專(zhuān)利名稱(chēng)：分布式翅片換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用新方法設(shè)計(jì)的新穎結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)備，其尤其適用 于航空航天、電子設(shè)備等對(duì)換熱器的散熱性能、重量體積以及能源 消耗等方面要求都較高的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
緊湊式換熱器是一種高效的散熱設(shè)備，單位體積的換熱面積可以
達(dá)到700 2500m7m3，通常用于兩股或兩股以上流體之間的熱交換， 其中流體被金屬隔板所隔開(kāi)。這種換熱器的結(jié)構(gòu)單元通常包括隔 板、翅片和封條三種元件。兩層隔板間放置翅片就構(gòu)成了流體通 道，翅片通常焊接在隔板上，平行于流體流動(dòng)方向的兩側(cè)由封條封 固，并用釬焊與隔板結(jié)合。若干個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)單元組合起來(lái)就構(gòu)成 了一個(gè)緊湊式換熱器芯體，通常冷熱流體層是交替放置的，冷流體 的流動(dòng)方向可以是逆流式或叉流式。緊湊式換熱器目前在航空航 天、電子設(shè)備、能源化工、低溫深冷等行業(yè)中都得到了非常廣泛的 應(yīng)用。但是隨著科技的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)峥刂萍夹g(shù)的要求也 越來(lái)越高。主要表現(xiàn)在環(huán)境和設(shè)備的熱負(fù)荷越來(lái)越高，但是由于 系統(tǒng)整體的限制，所能提供的散熱空間越來(lái)越小，散熱設(shè)備的重量 也要求越來(lái)越輕，因此迫使換熱器必須向小型化、高緊湊度的方向 發(fā)展，以便使其重量體積、材料和能源的消耗都盡可能地減小，即 以最小最輕功耗最小的換熱器達(dá)到最高的散熱效果。因此，就對(duì)傳 統(tǒng)的換熱器提出了新的挑戰(zhàn)。緊湊式換熱器一般具有比較復(fù)雜的翅 片表面，其中翅片的類(lèi)型和幾何尺寸是最為重要的特征參數(shù)，也是 決定換熱器性能的主要因素。不同翅片表面的換熱特性和阻力特性 差異很大， 一般換熱能力強(qiáng)的翅片引起的流動(dòng)阻力較大，而換熱能 力較差的翅片流動(dòng)阻力較小。以往的緊湊式換熱器都是以點(diǎn)模型為 基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，也就是將整個(gè)換熱器看作是一個(gè)整體，不考慮 其內(nèi)部的參數(shù)(如溫度、壓力、熱物性等)變化。根據(jù)點(diǎn)模型所設(shè) 計(jì)的緊湊式換熱器通常是單一的翅片結(jié)構(gòu)，未考慮換熱器各個(gè)部位 的換熱能力的差異，往往使得局部換熱性能與局部翅片型式的匹配 效果不能達(dá)到最優(yōu)，例如在換熱能力差的位置必須采用換熱能力強(qiáng)
的翅片以滿足換熱要求；但該翅片用于換熱能力強(qiáng)的位置，則過(guò)于 浪費(fèi)，既增大了流動(dòng)阻力使得能耗較大，又浪費(fèi)較多的材料使得重 量增加。因此，如果能夠通過(guò)一種更好的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)不同位置 的散熱需求設(shè)計(jì)不同的翅片(包括翅片型式、數(shù)目和尺寸等)，那 么將可以在最小的流阻和重量下取得最強(qiáng)的散熱效果，達(dá)到節(jié)省材 料、降低能耗和強(qiáng)化傳熱的目的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前緊湊式換熱器設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的局限性，本發(fā)明的目的在于 提供一種基于新設(shè)計(jì)方法的換熱器，為熱控制技術(shù)領(lǐng)域提供一種全 新的設(shè)計(jì)理念和更有效的散熱設(shè)備。
分布式翅片換熱器的外觀和安裝方式與普通的緊湊式換熱器相 似，其主要特征在于
每層流道是由多種類(lèi)型翅片組合而成的分布式翅片結(jié)構(gòu)。即根據(jù) 換熱器的設(shè)計(jì)要求和流體進(jìn)口參數(shù)條件，在換熱器的不同層以及同 一層的不同位置都可以設(shè)置不同的翅片型式、數(shù)目和尺寸，使得換 熱器內(nèi)各處的換熱和流場(chǎng)分布更加均勻，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效 果。這些都是根據(jù)分布參數(shù)模型的理論計(jì)算結(jié)果得到的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有分布式翅片結(jié)構(gòu)的緊湊 式換熱器，用于兩種或兩種以上流體進(jìn)行熱交換，其包括至少一層 具有翅片的構(gòu)造，其特征在于
所述翅片構(gòu)造中，每層所采用的翅片不是單一均勻的，而是隨 著層數(shù)，以及在每一層中的位置而變化的，這種變化包括翅片型 式、數(shù)目和/或幾何尺寸等的變化。
根據(jù)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述換熱器的特征在 于所述至少一層的翅片構(gòu)造里，在冷熱流體溫差較小的區(qū)域采用 換熱效果較好的翅片，在冷熱流體溫差較大的區(qū)域則釆用流動(dòng)阻力 較小的翅片。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述的換熱器的特征在于 所述流動(dòng)阻力較小的翅片包括流動(dòng)阻力較小的翅片型式、較少的翅 片數(shù)目、較大的翅片間距中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述的換熱器的特征在于所 述換熱效果較好的翅片包括換熱能力較強(qiáng)的翅片型式、較多的翅片 數(shù)目、較小的翅片間距中的至少一種方式。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述的換熱器的特征在于在 所述冷熱流體溫差居中的區(qū)域里，采用換熱能力居中的翅片。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述的換熱器的特征在于翅 片參數(shù)的變化不是隨意安置的，而是根據(jù)設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，通過(guò)緊 湊式換熱器分布^t模型優(yōu)化設(shè)計(jì)所得的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述翅片型式包括平直翅片、 鋸齒形翅片、波紋形翅片、百葉窗翅片、針形翅片、穿孔翅片中的 至少一種。


圖l給出了本發(fā)明的換熱器的一個(gè)實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)和模型； 圖2是圖l所示的換熱器中的任意一層的翅片安排示意圖。 圖3以一層2 x 2的翅片布置方式為例具體闡述了本發(fā)明的設(shè)計(jì)思 想和應(yīng)用。
圖4是圖3示例中鋸齒形翅片的放大圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明人對(duì)緊湊式換熱器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究，提出了 新的數(shù)學(xué)模型——分布參數(shù)模型。該模型的特點(diǎn)是依翅片尺度將 緊湊式換熱器劃分成若干微元控制體，通過(guò)控制體的能量平衡方程 來(lái)求解每個(gè)微元控制體的溫度、壓力和其它熱力參數(shù)的分布情況。 由于該數(shù)學(xué)模型計(jì)算所采用的特征尺度等于換熱器物理模型中翅片 的尺度，所以相比CFD (Computational Fluid Dynamics)方法，微 元控制體的物理意義更加明確，而且能夠方便地使用現(xiàn)有的翅片傳 熱和阻力性能數(shù)據(jù)，計(jì)算速度比CFD方法有了突破性的提高，使得基 于分布參數(shù)的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)。分布參數(shù)模型與通常的點(diǎn) 模型的設(shè)計(jì)方法相比，優(yōu)勢(shì)在于每個(gè)微元控制體的流體局部熱物 性參數(shù)變化以及微元體所處位置的局部翅片型式和尺寸，及其所對(duì) 應(yīng)的局部換熱面積和局部換熱系數(shù)都是可以單獨(dú)考慮和計(jì)算的。也 就是說(shuō)，各個(gè)微元控制體所處位置的翅片參數(shù)也是可以獨(dú)立設(shè)計(jì)和 優(yōu)化的。在換熱器設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)換熱能力和減小流動(dòng)阻力往往是相 互矛盾的，換熱能力強(qiáng)的翅片通常流動(dòng)阻力較大，而流動(dòng)阻力較小 的翅片通常換熱能力差些，因此換熱器設(shè)計(jì)中一般根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的 需求權(quán)衡二者的關(guān)系來(lái)選取最合理的翅片結(jié)構(gòu)。根據(jù)換熱器不同位置的流體溫度和物性參數(shù)情況，設(shè)計(jì)加工更合理的翅片(包括型 式、數(shù)目和尺寸)，使得該處流體在滿足換熱量的前提下，流動(dòng)阻 力盡可能最小，翅片重量也盡可能最輕。本發(fā)明就是在此數(shù)學(xué)模型 的理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。
圖l是本發(fā)明分布式翅片換熱器芯體的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意
圖，圖中換熱器總層數(shù)為/L考慮該緊湊式換熱器的芯體結(jié)構(gòu)，對(duì)于 第,'個(gè)流層，按照熱流體和冷流體流動(dòng)方向分別劃分為m和w個(gè)節(jié)段 (如圖2所示)，共形成^(w,",)個(gè)子模塊，(附,",A:的取值為任意大
于或者等于l的整數(shù))。^于各個(gè)子模塊分別選用不同的翅片型式 (例如，平直翅片、鋸齒形翅片、波紋形翅片、百葉窗翅片、針形 翅片、穿孔翅片等)，同時(shí)各層翅片高度保持一致。
圖2是圖1的實(shí)施例中換熱器某個(gè)層的模塊劃分示意圖，在兩個(gè)方 向分別劃分若干段，具體數(shù)目由分布Wt模型的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)結(jié) 果來(lái)確定。當(dāng)兩方向劃分的節(jié)段數(shù)目均為l時(shí)，本發(fā)明中的換熱器將 退化為普通的緊湊式換熱器，因此本發(fā)明的換熱器至少有一個(gè)方向 的節(jié)段數(shù)目大于l。
圖3是分布式翅片叉流換熱器的一層2 x 2的翅片結(jié)構(gòu)的詳細(xì)構(gòu)造 圖，用于說(shuō)明本發(fā)明。圖3中，上下隔板5之間的一個(gè)流層^L劃分為 四個(gè)模塊即區(qū)域l、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4，各個(gè)區(qū)域分別采用了獨(dú) 立的翅片型式。才艮據(jù)冷熱流體的流動(dòng)方向可以看到，其中的區(qū)域l是 冷熱流體溫度差別最大的區(qū)域，在同等換熱量條件下，只需較小的 換熱面積和換熱系數(shù)，因此此處的設(shè)計(jì)結(jié)果為流動(dòng)阻力較小的翅 片，如矩形平直翅片；而區(qū)域4是冷熱流體溫差最小的區(qū)域，因此這 里需要較大的換熱面積和換熱系數(shù)才能達(dá)到同樣的換熱量，所以這 里選用換熱能力較強(qiáng)的翅片，如鋸齒形翅片；而區(qū)域2和3，冷熱流 體溫差居中，此處選用的是換熱能力居中而流動(dòng)阻力也居中的翅 片，如三角形平直翅片。換熱效果較好的翅片(其換熱系數(shù)與換熱 面積之積較大)，除了同等尺寸下?lián)Q熱能力較強(qiáng)的翅片型式外，在 同樣翅片型式下，設(shè)計(jì)較多的翅片數(shù)目(或較小的翅片間距)，同 樣可以使換熱效果提高。相反地，流動(dòng)阻力較小的翅片，除了同等 尺寸下流動(dòng)阻力較小的翅片型式外，同樣翅片型式下，較少的翅片 數(shù)目(或較大的翅片間距)也可以減小流動(dòng)阻力。實(shí)際應(yīng)用中，需 要根據(jù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)不同翅片安排方式的計(jì)算結(jié)果加以比較， 獲得最優(yōu)結(jié)果。
本發(fā)明所提供的分布式翅片換熱器的最大改進(jìn)在于克服了舊式換 熱器采用單一翅片類(lèi)型的缺陷，充分針對(duì)具體換熱情況來(lái)設(shè)置翅片 類(lèi)型，在保證換熱效果的前提下，能夠盡量減小系統(tǒng)阻力，以減小 配套設(shè)備的能耗和系統(tǒng)的重量。
本發(fā)明的分布式翅片換熱器，包括用導(dǎo)熱材料(如鋁、不銹鋼、 銅等)制作的換熱器隔板、封頭、端蓋以及翅片等，其中用導(dǎo)熱材 料制成的每一層的分布式翅片組合焊接在隔板之間，然后所有層的 翅片交替疊加在一起，形成換熱器。
本發(fā)明所提供的分布式翅片換熱器在設(shè)計(jì)上可釆用前面所介紹的 分布參數(shù)模型的方法。
本發(fā)明所提供的分布式翅片換熱器在制造上并不比普通的緊湊式 換熱器的加工方法復(fù)雜，只需要按照要求將正確的翅片焊接到正確 的位置。
本發(fā)明所提供的分布式翅片換熱器在應(yīng)用上與目前常用的緊湊式 換熱器的應(yīng)用方法一致，應(yīng)用場(chǎng)合、管路連接方式和安裝要求也一 致，因而能夠很方便的替換現(xiàn)有的普通緊湊式換熱器，因此具有廣 闊的應(yīng)用前景。
除了上述翅片型式的分布之外，還可以才艮據(jù)具體的設(shè)計(jì)條件，通 過(guò)分布參數(shù)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)計(jì)算得到換熱器不同的翅片分布方式， 包括不同模塊數(shù)目和不同翅片參數(shù)(包括型式、數(shù)目和尺寸)等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 通過(guò)合理設(shè)計(jì)翅片參數(shù)，在保證換熱效率的前提下，盡可能 減小了翅片阻力，使得換熱器在給定的體積要求下，達(dá)到最好的散 熱效果和最小的能源消耗，并使得換熱器重量達(dá)到最輕；
(2) 除翅片分布形式的調(diào)整外，換熱器整體方案與普通緊湊式換 熱器方案相同，在保證系統(tǒng)性能提供的前提下，盡可能減小了系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上的改變，便于制造和應(yīng)用。
需要說(shuō)明的是方案中換熱器不同位置的翅片型式、尺寸和數(shù)目都 是根據(jù)分布參數(shù)模型的設(shè)計(jì)結(jié)果而定的，由此形成的技術(shù)方案也屬 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種具有分布式翅片結(jié)構(gòu)的緊湊式換熱器，用于兩種或兩種以上流體進(jìn)行熱交換，其包括至少一層具有翅片的構(gòu)造，其特征在于所述翅片構(gòu)造中，每層所采用的翅片不是單一均勻的，而是隨著層數(shù)，以及在每一層中的位置而變化的，這種變化包括翅片型式、數(shù)目和/或幾何尺寸等的變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的換熱器，其特征在于所述至少一層的翅片構(gòu)造里，在冷熱流體溫差較小的區(qū)域釆用換 熱效果較好的翅片，在冷熱流體溫差較大的區(qū)域則釆用流動(dòng)阻力較小 的翅片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的換熱器，其特征在于 所述流動(dòng)阻力較小的翅片包括流動(dòng)阻力較小的翅片型式、較少的翅片數(shù)目、較大的翅片間距中的至少一種形式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的換熱器，其特征在于 所述換熱效果較好的翅片包括換熱能力較強(qiáng)的翅片型式、較多的翅片數(shù)目、較小的翅片間距中的至少一種形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的換熱器，其特征在于在所述冷熱流體溫差居中的區(qū)域里，采用換熱能力居中的翅片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的換熱器，其特征在于翅片參數(shù)的變化不是隨意安置的，而是根據(jù)設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，通 過(guò)緊湊式換熱器分布參數(shù)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)所得的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中任何一項(xiàng)所述的換熱器，其中所述翅片型式包 括平直翅片、鋸齒形翅片、波紋形翅片、百葉窗翅片、針形翅片、穿 孔翅片中的至少一種。
全文摘要
一種結(jié)合分布參數(shù)模型所設(shè)計(jì)的新型分布式翅片緊湊式換熱器，其總體結(jié)構(gòu)與普通緊湊式翅片換熱器相同，包括隔板、熱流體側(cè)翅片、冷流體側(cè)翅片、端蓋等部分，其主要特征是將分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型的思想運(yùn)用于換熱器設(shè)計(jì)中，使得換熱器中不同位置的翅片型式、數(shù)目和尺寸可以根據(jù)該處的換熱條件而具體設(shè)計(jì)，使得有限空間內(nèi)的換熱能力達(dá)到最大，而阻力達(dá)到最小，以降低能耗，節(jié)省材料；其中熱邊翅片和冷邊翅片都可以是多種結(jié)構(gòu)尺寸的翅片型式的組合。
文檔編號(hào)F28D9/02GK101392995SQ20081010324
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者張麗娜, 楊春信 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)