阅读说明：本技术 一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置 (Heat exchange device for weakening uneven heat distribution of pipeline section ) 是由 张小兵 谢鹏勇 于 2020-03-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置,包括设置在管道的底面上的凹坑涡流发生器和设置在管道两个侧面上的翅片结构,所述凹坑涡流发生器包括多个沿流体流动方向排列的凹坑(3),所述翅片结构包括多个沿流体流动方向排列的翅片(4)。本发明采用翅片与凹坑相结合的复合式冷却结构,将凹坑布置于底面可以有效增强流体流动的纵向扰动,在侧壁面加装翅片结构,形成横向方向的流动扰动,翅片形成的横向扰动与球坑形成的纵向扰动互相影响,更好的破坏了流动边界层,形成明显的流动扰动,促进了流体与壁面间的热交换,很好地减弱了管道截面不均匀热分布。(The invention discloses a heat exchange device for weakening uneven heat distribution of a pipeline section, which comprises a pit vortex generator and fin structures, wherein the pit vortex generator is arranged on the bottom surface of the pipeline, the fin structures are arranged on two side surfaces of the pipeline, the pit vortex generator comprises a plurality of pits (3) which are arranged along the flowing direction of a fluid, and the fin structures comprise a plurality of fins (4) which are arranged along the flowing direction of the fluid. The invention adopts a combined cooling structure combining fins and pits, the pits are arranged on the bottom surface, the longitudinal disturbance of fluid flow can be effectively enhanced, the fin structure is additionally arranged on the side wall surface, the flow disturbance in the transverse direction is formed, the transverse disturbance formed by the fins and the longitudinal disturbance formed by the ball pits are mutually influenced, the flow boundary layer is better destroyed, obvious flow disturbance is formed, the heat exchange between the fluid and the wall surface is promoted, and the uneven heat distribution of the section of the pipeline is well weakened.)

一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置。

背景技术

能源是社会发展的基础，随着社会的发展能源也日益紧张，目前能源短缺和能耗水平低下是制约社会经济发展的主要原因。因此高效的节能与换热手段成为必须发展的方向。为了减低能耗，提高生产经济效益，高效节能手段与方法必须被改善与研究。对于航空航天领域，发动机壁面的热防护日益成为液体火箭发动机领域的一个关键问题。一般情况下，燃烧室高温高热流可达0.8-160MW/m²。随着发动机燃烧室温度越来越高，发动机燃烧室壁面受到剧烈的单侧加热，并且壁面冷却通道尺寸非常小达到毫米级，会造成严重的截面热分层和保护问题，由于冷却通道为单面加热，会导致出现截面热分布的不均匀从而导致流动和传热效率下降，容易引起壁面的传热恶化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强换热能力并能够减弱管道截面不均匀热分布的换热装置。

本发明所采用的技术方案是：一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置，包括设置在管道的底面上的凹坑涡流发生器和设置在管道两个侧面上的翅片结构，所述凹坑涡流发生器包括多个沿流体流动方向排列的凹坑，所述翅片结构包括多个沿流体流动方向排列的翅片。

进一步地，两个侧面上的翅片结构的翅片数量相同、位置对应。

进一步地，所述凹坑为球面形凹坑。

进一步地，所述球面形凹坑的中心位于两个翅片之间。

进一步地，所述球面形凹坑的深度为H，凹坑在底面的投影的半径为r，H/2r＝0.2，H为管道当量直径的10％。

进一步地，所述翅片为长方体形。

进一步地，所述长方体形在流动方向的厚度为0.2mm，底面宽度为0.5mm，高度为h，h为管道当量直径的10％。

进一步地，每个面上的凹坑和翅片均为等间距排列。

进一步地，所述管道的截面为矩形。

进一步地，所述翅片的材料为金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用翅片与凹坑相结合的复合式冷却结构，将凹坑布置于底面可以有效增强流体流动的纵向扰动，在侧壁面加装翅片结构，形成横向方向的流动扰动，根据固体传热速率远远大于流体，本发明可以快速的将固体壁面的热流传递给中心流体，从而促进流体与壁面间的热交换，同时翅片形成的横向扰动与球坑形成的纵向扰动互相影响，更好的破坏了流动边界层，形成明显的流动扰动，促进了流体与壁面间的热交换，很好地减弱了管道截面不均匀热分布。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明减弱管道截面不均匀热分布的换热装置的纵向剖面图。

图2是本发明减弱管道截面不均匀热分布的换热装置的横截面图。

图3是本发明减弱管道截面不均匀热分布的换热装置的横向剖面图。

图4是凹坑的结构示意图。

图5是翅片的结构示意图。

图6是热壁面温度分布比较图。

图7是截面温度不均匀分布比较图。

图8是x-y平面的流动涡旋图。

图9是x-z平面的流动涡旋图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1-3，一种减弱管道截面不均匀热分布的换热装置，包括设置在管道的底面上的凹坑涡流发生器和设置在管道两个侧面上的翅片结构，所述凹坑涡流发生器包括多个沿流体流动方向排列的凹坑3，所述翅片结构包括多个沿流体流动方向排列的翅片4，图1中设置凹坑涡流发生器和翅片结构的是流动扰动区2，前后是流动发展区1。

优选地，两个侧面上的翅片结构的翅片4数量相同、位置对应。

优选地，结合图4，所述凹坑3为球面形凹坑，球面形凹坑结构相比于肋片装置在提高换热能力的同时，对于压降损失影响较小，所述球面形凹坑的中心位于两个翅片4之间(错位分布)，所述球面形凹坑的深度为H，凹坑在底面的投影的半径为r，R为凹坑所在球的半径，H/2r＝0.2，H为管道当量直径的10％。

优选地，结合图5，所述翅片4为长方体形，所述长方体形在流动方向的厚度为0.2mm，底面宽度为0.5mm，高度为h，h为管道当量直径的10％。这个高度和深度下，对于流动边界层的破坏和扰动是较为理想的，能够实现更好的流动传热的增强。

优选地，每个面上的凹坑3和翅片4均为等间距排列，凹坑3和翅片4均位于壁面中间位置，即沿着中心线等间隔分布。

优选地，所述管道的截面为矩形。

优选地，所述翅片4的材料为金属。

由于矩形管道的单面加热特性，会造成截面温度的不均匀分布，本发明采用翅片与凹坑相结合的复合式冷却结构，将凹坑布置于底面可以有效增强流体流动的纵向(即y方向)扰动(垂直于底面的流动扰动)，在侧壁面加装翅片结构，形成横向(即x方向)方向的流动扰动(垂直于侧壁面的流动扰动)，根据固体传热速率远远大于流体，本发明可以快速的将固体壁面的热流传递给中心流体，从而促进流体与壁面间的热交换，由图8、9可知，翅片形成的横向扰动与球坑形成的纵向扰动互相影响，更好的破坏了流动边界层，形成明显的流动扰动，促进了流体与壁面间的热交换，很好地减弱了管道截面不均匀热分布。

图6是热壁面温度分布比较图。图7是截面温度不均匀分布比较图。中T_w，T_f,max,T_f,min和T_f,avg分别表示热壁面温度，截面流体的最高温度，最低温度和平均温度。β能由公式1获得，可知相比于传统的光滑冷却通道，翅片和凹坑结合的新装置有效的增强了流动换热能力，并且明显减弱了截面热分层现象。

β＝(T_f，max-T_f,min)/T_f,avg (1)

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