CN117685796B - 一种环形管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器，所述换热器包括外壳和内部流道，所述内壁是圆形，外壁是八边形，内壁和外壁之间形成内部流道，内部流道内设置多个环形分割件，从而使得内部流道在轴向上分成多个环形流道，环形流道的进口和出口分别设置在相对的两端，从而使得环形流道为U型结构，由两侧流道并联而成；所述环形流道中设有鱼鳍状仿生翅片，沿轴向看，相邻的流道内鱼鳞仿生翅片突起方向相反。本发明设计了新型环形外壳的管壳式换热器，将U型并联流道和鱼鳍状仿生翅片融合。相比传统的螺旋型和S型串联流道，U型并联流道能够降低压降，同时具有更优的均温性能。鱼鳍状仿生翅片交错排布在流道中，起到增强绕流的作用。

Description

一种环形管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，尤其涉及一种环形结构的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

管壳式换热器，是间壁式换热器种类之一。它结构简单，制造、安装、清洗和维修方便，价格低廉，又特别适用于高压流体的冷却、冷凝，所以现代仍得到广泛应用。

近年来，为满足换热需求，已展开对间接液冷系统的研究，涉及冷板结构、冷媒选取、管道布置等诸多方面，发现风冷板结构对液冷系统换热和功耗的影响尤为显著。在间接液体冷却方案中，采用风冷板状式管壳式换热器进行换热。风冷板状式是一个内有流道结构的金属换热器件，通常由铜或铝制成。将换热流体与风冷基板底面直接接触，传热的热量传导至风冷板，然后风冷板与内部的冷媒进行对流换热将热量带走。整个液冷系统利用泵为工质的循环提供动力，相对于风冷系统，液冷系统结构更加紧凑。而且所使用的冷媒多为与冷板材料兼容的去离子水、指定百分比的乙二醇—去离子水、纳米流体等介质，它们具有比空气更高的比热容和导热系数，在散热效果上优于风冷。此外，相比于风冷系统，间接液冷系统噪音水平明显降低。

风冷板一般可分为基板、流道、盖板三部分。盖板及软管接头并无统一的标准，不同厂商有不同的结构形式，基板和流道可按照设备和热设计功耗进行各种不同的配置，这也是影响风冷板散热性能的主要因素。

在流道中增设翅片有助于增加换热面积，并且可以增强对流场的扰动。通过增加翅片强化换热已被广泛应用于换热器中。但此次设计不能单一地考虑散热效果，还应从尽量避免增设翅片后出现的压降急剧增大而散热改善效果极小的局面。再考虑冷媒进口时温度相对更低，所以，在中心和周边要合理设计翅片。而且目前的翅片设计都是采用常规的设计，需要从翅片设计上考虑改进强华传热。

而且风冷板式管壳式换热器一般都是采用平板结构或者常规的管壳式换热器的结构，因此也需要进一步改进。

针对上述问题，本发明提供了一种新的圆环形结构的管壳式换热器，从换热器的结构、流体流动以及翅片设计进行改进，从而解决目前管壳式换热器换热能力不足的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的圆环形结构的管壳式换热器，对换热器进行改进，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种管壳式换热器，所述换热器包括外壳和内部流道，外壳上设有流体入口和流体出口，所述外壳包括内壁和外壁，所述内壁是圆形，外壁是八边形或者圆形，内壁的圆心和外壁的中心是同一个点；内壁和外壁之间形成内部流道，内部流道内设置多个环形分割件，从而使得内部流道在轴向上分成多个环形流道，环形流道的进口和出口分别设置在相对的两端，从而使得环形流道为U型结构，由两侧流道并联而成；所述环形分割件上设置开口，使得相邻两个环形流道通过开口形成串联结构；所述环形流道中设有鱼鳍状仿生翅片，沿轴向看，相邻的流道内鱼鳞仿生翅片突起方向相反。

一个选择，流体入口和流体出口设置在外壳的顶端。

一个选择，鱼鳞仿生翅片设置在内壁上，从内壁向外壁方向延伸。

一个选择，鱼鳞仿生翅片包括互相连接的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度，第一弯曲壁的弯曲半径小于第二弯曲壁的弯曲半径。

一个选择，环形流道内设置位于流道中心的一圈周向中心翅片和位分布于中心翅片两侧的两圈边部翅片，中心翅片的高度和边部翅片的高度相同，中心翅片的宽度是边部翅片宽度的1.5-2.5倍。

一个选择，中心翅片和边部翅片是错列分布。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明设计了新型环形外壳的管壳式换热器，将U型并联流道和鱼鳍状仿生翅片融合。相比传统的螺旋型和S型串联流道，U型并联流道能够降低压降，同时具有更优的均温性能。

2)鱼鳍状仿生翅片交错排布在流道中，增强绕流、增大有效换热面积。鱼鳍状仿生翅片较平缓侧与工质流向相对，相比于普通矩形翅片绕流效果更好、散热面积更大。

附图说明

图1是本发明机壳流道剖视图。

图2是本发明的流体通道示意图。

图3是本发明单个流道内鱼鳍状仿生翅片示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

本申请的左侧和右侧是从流体入口2-3方向向流体出口2-4方向观察，以流体入口2-3与内壁1-1圆心连接线沿着内壁轴线延伸所在的平面为中心，平面左侧和右侧分别是左侧和右侧。

图1-3展示了一种管壳式换热器。如图1所示，所述换热器包括外壳1和内部流道2，外壳1上设有流体入口2-3和流体出口2-4，所述外壳1包括内壁1-1和外壁1-2，所述内壁是圆形结构，外壁是多边形，优选是具有八边以上的八边形，作为优选，圆形的圆心是多边形的中心；或者外壁是圆形，内壁圆形和外壁圆形具有相同圆心；内壁和外壁之间形成内部流道2。如图2所示，内部流道内设置多个环形分割件2-1，从而使得内部流道在轴向上分成多个环形流道2-2，环形流道的流体入口2-3和流体出口2-4分别设置在相对的两端，从而使得环形流道为U型结构，每个环形流道由两侧流道(左侧流道2-5和右侧流道2-6)并联而成；所述环形分割件上设置开口2-7，使得相邻两个环形流道通过开口形成串联结构，环形流道内分布有鱼鳍状仿生翅片2-8。

本发明设计了新型环形外壳的管壳式换热器，将U型并联流道和鱼鳍状仿生翅片融合。相比传统的螺旋型和S型串联流道，U型并联流道能够降低压降60％多，同时具有更优的均温性能。鱼鳍状仿生翅片交错排布在流道中，增强绕流，增大有效换热面积21％，提升对流换热系数26％。

所述环形流道中设有鱼鳍状仿生翅片，沿轴向看，相邻的流道内鱼鳞状仿生翅片突起方向相反，通过这种设计，能够使得流体在U型流道中流动时持续受到相同的扰流效果，降低流阻的增量。

作为一个选择，所述换热器是上下方向设置，一个优选，如图2所示，流体入口2-3和流体出口2-4设置在外壳的顶端。通过如此设置使流体可以借助重力在流道中流动，并使流体与壁面充分接触。

作为一个改进，所述的开口2-7设置在内部流道的上部或者下部。通过设置在上部或者下部，是的流体或者从顶端部向底端部流动，或者从底端想顶端流动，从而充分部能够使得流体可以借助重力在流道中流动，并使流体与壁面充分接触；或者借助反重力流动，使得流体充分在流动中换热。

一个选择，鱼鳞仿生翅片设置在内壁上，从内壁向外壁方向延伸。

一个选择，鱼鳞仿生翅片包括互相连接的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度，第一弯曲壁的弯曲半径小于第二弯曲壁的弯曲半径。第一弯曲壁位于流体流动上游，第二弯曲壁位于流体流动下游。设置下游的第二弯曲壁的弯曲半径以及长度小于第一弯曲壁，流体在U型流道中流动时优先接触第一弯曲壁。因第一弯曲壁坡度较为平缓、与流体接触面较大，流体可以在较小的阻力下与仿生翅片充分接触换热。第二弯曲壁增大了换热面积，而且相同长度第二弯曲壁的换热面积增加，因为位于下游流动阻力基本不增加，因此通过设置第一弯曲壁和第二弯曲壁的尺寸以及弯曲半径的变化，能够在保持相同阻力情况下增加换热面积，提高换热效果，而且节省翅片的分布面积，节省成本。

一个选择，环形流道设置位于流道中心的一圈周向中心翅片和位于中心翅片的两圈边部翅片，中心翅片的高度和边部翅片的高度相同，中心翅片的厚度是边部翅片厚度的1.5-2.5倍，优选是两倍。在散热过程中，较厚的中心翅片可充分导热，较薄的边部翅片可在保证热传导的同时为流体预留足够的通道，不致造成过大的阻力。上述的中心翅片的厚度和边部翅片厚度比例也是经过试验和数值模拟得到的最佳的关系式，在保证阻力情况下达到最佳换热效果。

一个选择，中心翅片和边部翅片是错列分布。

如图2所示，鱼鳞仿生翅片与内壁的轴线是垂直关系，与流体流动方向是平行方向。作为一个改进，鱼鳞仿生翅片与内壁的轴线倾斜，即夹角小于90°，即与流体流动方向倾斜。当环形流道内的流体是从上部向下部流动时候，鱼鳞仿生翅片与内壁的轴线倾斜的夹角越来越小，即与流体流动方向倾斜夹角越来越大，即鱼鳞仿生翅片与流体流动的倾斜度越来越大。主要原因是因为重力作用导致冷流体流动速度越来越快，因此有必然延缓其流动速度使其达到匀速流动。因此设置倾斜夹角的变化，可以使得流体流动中尽量达到匀速，从而提高换热效果。

作为一个改进，当环形流道内的流体是从上部向下部流动时候，鱼鳞仿生翅片与内壁的轴线倾斜的夹角越来越小幅度不断增加，即与流体流动方向倾斜夹角越来越大幅度不断增加。因为随着重力加速度，流速会越来越大通过。如此设置可以进一步提高换热效果。

作为一个改进，流体是从上部向下部流动的环形流道内的鱼鳞仿生翅片的分布密度大于流体是从下部向上部流动的环形流道的分布密度。即当环形流道的入口位于上部(顶端)时候，相邻的环形流道的入口位于下部(底端)，环形流道入口位于上部的鱼鳞仿生翅片的分布密度大于入口位于下部的。因为上部向下流动时候借助重力作用，流动阻力小，而从下向上流动时候，流动阻力大，因此通过设置翅片密度，使得通过流动阻力变化达到均匀流动，均衡压力，从而促进换热。

作为一个改进，所述换热器作为散热器进行应用。内壁形成的内环是热源，热源通过内部流道进行向外散热。所述内部流道的冷流体是空气或者水。

作为优选，外壁设置观察孔，如图1所示，用于观察内部的流体流动状况。

作为一个改进，本发明换热器应用于电机散热。内壁形成的内环设置电机。

现有电机散热系统主要分为风冷和水冷系统。风冷散热系统不需要太复杂的辅助设施，但无法满足高功率密度电机的散热要求。液冷散热系统多依靠物性参数比气体优越的液体，比如水、油等，在辅助设置的帮助下，可以产生非常好的冷却效果。传统液冷方式通常在机壳外部设置蒸发器或流道，冷却剂离热源较远，对于转子和定子来说散热效果较差。还有一种方式是在定子上插入冷却管道，比如定子槽内、定子轭部插入冷却管道，这种冷却方式虽然拉近了与热源的距离，但槽内冷却管道占用大量空间，不适用于定子多槽结构电机，结构复杂，装配难度高。还有一种方式为冷却液直接和电机内部热源接触，这种冷却方式虽然效果较好，但对密封要求较高，冷却装置部件多，冷却结构复杂，成本较高，并且冷却介质只能是油。

将本申请换热器用于与电机散热，机壳底部与定子通过导热材料直接贴合，定子发出的热量由机壳底部传导至其内部流道壁面和鱼鳍状仿生翅片上，同时，流体工质自机壳顶部的入口流入，随后在重力作用下分流，分别向下流过右侧流道及左侧流道之后在底部交汇，通过底部开口通道进入下一环形流道，在压力作用下流体再次向上分流并在顶部交汇，再次通过顶部开口通道进入下一环形流道，如此重复流动，最终在机壳顶部的出口流出，在流动过程中，工质与流道底部及分布在流道内的鱼鳍状仿生翅片进行对流换热，带走与机壳底部贴合的定子等发热部件的热量。

如图1所示，所述两相散热机壳包括外壳1和内部流道2，外壳1上设有流体入口2-3和流体出口2-4。如图2所示，内部流道2-2为U型结构，由左侧流道2-5及右侧流道2-6并联而成，内部流道设有鱼鳍状仿生翅片2-8，相邻流道内鱼鳍状仿生翅片突起方向相反。

如图2所示，内部流道的流体入口2-3和流体出口2-4设置在散热机壳的顶端。通过如此设置使流体可以借助重力在流道中流动，并使流体与壁面充分接触。

流道结构如图2所示，其由环形分割件2-1分成多个环形流道2-2，每一环形流道由左侧流道2-5及右侧流道2-6并联而成，作为优选，每个流道的宽度(沿着内壁面轴向方向上的长度)为12mm～13mm，高度(沿着内壁面径向方向上的高度)为5mm～6mm，二者的比值要求在2～3之间，保证流体与流道靠近内壁侧具有充分的接触面积。环形分割件厚度为3.5mm～4.5mm，每个环形分割件上设有开口，每个开口周向跨度为29°～31°，以便并联流道内的流体在此交汇并重新分流时流速变化小，使得满足流动阻力和换热的最佳要求。

如图3所示，每个环形流道内分布有鱼鳍状仿生翅片，沿圆周方向中间翅片与边部翅片间隔2.5°～3.5°交错排布；中间翅片位于流道中央，其厚度为1.5～1.8mm，边部翅片对称分布于流道中间平面两侧，在轴向上，两个边部翅片中心间隔为5mm～6mm，厚度各为0.7～0.9mm，每个翅片周向跨度为14.5°～15.5°，翅片顶部突起高度为3.2mm～3.4mm；翅片第一弯曲壁曲率半径为14mm～17mm，对应的弧长为9mm～11mm，第二弯曲壁曲率半径为26mm～29mm，对应的弧长为4mm～6mm。上述的最佳尺寸是经过大量的数值模拟和试验研究得出来的优选尺寸，能够满足流动阻力(600-700pa)达到最佳换热要求。

在实验和数值模拟中发现，翅片顶部突起高度为H、翅片的间距、翅片周向跨度不能太大或者太小，否则造成换热效果不好或者阻力过大，本发明在经过大量数值模拟和实验基础上，为在较小流动阻力升高的情况下保证最佳换热效果进行了如下优化：

如图3，假设翅片顶部突起高度为H，边部翅片轴向间距为S，翅片周向跨度角度为A，满足如下要求：sinA＝a-b*ln(H/S),其中a，b是参数，满足0.1880<a<0.1890,0.135<b<01.40，A是14.5°～15.5°，H是3.2mm～3.4mm，S是5mm～6mm。

作为优选，a＝0.1884,b＝0.138。

通过上述的优化设计，使得流动阻力在600-700Pa情况下，达到最佳的换热效果。

如图2所示，流体工质自机壳顶部的流体入口2-3流入，随后在重力作用下分流，分别向下流过左侧流道2-5及右侧流道2-6之后在底部交汇，通过底部开口通道进入下一环形流道，在压力作用下流体再次向上分流并在顶部交汇，再次通过顶部开口通道进入下一环形流道，如此重复流动，最终在机壳顶部的流体出口2-4流出，在流动过程中，工质与流道底部及分布在流道内的鱼鳍状仿生翅片进行对流换热，带走与机壳底部贴合的定子等发热部件的热量。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种环形管壳式换热器，所述换热器包括外壳和内部流道，外壳上设有流体入口和流体出口，所述外壳包括内壁和外壁，所述内壁是圆形，外壁是多边形或者圆形，内壁的圆心和外壁的中心是同一个点；内壁和外壁之间形成内部流道，内部流道内设置多个环形分割件，从而使得内部流道在轴向上分成多个环形流道，环形流道的进口和出口分别设置在相对的两端，从而使得环形流道为U型结构，每个环形流道由两侧流道并联而成；所述环形分割件上设置开口，使得相邻两个环形流道通过开口形成串联结构；所述环形流道中设有鱼鳍状仿生翅片，鱼鳍仿生翅片设置在内壁上，从内壁向外壁方向延伸；鱼鳍仿生翅片包括互相连接的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度，第一弯曲壁的弯曲半径小于第二弯曲壁的弯曲半径；沿轴向看，相邻的流道内鱼鳍状仿生翅片突起方向相反。

2.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，流体入口和流体出口设置在外壳的顶端。

3.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，环形流道内设置位于流道中心的一圈周向中心翅片和分布于中心翅片两侧的两圈边部翅片，中心翅片的高度和边部翅片的高度相同，中心翅片的宽度是边部翅片宽度的1.5-2.5倍。

4.如权利要求3所述的管壳式换热器，其特征在于，中心翅片和边部翅片是错列分布。