CN110006277A - 一种板式换热器的波浪形流体通道换热片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，该换热片涉及的板式换热片上流体通道为圆弧单元连接而成的波浪形结构。本发明将现有的流体直通道改变为波浪形结构，提高了流体介质的换热面积；通过波浪形流体通道不同排列方式，改变流体介质的过流截面，增大介质流动速度和湍流强度，提高流体介质对壁面的剪切作用，减小壁面边界层厚度，提高换热效率，同时对于壁面区域的杂质沉积形成冲刷，实现换热器运行过程中的自清洗功能，降低流体通道内杂质沉积、堵塞风险。该发明改变了板式换热片上流体通道结构单一、换热面积固定的缺点，同时实现了板式换热片运行过程的自清洗功能，提高了设备整体运行效率和安全稳定性。
Description
技术领域
本发明设计板式换热器领域，具体地，涉及一种板式换热器的波浪形流体通道换热片。
背景技术
板式换热器问世100多年来，因其换热效率高、结构紧凑、拆装灵活等优点，在石油、化工、轻纺、暖通、食品、医药等领域获得广泛应用。随着世界能源危机的日益加深，以及我国对于环保要求的日渐提高，高效、节能、经济的板式换热器在未来的市场发展过程中将获得更为广阔的前景。
板式换热器由形状、规格完全相同的换热板交错排列组装而成。换热板的核心区域包括分流区、流动区(即流体通道区)与汇流区。其中，流体换热的主要区域为流体通道区。目前，已面世的所有换热板的流体通道都为平直通道，一方面限制了换热板有效换热面积的发展，制约了板式换热器的整体运行效率的提高，另一方面容易导致流体介质中的杂质颗粒流动过程发生沉积，造成通道堵塞，影响换热器运行安全。
因此，如何改造换热板流体通道结构，增加流体有效换热面积，提高换热器整体运行效率，降低杂质沉积、堵塞风险，成为制约板式换热器进一步发展的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，以提高流体介质换热面积，增强流体速度和湍流程度，改善设备传热效果，同时降低杂质沉积、堵塞风险。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，所述波浪形流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道为波浪形，由圆弧形单元相对排列组成；
所述圆弧形单元的曲率半径R满足关系式：
其中，R为圆弧形单元的曲率半径；L1、L2分别为流体通道截面的上、下底边宽度；υ为流体介质的运动粘度；Q为换热器运行总流量；N板为换热板数量；N通道为换热板所具有的流体通道数量；H为流体通道高度；
所述的圆弧单元高度h满足关系：h＝0.25×(L1+L2)(1-COSθ)
其中，θ为圆弧形单元所对应的圆心角。
进一步地，所述流体通道的倾斜角度α满足关系式：30°≤α≤45°。
进一步地，本领域技术人员仅需简单设置该流体通道为同向排列或异向排列，来有效缩减流体的过流截面，提高流体介质流动速度，进一步增强流体介质的湍流程度，增强换热，并对通道板壁杂质沉积进行冲刷。
进一步地，当所述流体通道同向分布时，外侧圆弧单元高度h满足关系式：h＜R，即圆心角θ＜180°。
进一步地，本领域技术人员也可以毫无疑义地将所述流体通道整体排布成人字形。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明提供的一种新型的板式换热的波浪形流体通道换热片，通过对板式换热器的关键换热区域-流体流动区创新设计，将传统的平行直通道进行优化改进，由圆弧单元组合为波浪形流体通道。流体介质流经波浪形通道的过程中，在圆弧单元的结构导流下，产生二次流现象，增强流体与通道板壁之间的剪切作用，一方面降低板壁边界层厚度，增强换热效果；另一方面对通道板壁附近的杂质沉积进行有效冲击，形成介质流动过程中的自清洗功能，降低换热器堵塞风险。因此，本方案提供的新型板式换热器的波浪形流体通道换热片，能够有效提高板式换热器换热面积以及换热效率，改变流体介质流动速度，增强介质湍流程度，实现流体运行过程自清洗功能，降低换热器杂质沉积堵塞风险，切实有效提高设备整体运行效率和安全稳定性。
附图说明
图1为本发明波浪形流体通道相向排列换热片示意图；
图2为本发明波浪形流体通道同向排列流体通道示意图；
图3为本发明波浪形流体通道同向排列局部示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，以提高换热板换热面积，增强换热器整体运行效率，提高介质流动速率和湍流程度，增强设备换热效率，同时降低设备运行过程中的杂质沉积、堵塞风险。
一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，该波浪形流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道为波浪形，由圆弧形单元相对排列组成；流体介质经流体入口进入流体通道，在流体通道中完成主要换热过程，最后由流体出口流出，使得流体介质的温度降低。其中，波浪形流体通道由圆弧单元相对排列形成，圆弧形单元的曲率半径R满足关系式：其中，R为圆弧形单元的曲率半径；L1、L2分别为流体通道截面的上、下底边宽度；υ为流体介质的运动粘度；Q为换热器运行总流量；N板为换热板数量；N通道为换热板所具有的流体通道数量，H为流体通道高度。
流体介质在波浪形通道内流动时，由于曲率半径的存在，会在离心力作用下产生二次流现象，导致流体与板壁之间剪切作用加强，一方面减小壁面边界层厚度，增强流体与板壁之间的换热效率，另一方面对板壁区域的杂质沉积进行有效冲刷，实现流体运动过程中的自清洗功能。定义二次流强度指数为D，其表达式如下所示：
其中，r为流体通道的半宽度；R为圆弧结构的曲率半径；V为介质流动速度，由下式获得。
其中，Q为设备运行时的总流量；N板为换热器所包含的板数；N通道为单片换热板所包含的流体通道数。经试验研究发现，当二次流强度D为2100时，波浪形流体通道的换热效率最高。此时，流体介质在通道内以较小的流动阻力损失，形成较强烈的二次流现象，降低了波浪形板壁区域的边界层厚度，增强了流体介质与板壁之间的换热效率；同时，加强了流体介质对于板壁区域杂质的冲刷作用，实现了设备的自清洗功能。
流体通道的半宽度r＝0.25×(L1+L2)，圆弧单元高度h＝0.25×(L1+L2)(1-COSθ)其中L1、L2分别为流体通道的上、下宽度，θ为圆弧形单元所对应的圆心角。
本发明所涉及的波浪形流体通道，整体采用人字形(或倒人字形)结构排列，流体通道的倾斜角度α满足关系式：30°≤α≤45°。此时，流体介质经分布区进入流体通道的沿程阻力较小，设备的整体压降处于最优范围。若倾斜角度α＜30°，则流体进入流动区域过程中的沿程阻力过大，导致换热器运行能耗急剧升高；若倾斜角度α＞45°，则运行过程中形成的二次流强度过小，导致换热器换热效率过低。
本领域技术人员仅需简单设置该流体通道为同向排列或异向排列，来有效缩减流体的过流截面，提高流体介质流动速度，进一步增强流体介质的湍流程度，增强换热，并对通道板壁杂质沉积进行冲刷。
当该流体通道同向分布时，外侧圆弧单元高度h满足关系式：h＜R，即圆心角θ＜180°，降低了流体介质中的杂质在外侧区域中发生沉积的风险。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示为波浪形流体通道相向排列换热片示意图，该波浪形流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；该流体通道为波浪形，由圆弧形单元相对排列组成。本实施例取流体通道截面的上底边宽度L1为0.8cm，下底边宽度L2为1.2cm，换热板数量N板为15片；换热板所具有的流体通道数量N通道为30，流体通道高度H为5cm，设计的用于65℃热水换热的波浪形流体通道中的圆弧单元的曲率半径R为5.5cm，圆弧单元高度h为0.25cm，且流体通道的倾斜角度α为30°，且波浪形流体通道相向排列，该换热片组成换热器，通过1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为26℃。
实施例2
如图2、3所示为波浪形流体通道同向排列换热片示意图，该波浪形流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；该流体通道为波浪形，由圆弧形单元相对排列组成。本实施例取流体通道截面的上底边宽度L1为0.8cm，下底边宽度L2为1.2cm，换热板数量N板为15片；换热板所具有的流体通道数量N通道为30，流体通道高度H为5cm，设计的用于65℃热水换热的波浪形流体通道中的圆弧单元的曲率半径R为5.5cm，圆弧单元高度h为0.25cm，且流体通道的倾斜角度α为45°，且波浪形流体通道同向排列，该换热片组成换热器，通过1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为22℃。
实施例1和实施例2提供了波浪形流体通道的不同排列分布方式，根据现场实际工况和需求，进行合理选择和分布，在提高换热面积和换热效率、降低堵塞风险的同时，有效拓宽了换热设备的运行适应性和稳定性。
对比实施例
该换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；流体介质经流体入口流入，经流体通道完成流体介质的主要换热过程，最后由流体出口流出。该流体通道整体采用人字形结构，该流体通道为直通段。
取上述仅有直通段流体通道的换热片15片，每片换热片上均有30个流体通道，搭建成板式换热器，以1m/s的流速将65℃的热水流入换热器中，出口处检测温度为45℃。
Claims (5)
1.一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，其特征在于，所述波浪形流体通道换热片从上至下依次包括流体入口，流体通道和流体出口；所述流体通道为波浪形，由圆弧形单元相对排列组成；
所述圆弧形单元的曲率半径R满足关系式：其中，R为圆弧形单元的曲率半径；L1、L2分别为流体通道截面的上、下底边宽度；υ为流体介质的运动粘度；Q为换热器运行总流量；N板为换热板数量；N通道为换热板所具有的流体通道数量；H为流体通道高度；
所述的圆弧单元高度h满足关系：h＝0.25×(L1+L2)(1-COSθ)
其中，θ为圆弧形单元所对应的圆心角。
2.根据权利要求1所述的一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，其特征在于，所述流体通道的倾斜角度α满足关系式：30°≤α≤45°。
3.根据权利要求1所述的一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，其特征在于，所述流体通道为同向设置或异向设置。
4.根据权利要求1所述的一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，其特征在于，当所述流体通道同向分布时，外侧圆弧单元高度h满足关系式：h＜R，即圆心角θ＜180°。
5.根据权利要求1所述的一种板式换热器的波浪形流体通道换热片，其特征在于，所述流体通道整体为人字形排布。
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