CN114111393B - 基于超临界工质的换热板、芯体及印刷电路板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超临界工质的换热板、芯体及印刷电路板式换热器，属于换热装置技术领域，其技术方案为：按照超临界工质物性变化曲线依次布置翼型翅片区、S型翅片区和菱形翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置；或者，按照超临界工质物性变化曲线依次布置基础翅片区、加密翅片区和稀疏翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置。本发明按照超临界工质物性变化曲线设置组合式的换热板结构，适应超临界流体工质热物性随温度变换时不同阶段的换热过程，提升流体的综合换热性能。

Description

基于超临界工质的换热板、芯体及印刷电路板式换热器

技术领域

本发明涉及换热装置技术领域，尤其涉及一种基于超临界工质的换热板、芯体及印刷电路板式换热器。

背景技术

目前，印刷电路板式换热器的流道结构包括直通道、Z型通道等连续型流道以及S型通道、翼型通道等非连续性通道。改变通道结构会对印刷电路板式换热器的换热及压降性能产生较大的影响。相较于连续型通道，非连续型通道以换热性能的小幅降低为代价，换取了压降损失的大幅减小，因而逐步成为综合换热性能更佳的通道类型。

工质在高压条件下升温气化时通常会进入超临界态，这一过程中其热物性参数在拟临界点附近会发生剧烈变化，其中定压比热容会在拟临界温度前后迅速提高与降低，导致此拟临界区内流体所需的换热量大幅提升，对通道的换热能力提出了更高的要求。而流体进入超临界态后，局部换热系数降低，同时密度、黏度的降低又提高了流体流速，进而增大了阻力压降损耗，因此相较于换热性能，此处更应关注通道的压降损失。

现有的非连续型印刷电路板式换热器通常采用同一翅片、同一间距、同一布置形式的传统通道结构，翅片类型与布置形式较为单一，导致通道不能适应超临界流体的变化，无法根据跨临界气化过程中流体不同区域的需求提供相应的优化，进而影响通道换热性能，导致通道整体换热效果较差或阻力压降较高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于超临界工质的换热板、芯体及印刷电路板式换热器，按照超临界工质物性变化曲线设置组合式的换热板结构，适应超临界流体工质热物性随温度变换时不同阶段的换热过程，提升流体的综合换热性能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于超临界工质的换热板，按照超临界工质物性变化曲线依次布置翼型翅片区、S型翅片区和菱形翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置。

作为进一步的实现方式，所述翼型翅片区设于拟临界点之前的区域，S型翅片区设于拟临界点物性剧烈变化区，菱形翅片区设于拟临界点之后的区域。

作为进一步的实现方式，所述的翼型翅片区设置对称型翼型翅片，S型翅片区设置正弦式S型翅片，菱形翅片区设置鱼形仿生翅片。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种基于超临界工质的换热板，按照超临界工质物性变化曲线依次布置基础翅片区、加密翅片区和稀疏翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置。

作为进一步的实现方式，所述基础翅片区设于拟临界点之前的区域，加密翅片区设于拟临界点物性剧烈变化区，稀疏翅片区设于拟临界点之后的区域。

作为进一步的实现方式，各翅片区中的翅片均为翼型翅片，且翼型翅片在各翅片区的疏密程度不同。

作为进一步的实现方式，加密翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距缩减10％-50％；稀疏翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距增加10％-50％。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种基于超临界工质的换热芯体，包括至少一个所述的基于超临界工质的换热板。

作为进一步的实现方式，基于超临界工质的换热板与直通道换热板或Z型通道换热板层叠固定，形成芯体结构。

第四方面，本发明的实施例还提供了一种基于超临界工质的印刷电路板式换热器，包括所述的基于超临界工质的换热芯体。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明按照超临界工质物性变化曲线设置组合式的换热板结构，相较于全程均采用同一翅片、同一间距、同一布置形式的传统非连续型通道，本发明能够适应超临界流体工质热物性随温度变换时不同阶段的换热过程，提升流体的综合换热性能。

(2)本发明在流体低温、高密度、低流速，物性参数变化缓慢且均匀的区域采用换热性能适中的翼型翅片，维持较高的换热能力与较低的压降；而在密度、黏度、导热系数、比热容等热物性参数剧烈变化的超临界区拟临界点附近，则通过S型翅片的结构来加强流体扰动，破坏热边界层，从而增加流体换热量，适应比热容剧烈升高带来的换热量需求，以最大限度提高其换热性能；在流体高温、低密度、高流速，热物性参数均较低且变化平稳的区域则采用压降阻力最低的菱形翅片，减小工质流体对壁面的冲击效果，以降低高流速条件带来的压降损失。

(3)本发明在流体低温、高密度、低流速，物性参数变化缓慢且均匀的区域采用常规排布的翼型翅片，维持较高的换热能力与较低的压降；而在密度、黏度、导热系数、比热容等热物性参数剧烈变化的超临界区拟临界点附近，通过减少翅片间距来进行加密，从而增大换热面积，以适应超临界态比热容剧烈升高带来的换热量需求；在流体高温、低密度、高流速，热物性参数均较低且变化平稳的区域则增大翅片间距，减少流动区域内的翅片数目，削弱工质流体对壁面的冲击效果，以降低高流速条件带来的压降损失。

(4)本发明的通道结构灵活，当工质流体流经具有不同结构特点、换热及压降性能的翼型、S型、菱形翅片区域时，可产生不同的流型特点及扰动形式，由此适应超临界流体工质热物性随温度变换时不同阶段的换热过程；或者，可通过自由改变翅片间距调整翅片疏密程度，并可通过改变加密及稀疏翅片的数目来自由调整加密及稀疏区的范围，以方便针对不同种类流体进行调整；加密翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距缩减10％-50％；稀疏翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距增加10％-50％，这一范围可在保证流体流型相对稳定的状态下提升热力水力性能，超过这一范围可能会造成通道结构对流动的形态影响过强或过弱，反而造成综合换热性能恶化。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的立体图；

图2是本发明实施例一的平面图；

图3是本发明实施例一的翼型-S型-菱形翅片结构一个周期内立体图；

图4是本发明实施例一的翼型-S型-菱形翅片结构一个周期内平面图；

图5(a)是本发明实施例一的翼型翅片交错分布示意图；

图5(b)是本发明实施例一的S型翅片交错分布示意图；

图5(c)是本发明实施例一的菱形翅片交错分布示意图；

图6是本发明实施例一的S型-菱形翅片换热板一个周期内示意图；

图7是本发明实施例二的立体图；

图8是本发明实施例二的平面图；

图9是本发明实施例二的换热板一个周期内立体图；

图10是本发明实施例二的换热板一个周期内平面图；

图11是本发明实施例二的翼型翅片交错分布示意图；

图12是本发明实施例三的换热芯体结构示意图。

其中，1、翼型翅片区，2、S型翅片区，3、菱形翅片区，4、基础翅片区，5、加密翅片区,6、稀疏翅片区。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种基于超临界工质的换热板，为印刷电路板式换热器的组成部分，如图1和图2所示，按照超临界工质物性变化曲线依次布置翼型翅片区1、S型翅片区2和菱形翅片区3。

超临界流体为流体所处的温度和压力高于其临界温度和临界压力时，流体进入的介于气态和液态的一种特殊状态。超临界流体的物性在临界点附近会发生剧烈变化，动力粘度，导热系数和密度随着温度的增加而迅速减小，而定压比热容会突然增大到峰值，然后迅速降低。

本实施例根据超临界流体工质在通道全程热物性变化规律，入口至接近拟临界点段分布若干翼型翅片，即翼型翅片区1；超临界区内拟临界点前后物性剧烈变化段分布若干S型翅片，即S型翅片区2；拟临界点后至出口段分布若干菱形翅片，即菱形翅片区3。

在本实施例中，换热板长度方向为超临界流体工质流动方向，各翅片区中的翅片沿换热板长度方向均采用交错式布置，且沿换热板宽度方向呈周期性分布。

以一个周期内的流道结构为例进行详细说明，如图3和图4所示，翼型翅片布置在通道的进口段，此处工质温度相对较低，密度较大，流速较低，热物性参数变化缓慢，可视为常规单相换热，因此采用翅片类型中换热能力较强，压降较低的翼型翅片。

在本实施例中，翼型翅片采用NACA系列对称型翼型翅片的任意一种，例如NACA0025型翼型翅片。翼型翅片凭借宽头窄尾的流线型结构，换热性能与压降损失适中。

而S型翅片布置在通道中段，根据超临界流体工质热物性变化曲线，该处流***于拟临界点附近，即将进入超临界区，比热容迅速提升，温升所需热量大大增加，因此采用换热能力相对最强的S型翅片。

优选地，S型翅片采用正弦式S型翅片，正弦S型翅片基于弯折角为52°的Z型通道改进而来，换热性能及压降损失最高。

菱形翅片位于通道出口段，此处超临界流体温度较高，密度较低，流速较大，换热效果已经较低；为了减小高流速导致的压降损失，采用菱形翅片。所述菱形翅片为依据剑鱼减阻外形的鱼形仿生翅片，其为针对翼型翅片的头部撞击进行改进，换热性能及压降损失最低。采用本实施例换热板结构，相较于全程采用翼型翅片，能够使换热出口温度提升8.15％，对流换热系数提升18.72％；相较于全程采用S型翅片，能够以对流换热系数降低2.99％的代价，使压降损失降低60.66％。

进一步的，翼型翅片区1、S型翅片区2和菱形翅片区3的区域范围、翅片分布数目、分布疏密程度可根据超临界流体的热物性曲线差异及对流体换热或压降性能的侧重进行调整。

如图6所示的换热板结构不设置翼型翅片区1，增大了S型翅片区2和菱形翅片区3的区域范围，由于起点段使用S型翅片，温升更快，换热效果更强，因而出口温度相较于翼型-S型-菱形结构可提升2.74％，单位面积换热量可提升1.96％，但压降也随之增大，增幅达21.25％。

进一步的，如图5(a)-图5(c)所示，沿流动方向不同行相邻翅片的间距La取值为翅片长度，同一行相邻翅片的间距Lb取值为两倍翅片长度，垂直于流动方向两相邻翅片间距Lc取值为翅片宽度，以此保持翅片排布的均匀性及其对流体流动影响的连续性。

其中，La、Lb、Lc及翅片尺寸等参数可根据使用需求增大或减小，以加密或稀疏翅片分布，进一步实现强化换热或降低压降损耗的目的。

相较于全程均采用同一翅片、同一间距、同一布置形式的传统非连续型通道，本实施例充分适应超临界流体工质热物性的发展趋势与流动换热发展规律，在流体低温、高密度、低流速，物性参数变化缓慢且均匀的区域采用换热性能适中的翼型翅片，维持较高的换热能力与较低的压降；而在密度、黏度、导热系数、比热容等热物性参数剧烈变化的超临界区拟临界点附近，则通过S型翅片的结构来加强流体扰动，破坏热边界层，从而增加流体换热量，适应比热容剧烈升高带来的换热量需求，以最大限度提高其换热性能；在流体高温、低密度、高流速，热物性参数均较低且变化平稳的区域则采用压降阻力最低的菱形翅片，减小工质流体对壁面的冲击效果，以降低高流速条件带来的压降损失；进一步提升流体的综合换热性能。

实施例二：

本实施例提供了一种基于超临界工质的换热板，为印刷电路板式换热器的组成部分，如图7和图8所示，按照超临界工质物性变化曲线依次布置基础翅片区4、加密翅片区5和稀疏翅片区6。

本实施例定义的基础翅片区4中翅片为常规布置，加密翅片区5和稀疏翅片区6均相对于基础翅片区4而定，形成由常规至密集再至稀疏的翅片分布形式。其中，加密翅片区5相对于基础翅片区4沿流动方向的翅片间距缩减10％-50％；稀疏翅片区6相对于基础翅片区4沿流动方向的翅片间距增加10％-50％。

以上加密与稀疏均与垂直于流动方向上的翅片间距无关。

优选地，各翅片区中的翅片均为翼型翅片，且采用交错式布置。

进一步的，以一个周期内的流道结构为例进行详细说明，如图9和图10所示，基础翅片区4位于通道的进口段，此处工质温度相对较低，密度较大，流速较低，热物性参数变化缓慢，可视为常规单相换热，因此使用换热能力较好、压降较低的常规排布形式。

加密翅片布置在通道中段，根据超临界流体工质热物性变化曲线，该处流***于拟临界点附近，即将进入超临界区，比热容迅速提升，温升所需热量大大增加，因此对翅片进行加密处理可以进一步提升换热性能。

稀疏排布的翅片位于通道出口段，此处超临界流体温度较高，密度较低，流速较大，换热效果已经较低；为了减小高流速导致的压降损失，采用增大翅片间距的方式来减小压降。本实施例换热板结构相比现有换热板，出口温度提升量可达1.29％，换热系数提升量可达3.64％，同时伴随8.62％的压降提升。相较于绝大多数换热器优化中压降损失会随换热性能提升而成指数增长，该实施例的压降增幅很低，因而整体换热性能得以提升。

如图11所示，沿流动方向不同行相邻翅片的间距为La，同一行相邻翅片的间距为Lb，垂直于流动方向两相邻翅片间距为Lc。其中，La、Lb、Lc及翅片尺寸等参数可随使用要求增大或减小，以加密或稀疏翅片分布。本实施例通过改变La和Lb来加密及稀疏翅片，以进一步实现强化换热或降低压降损耗的目的。

本实施例根据超临界流体工质热物性规律，在流体低温、高密度、低流速，物性参数变化缓慢且均匀的区域采用常规排布的翼型翅片，维持较高的换热能力与较低的压降；而在密度、黏度、导热系数、比热容等热物性参数剧烈变化的超临界区拟临界点附近，则通过减少翅片间距来进行加密，从而增大换热面积，破坏热边界层，提升换热量，以适应超临界态比热容剧烈升高带来的换热量需求，最大限度提高其换热性能；在流体高温、低密度、高流速，热物性参数均较低且变化平稳的区域则增大翅片间距，减少流动区域内的翅片数目，削弱工质流体对壁面的冲击效果，以降低高流速条件带来的压降损失。

实施例三：

本实施例提供了一种基于超临界工质的换热芯体，包括至少一个实施例一或实施例二所述的基于超临界工质的换热板。

如图12所示，基于超临界工质的换热板与直通道换热板或Z型通道换热板相互交错堆叠后，利用扩散焊接技术构成印刷电路版式换热器的换热芯体。

实施例四：

本实施例提供了一种基于超临界工质的印刷电路板式换热器，包括实施例三所述的基于超临界工质的换热芯体。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于超临界工质的换热板，其特征在于，按照超临界工质物性变化曲线依次布置翼型翅片区、S型翅片区和菱形翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置；

所述翼型翅片区设于拟临界点之前的区域，S型翅片区设于拟临界点物性剧烈变化区，菱形翅片区设于拟临界点之后的区域。

2.根据权利要求1所述的基于超临界工质的换热板，其特征在于，所述的翼型翅片区设置对称型翼型翅片，S型翅片区设置正弦式S型翅片，菱形翅片区设置鱼形仿生翅片。

3.基于超临界工质的换热板，其特征在于，按照超临界工质物性变化曲线依次布置基础翅片区、加密翅片区和稀疏翅片区，各翅片区中的翅片均采用交错式布置；

所述基础翅片区设于拟临界点之前的区域，加密翅片区设于拟临界点物性剧烈变化区，稀疏翅片区设于拟临界点之后的区域。

4.根据权利要求3所述的基于超临界工质的换热板，其特征在于，各翅片区中的翅片均为翼型翅片，且翼型翅片在各翅片区的疏密程度不同。

5.根据权利要求3所述的基于超临界工质的换热板，其特征在于，加密翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距缩减10％-50％；稀疏翅片区相对于基础翅片区沿流动方向的翅片间距增加10％-50％。

6.基于超临界工质的换热芯体，其特征在于，包括至少一个如权利要求1或3所述的基于超临界工质的换热板。

7.根据权利要求6所述的基于超临界工质的换热芯体，其特征在于，基于超临界工质的换热板与直通道换热板或Z型通道换热板层叠固定，形成芯体结构。

8.基于超临界工质的印刷电路板式换热器，其特征在于，包括如权利要求6-7任一所述的基于超临界工质的换热芯体。