一种三维变截面扰流柱结构、换热板及换热器芯体制造技术

本发明专利技术公开了一种三维变截面扰流柱结构、换热板及换热器芯体。该扰流柱包括低温扰流柱和高温扰流柱。低温扰流柱是由卵圆形底面和椭圆形顶面通过凹面侧壁连接形成的，高温扰流柱是由椭圆形底面和卵圆形顶面并通过凹面侧壁连接形成的。本发明专利技术通过光电化学刻蚀工艺在换热板内形成若干个呈阵列式行列排布的三维变截面扰流柱结构，增强通道的换热效果。流体通过换热板中的三维变截面扰流柱不但增强流体的湍流度和二次涡流，达到增强换热的效果，而且该三维变截面扰流柱的存在极大地降低了传统等截面扰流柱带来的压力损失，从而使得二氧化碳在印刷电路板式换热器中获得更好的换热性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种三维变截面扰流柱结构、换热板及换热器芯体


[0001]本专利技术属于强化换热领域，具体是一种三维变截面扰流柱结构、换热板及换热器芯体。

技术介绍

[0002]印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)作为一种新型紧凑型换热器，被广泛应用于超高温反应堆的换热设备中，其工作原理是把热量从一种介质传给另一种介质。印刷电路板式换热器的芯体是由若干个高温介质换热板和若干个低温介质换热板构成，当换热量提高或压降损失减小均会提高换热器的综合换热性能。
[0003]由于超临界二氧化碳的低粘度和高导热率的优点而具有较低的压缩功被广泛关注，且印刷电路板式换热器符合超临界二氧化碳高温高压的工作环境而受到广泛应用。然而换热器通道结构对于二氧化碳工作时的换热效果具有明显的影响，先进的换热通道结构设计可以使印刷电路板式换热器高效运行。
[0004]目前，高效的换热通道结构已经取得诸多成果，其中在印刷电路板式换热器中设置扰流柱是强化换热的有效措施之一。扰流柱可以增加流体的湍流度，增加换热通道的换热面积，从而有效强化通道的换热能力。初始扰流柱为等截面圆柱形结构，但是，由于流体在扰流柱前缘出现较大的速度梯度，流动表面会产生边界层分离现象，以及后方尾迹区有明显的流动分离现象和涡脱离现象，导致流动阻力较大，综合换热性能较差。
[0005]为克服上述问题，目前换热器设计的结构引用NACA翼型扰流柱表现出高效低阻的性能。且研究者提出了多种改进结构，如申请号为202010104990.9的文献提出了一种翼型扰流柱结构，扰流柱本体为NACA翼型的斜切式柱体。由于翼型扰流柱具有流线型的外形特征使表面边界层分离得到很好的抑制，从而减少了压力损失；当气体沿斜切面向下流动形成二次流纵向涡，达到强化换热效果。但是扰流柱结构的改进大多是三维等截面优化，高度方向上截面形状保持一致，则在减阻方面受到来流冲击的影响较大。因此，需要设计一种考虑三个维度变化的、更高效低阻的扰流柱结构换热器，并适用于高温高压下超临界二氧化碳的高效运行。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种三维变截面扰流柱结构、换热板及换热器芯体。
[0007]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种三维变截面扰流柱结构，其特征在于，该结构包括低温扰流柱和高温扰流柱；
[0008]所述低温扰流柱是由低温扰流柱顶面、低温扰流柱底面和低温扰流柱侧面组成的异型柱体结构；低温扰流柱顶面为椭圆形平面；低温扰流柱底面为卵圆形平面；卵圆的对称轴与椭圆的长轴共面；低温扰流柱侧面为以卵圆的对称轴与椭圆长轴形成的竖直面为对称面，分别从低温扰流柱的顶面和底面沿高度方向逐渐平滑内凹至中间位置，形成中间位置
的截面积最小的内凹曲面；
[0009]所述高温扰流柱是由高温扰流柱顶面、高温扰流柱底面和高温扰流柱侧面组成的异型柱体结构；高温扰流柱顶面为卵圆形平面；高温扰流柱底面为椭圆形平面；卵圆的对称轴与椭圆的长轴共面；高温扰流柱侧面为以卵圆的对称轴与椭圆长轴形成的竖直面为对称面，分别从高温扰流柱的顶面和底面沿高度方向逐渐平滑内凹至中间位置，形成中间位置截面积最小的内凹曲面。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0011](1)本专利技术设计了一种全新的沿高度方向截面变化的呈两端大中间小的变截面扰流柱结构，低温扰流柱是由卵圆形底面和椭圆形顶面通过凹面侧壁连接形成的，高温扰流柱是由椭圆形底面和卵圆形顶面并通过凹面侧壁连接形成的。当气体流经三维变截面扰流柱时，由于扰流柱具有流线型的外形特征，表面边界层分离得到很好的抑制，从而减少了压力损失，中心处的压力损失为最小。由于内凹曲面侧壁的结构设计，在流体沿着曲面流动的过程中，一方面是变截面的扰流柱结构可以减小前缘的速度梯度和局部阻力损失降低；另一方面由于曲面的设计，流体的纵向涡流增强，从而壁面对流传热系数增大，加强了流场的扰动作用，增加了气体湍流度，从而达到强化换热的效果。
[0012](2)本专利技术的扰流柱结构可以根据实际工程工况合理选择结构参数和排列方式，在尽量强化传热的同时合理控制流动阻力的增加，且易于加工成形。
[0013](3)低温扰流柱和高温扰流柱的结构不同，有利于提升换热器整体的效率，达到最佳的流动传热综合性能。
[0014](4)本专利技术通过光电化学刻蚀工艺在换热板内形成若干个呈阵列式行列排布的三维变截面扰流柱结构，增强通道的换热效果。
[0015](5)以本专利技术扰流柱形成的换热器应用于以超临界二氧化碳为工质换热中，保证了工质的传热效果，显著地减少了流动阻力和压力损失，高效低阻。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的低温扰流柱的立体图；
[0017]图2为本专利技术的低温扰流柱的俯视图；
[0018]图3为本专利技术的低温扰流柱的左视图；
[0019]图4为本专利技术实施例1的低温扰流柱在不同高度处的截面形状图；其中，(a)高度为0处的截面形状，(b)高度为0.2处的截面形状，(c)高度为0.5处的截面形状，(d)高度为0.8处的截面形状，(e)高度为1.0处的截面形状；
[0020]图5为本专利技术的高温扰流柱的立体图；
[0021]图6为本专利技术的高温扰流柱的俯视图；
[0022]图7为本专利技术的高温扰流柱的左视图；
[0023]图8为本专利技术实施例1的高温扰流柱在不同高度处的截面形状图；其中，(a)高度为0处的截面形状，(b)高度为0.2处的截面形状，(c)高度为0.5处的截面形状，(d)高度为0.8处的截面形状，(e)高度为1.0处的截面形状；
[0024]图9为本专利技术的低温介质换热板的立体图；
[0025]图10为本专利技术的高温介质换热板的立体图；
[0026]图11为传统圆柱型扰流柱、NACA0020翼型等截面扰流柱与本专利技术实施例1的三维变截面扰流柱结构的综合换热性能比较图。
[0027]图中，1、低温扰流柱；2、高温扰流柱；101、低温扰流柱顶面；102、低温扰流柱底面；103、低温扰流柱侧面；201、高温扰流柱顶面；202、高温扰流柱底面；203、高温扰流柱侧面。
具体实施方式
[0028]下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请权利要求的保护范围。
[0029]本专利技术提供了一种三维变截面扰流柱结构(简称结构)，其特征在于，该结构包括低温扰流柱1和高温扰流柱2；
[0030]所述低温扰流柱1是由低温扰流柱顶面101、低温扰流柱底面102和低温扰流柱侧面103组成的异型柱体结构；低温扰流柱顶面101为椭圆形平面；低温扰流柱底面102为卵圆形平面；卵圆的对称轴与椭圆的长轴共面；低温扰流柱侧面103为以卵圆的对称轴与椭圆长轴形成的垂直于水平面的竖直面为对称面，分别从低温扰流柱1的顶面和底面沿高度方向逐渐平滑内凹至中间位置，形成中间位置的截面积最小的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维变截面扰流柱结构，其特征在于，该结构包括低温扰流柱和高温扰流柱；所述低温扰流柱是由低温扰流柱顶面、低温扰流柱底面和低温扰流柱侧面组成的异型柱体结构；低温扰流柱顶面为椭圆形平面；低温扰流柱底面为卵圆形平面；卵圆的对称轴与椭圆的长轴共面；低温扰流柱侧面为以卵圆的对称轴与椭圆长轴形成的竖直面为对称面，分别从低温扰流柱的顶面和底面沿高度方向逐渐平滑内凹至中间位置，形成中间位置的截面积最小的内凹曲面；所述高温扰流柱是由高温扰流柱顶面、高温扰流柱底面和高温扰流柱侧面组成的异型柱体结构；高温扰流柱顶面为卵圆形平面；高温扰流柱底面为椭圆形平面；卵圆的对称轴与椭圆的长轴共面；高温扰流柱侧面为以卵圆的对称轴与椭圆长轴形成的竖直面为对称面，分别从高温扰流柱的顶面和底面沿高度方向逐渐平滑内凹至中间位置，形成中间位置截面积最小的内凹曲面。2.根据权利要求1所述的三维变截面扰流柱结构，其特征在于，低温扰流柱侧面和高温扰流柱侧面的中间位置的截面形状均为葫芦形。3.根据权利要求1所述的三维变截面扰流柱结构，其特征在于，在低温扰流柱侧面的内凹过程中，从低温扰流柱顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，张喜迎，万祥，张振东，闵春华，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：