一种热交换流体通道、热交换器及热交换方法
阅读说明：本技术 一种热交换流体通道、热交换器及热交换方法 (Heat exchange fluid channel, heat exchanger and heat exchange method ) 是由 何戈宁 吴舸 李冬慧 李毅 邓丰 谈国伟 鲁佳 汤臣杭 苏桐 袁宏 田雅婧 张 于 2021-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热交换流体通道及热交换器,在流体通道的横截面内,包括多个单元流道,所有单元流道均为紧密排布的的多边形,且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与该单元流道的边数相等,任意相邻两个单元流道的相邻边相向对应,相邻单元流道的对应边与边之间的热导体作为流体间隔壁。本发明通过优化设有热交换流体通道的排布结构,利于显著提高换热效率。该换热流体通道是由多个单元流道构成,进一步优化设计该换热流体通道横向截面内单元流道的结构、以及所有单元流道的排布结构,以提高换热器整体的热交换效率。(The invention discloses a heat exchange fluid channel and a heat exchanger, wherein the cross section of the fluid channel comprises a plurality of unit flow channels, all the unit flow channels are polygons which are closely arranged, the number of the unit flow channels distributed around each unit flow channel is equal to the number of the edges of the unit flow channel, the adjacent edges of any two adjacent unit flow channels are opposite and corresponding, and heat conductors between the corresponding edges of the adjacent unit flow channels are used as fluid partition walls. The invention is beneficial to obviously improving the heat exchange efficiency by optimizing the arrangement structure provided with the heat exchange fluid channel. The heat exchange fluid channel is composed of a plurality of unit flow channels, and the structure of the unit flow channels in the transverse section of the heat exchange fluid channel and the arrangement structure of all the unit flow channels are further optimized and designed so as to improve the overall heat exchange efficiency of the heat exchanger.)
技术领域
本发明涉及热交换技术领域，具体涉及一种热交换流体通道、热交换器及热交换方法。
背景技术
热交换器，是将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备。热交换器在工业生产中的应月极为普遍，遍及动力、冶金、化工、石油、食品、医药及航空航天等各工业部门。
提高热交换器的换热效率，使热交换器结构更加紧凑，在世界范围内均是一个热点的研究课题。目前，工业上使用的高效热交换器通常采用传热管增加翅片、板翅式换热形式、印刷电路板式热交换器等方式。
发明内容
基于上述技术背景，本发明提供了一种热交换流体通道及热交换器，通过优化设计流通通道排布结构及换热器结构，可以实现热交换器换热效率的大幅提高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种热交换流体通道，在流体通道的横截面内，包括多个单元流道，所有单元流道均为紧密排布的的多边形，且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与该单元流道的边数相等，任意相邻两个单元流道的相邻边相向对应，相邻单元流道的对应边与边之间的热导体作为流体间隔壁。进一步优选，当流体通道中有两种流体通流时，两种流体可分为热流体和冷流体，除去位于边缘的流体通道外，其中一种流体通道周围的流体通道均为另一种流体的流体通道；例如，基于每个单元流道内用于流通流体的种类划分，多个单元流道包括热单元流道和冷单元流道；每个热单元流道周围均分布为冷单元流道，或每个冷单元流道周围均分布为热单元流道。
本发明通过优化设有热交换流体通道的排布结构，利于显著提高换热效率。该换热流体通道是由多个单元流道构成，进一步优化设计该换热流体通道横向截面内单元流道的结构、以及所有单元流道的排布结构，以提高换热器整体的热交换效率。上述记载“且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与边数相等”此处是指，以任意一个单元流道为基准，分布在该单元流道周围的、且有对应边的单元流道。基于每个单元流道内用于流通流体的种类划分，每个热单元流道周围分布有多个冷单元流道，且优选每个热单元流道周围分布的全部是冷单元流道；对每个冷单元流道周围分布多个热单元流道，且优选每个冷单元流道周围分布的全部是热单元流道。
可以在换热体的横截面开设多个通道作为流体通道，每个通道作为一个单元流道，此时，相邻单元流道的相邻边之间的热导体作为间隔壁，热导体就是换热体的材质，如不锈钢等；也可采用多个换热管侧壁依次相邻拼接，形成在横截面上有多个通道换热体，此时，每个换热管的中空部位作为一个单元流道，相邻换热管之间对接的侧壁连接为一体作为热导体。
进一步优选，所有间隔壁的边长相等。即进一步优选所有多边形形状和大小相同。
进一步优选，所述单元流道相邻边之间的结合处通过圆角或倒角过渡；以进一步提高热交换流体通道结构和热性能，提高其使用寿命。
进一步优选，所述单元流道的任意一条、或两条或两条以上的边的形状包括弧形、波浪形、三角齿形、矩形齿形。通过将单元流道的横截面的边衍生为非直线型结构，如弧形、波浪形或锯齿形结构，利于进一步提高热交换面积，提高换热性能。
进一步优选，按泰森多边形算法完成对平面的剖分，形成多边形流体通道。
进一步优选，所有单元流道沿平面内某方向整体变形。平面内所有特征的x坐标、y坐标分别乘以系数。
进一步优选，每个单元流道的截面均为正多边形。
进一步优选，每个单元流道的截面为正六边形、正四边形或正三角形。通过进一步优选设计每个流体通道的截面为正六边形、正四边形或正三角形，可实现每个流体通道截面大小相等，所有间隔壁长度相等、厚度相等，所有流道单元均匀分布的流体通道结构，进一步利于实现每个热单元流道周围全部分布冷流道单元，或者每个冷流道单元全部分布热流道单元；如正四边形和三角形，还利于同时实现每个热流道周围全部分布为冷流道，且每个冷流道周围全部分布为热流道
进一步优选，对于两种流体，对于如热流体或冷流体两种流体，每个热流道周围分布为冷流道，且每个冷流道周围分布为热流道。利于提高换热效率。
进一步优选，每个单元流道的边长为0.005mm～50mm；间隔壁的厚度为0.001mm～20mm。例如，每个单元流道的边长为0.005mm～50mm；对于正六边形的单元流道，间隔壁的厚度为0.001mm～20mm；对于正四边形或正三角形的单元流道，间隔壁的厚度为0.01mm～10mm。
一种热交换器，包括上述的一种热交换流体通道。
进一步优选，所有单元流道沿轴向螺旋设置，作为螺旋形换热流体通道；或者所有单元流道沿轴向呈直线形结构，作为直通形热交换流体通道；或者所有单元流道沿空间曲线延伸，作为曲线形热交换流体通道，沿空间曲线延伸同时沿当前流体通道轴向螺旋设置，或者作为曲线形热交换流体通道的部分单元流道段为直线形结构或螺旋形结构。
进一步优选，热交换器外形的横截面和/或纵向截面，与所有流体通道布置的外形轮廓结构相同。
进一步优选，所述热交换流体通道纵向截面形状包括波浪形、三角齿形、矩形齿形。
进一步优选，所述热交换器为一体化加工制作成形，采用包括3D打印在内的智能制造技术。
一种热交换方法，采用上述一种热交换流体通道，或采用上述的一种热交换器；当流体通道中有两种流体通流时，除去位于边缘的流体通道外，其中一种流体通道周围的流体通道均为另一种流体的流体通道。例如，在热单元流道内流通热流体，在冷单元流道内流通冷流体，使得每个热单元流道周围分布为冷单元流道，和/或每个冷单元流道周围分布为热单元流道。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明通过优化设有热交换流体通道的排布结构，利于显著提高换热效率。该换热流体通道是由多个单元流道构成，进一步优化设计该换热流体通道横向截面内单元流道的结构、以及所有单元流道的排布结构，以提高换热器整体的热交换效率。
本发明可采用3D打印等智能制造技术一体化制备成型，可以突破“管”、“板”式换热器带来的工艺限制，实现工艺流体流道周围均为厂用公用工程流体流道的布置，大幅提高工艺流体的换热效率。应用本发明设计构思，开展了现有换热器的替换型设计，即完全满足现有换热器换热功能、承压功能的情况下，总换热系数大幅提高，且重量、体积、制造周期均可大幅降低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明六边形紧密排布的热交换器流体通道横截面示意图；
附图1中标记及对应的零部件名称：1-单元流道的边，2-间隔壁，3-流体I，4-流体II。
图2为本发明六边形紧密排布的热交换器采用一种流体通道周围的流体通道均为另一种流体的流体通道方法进行布置时的热交换器流体通道横截面示意图；
附图2中标记及对应的零部件名称：14-流体I，15-流体II；
图3为本发明六边形紧密排布的热交换器流体通道横截面衍化形式示意图；
附图3中标记及对应的零部件名称：5-圆角，6-倒角，7-弧形边，8-波浪形边，9-三角齿形边，10-锯齿形边。
图4为本发明六边形紧密排布的螺旋形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图5为本发明六边形紧密排布的直通形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图6为本发明六边形紧密排布的空间三维热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图7为本发明四边形紧密排布的热交换器流体通道横截面示意图；
附图7中标记及对应的零部件名称：1-单元流道的边，2-间隔壁，3-流体I，4-流体II。
图8为本发明四边形紧密排布的热交换器流体通道横截面衍生形式示意图；
附图8中标记及对应的零部件名称：5-圆角，6-倒角，7-弧形边，8-波浪形边，9-三角齿形边，10-矩形齿形边。
图9为本发明四边形紧密排布的螺旋形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图10为本发明四边形紧密排布的直通形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图11为本发明四边形紧密排布的空间三维热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图12为本发明三角形紧密排布的热交换器流体通道横截面示意图；
附图12中标记及对应的零部件名称：1-单元流道的边，2-间隔壁，3-流体I，4-流体II。
图13为本发明三角形紧密排布的热交换器流体通道横截面衍生形式示意图；
附图13中标记及对应的零部件名称：5-圆角，6-倒角，7-弧形边，8-波浪形边，9-三角齿形边，10-矩形齿形边。
图14为本发明三角形紧密排布的螺旋形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图15为本发明三角形紧密排布的直通形热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图16为本发明三角形紧密排布的空间三维热交换器流体通道三维轴侧示意图；
图17为本发明热交换流体通道纵截面衍生形式示意图；图17中(a)、(b)和(c)分别表示了单元流道纵截面衍生的三种形式；
附图17中标记及对应的零部件名称：11-纵截面波浪形；12-纵截面矩形齿形；13-纵截面三角齿形。
图18为实施例1换热器流道布置对比；其中，(a)为印刷电路板式热交换器(PCHE)流道；(b)为六边形紧密排布热交换器流体通道；
图19为实施例1换热器性能；
图20为实施例1直通形流体通道换热器示意图；
图21为实施例2换热器流道布置对比；其中，(a)为印刷电路板式热交换器(PCHE)流道；(b)为四边形紧密排布热交换器流体通道；
图22为实施例2换热器性能；其中，(a)为总传热系数随雷诺数的变化关系；(b)为努赛尔特数随雷诺数的变化关系；
图23为实施例2螺旋形流体通道换热器示意图；
图24为实施例2空间曲线形流体通道换热器示意图；
图25为实施例3换热器流道布置对比；其中，(a)为印刷电路板式热交换器(PCHE)流道；(b)为三边形紧密排布热交换器流体通道；
图26为实施例3换热器性能；
图27为实施例3空间曲线形流体通道换热器示意图；
图28为采用泰森多边形算法设计的热交换流体通道截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种热交换流体通道及热交换器：如图1所示，在流体通道的横截面内，排布有多个单元流道，所有单元流道均为大小相等的正六边形，且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与边数相等，任意相邻两个流道的相邻边相向对应平行。相邻单元流道的相邻边之间的热导体作为间隔壁，且所有间隔壁的厚度相等，所有间隔壁的边长相等；每个单元流道的边长为0.01mm～50mm，如0.02mm、0.05mm、0.08mm、1mm、10mm、20mm、30mm和40mm；间隔壁的厚度为0.001mm～20mm，如0.003mm、0.005mm、0.01mm、0.05mm、0.10mm、0.50mm、1mm、5mm、10mm、30mm、40mm。如图3所示，单元流道相邻边之间的结合处可通过圆角或倒角过渡；单元流道的任意一条、或两条或两条以上的边的形状包括弧形、波浪形或锯齿形结构。
所有流体通道沿轴向螺旋设置，作为螺旋形换热流体通道；例如图4所述，流体通道横截面沿轴向边旋转边拉伸，形成这种螺旋形换热流体通道。或者所有流体通道沿轴向呈直线形结构，作为直通形热交换流体通道；例如图5所示，流体通道横截面沿法向直线拉伸，形成这种直通形热交换器流体通道。或者所有流体通道沿空间曲线延伸，作为曲线形热交换流体通道，沿空间曲线延伸同时沿当前流体通道轴向螺旋设置，或者作为曲线形热交换流体通道的部分通道端为直线形结构或螺旋形结构；例如图6所示，流体通道横截面沿空间曲线拉伸，形成空间三维热交换器流体通道，流体通道横截面还可沿空间曲线边拉伸边旋转或者沿空间曲线或者某一部分直线拉伸某一部分边拉伸边旋转。热交换器外形的横截面和纵向截面，与所有流体通道布置的外形轮廓结构相同。流体通道纵向截面形状包括波浪形、锯齿形、纵向翅片等衍生型结构，如图17所示。
热交换器优选为一体化加工制作成形，如采用3D打印或智能制造技术。
基于每个单元流道内用于流通流体的种类划分，多个单元流道包括热单元流道和冷单元流道；本实施例六边形流体通道排布形式主要有两种优化方案：
第一种：如图1所示，按一行热单元流道、一行冷单元流道的间隔布置原则进行规划，每个热单元流道周围分布有四个冷单元流道，每个冷单元流道周围分布有四个热单元流道。
第二种：如图2所示，每个冷单元流道周围全部分布热单元流道，每个热单元流道周围分布有三个冷单元流道。例如，当换热流体其中一种为公用工程流体、另一种为工艺流体时，如以公用工程流体为热流体，以工艺流体为冷流体；可以按每个工艺流体通道周围全部为公用工程流体通道的原则进行规划，使有效传热效率最大化。
本实施例以第二种方案为例进一步说明，如图18所示，为换热器流道布置对比。在已经完成的计算分析中，对应用了本发明换热器在单相流换热工况下的应用进行了计算分析，如图19所示，基于本实施例优化设计的换热器(水-水换热为例)体现出优越的性能，在高雷诺数区间，总换热系数可以稳定的高于8000W/(m2·℃)。与常规技术设计制造的各种类型水-水无相变换热换热器相比，应用本实施例提供的换热器均体现出明显优势，见表1所示：
表1实施例1的换热器特征参数与常规换热器比较
序号
换热器形式
总换热系数(水-水换热)W/(m<sup>2</sup>·℃)
1
管壳式换热器
300～2300
2
套管式换热器
700～1500
3
螺旋管式换热器
300～530
4
板式换热器
2900～4650
5
螺旋板换热器
1700～2200
6
实施例1的换热器
2500～15000
实施例2
本实施例提供了一种热交换流体通道及热交换器：如图7所示，在流体通道的横截面内，排布有多个单元流道，所有单元流道均为大小相等的正四边形，且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与边数相等，任意相邻两个流道的相邻边相向对应平行。相邻单元流道的相邻边之间的热导体作为间隔壁，且所有间隔壁的厚度相等，所有间隔壁的边长相等；每个单元流道的边长为0.01mm～50mm，如0.02mm、0.05mm、0.08mm、1mm、10mm、20mm、30mm和40mm；间隔壁的厚度为0.01mm～10mm，如0.02mm、0.05mm、0.08mm、1mm、5mm、9mm。如图8所示，单元流道相邻边之间的结合处可通过圆角或倒角过渡；单元流道的任意一条、或两条或两条以上的边的形状包括弧形、波浪形或锯齿形结构。
所有流体通道沿轴向螺旋设置，作为螺旋形换热流体通道；例如图9所述，流体通道横截面沿轴向边旋转边拉伸，形成这种螺旋形换热流体通道。或者所有流体通道沿轴向呈直线形结构，作为直通形热交换流体通道；例如图10所示，流体通道横截面沿法向直线拉伸，形成这种直通形热交换器流体通道。或者所有流体通道沿空间曲线延伸，作为曲线形热交换流体通道，沿空间曲线延伸同时沿当前流体通道轴向螺旋设置，或者作为曲线形热交换流体通道的部分通道端为直线形结构或螺旋形结构；例如图11所示，流体通道横截面沿空间曲线拉伸，形成空间三维热交换器流体通道，流体通道横截面还可沿空间曲线边拉伸边旋转或者沿空间曲线或者某一部分直线拉伸某一部分边拉伸边旋转。热交换器外形的横截面和纵向截面，与所有流体通道布置的外形轮廓结构相同。流体通道纵向截面形状包括波浪形、锯齿形、纵向翅片等衍生型结构，如图17所示。
热交换器优选为一体化加工制作成形，如采用3D打印或智能制造技术。
基于每个单元流道内用于流通流体的种类划分，多个单元流道包括热单元流道和冷单元流道；本实施例四边形流体通道排布形式的优化方案如下所示：
如图7所示，每个冷单元流道周围全部分布热单元流道，每个冷单元流道周围全部分布热单元流道。
以该优化方案为例进一步说明，如图21所示，为换热器流道布置对比。在已经完成的计算分析中，对应用了本发明换热器在单相流换热工况下的应用进行了计算分析，如图22所示，基于本实施例优化设计的换热器(水-水换热为例)体现出优越的性能，在高雷诺数区间，总换热系数可以稳定的高于10000W/(m2·℃)。与常规技术设计制造的各种类型水-水无相变换热换热器相比，应用本实施例提供的换热器均体现出明显优势，见表2所示：
表2实施例2的换热器特征参数与常规换热器比较
序号
换热器形式
总换热系数(水-水换热)W/(m<sup>2</sup>·℃)
1
管壳式换热器
300～2300
2
套管式换热器
700～1500
3
螺旋管式换热器
300～530
4
板式换热器
2900～4650
5
螺旋板换热器
1700～2200
6
实施例2的换热器
4200～13500
实施例3
本实施例提供了一种热交换流体通道及热交换器：如图12所示，在流体通道的横截面内，排布有多个单元流道，所有单元流道均为大小相等的正三角形，且每个单元流道周围分布的单元流道的个数与边数相等，任意相邻两个流道的相邻边相向对应平行。相邻单元流道的相邻边之间的热导体作为间隔壁，且所有间隔壁的厚度相等，所有间隔壁的边长相等；每个单元流道的边长为0.01mm～50mm，如0.02mm、0.05mm、0.08mm、1mm、10mm、20mm、30mm和40mm；间隔壁的厚度为0.01mm～10mm，如0.02mm、0.05mm、0.08mm、1mm、5mm、9mm。如图13所示，单元流道相邻边之间的结合处可通过圆角或倒角过渡；单元流道的任意一条、或两条或两条以上的边的形状包括弧形、波浪形或锯齿形结构。
所有流体通道沿轴向螺旋设置，作为螺旋形换热流体通道；例如图14所述，流体通道横截面沿轴向边旋转边拉伸，形成这种螺旋形换热流体通道。或者所有流体通道沿轴向呈直线形结构，作为直通形热交换流体通道；例如图15所示，流体通道横截面沿法向直线拉伸，形成这种直通形热交换器流体通道。或者所有流体通道沿空间曲线延伸，作为曲线形热交换流体通道，沿空间曲线延伸同时沿当前流体通道轴向螺旋设置，或者作为曲线形热交换流体通道的部分通道端为直线形结构或螺旋形结构；例如图16所示，流体通道横截面沿空间曲线拉伸，形成空间三维热交换器流体通道，流体通道横截面还可沿空间曲线边拉伸边旋转或者沿空间曲线或者某一部分直线拉伸某一部分边拉伸边旋转。热交换器外形的横截面和纵向截面，与所有流体通道布置的外形轮廓结构相同。流体通道纵向截面形状包括波浪形、锯齿形、纵向翅片等衍生型结构，如图17所示。
热交换器优选为一体化加工制作成形，如采用3D打印或智能制造技术。
基于每个单元流道内用于流通流体的种类划分，多个单元流道包括热单元流道和冷单元流道；本实施例三角形流体通道排布形式的优化方案如下所示：
如图12所示，每个冷单元流道周围全部分布热单元流道，每个冷单元流道周围全部分布热单元流道。
以该优化方案为例进一步说明，如图25所示，为换热器流道布置对比。在已经完成的计算分析中，对应用了本发明换热器在单相流换热工况下的应用进行了计算分析，如图26所示，基于本实施例优化设计的换热器(水-水换热为例)体现出优越的性能，在高雷诺数区间，总换热系数可以稳定的高于10000W/(m2·℃)。与常规技术设计制造的各种类型水-水无相变换热换热器相比，应用本实施例提供的换热器均体现出明显优势，见表3所示：
表3实施例3的换热器特征参数与常规换热器比较
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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