專利名稱：一種換熱器的復(fù)合波紋板片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種換熱器的復(fù)合波紋板片
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)斜波紋板式換熱器內(nèi)特殊的流動(dòng)形態(tài)強(qiáng)化了流體和傳熱壁面之間的換熱，同時(shí)也不可避免地造成流動(dòng)阻力增加較多的負(fù)面效果，因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)斜波紋板片形式進(jìn)行改進(jìn)，使傳熱效果和流動(dòng)阻力能良好匹配。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，基于斜波紋板式換熱器中的流動(dòng)阻力主要來自相對(duì)兩片板片溝槽內(nèi)流體不斷交匯和相互拖曳作用的認(rèn)識(shí)，本實(shí)用新型提供了一種換熱器的復(fù)合波紋板片。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種換熱器的復(fù)合波紋板片，板片的波紋是由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，該兩個(gè)方向的圓弧形波紋分別為與主流方向垂直的橫波，與橫波成30 70°角度的縱波。所述橫波的波高與波距分別為2 4mm和18 30mm，縱波的波高與波距分別為2 4mm 和 12 20mm。所述與主流方向垂直的橫波紋形成流體流動(dòng)的基本通道。所述縱波起到不斷改變流體流動(dòng)方向和在一定程度上使流體產(chǎn)生橫向混合的作用。復(fù)合波紋曲面在造型上可以以縱波為輪廓、沿橫波波形形成的路徑掃描而成，所以復(fù)合波紋曲面的幾何特征是由橫波和縱波兩組波紋幾何特征的疊加決定的。其具體造型過程為1)先建立橫波平面和縱波平面，橫波平面垂直于主流方向，縱波平面與主流方向呈縱波傾角夾角的余角.2)在橫波平面上建立橫波的幾何特征，即橫波波高和橫波波距。3)按建立橫波的相同方法在縱波平面上建立縱波的幾何特征，即縱波波高和縱波波距。4)建立完畢的橫波輪廓、縱波輪廓和主流方向的空間位置關(guān)系。在三維設(shè)計(jì)造型軟件中將縱波定義成輪廓、橫波定義成路徑，使用輪廓沿路徑掃描的方式生成曲面。完成復(fù)合波紋曲面造型的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)模具進(jìn)行換熱板片的沖壓成形加工。以上設(shè)計(jì)得到能使板片形成波紋區(qū)域的上模和下模芯部波紋造型后，將其輸入數(shù)控機(jī)床加工程序，可在數(shù)控銑床上進(jìn)行模具曲面的加工。本實(shí)用新型是在人字形板片的換熱和流動(dòng)規(guī)律分析研究的基礎(chǔ)上提出的一種全新的網(wǎng)流型復(fù)合波紋換熱板片，板片的波紋由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，與主流方向垂直的波紋稱作橫波形成流體流動(dòng)的基本通道，另一個(gè)方向的波紋與之成一定角度，起到不斷改變流體流動(dòng)方向和在一定程度上使流體產(chǎn)生橫向混合的作用，稱為縱波。流體通道呈波浪狀流線型結(jié)構(gòu)，能在很大程度上減小流動(dòng)阻力，流動(dòng)中不會(huì)發(fā)生明顯的影響流體流動(dòng)的相互拖曳作用，從而避免較大阻力的產(chǎn)生。在復(fù)合波紋板形成的流動(dòng)通道中，兩條波紋疊加的效果使流體的流動(dòng)形成幅度不大但頻繁的類似收縮擴(kuò)張的方向改變，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)方向和傳熱壁面有較大夾角的流動(dòng)，增強(qiáng)了換熱效果。同時(shí)由于曲面通道的作用，流體產(chǎn)生的漩渦引發(fā)了垂直于傳熱壁面方向流體的運(yùn)動(dòng)，可導(dǎo)致流體的熱邊界層減薄和溫度梯度相應(yīng)增大，使壁面附近流體和固體壁面之間傳熱溫差增大，從而進(jìn)一步使換熱強(qiáng)化。

圖I為橫波平面、縱波平面和主流方向的相對(duì)角度示意圖。圖2為橫波的幾何特征示意圖。圖3為縱波的幾何特征示意圖。圖4為橫波、縱波的空間位置關(guān)系示意圖。圖5為本實(shí)用新型的復(fù)合波紋板面示意圖。圖6為復(fù)合波紋板片間流場(chǎng)的物理模型示意圖。圖7A為大截面積流體通道。圖7B為小截面積流體通道。圖8為人字形板片和復(fù)合波紋板片的換熱效果比較示意圖。圖9為人字形板片和復(fù)合波紋板片的阻力損失比較示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。一種換熱器的復(fù)合波紋板片，板片的波紋是由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，該兩個(gè)方向的圓弧形波紋分別為與主流方向垂直的橫波，與橫波成30 70°的縱波。所述橫波的波高與波距分別為2 4mm和18 30mm，縱波的波高與波距分別為2 4mm 和 12 20mm。復(fù)合波紋曲面在造型上可以以縱波為輪廓、沿橫波波形形成的路徑掃描而成，所以復(fù)合波紋曲面的幾何特征是由橫波和縱波兩組波紋幾何特征的疊加決定的。其具體造型過程為I)先建立橫波平面和縱波平面，橫波平面垂直于主流方向，縱波平面與主流方向呈(90-β)夾角，β為30 70°，優(yōu)選60°，如圖I所示。2)在橫波平面上建立橫波的幾何特征橫波輪廓由弦高為hl，弦長(zhǎng)為P1/2的圓弧按圖2所示的排列方式首尾相接而成，hl、Pl即為橫波波高和橫波波距，hi為2 4mm，Pl為18 30mm(根據(jù)傳熱強(qiáng)化和阻力減小綜合考慮,優(yōu)選4mm和30mm)。3)按建立橫波的相同方法在縱波平面上建立如圖3所示的縱波的幾何特征，縱波也是由圓弧連接而成，h2、P2即縱波波高和縱波波距，h2為2 4mm，P2為12 20mm(根據(jù)傳熱強(qiáng)化和阻力減小綜合考慮，優(yōu)選2_和20_)。4)建立完畢的橫波輪廓、縱波輪廓和主流方向的空間位置關(guān)系，如圖4所示。在三維設(shè)計(jì)造型軟件中將縱波定義成輪廓、橫波定義成路徑，使用輪廓沿路徑掃描的方式生成曲面，如圖5所示，即為按上述方法完成的復(fù)合波紋曲面造型。 完成復(fù)合波紋曲面造型的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)模具進(jìn)行換熱板片的沖壓成形加工。以上設(shè)計(jì)得到能使板片形成波紋區(qū)域的上模和下模芯部波紋造型后，將其輸入數(shù)控機(jī)床加工程序，可在數(shù)控銑床上進(jìn)行模具曲面的加工。板片間不同接觸方式可獲得兩種不同大小流通截面積的流體通道組合形式，如圖7A、圖7B所示，圖7A為大截面積流體通道，圖7B為小截面積流體通道。將兩片板片疊加后形成的內(nèi)部空腔是流場(chǎng)空間，板片如圖5、圖6所示。板片的波紋由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，與主流方向垂直的波紋稱作橫波形成流體流動(dòng)的基本通道，另一個(gè)方向的波紋與之成一定角度，起到不斷改變流體流動(dòng)方向和在一定程度上使流體產(chǎn)生橫向混合的作用，稱為縱波。由于有基本通道的導(dǎo)流作用，不同方向流體的交匯作用明顯減輕。雖然這種波紋形式的板片疊加后仍然有網(wǎng)格狀分布的接觸點(diǎn)，但其流體通道呈波浪狀流線型結(jié)構(gòu)，也能在很大程度上減小流動(dòng)阻力。在復(fù)合波紋板片中，大部分流體沿與流動(dòng)方向垂直的波紋形成的基本通道流動(dòng)，不同方向流體的橫向混合只在很小程度上發(fā)生，無論波紋傾角如何變化，也不會(huì)發(fā)生明顯的影響流體流動(dòng)的相互拖曳作用，從而避免較大阻力的產(chǎn)生。在復(fù)合波紋板形成的流動(dòng)通道中，兩條波紋疊加的效果使流體的流動(dòng)形成幅度不大但頻繁的類似收縮擴(kuò)張的方向改變，這種改變有助于流動(dòng)過程中流體速度與傳熱壁面形成較大角度的區(qū)域增多，而與傳熱壁面呈較大角度的流動(dòng)會(huì)增強(qiáng)換熱效果。在規(guī)則流道(如圓管，矩形通道)內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)的流動(dòng)方向和傳熱壁面有較大夾角的流動(dòng)，而通過使傳熱面“彎曲化”是可以實(shí)現(xiàn)的，原因是兩組波紋共同形成了在一個(gè)平面上類似收縮和擴(kuò)張的特殊流道形式使流體流動(dòng)方向發(fā)生改變。在強(qiáng)化傳熱方面，由于曲面通道的作用，流體產(chǎn)生了對(duì)強(qiáng)化換熱有促進(jìn)作用的漩渦。由于垂直于傳熱壁面方向流體的運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致流體的熱邊界層減薄和溫度梯度相應(yīng)增大，漩渦效應(yīng)使壁面附近流體和固體壁面之間傳熱溫差增大，從而進(jìn)一步使換熱強(qiáng)化。復(fù)合波紋與人字形斜波紋板式換熱器性能的數(shù)值研究結(jié)果比較圖8和圖9是復(fù)合波紋板片盒人字形板片的數(shù)值計(jì)算對(duì)比結(jié)果，從這些結(jié)果可以看出，在保持換熱效果與人字形板片相差不多的前提下，復(fù)合波紋板片的流動(dòng)阻力損失比相同角度下人字形板片要降低50%左右，特別是β為60。的復(fù)合波紋板片與波紋傾角β=60°人字形板片的換熱效果幾乎相同，而復(fù) 合波紋板片的阻力損失卻比人字形板片低很多，從圖中顯示的結(jié)果看，β為60。的復(fù)合波紋板片的壓力損失甚至低于40°時(shí)的人字形板片。由以上對(duì)比結(jié)果看出復(fù)合波紋板片在保持了良好換熱效果的同時(shí)，大大降低了阻力損失，是一種理想的換熱板片。
權(quán)利要求1.一種換熱器的復(fù)合波紋板片，其特征在于所述板片的波紋是由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，該兩個(gè)方向的圓弧形波紋分別為與主流方向垂直的橫波，與橫波成30 70°角度的縱波。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種換熱器的復(fù)合波紋板片，其特征在于所述橫波的波高與波距分別為2 4mm和18 30 mm,縱波的波高與波距分別為2 4mm和12 20_。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種換熱器的復(fù)合波紋板片，板片的波紋是由兩個(gè)方向的圓弧形波紋疊加而成，該兩個(gè)方向的圓弧形波紋分別為與主流方向垂直的橫波，與橫波成30～70°角度的縱波。所述橫波的波高與波距分別為2～4mm和18～30mm，縱波的波高與波距分別為2～4mm和12～20mm。所述與主流方向垂直的橫波紋形成流體流動(dòng)的基本通道。所述縱波起到不斷改變流體流動(dòng)方向和在一定程度上使流體產(chǎn)生橫向混合的作用。本實(shí)用新型的復(fù)合波紋板片與常規(guī)人字形斜波紋板片相比較，在保持了良好換熱效果的同時(shí)，大大降低了阻力損失，是一種理想的換熱板片。
文檔編號(hào)F28F3/02GK202372036SQ20112042894
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者丁開強(qiáng), 張冠敏, 杜曉光, 田茂誠(chéng) 申請(qǐng)人:山東大學(xué)