混沌翅片及包括该翅片的板翅式换热器

摘要

本发明公开了一种混沌翅片，包括至少一个翅片单元，每个翅片单元由若干单位的直流段、过渡段和扭曲直流段构成，任一单位的直流段与扭曲直流段几何外形相同，绕过渡段中心垂直于底面的轴线呈轴对称，直流段与扭曲直流段的截面呈几何形状，该几何形状保证了流体在截面上的二维变化，且具有第三轴向的扭曲变化。本发明还公开板翅式换热器，包括封条、隔板和翅片，翅片采用混沌翅片，混沌翅片由多个翅片单元横向或纵向连接而成。本发明构思巧妙、加工简单，利用混沌原理进行热交换，与层流相比具备更好的传热效果，与湍流相比具备低的流动压降。流体在流道的流动状况好于现有流道，流动死区小，且具备良好的混合效率，流道被堵塞的可能性大为降低。

说明书

技术领域：

本发明涉及热交换设备，具体地说是利用混沌原理强化传热进行热交换的混沌翅片及包括该翅片的换热器。

背景技术：

板翅式换热器是一种紧凑式的高效换热器，它具有结构紧凑、轻巧、传热效率高等特点，广泛地用于石油化工、空气分离、低温工程、船舶、车辆及原子能等行业。虽然板翅式换热器有很多突出的优点，但随着技术的发展和使用要求的不断提高，依然存在有很多问题：由于流道的狭窄，很多工作条件下流动呈层流流动，降低了传热效率；狭窄流道易引起堵塞等；虽然有些“宽缝”(wide-gap)流道设计(亦称自由流动的板式换热器)，但是较宽的流道引起传热效率的下降。因此如何提高板翅式换热器的传热效率，降低换热器体积，减小流道堵塞等问题，一直是各方技术人员研究的重点。2003年12月出版的抚顺石油学院学报第23卷第四期发表的“错位翅片板翅式换热器传热研究”得出了错位翅片的相错排列致使流体在一个翅片上的边界层还未完全发展就被错位的翅片破坏，从而增强了流体的湍流能力，因此具备传热效率高、体积小、节约材料等优点，但文章同时坦诚了存在着摩擦因子高、压降大等缺点。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题就是针对层流传热的传热效率低、湍流传热的压降大等不足而提供一种利用混沌热交换方法进行热交换的板翅式换热器的混沌翅片及由这些翅片构成的板翅式换热器。

一种混沌翅片，包括至少一个翅片单元，其特征在于：一个翅片单元由若干单位的直流段、过渡段和扭曲直流段构成，任一单位的直流段与扭曲直流段几何外形相同，绕过渡段中心垂直于底面的轴线呈轴对称，直流段与扭曲直流段的截面呈几何形状，该几何形状保证了流体在截面上的二维变化，且具有第三轴向的扭曲变化。

所述的翅片单元由至少两个单位相互连接的直流段、过渡段和扭曲直流段横向和纵向相互连接而成。

所述的直流段和扭曲直流段截面几何形状为类三角形、梯形、类半圆形、椭圆形、半菱形等及其它不规则形状。

一种板翅式换热器，包括封条、隔板和翅片，其特征在于：所述的翅片为混沌翅片，该混沌翅片由多个翅片单元连接而成。

所述的翅片单元由若干单位相互连接的直流段、过渡段和扭曲直流段构成，任一单位的直流段与扭曲直流段几何外形相同，绕过渡段中心垂直于底面的轴线呈轴对称，直流段与扭曲直流段的截面呈几何形状，该何形状保证了流体在截面上的二维变化，且具有第三轴向的扭曲变化。

所述的翅片单元由至少两个单位直流段、过渡段和扭曲直流段横向和纵向相互连接而成。

所述的直流段和扭曲直流段截面几何形状为类三角形、梯形、类半圆形、椭圆形、半菱形等及其它不规则形状。

本发明所能达到的有益效果是：

1、本发明构思巧妙、加工简单，利用混沌原理进行热交换，与层流相比具备更好的传热效果，与湍流相比具备更低的流动压降。

2、本发明流体在流道的流动状况好于现有流道，流动死区小，几乎可以忽略，而且混合情况远好于现有翅片形成的流道。

3、本发明具备更大的传热面积，传热面积较其他翅片可以增大15～50％，可以更有效地提高换热器紧凑度，减小换热器体积，同时也有利于施焊。

4、本发明材质选用与普通翅片相同且设计有一定的锥度，不增加制造成本，加工翅片时更方便于脱模。

附图说明：

图1为本发明直流段和扭曲直流段为类三角形的混沌翅片结构示意图。

图2为本发明直流段和扭曲直流段截面为直边椭圆形和类三角形的翅片单元结构示意图。

图3为本发明截面为三角形一个单位的直流段、过渡段和扭曲直流段结构三视图。

图4为本发明产生混沌的原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1、图2、图3所示，图1所示的混沌翅片由五个翅片单元横向整体压接而成，该直流段1和扭曲直流段3截面为三角形的翅片单元由三个单位的直流段1、扭曲直流段3和过渡段2构成，每个单位的直流段1、扭曲直流段3和过渡段2的主视图、左视图、俯视图和立体示意图如图3(A、B、C、D)所示，任一单位的相邻的直流段1与扭曲直流段3几何外形相同，绕过渡段2中心垂直于底面的轴线呈轴对称，这样就保证了流体在截面上的二维变化，且具有第三轴向的扭曲变化。按照混沌产生的动力学原则，保证流道内流体在二维方向上产生环流，第三维方向产生周期扭曲就可能产生混沌，从而强化传热。如图4所示，在X-Y坐标面上，流通面S₁由于流道的形状的变化，流动将在X-Y面发生变化，产生二次环流，流过一定的长度Z₀后，流道形状方式和前面一个截面相对称的变化，流体在过渡段2流道内发生扭曲，从而发生了基于Z轴的旋转流动，周而复始，将会产生混沌流，从而强化传热。而这种基于二维的流道变化，不限于上述图示的类三角形截面变化(如图2B所示)，如图2A所示的直流段1和扭曲直流段3截面就是直角椭圆形，本发明保护的范围不限于图中所示的截面，还包括诸如三角形、梯形、半圆形、椭圆形、半菱形等等规则截面形状及其它能够产生二次环流的不规则截面形状变化。混沌翅片利用混沌现象来强化传热，可以有效的克服目前板翅式换热器采用层流或湍流原理制成的普通翅片存在的问题。混沌翅片仍然由薄钢板、或者不锈钢板、或者铜、铝等有色金属扎制而成，与普通翅片生产相似，不增加制造成本，具有加工简单、焊接方便、传热效率高、降低流道堵塞、进一步提高传热面积、有效减小换热器体积等优点，适用于各种板翅式换热器。

由混沌翅片构成的板翅式换热器，采用和现有板翅式换热器基本结构相同，在两块平行隔板之间设置混沌翅片，在其两侧边缘以封条密封而组成单元体，对各单元体进行不同的组合和适当的排列，并用钎焊(对非金属材料用胶接)焊牢，组成板束，把若干板束按需要组装在一起，便构成了由混沌翅片构成的板翅式换热器，因此具备了混沌翅片的所有技术效果。