阅读说明：本技术 一种提高流动均匀性的换热装置 (Heat exchange device for improving flow uniformity ) 是由 宣益民 侯庆栋 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高流动均匀性的换热装置,包括进口连接管、进口歧管、流动通道、出口歧管和出口连接管,进口连接管与进口歧管相连,进口歧管内设置螺旋挡板,流动通道分别与进口歧管、出口歧管相连,出口歧管与出口连接管相连。螺旋挡板包括固定杆和螺旋片,螺旋片沿固定杆螺旋方向延伸。本发明对换热装置各流动通道内的工质分配具有很好的调控作用,能够大幅提高换热装置的流动均匀性,且改善效果随着进口质量流量的增加愈加显著；同时,流动均匀性的改善也使得换热装置的换热效率得以提升,能够有效避免传热恶化和局部高温区的产生；螺旋挡板在进口歧管内的安装方便稳定,额外流动阻力损失的增幅很小。(The invention discloses a heat exchange device for improving flow uniformity, which comprises an inlet connecting pipe, an inlet manifold, a flow channel, an outlet manifold and an outlet connecting pipe, wherein the inlet connecting pipe is connected with the inlet manifold, a spiral baffle is arranged in the inlet manifold, the flow channel is respectively connected with the inlet manifold and the outlet manifold, and the outlet manifold is connected with the outlet connecting pipe. The spiral baffle comprises a fixed rod and a spiral sheet, and the spiral sheet extends along the spiral direction of the fixed rod. The invention has good regulation and control function on the distribution of the working medium in each flow channel of the heat exchange device, can greatly improve the flow uniformity of the heat exchange device, and has more and more obvious improvement effect along with the increase of the inlet mass flow; meanwhile, the improvement of the flow uniformity also improves the heat exchange efficiency of the heat exchange device, and can effectively avoid heat transfer deterioration and generation of a local high-temperature area; the installation of the spiral baffle in the inlet manifold is convenient and stable, and the increment of the loss of the extra flow resistance is very small.)

一种提高流动均匀性的换热装置

技术领域

本发明属于换热装置，具体为一种提高流动均匀性的换热装置。

背景技术

换热器在石油化工、环境建筑、航空航天等领域应用广泛，尤其是紧凑高效的板式换热器、板翅式换热器、微小通道换热器等。但是，目前这些平行流多通道换热器在设计过程中，往往假设所有通道中的流体均匀地分布，但在实际运行的过程中，由于歧管结构、进出口位置及大小、通道数量、流动方式等因素的影响，会导致各个通道中流量分配差异很大。换热器内部的流场与温度场是高度耦合的关系，这种流动不均匀性势必会造成温度不均匀性，引起传热恶化，严重影响换热器的换热效率和使用寿命。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种能够合理调控各通道流量分配、提高流动均匀性的换热装置。

技术方案：本发明所述的一种提高流动均匀性的换热装置，包括进口连接管、进口歧管、流动通道、出口歧管和出口连接管，进口连接管与进口歧管相连，进口歧管内设置螺旋挡板，流动通道分别与进口歧管、出口歧管相连，出口歧管与出口连接管相连。

进一步地，螺旋挡板包括固定杆和螺旋片，螺旋片沿固定杆螺旋方向延伸，螺旋片可改善各通道的流量分配。固定杆设置在进口歧管的中轴线上，固定杆与进口歧管内壁固定连接，起到固定和支撑作用。螺旋片的螺距沿远离进口连接管的方向逐渐增大。螺旋片的螺距增量为1～5mm。

进一步地，进口连接管的中轴线与进口歧管的中轴线重合。出口歧管的中轴线与出口连接管的中轴线重合。进口歧管、出口歧管的截面形状为圆形、半圆形或方形。进口歧管用于分配流动通道内的工质，出口歧管用于汇集流动通道内的工质。流动通道内的工质无特殊要求，可为液体、气体及气液两相流体等。

进一步地，流动通道包括若干平行排列的直流动通道。直流动通道的截面形状为圆形、半圆形或方形。直流动通道间有一定的间距，并且其进出口两端插入进口歧管、出口歧管内一定深度。

进一步地，进口连接管、进口歧管、流动通道、出口歧管、出口连接管、螺旋挡板均由同种金属材料制成，为铝、铜或不锈钢等，以方便焊接与装配。

工作原理：一定质量流量的流动工质首先通过进口连接管进入进口歧管，在进口歧管内，经过螺旋挡板的分流作用流进各流动通道，工质会在通道内部吸收通道两侧加热壁面的热量，最后汇集于出口歧管并从出口连接管流出。螺旋挡板引起的螺旋流能够增强进口歧管内流体的湍流度，抑制歧管底部的涡流与回流，并且变螺距形式下，不同的流体离心力使得沿挡板的切向速度更加均匀，各流动通道进口处局部压力趋于一致。因此，变螺距螺旋挡板能够显著改善各流动通道的流量分配，大幅提升流动均匀性。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：对换热装置流动通道内的工质分配具有很好的调控作用，能够大幅提高换热装置的流动均匀性，且改善效果随着进口质量流量的增加愈加显著；同时，流动均匀性的改善也使得换热装置的换热效率得以提升，能够有效避免传热恶化和局部高温区的产生；螺旋挡板在进口歧管内的安装方便稳定，额外流动阻力损失的增幅很小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明螺旋挡板6的结构示意图；

图3是对比例的结构示意图；

图4是本发明与对比例在雷诺数5000时各通道流动工质实际速度的对比图；

图5是本发明与对比例不同雷诺数下的总流动不均匀度的对比图；

图6是本发明与对比例不同雷诺数下的总加热壁面平均温度的对比图；

图7是本发明与对比例不同雷诺数下的总压降损失的对比图。

具体实施方式

实施例1

如图1，换热装置的进口连接管1与进口歧管2固连，其中轴线对正重合。流动通道3分别与进口歧管2、出口歧管4固连，流动通道3包括若干平行排列的直流动通道，直流动通道的截面形状为方形，直流动通道间有一定的间距，并且其进出口两端插入进口歧管2、出口歧管4内3mm的深度。出口歧管4与出口连接管5固连，其中轴线对正重合。进口连接管1的内径为10mm，管长为100mm。进口歧管2、出口歧管4的内部截面形状为24mm×24mm的正四边形，总长为150mm。流动通道3由15个平行排列的矩形直通道组成，长、宽、高分别为200mm、21mm和1.4mm，通道编号依次为1至15号，相邻直流动通道间的间距为7.6mm，上下两壁面厚度为1.2mm。进口歧管2用于分配流动通道3内的工质，出口歧管4用于汇集流动通道3内的工质。流动通道3内的工质为水。进口歧管2内固设有螺旋挡板6。

如图2，螺旋挡板6包括固定杆601和螺旋片602，螺旋片602沿固定杆601螺旋方向延伸，螺旋片602用于改善各流动通道3的流量分配。固定杆601设在进口歧管2的中轴线上，固定杆601与进口歧管2后端的中心固定连接，起到固定和支撑作用，杆长和杆径分别为140mm和4mm。螺旋片602的螺距沿远离进口连接管1的方向逐渐增大。螺旋片602的依次为17mm、18mm、20mm、23mm、27mm和32mm，增量分别为1mm、2mm、3mm、4mm、和5mm，螺距的变化并非等差增大，螺旋片的半径和厚度分别为9mm和1mm。进口连接管1、进口歧管2、流动通道3、出口歧管4、出口连接管5、螺旋挡板6的材质均为铝，以方便焊接与装配。

对比例

如图3，对比例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：进口歧管2内没有螺旋挡板6。

为研究应用本发明的换热装置对各直流动通道的流动均匀性的改善效果，对其进行了三维建模和数值计算。通过RANS方法，在雷诺数1000-10000范围内，对实施例1与对比例的换热装置进行了流动均匀性、换热性能和压降损失的对比。在所有的工况下，流动工质的进口温度均设置为293.15K，流动通道两侧壁面的热流密度均设置为100kW/m²。

如图4，雷诺数5000时，对比例的换热装置从1号通道到15号通道工质实际速度逐渐增大，流动均匀性很差，最大的流量分配不均匀度高达83％。而本申请实施例1的换热装置能够显著改善各通道工质实际速度的分布，大幅提升流动均匀性，所有直流动通道的流量分配不均匀度均控制在10％以内。

如图5～7，相比于对比例的换热装置，实施例1的换热装置在总压降损失仅增大0.55％-6.52％的情况下，总流量分配不均匀度可降低25.81％-41.69％，总加热壁面平均温度可降低5K-14.13K，且进口质量流量越大，实施例1的改善效果越明显。由此可见，实施例1的换热装置可以大幅提升换热器的流动均匀性，改善换热性能，避免传热恶化和局部高温区的产生，提高换热效率。

实施例2

本实施例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：螺旋挡板6的螺旋片602螺距相同。经过实验发现，实施例2虽然能起到一定的提高换热装置的流动均匀性的作用，但是改善效果没有实施例1的好。

实施例3

本实施例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：进口歧管2、出口歧管4的截面形状为圆形，直流动通道的截面形状为圆形，流动通道3内的工质为气体，进口连接管1、进口歧管2、流动通道3、出口歧管4、出口连接管5、螺旋挡板6的材质均为铜。

实施例4

本实施例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：进口歧管2、出口歧管4的截面形状为半圆形，直流动通道的截面形状为半圆形，流动通道3内的工质为气体及气液两相流体，进口连接管1、进口歧管2、流动通道3、出口歧管4、出口连接管5、螺旋挡板6的材质均为不锈钢。