣體流動(dòng)方向上的前后間距S2一般為0.4mm～1.0mm，在垂直氣體流動(dòng)的方向上的距離S3為0.4mm～0.6mm，典型的為0.5mm。針肋組數(shù)為6～8組(這視總的換熱量和換熱器體積而定)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1圖6～圖8是帶圓柱形針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的示意圖，跟圖1～圖4比較可知它就是在管帶式換熱器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將百葉窗翅片換為圓柱形針肋，連接于液體管壁面之間。每4根肋順排為一組，每組錯(cuò)位排列，根據(jù)氣體流向的長(zhǎng)度布置了7組半，針肋個(gè)數(shù)為30個(gè)。按圖2所示的幾何參數(shù)，分別為d＝0.2mm，F(xiàn)p＝1.0mm，S1＝S2＝0.4mm，S3＝0.5mm，流向長(zhǎng)度Fd＝17mm。
用水和空氣進(jìn)行模擬，其流阻和空氣側(cè)換熱系數(shù)的模擬結(jié)果在表2和表3中列出，對(duì)應(yīng)于表2和表3中的PF1結(jié)構(gòu)。可以看出，該結(jié)構(gòu)的空氣側(cè)換熱系數(shù)h要比目前最常用的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的高出50％以上，總換熱量基本相當(dāng)，壓降略高10～15％(迎風(fēng)速度2.5～6.0m/s，速度越大h和壓降都相對(duì)越大)，而體積卻縮小了30％。
實(shí)施例2圖9是正六邊形棱柱針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的示意圖，類(lèi)似實(shí)施例1，它是在管帶式換熱器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將百葉窗翅片換為正六邊形棱柱針肋，連接于液體管壁面之間。每4根肋順排為一組，每組錯(cuò)位排列，根據(jù)氣體流向的長(zhǎng)度布置了7組，針肋個(gè)數(shù)為28個(gè)。按圖5所示的幾何參數(shù)，分別為邊長(zhǎng)S＝0.11mm，F(xiàn)p＝1.2mm，S1＝0.4mm，S2＝0.8mm，S3＝0.5mm，F(xiàn)d＝17mm。
用水和空氣進(jìn)行模擬，其流阻和空氣側(cè)換熱系數(shù)的模擬結(jié)果在表2和表3中列出，對(duì)應(yīng)于表2和表3中的PF2結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的空氣側(cè)換熱系數(shù)h要比目前最常用的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的高出50％以上，總換熱量基本相當(dāng)，壓降略高6～8％(迎風(fēng)速度3～6m/s)，而體積縮小了30％。
實(shí)施例3圖10是正八邊形棱柱針肋的管翅式換熱器一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)的示意圖，類(lèi)似實(shí)施例1，它是在換熱器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將百葉窗翅片換為正八邊形棱柱針肋，連接于液體管壁面之間。每4根肋順排為一組，每組錯(cuò)位排列，根據(jù)氣體流向的長(zhǎng)度布置了7組，針肋個(gè)數(shù)為28個(gè)。按圖5所示的幾何參數(shù)，分別為邊長(zhǎng)S＝0.1mm(面積約0.0314mm2)，F(xiàn)p＝1.0mm，S1＝0.4mm，S2＝0.8mm，S3＝0.5mm，F(xiàn)d＝17mm。
用水和空氣進(jìn)行模擬，其流阻和空氣側(cè)換熱系數(shù)的模擬結(jié)果在表2和表3中列出，對(duì)應(yīng)于表2和表3中的PF3結(jié)構(gòu)。，結(jié)果表面該結(jié)構(gòu)的空氣側(cè)換熱系數(shù)h要比目前最常用的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的高出50％以上，總換熱量基本相當(dāng)，壓降略高6～8％(迎風(fēng)速度3～6m/s)，而體積縮小了30％。
上述是3種典型的實(shí)施例，對(duì)于更多的實(shí)例不在分別贅述。表1中列出了6種不同布置方式的圓柱以及棱柱針肋翅片結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，表2、表3列出了用水和空氣進(jìn)行模擬的這6種結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的流阻和空氣側(cè)換熱系數(shù)。Ufr代表不同的迎風(fēng)速度，角標(biāo)LF代表百葉窗翅片，角標(biāo)PF1～PF6代表不同的6種圓柱或棱柱針肋翅片。從圖11和圖12可以看出，這6種不同布置的針肋結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)要比百葉窗翅片結(jié)構(gòu)高出25～50％，壓降只高10～20％，體積卻縮小了13.6～30％，其優(yōu)越性足以體現(xiàn)。
表1 針肋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

表2 百葉窗翅片和針肋的流阻ΔP(Pa)

表3 百葉窗翅片和針肋的空氣側(cè)換熱系數(shù)h(W/K.m^2)

本發(fā)明針肋翅片結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式首先要確定幾何參數(shù)和基本金屬材料。幾何參數(shù)(如圖5所示)的確定主要是根據(jù)換熱器體積以及總的散熱量而定?；窘饘俨牧鲜侵阜指魞煞N流體的金屬材料，如板翅式換熱器的板材和管帶式換熱器的管材，它們要根據(jù)流體的腐蝕性、強(qiáng)度、加工性能、價(jià)格等因素選擇，常用的有鋼鐵、銅及其合金、鋁及其合金。針肋橫截面積很小，所以要求材料有良好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)還要具有與基本材料良好的焊接性能，適宜的材料有銅、鋁及其它們的合金。
為了便于制造，可以在針肋之間加上起連接作用的“緯線”(針肋垂直于流體流動(dòng)方向，為“經(jīng)線”)，該“緯線”用釬焊材料制成，它的熔點(diǎn)低于基本金屬的熔點(diǎn)，且與基本金屬及“經(jīng)線”材料有良好的浸潤(rùn)性，在焊接過(guò)程中被熔化后流淌并填充在經(jīng)線與基本金屬接觸處的間隙中，緯線根數(shù)適當(dāng)選擇，只要起到固定作用即可，空間體積過(guò)大則會(huì)對(duì)氣體介質(zhì)的流動(dòng)造成較大影響。
針肋可以通過(guò)拉絲成型，然后經(jīng)適當(dāng)?shù)木幙椃椒ǎc起固定作用的緯線編成金屬絲帶。折疊好的金屬絲帶與基體金屬按換熱器設(shè)計(jì)要求裝配好，根據(jù)材料釬焊要求涂上焊劑。
權(quán)利要求
1.帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，其特征在于在氣-液間壁管翅式換熱器氣體側(cè)設(shè)置圓柱形針肋或直棱柱形針肋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板翅片、錯(cuò)位翅片或者百葉窗翅片；所述針肋的兩端焊接在液體管的外壁上面，針肋軸向垂直于液體管壁面，并沿液體流向周期排列；每個(gè)周期單元中的針肋排列方式兼有順排和錯(cuò)排兩種，若干根針肋順排為一組，每組之間錯(cuò)位排列；所述圓柱形針肋的直徑在0.10mm到0.25mm之間，所述直棱柱形針肋的截面邊長(zhǎng)在0.10mm到0.25mm之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，其特征在于所述直棱柱形針肋的截面是正六邊形或正八邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，其特征在于針肋布置方式為4或5根肋順排為一組，同一組中相鄰針肋的間距為0.4mm～0.6mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶針肋的氣-液間壁管翅式換熱器，其特征在于每組針肋之間錯(cuò)位排列，在氣體流動(dòng)方向上的前后間距為0.4mm～1.0mm，在垂直氣體流動(dòng)的方向上的距離為0.4mm～0.6mm。
全文摘要
帶針肋的氣—液間壁管翅式換熱器，屬于強(qiáng)化換熱和換熱器技術(shù)領(lǐng)域。為了提高現(xiàn)有百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的換熱器換熱效率和緊湊度，即在更小的空間內(nèi)交換更多的熱量，并節(jié)省耗材，本發(fā)明公開(kāi)了一種帶針肋的氣—液間壁管翅式換熱器，在氣—液間壁管翅式換熱器氣體側(cè)設(shè)置圓柱形針肋或直棱柱形針肋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板翅片、錯(cuò)位翅片或者百葉窗翅片；所述針肋的兩端焊接在液體管的外壁上面，針肋軸向垂直于液體管壁面，并沿液體流向周期排列；每個(gè)周期單元中的針肋排列方式兼有順排和錯(cuò)排兩種，若干根針肋順排為一組，每組之間錯(cuò)位排列；所述圓柱形針肋的直徑在0.10mm到0.25mm之間，所述直棱柱形針肋的截面邊長(zhǎng)在0.10mm到0.25mm之間。
文檔編號(hào)F28F13/00GK1760622SQ20051008678
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者梁新剛, 任效明 申請(qǐng)人:清華大學(xué)