阅读说明：本技术 一种用于高强度热流密度下的冷却装置 (Cooling device used under high-strength heat flux density ) 是由 张小兵 谢鹏勇 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于高强度热流密度下的冷却装置,包括换热元件,其受热侧的内壁有螺旋式凹凸构型,换热器中心部位为螺旋叶片导流装置,用于使流体形成旋转式射流。本发明冷却装置形成的螺旋式叶片流道,不仅起到流动扰流作用,并与粗糙壁面形成扰流旋涡的互相影响,同时螺旋式叶片形成了对于加热面的射流强化传热,这大大增强了该冷却装置的散热能力。本发明的冷却装置冷却效率高效,对于高热流密度下的冷却需求能够有效解决并满足设备需求,结构简便,容易拆卸,能耗较低的优点。(The invention discloses a cooling device used under high-strength heat flux density, which comprises a heat exchange element, wherein the inner wall of the heated side of the heat exchange element is in a spiral concave-convex configuration, and the center part of a heat exchanger is provided with a spiral blade flow guide device used for enabling fluid to form rotary jet flow. The spiral blade flow channel formed by the cooling device not only plays a role of flow turbulence, but also has mutual influence of turbulent eddies formed by the spiral blade and a rough wall surface, and simultaneously, the spiral blade forms jet flow enhanced heat transfer to a heating surface, so that the heat dissipation capacity of the cooling device is greatly enhanced. The cooling device has the advantages of high cooling efficiency, simple structure, easiness in disassembly and low energy consumption, and can effectively meet the cooling requirement under high heat flow density.)

一种用于高强度热流密度下的冷却装置

技术领域

本发明属于工程热物理及能源与利用技术领域，涉及到一种用于高强度热流密度下的冷却装置。

背景技术

受能源紧缺以及化石能源不可再生的影响，节能减排技术越来越引起人们的重视，随着传统能源的日益紧缺，为了降低能耗，提高生产效率，高效简便低能耗的强化传热装置被要求。随着机械制造技术的进步以及工艺的更新，结合已有的强化传热理论与技术，一大批新型的换热器设备以及技术被开发和应用。

换热器已经被广泛研究和设计，本发明受热面采用了传统的粗糙壁面，用以进行流动扰动。目前，换热器板面主要呈波纹状，常见的由肋条式，凹凸球面式，马蹄形类肋片，楔形肋片等等。尽管这些波纹片形状不一，但是都是起到破坏流动边界层的作用，形成一次流动扰动。

发明内容

本发明目的为提供一种用于高强度热流密度下的冷却装置，针对现有的翅片波纹式结构的换热能力不足，提供一种主动射流式冷却装置，在有限的流动换热空间，经过改进设备，增加换热面积，提高强化传热效果。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种用于高强度热流密度下的冷却装置，该冷却装置由上下板片组成，下板片为受热板片，为凹凸构型的粗糙结构，上下板片为对称面设置形成圆管，冷却装置中心设置为螺旋叶片导流装置，固定在中心位置的旋转轴上，旋转轴固定于冷却装置的前后出入口的中心位置。

进一步的，冷却装置的从入口处流进冷却剂即流体，经过螺旋结构进入冷却区域，该区域内受热面为下圆管壁面，依靠螺旋形流道进行螺旋式前进，并同时对热壁面形成冲刷作用。

进一步的，凹凸构型的粗糙结构的深度与高度以及间距根据数值计算优化确定，取值均为冷却通道当量直径D的10％。

进一步的，中心轴的支撑点为进出口，进出口上的旋转轴采用压紧后的硅胶密封装置。

进一步的，螺旋叶片导流装置，其中的螺旋叶片可以外力受控转动或固定式依据水流惯性形成旋转射流。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：

1、本发明结合高效射流散热原理，利用有限的冷却通道，通过螺旋叶片导流装置实现射流的目的，从而实现流动传热的强化；

2、流体在管内外流动时，因受到离心力而周期性改变流动速度和方向且引起二次流动，从而加快了流体湍流，达到强化传热的目的；

3、本发明装置下，流体经过波纹管壁面形成流动扰流，通过中心螺旋管道，产生离心力，而形成与壁面呈一定夹角的流体，且带有较大的速度，对热壁面形成冲刷作用，从而形成射流强化传热，根据已有研究，射流传热效率要远远高于普通接触式传热，同时这种传热模式极大的适合高强度热流密度；

4、本发明是基于这些波纹面，在管道中心插入螺旋叶片流道，形成旋转射流，从而促进壁面与流体间的热交换；

5、本发明结合传统粗糙壁面扰流强化传热技术与射流强化传热手段，通过螺旋中心插入式结构实现旋转射流目的，从而实现高强度强化传热。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

D为圆管直径，d1为螺旋叶片所在的圆弧直径，d2为螺旋叶片中心轴的直径，P为螺旋叶片的螺距。

图2为螺旋冷却装置的侧视图。

图3为图1中螺旋叶片的具体形状与尺寸示意图。H为螺旋叶片高度，H＝(d1-d2)/2。

图中1.圆管受热壁面，2.螺旋叶片导流装置，3.中心旋转轴，4.轴端轴承固定装置，5.电动机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明

本发明的用于高热流密度下的高强度紧凑式热交换器，该强化传热冷却装置是在传统的粗糙管壁式换热器结合动态旋转的螺旋叶片形成的射流，利用高速射流冲刷实现壁面冷却。

一种用于高强度热流密度下的冷却装置，该冷却装置由上下板片组成，下板片为受热板片，为凹凸构型的粗糙结构，上下板片为对称面设置形成圆管，冷却装置中心设置为螺旋叶片导流装置，固定在中心位置的旋转轴上，旋转轴固定于冷却装置的前后出入口的中心位置。

冷却装置的从入口处流进冷却剂即流体，经过螺旋结构进入冷却区域，该区域内受热面为下圆管壁面，依靠螺旋形流道进行螺旋式前进，并同时对热壁面形成冲刷作用。

凹凸构型的粗糙结构的深度与高度以及间距根据数值计算优化确定，取值均为冷却通道当量直径D的10％。

中心轴的支撑点为进出口，进出口上的旋转轴采用压紧后的硅胶密封装置。

螺旋叶片导流装置，其中的螺旋叶片可以外力受控转动或固定式依据水流惯性形成旋转射流。

本发明的结构如图1，强化传热装置为粗糙壁面1，螺旋叶片导流装置2，中心旋转轴3，轴端轴承固定装置4，以及电动机5。冷却流体从入口流进，经过旋转式螺旋叶片导流装置2，形成螺旋射流，经过冲刷粗糙壁面1，形成对管道热壁面的冲刷冷却。根据已有的研究表明射流的冷却能力是远远高于普通流动的对流换热能力，因此本发明通过旋转射流实现高效冷却。

在本发明中H为冷却通道当量直径D的20％，d2为冷却通道当量直径D的10％，螺距P为两倍d2,B1＝0.5mm,B2＝1.0mm。本发明基本管道为r*L＝50mm*1000mm，D＝2r。

因流体直接冲击加热表面，流程短且在被冲击表面上形成的边界层是很薄的，同时快速的带走热量，所以这种旋转射流的方法能够产生较高的对流换热效应。事实上本发明与传统的由于压力差形成的射流是有区别的，本发明中，流体由于叶片的旋转具有了高速旋转流的特性，因此对热壁面形成了冲刷冷却作用，相比于压差形成的射流效果要低。但是受限于狭窄的管道，本发明在狭窄通道内是有极大的应用价值的，而且所产生的换热效果，也是远远大于传统的粗糙肋片管道的。此外根据湍流传热原理中产场协同传热效应，旋转射流导致流动方向与流体温度梯度方向夹角变小，提高了对流换热能力。