基本信息
- 項目名稱：
- 正六邊形球面肋板式換熱器板片的設(shè)計與研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 正六邊形球面肋板式換熱器板片是一種新型板式換熱器板片，具有傳熱系數(shù)高、壓降小等特點。項目研發(fā)以換熱器單位壓降傳熱系數(shù)和單位質(zhì)量換熱量為優(yōu)化函數(shù)，從機械類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理念和相關(guān)設(shè)計方法切入，對各個設(shè)計方案進行逐個數(shù)值模擬分析比對，優(yōu)化得到一種性能優(yōu)良的正六邊形球面肋板式換熱器。
- 詳細介紹：
- 正六邊形球面肋板式換熱器板片是一種新型板式換熱器板片，外觀采用正六邊形設(shè)計，符合軸對稱及中心對稱原則，在六邊形的每個頂角上，各開一個介質(zhì)流道口，其中有兩個對稱流道口為介質(zhì)的進出口；在板片的每個邊的外邊緣處開有導向定位口，便于安裝固定；在板片的內(nèi)邊緣周圍開有密封槽，密封槽是用來放置密封墊圈，密封墊圈用來密封板片四周，同時密封除一個流體入口和一個流體出口以外的所有流道口。板片換熱區(qū)域有球面狀凸肋和凹肋組成的多條螺旋線型的流道，當流體碰到球面狀肋時，流體向三維方向反射，形成的回流和漩渦增強了對邊界層流體的擾動，有效的使流體產(chǎn)生湍流，從而降低了液膜的熱阻，提高了板兩側(cè)的對流換熱系數(shù)。螺旋線分布流道有利于流體在板片均勻流動，可以防止產(chǎn)生流體盲區(qū)，有利于產(chǎn)生紊流，同時引導流體流動，增加流體在換熱器內(nèi)部的停留時間，流體換熱更充分。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用此新型換熱器板片的換熱器換熱系數(shù)2000-3000W/(平方米*K)左右，而總單位面積壓降卻僅為同流速下普通板式換熱器壓降的20%，約為5-20KPa，單位壓降傳熱系數(shù)為普通板式換熱器的2倍；單位質(zhì)量流體總換熱量為25-35KJ/kg，約為普通換熱器的1.3倍，具有明顯的優(yōu)越性。本產(chǎn)品綜合了板式換熱器和多股流換熱器的優(yōu)點，用于工程實踐中，將帶來可觀的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排效果。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 換熱器是以傳熱為主要目的的設(shè)備。多流體換熱問題，是兩股流換熱器不能滿足的。為了滿足多流體換熱的需求，作者以單位壓降傳熱系數(shù)和單位質(zhì)量換熱量為優(yōu)化函數(shù)，從機械類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理念和相關(guān)設(shè)計方法切入，采用數(shù)值模擬的分析方法，對各個設(shè)計方案進行逐個模擬分析比對，最終完成了一種正六邊形球面肋板式換熱器的設(shè)計。創(chuàng)新點： 1，首次在板式換熱器中實現(xiàn)多種流體同時換熱； 2，正六邊形板片，結(jié)構(gòu)對稱外型美觀，易于固定和安裝。本產(chǎn)品已申報外觀設(shè)計專利，受理號為200930012624.5； 3，首次在板式換熱器中引入凹凸形球面肋設(shè)計，此設(shè)計加強流體擾動，增加換熱面積，提高了換熱器整體性能； 4，流道為創(chuàng)新型內(nèi)螺旋球形設(shè)計，引導流體螺旋形流動強化換熱。 技術(shù)關(guān)鍵： 提出了可以實現(xiàn)多流體同時換熱的多種板式換熱器板片設(shè)計方案，采用數(shù)值模擬方法對其進行對比優(yōu)化，最終得到了一種新型正六邊形球面肋板式換熱器板片。該板片設(shè)計合理，具有壓降小換熱系數(shù)高，流道布置靈活，便于清洗等優(yōu)點。 主要技術(shù)指標： （1）凹凸球面觸點形成的流道使得流體流動均勻，死區(qū)少，換熱系數(shù)達到2000-3000W/(平方米*K)，單位面積壓降(約為5-20KPa)僅為同流速下常規(guī)人字形板換的20%左右，因此單位壓降所傳熱系數(shù)為普通板式換熱器的2倍。 （2）換熱器內(nèi)部螺旋線形流道引導流體流動，增加流體在換熱器內(nèi)部的停留時間，流體換熱更充分，單位質(zhì)量流體總換熱量為25-35J/kg，為人字形板換的1.3倍。
科學性、先進性
- 多流體換熱問題,以往的對策是通過串聯(lián)多臺換熱器來解決，如果能將多流體換熱集中到一個換熱器中，即以多股流換熱器代替常規(guī)的兩股流換熱器，將大大簡化現(xiàn)有的換熱器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達到節(jié)能和節(jié)省投資的目的。盡管如此，在過去的幾十年里人們卻主要以兩股流換熱器為研究對象，不重視多股流換熱器的設(shè)計和優(yōu)化研究 ，相關(guān)研究較少。 常見的多股流板翅式換熱器由于采用釬焊技術(shù)不易拆卸，限制了其在工程上的應(yīng)用。板式換熱器具備緊湊式換熱器的優(yōu)點同時克服了板翅式換熱器的缺點，正廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)環(huán)節(jié)，而國內(nèi)外尚未見有關(guān)多股流板式換熱器的研究。項目最終確定了一種正六邊形球面肋板式換熱器，能夠?qū)崿F(xiàn)三流體同時換熱，整體性能突出，具有以下優(yōu)點： 1、正六邊形球面肋板式換熱器單位壓降傳熱系數(shù)為3-7W/(平方米*K)*Pa，而應(yīng)用最廣泛的人字形板換僅為1-3W/(平方米*K)*Pa； 2、正六邊形球面肋板式換熱器工質(zhì)的單位質(zhì)量換熱量為25-36KJ/kg,大于人字形板換的20-28KJ/kg。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月，獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”山東省大學生課外學術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；圖紙；圖片；錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 該作品不同于常規(guī)板式換熱器，對稱正六邊形外觀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)三種流體同時換熱；板片上球面狀凸肋和凹肋組成的多條螺旋線型的流道，能夠提高相應(yīng)的傳熱和流體性能?；咎攸c和優(yōu)勢： 1、與多股流板翅式換熱器相比，正六邊形對稱結(jié)構(gòu)帶來外形美觀，占地面積小易于拆卸，流道布置靈活等優(yōu)點； 2、與傳統(tǒng)板式換熱器相比， （a）采用球形凸點的設(shè)計，增加換熱面積，增強流體擾動，同時有利于減少壓降，壓降僅為傳統(tǒng)板式換熱器的20%左右，單位壓降傳熱系數(shù)為傳統(tǒng)板換的2倍； （b）采用內(nèi)部螺旋線的流道設(shè)計，增加了流程，延長了流體在換熱器內(nèi)的停留時間，換熱更加充分，單位質(zhì)量流體的換熱量為25-36KJ/kg，約為普通換熱器的1.3倍； 總之，該作品在整體性能上具有顯著的提升，節(jié)能減排，符合現(xiàn)今國家“十一五”提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。該作品綜合了板式換熱器和多股流換熱器的優(yōu)點，若用于工程實踐中，必然會體現(xiàn)出板式換熱器傳熱性能突出，以及多股流換熱器節(jié)省系統(tǒng)投資等多個優(yōu)點，帶來可觀的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排效果。
同類課題研究水平概述
- 熱能是能源的主要表達形式，在初級能源消費中，約80%的能源要通過換熱設(shè)備轉(zhuǎn)化。多股流換熱器是多種流體同時換熱的熱交換器，主要功能是用一股或幾股流體加熱、冷卻另外一股或幾股流體，使要加熱或冷卻的流體達到設(shè)定溫度。 1.多股流換熱器結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 1.1纏繞管式換熱器 纏繞管式換熱器作為一種特殊結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器,具有可進行多種介質(zhì)傳熱、單位容積傳熱面積大、無熱膨脹問題等特點。纏繞管式換熱器中通常采用并管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)3種以上流體換熱。 1.2 多通道螺旋板換熱器 多通道螺旋板換熱器與傳統(tǒng)螺旋板換熱器的不同之處在于，螺旋體由卷制而成的多個同心的螺旋板和位于螺旋體中央的星形中心隔板構(gòu)成，每塊螺旋板的里端都一一對應(yīng)焊接在星形中心隔板各個分叉的端部，由星形中心隔板和螺旋板構(gòu)成多螺旋通道。 1.3 板翅式換熱器 板翅式換熱器被認為是最有發(fā)展前途的新型換熱設(shè)備之一?；窘Y(jié)構(gòu)單元由隔板、翅片以及封條三部分組成。板翅式換熱器結(jié)構(gòu)靈活、易于布置，因此在多股流換熱中得到廣泛應(yīng)用。多股流板翅式換熱器的研究一直是傳熱學領(lǐng)域的重要研究方向，例如流道的布置對換熱器性能的影響，翅片的效率、傳熱機理分析及量化公式等。板翅式多股流換熱器能夠合理分配各種流體的傳熱面積,使設(shè)備的布置更加緊湊，熱（冷）量損失減少到最小程度；存在的主要的問題是制造困難。 2.多股流板式換熱器的設(shè)想 板式換熱器因為高效緊湊以及優(yōu)異的傳熱性，近幾十年得到迅速發(fā)展。板式換熱器正在被越來越多的傳統(tǒng)管殼式換熱器應(yīng)用領(lǐng)域所接受。板式換熱器主要由三部分組成。其中板片是關(guān)鍵部件，換熱器的傳熱和流動特性及耐壓能力等都是由板片決定的。 板式換熱器在兩股流換熱領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，而在多股流換熱領(lǐng)域中，仍然以管殼式換熱器和板翅式換熱器為主。如果能通過結(jié)構(gòu)上的改變將板式換熱器應(yīng)用于多股流換熱領(lǐng)域中，那么其自身優(yōu)點或許能帶來更多經(jīng)濟和社會效益。因此作品的設(shè)計初衷是將板式換熱器的優(yōu)點在多股流換熱領(lǐng)域中進行延伸，期待能得到一種性能突出的多股流板式換熱器設(shè)計。
