專利名稱：板翅式換熱器流體分配封頭和與封頭連接的導(dǎo)流片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于板翅式換熱器物流分配、傳熱強(qiáng)化及性能優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種板翅式換熱器流體分配封頭和與封頭連接的導(dǎo)流片。
申請(qǐng)者對(duì)此項(xiàng)工作已開展了多年的研究，掌握本方向國(guó)際前沿研究動(dòng)態(tài)和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，明確換熱器入口結(jié)構(gòu)對(duì)物流分配特性的影響規(guī)律。本發(fā)明就目前入口分配結(jié)構(gòu)存在的問題，提出幾種新型入口封頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。經(jīng)過深入的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了其可行性和可靠性。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種板翅式換熱器流體分配封頭，該板翅式換熱器流體分配封頭能夠改善內(nèi)部板束橫向與縱向物流分配不均勻性、提高換熱器傳熱性能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種與該板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，該導(dǎo)流片與傳統(tǒng)的導(dǎo)流片相比，其導(dǎo)流性能最佳。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的一種技術(shù)方案是，一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段；其特征在于，在流體進(jìn)口段和封頭連接段之間增加了一段外弧作為二次封頭，并在封頭連接段上分布有多個(gè)通孔。
該方案的板翅式換熱器流體分配封頭的其他特點(diǎn)是所述在封頭連接段上分布的通孔為5個(gè)～7個(gè)。
所述二次封頭出口當(dāng)量截面直徑與一次封頭出口當(dāng)量截面直徑之比等于入口管直徑與二次出口當(dāng)量截面直徑之比。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的另一種技術(shù)方案是，板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段；其特征在于，在流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段連接的空間位置還設(shè)置有一個(gè)隔離板，并在隔離板分布有多個(gè)通孔。
該方案的板翅式換熱器流體分配封頭的其他特點(diǎn)是所述隔離板上的多個(gè)通孔均勻地分布或不均勻分布。
所述隔離板上孔的分布特征為三個(gè)區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最??；偏離中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
所述隔離板的設(shè)置可以與弧形封頭連接段等長(zhǎng)，也可以小于弧形封頭連接段的長(zhǎng)度。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的技術(shù)方案是，一種與板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，包括一傳統(tǒng)的導(dǎo)流片，導(dǎo)流片上設(shè)置有導(dǎo)流孔，其特征在于，導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度設(shè)置為45°，導(dǎo)流片上的導(dǎo)流孔的直徑為2mm。
該方案的與板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片的另一特點(diǎn)是，在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，該補(bǔ)液腔的寬度為h，封頭的開口寬度為H，h/H為0.2。
本發(fā)明提出的幾種板翅式換熱器入口封頭和導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，為改善換熱器內(nèi)部板束橫向與縱向物流分配不均勻性、提高換熱器傳熱性能，達(dá)到減少設(shè)備體積和投資的目的。
圖2是本發(fā)明的二次封頭結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3～圖7是本發(fā)明的多種封頭結(jié)構(gòu)剖面圖，其中a)是主視圖，b)是俯視圖，c)是左視圖；圖8是本發(fā)明的最佳導(dǎo)流角度導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是本發(fā)明最佳打孔直徑導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明帶有h/H的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖；圖11a)、b)分別是各種封頭結(jié)構(gòu)對(duì)流體分配性能的影響曲線；圖12是板翅換熱器主體圖；圖13是試件斷面圖；其中圖a)是試件圖，圖b)是a)的斷面圖。
圖14是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。
參見附圖。依本發(fā)明的技術(shù)方案，板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2；在流體進(jìn)口段1和封頭連接段2之間增加了一段外弧3作為二次封頭，并在封頭連接段2上分布有多個(gè)通孔。
在封頭連接段2上分布的通孔為5個(gè)～7個(gè)。
二次封頭出口當(dāng)量截面直徑與一次封頭出口當(dāng)量截面直徑之比等于入口管直徑與二次出口當(dāng)量截面直徑之比。
一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2；在流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2連接的空間位置還設(shè)置有一個(gè)隔離板4，并在隔離板4分布有多個(gè)通孔。
隔離板4上的多個(gè)通孔均勻地分布或不均勻分布。
隔離板4上孔的分布特征為三個(gè)區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最??；偏離中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
隔離板4的設(shè)置可以與弧形封頭連接段2等長(zhǎng)，也可以小于弧形封頭連接段2的長(zhǎng)度。
本發(fā)明的與板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，包括一傳統(tǒng)的導(dǎo)流片，導(dǎo)流片上設(shè)置有導(dǎo)流孔，導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度設(shè)置為45°，導(dǎo)流片上的導(dǎo)流孔的直徑為2mm。
在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，該補(bǔ)液腔的寬度為h，封頭的開口寬度為H，h/H為0.2。
本發(fā)明的研究，解決了其中許多關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了板翅式換熱器的物流均勻分配。本發(fā)明所提出的創(chuàng)新思想包括以下幾方面1、提出“二次封頭”的思想，解決了板束單元體截面橫向物流分配不均勻性。
目前工業(yè)中應(yīng)用的基本型封頭A(圖1)主要造成了換熱器出口截面橫向物流分配不均勻性，改進(jìn)型封頭結(jié)構(gòu)B型(圖3)和C型(圖4)，它們是在基本型封頭結(jié)構(gòu)上增加了流體過渡段，稱作二次封頭(圖2)。在一次封頭與二次封頭(瓜皮型)連接處有一個(gè)隔離板，隔離板上根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想不均勻地打了一排孔，從而使流體在封頭內(nèi)進(jìn)行兩次分流，實(shí)驗(yàn)證明這種結(jié)構(gòu)會(huì)使流體在截面橫向上更加均勻地分配到換熱器中，從而使換熱器的換熱效率得到改善。研究還發(fā)現(xiàn)在二次封頭出口當(dāng)量截面直徑與一次封頭出口當(dāng)量截面直徑之比等于入口管直徑與二次出口當(dāng)量截面直徑之比時(shí)，封頭結(jié)構(gòu)C型的分配性能最佳。
2、提出孔板式封頭的結(jié)構(gòu)，解決了板束單元體截面整體物流分配不均勻性。
首次提出了孔板式封頭結(jié)構(gòu)，其主要思想是在封頭內(nèi)部裝一孔板，使流體經(jīng)孔板進(jìn)行滲流，使流體在橫向與縱向上均勻地分配到換熱器中。本發(fā)明提出了三種孔板式封頭結(jié)構(gòu)(1)孔板上均勻地打上小孔(封頭結(jié)構(gòu)D，圖5)；(2)根據(jù)流體分配的特征在孔板上不均勻地打上小孔，其分布特征為打孔分為三個(gè)區(qū)域封頭截面中心區(qū)域打孔直徑最??；偏離中心區(qū)域的打孔直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的打孔直徑最大(封頭結(jié)構(gòu)E，圖6)；(3)根據(jù)流體阻力適宜的要求，采用部分孔板，在孔板上均勻地打上小孔(封頭結(jié)構(gòu)F，圖7)。
3、確定最佳導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)型式，解決了板束單元體截面縱向物流分配不均勻性(1)導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度以45°最佳導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度對(duì)導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能具有較大影響，研究發(fā)現(xiàn)目前工業(yè)設(shè)計(jì)中廣泛使用的導(dǎo)流片很隨意，導(dǎo)流性能較差，而導(dǎo)流角度為45°時(shí)的導(dǎo)流片(圖8)具有良好的導(dǎo)流性能，在相同工況下，同其它導(dǎo)流角度導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能比較，該導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能最佳。
(2)導(dǎo)流片的打孔直徑以2mm為最好在一般的工業(yè)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)流片的打孔直徑往往由技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)選取，缺乏一定的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。根據(jù)發(fā)明人的理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)流片開孔直徑約為2mm時(shí)其導(dǎo)流性能達(dá)到最佳(圖9)，可以使流體在導(dǎo)流片內(nèi)部均勻的分布，從而良好的改善換熱器出口截面縱向物流分配不均勻的問題。
(3)引入導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)h/H的概念傳統(tǒng)的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)僅僅依靠其導(dǎo)流角度的作用對(duì)流體進(jìn)行導(dǎo)流作用，此手段比較單一，效果不明顯。根據(jù)研究結(jié)果專門設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)h/H的導(dǎo)流片(圖10)，導(dǎo)流片h/H的結(jié)構(gòu)參數(shù)取0.2左右為好。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是禰補(bǔ)縱向物流分配的不均勻，結(jié)構(gòu)h/H的導(dǎo)流片的主要特點(diǎn)就是在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，其主要目的是依靠改變導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)，充分利用導(dǎo)流片的打孔產(chǎn)生的流體流動(dòng)補(bǔ)液，來改善流動(dòng)速度分布不均勻。
本發(fā)明的效果是(1)目前空分裝置中板翅式換熱器的導(dǎo)流片與封頭結(jié)構(gòu)對(duì)入口物流分配產(chǎn)生較大不均勻，板束單元體內(nèi)部通道的最大流速與最小流速之比高達(dá)3～6倍。本發(fā)明首次提出了二次封頭的概念，并將二次封頭結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在工業(yè)使用的封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明利用二次封頭結(jié)構(gòu)后，在同一工況下，換熱器內(nèi)部流動(dòng)速度的分布大大改善，最大流速與最小流速之比降到了1.2～1.4倍。采用孔板式封頭結(jié)構(gòu)可以使板束單元體內(nèi)部通道的最大流速與最小流速之比降到1.1～1.3倍。
(2)導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度對(duì)板束單元體截面物流分配不均勻性和流動(dòng)阻力特性也有很大影響，發(fā)現(xiàn)目前工業(yè)設(shè)計(jì)中廣泛使用的導(dǎo)流片導(dǎo)流性能較差，而在導(dǎo)流角度為45°以及導(dǎo)流片開孔直徑約為2mm時(shí)，導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能最佳。首次提出了導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)h/H的概念，通過改變h/H的值，在導(dǎo)流片內(nèi)部形成不同大小的補(bǔ)液腔，從而改善了導(dǎo)流片內(nèi)部的速度場(chǎng)分布。研究發(fā)現(xiàn)采用以上導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)可以使板束單元體內(nèi)部通道縱向方向上的最大流速與最小流速之比由原來的3～7降到2～5倍。
(3)定義了判斷不均勻分配的無量綱參數(shù)，并將本發(fā)明提出的多種封頭結(jié)構(gòu)對(duì)流體分配均勻性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果繪于圖11。為了評(píng)估封頭出口截面物流分配的不均勻性，引入不均勻度Si的概念，Si的大小就代表著封頭出口截面上的物流分配不均勻程度，可用公式表達(dá)為
Si＝(gi-ga)/ga式中g(shù)i為第i通道的質(zhì)量流率；ga為n個(gè)通道的平均質(zhì)量流率。
圖11揭示的是在相同入口平均雷諾數(shù)時(shí)，各種封頭結(jié)構(gòu)出口截面各個(gè)通道物流分配不均勻的情況，從不均勻度的定義可知曲線越趨于零值其分配效果越好。
圖12表示的是板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看到板翅式換熱器由兩部分組成，一部分為入口結(jié)構(gòu)其包括封頭與導(dǎo)流片，另一部分為換熱器主體。流體經(jīng)封頭進(jìn)入導(dǎo)流片，由導(dǎo)流片分配進(jìn)入換熱器主體。
圖13表示的是一個(gè)工業(yè)用小型板翅式換熱器入口結(jié)構(gòu)示意圖，由開封空分集團(tuán)公司生產(chǎn)，其入口管、封頭的尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是按照3200Nm3.h-1空分系統(tǒng)中使用的主換熱器單元體尺寸進(jìn)行模化設(shè)計(jì)的。為實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確測(cè)量和進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，將試件的流體流動(dòng)通路截面劃分為30個(gè)小區(qū)，每一個(gè)小區(qū)的截面積為41.7mm×40mm，將每一個(gè)小區(qū)(熱側(cè)含有40微型通道P)作為一個(gè)通道Ch進(jìn)行測(cè)量，熱側(cè)通道(Ch)的當(dāng)量直徑為17mm，通道布置見圖13。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)每一個(gè)熱側(cè)通道(Ch)的質(zhì)量流率進(jìn)行測(cè)量，從而可獲得換熱器截面的流量分布或者通道流速分布特性圖。
圖14表示的是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，主要由氣體通路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行液相、氣相以及氣液兩相的不均勻分配性的研究。整個(gè)通路循環(huán)由如下環(huán)節(jié)組成空氣經(jīng)壓壓縮機(jī)縮后通過冷卻器、穩(wěn)壓器、流量調(diào)節(jié)閥、過濾器、渦輪流量變送器進(jìn)入氣液混合器與流經(jīng)液路的水泵、水穩(wěn)壓器、流量變送器的水進(jìn)行混合然后進(jìn)入試件，后流經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)箱，單股引出進(jìn)入氣液分離器分別進(jìn)行相應(yīng)的氣液測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2；其特征在于，在流體進(jìn)口段1和封頭連接段2之間增加了一段外弧3作為二次封頭，并在封頭連接段2上分布有多個(gè)通孔。
2.如權(quán)利要求1所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述在封頭連接段2上分布的通孔為5個(gè)～7個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述二次封頭出口當(dāng)量截面直徑與一次封頭出口當(dāng)量截面直徑之比等于入口管直徑與二次出口當(dāng)量截面直徑之比。
4.一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭仍按傳統(tǒng)的基本型封頭“ ”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括一流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2；其特征在于，在流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2連接的空間位置還設(shè)置有一個(gè)隔離板4，并在隔離板4分布有多個(gè)通孔。
5.如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述隔離板4上的多個(gè)通孔均勻地分布或不均勻分布。
6.如權(quán)利要求4或5所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述隔離板4上孔的分布特征為三個(gè)區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最?。黄x中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
7.如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述隔離板4的設(shè)置可以與弧形封頭連接段2等長(zhǎng)，也可以小于弧形封頭連接段2的長(zhǎng)度。
8.一種與板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，包括一傳統(tǒng)的導(dǎo)流片，導(dǎo)流片上設(shè)置有導(dǎo)流孔，其特征在于，導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度設(shè)置為45°，導(dǎo)流片上的導(dǎo)流孔的直徑為2mm。
9.如權(quán)利要求8所述的與板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，其特征在于，在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，該補(bǔ)液腔的寬度為h，封頭的開口寬度為H，h/H為0.2。
全文摘要
本發(fā)明公開了板翅式換熱器流體分配封頭和與封頭連接的導(dǎo)流片，該封頭包括一流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段；在流體進(jìn)口段和封頭連接段之間增加了一段弧型連接體或一個(gè)隔離板作為二次封頭，并在一次封頭與二次封頭之間的隔離板上分布有多個(gè)通孔；其導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度設(shè)置為45°，導(dǎo)流片上導(dǎo)流孔的直徑為2mm。在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，該補(bǔ)液腔的寬度與封頭開口寬度之比為0.2。本發(fā)明首次提出了二次封頭的概念，并引入了不均勻打孔的孔板結(jié)構(gòu)，采用本發(fā)明的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)可以使板束單元體內(nèi)部通道縱向方向上的最大流速與最小流速之比由原來的3～7降到2～5倍。本發(fā)明加工制作方便，對(duì)于改善板翅換熱器入口流體均勻分配和提高其傳熱性能十分有效。
文檔編號(hào)F28F9/02GK1431453SQ03114439
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者厲彥忠, 張哲 , 許菁, 焦安軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)