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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 正六邊形球面肋板式換熱器板片的設(shè)計(jì)與研究
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)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(diǎn)。項(xiàng)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(jī)械類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和相關(guān)設(shè)計(jì)方法切入，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逐個(gè)數(shù)值模擬分析比對(duì)，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(xì)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(guān)采用正六邊形設(shè)計(jì)，符合軸對(duì)稱(chēng)及中心對(duì)稱(chēng)原則，在六邊形的每個(gè)頂角上，各開(kāi)一個(gè)介質(zhì)流道口，其中有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)流道口為介質(zhì)的進(jìn)出口；在板片的每個(gè)邊的外邊緣處開(kāi)有導(dǎo)向定位口，便于安裝固定；在板片的內(nèi)邊緣周?chē)_(kāi)有密封槽，密封槽是用來(lái)放置密封墊圈，密封墊圈用來(lái)密封板片四周，同時(shí)密封除一個(gè)流體入口和一個(gè)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(xiàn)型的流道，當(dāng)流體碰到球面狀肋時(shí)，流體向三維方向反射，形成的回流和漩渦增強(qiáng)了對(duì)邊界層流體的擾動(dòng)，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(duì)流換熱系數(shù)。螺旋線(xiàn)分布流道有利于流體在板片均勻流動(dòng)，可以防止產(chǎn)生流體盲區(qū)，有利于產(chǎn)生紊流，同時(shí)引導(dǎo)流體流動(dòng)，增加流體在換熱器內(nèi)部的停留時(shí)間，流體換熱更充分。通過(guò)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(diǎn)，用于工程實(shí)踐中，將帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 換熱器是以傳熱為主要目的的設(shè)備。多流體換熱問(wèn)題，是兩股流換熱器不能滿(mǎn)足的。為了滿(mǎn)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(jī)械類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和相關(guān)設(shè)計(jì)方法切入，采用數(shù)值模擬的分析方法，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逐個(gè)模擬分析比對(duì)，最終完成了一種正六邊形球面肋板式換熱器的設(shè)計(jì)。創(chuàng)新點(diǎn)： 1，首次在板式換熱器中實(shí)現(xiàn)多種流體同時(shí)換熱； 2，正六邊形板片，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)外型美觀(guān)，易于固定和安裝。本產(chǎn)品已申報(bào)外觀(guān)設(shè)計(jì)專(zhuān)利，受理號(hào)為200930012624.5； 3，首次在板式換熱器中引入凹凸形球面肋設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)加強(qiáng)流體擾動(dòng)，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(jì)，引導(dǎo)流體螺旋形流動(dòng)強(qiáng)化換熱。 技術(shù)關(guān)鍵： 提出了可以實(shí)現(xiàn)多流體同時(shí)換熱的多種板式換熱器板片設(shè)計(jì)方案，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行對(duì)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(jì)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(diǎn)。 主要技術(shù)指標(biāo)： （1）凹凸球面觸點(diǎn)形成的流道使得流體流動(dòng)均勻，死區(qū)少，換熱系數(shù)達(dá)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(xiàn)形流道引導(dǎo)流體流動(dòng)，增加流體在換熱器內(nèi)部的停留時(shí)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(xué)性、先進(jìn)性
- 多流體換熱問(wèn)題,以往的對(duì)策是通過(guò)串聯(lián)多臺(tái)換熱器來(lái)解決，如果能將多流體換熱集中到一個(gè)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(jiǎn)化現(xiàn)有的換熱器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能和節(jié)省投資的目的。盡管如此，在過(guò)去的幾十年里人們卻主要以?xún)晒闪鲹Q熱器為研究對(duì)象，不重視多股流換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究 ，相關(guān)研究較少。 常見(jiàn)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(diǎn)同時(shí)克服了板翅式換熱器的缺點(diǎn)，正廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)環(huán)節(jié)，而國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有關(guān)多股流板式換熱器的研究。項(xiàng)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(shí)換熱，整體性能突出，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 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(jiǎng)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(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；圖紙；圖片；錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該作品不同于常規(guī)板式換熱器，對(duì)稱(chēng)正六邊形外觀(guān)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)三種流體同時(shí)換熱；板片上球面狀凸肋和凹肋組成的多條螺旋線(xiàn)型的流道，能夠提高相應(yīng)的傳熱和流體性能?；咎攸c(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1、與多股流板翅式換熱器相比，正六邊形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)外形美觀(guān)，占地面積小易于拆卸，流道布置靈活等優(yōu)點(diǎn)； 2、與傳統(tǒng)板式換熱器相比， （a）采用球形凸點(diǎn)的設(shè)計(jì)，增加換熱面積，增強(qiáng)流體擾動(dòng)，同時(shí)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(xiàn)的流道設(shè)計(jì)，增加了流程，延長(zhǎng)了流體在換熱器內(nèi)的停留時(shí)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(guó)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(diǎn)，若用于工程實(shí)踐中，必然會(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 熱能是能源的主要表達(dá)形式，在初級(jí)能源消費(fèi)中，約80%的能源要通過(guò)換熱設(shè)備轉(zhuǎn)化。多股流換熱器是多種流體同時(shí)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(dá)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(jìn)行多種介質(zhì)傳熱、單位容積傳熱面積大、無(wú)熱膨脹問(wèn)題等特點(diǎn)。纏繞管式換熱器中通常采用并管結(jié)構(gòu)實(shí)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(gè)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(duì)應(yīng)焊接在星形中心隔板各個(gè)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(rèn)為是最有發(fā)展前途的新型換熱設(shè)備之一。基本結(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(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，例如流道的布置對(duì)換熱器性能的影響，翅片的效率、傳熱機(jī)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(wèn)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?yàn)楦咝Ьo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(lái)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(dòng)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(guò)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(diǎn)或許能帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此作品的設(shè)計(jì)初衷是將板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)在多股流換熱領(lǐng)域中進(jìn)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(jì)。
