基本信息
- 项目名称：
- 正六边形球面肋板式换热器板片的设计与研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 正六边形球面肋板式换热器板片是一种新型板式换热器板片，具有传热系数高、压降小等特点。项目研发以换热器单位压降传热系数和单位质量换热量为优化函数，从机械类工业产品设计理念和相关设计方法切入，对各个设计方案进行逐个数值模拟分析比对，优化得到一种性能优良的正六边形球面肋板式换热器。
- 详细介绍：
- 正六边形球面肋板式换热器板片是一种新型板式换热器板片，外观采用正六边形设计，符合轴对称及中心对称原则，在六边形的每个顶角上，各开一个介质流道口，其中有两个对称流道口为介质的进出口；在板片的每个边的外边缘处开有导向定位口，便于安装固定；在板片的内边缘周围开有密封槽，密封槽是用来放置密封垫圈，密封垫圈用来密封板片四周，同时密封除一个流体入口和一个流体出口以外的所有流道口。板片换热区域有球面状凸肋和凹肋组成的多条螺旋线型的流道，当流体碰到球面状肋时，流体向三维方向反射，形成的回流和漩涡增强了对边界层流体的扰动，有效的使流体产生湍流，从而降低了液膜的热阻，提高了板两侧的对流换热系数。螺旋线分布流道有利于流体在板片均匀流动，可以防止产生流体盲区，有利于产生紊流，同时引导流体流动，增加流体在换热器内部的停留时间，流体换热更充分。通过数值模拟研究发现，应用此新型换热器板片的换热器换热系数2000-3000W/(平方米*K)左右，而总单位面积压降却仅为同流速下普通板式换热器压降的20%，约为5-20KPa，单位压降传热系数为普通板式换热器的2倍；单位质量流体总换热量为25-35KJ/kg，约为普通换热器的1.3倍，具有明显的优越性。本产品综合了板式换热器和多股流换热器的优点，用于工程实践中，将带来可观的经济效益和节能减排效果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 换热器是以传热为主要目的的设备。多流体换热问题，是两股流换热器不能满足的。为了满足多流体换热的需求，作者以单位压降传热系数和单位质量换热量为优化函数，从机械类工业产品设计理念和相关设计方法切入，采用数值模拟的分析方法，对各个设计方案进行逐个模拟分析比对，最终完成了一种正六边形球面肋板式换热器的设计。创新点： 1，首次在板式换热器中实现多种流体同时换热； 2，正六边形板片，结构对称外型美观，易于固定和安装。本产品已申报外观设计专利，受理号为200930012624.5； 3，首次在板式换热器中引入凹凸形球面肋设计，此设计加强流体扰动，增加换热面积，提高了换热器整体性能； 4，流道为创新型内螺旋球形设计，引导流体螺旋形流动强化换热。 技术关键： 提出了可以实现多流体同时换热的多种板式换热器板片设计方案，采用数值模拟方法对其进行对比优化，最终得到了一种新型正六边形球面肋板式换热器板片。该板片设计合理，具有压降小换热系数高，流道布置灵活，便于清洗等优点。 主要技术指标： （1）凹凸球面触点形成的流道使得流体流动均匀，死区少，换热系数达到2000-3000W/(平方米*K)，单位面积压降(约为5-20KPa)仅为同流速下常规人字形板换的20%左右，因此单位压降所传热系数为普通板式换热器的2倍。 （2）换热器内部螺旋线形流道引导流体流动，增加流体在换热器内部的停留时间，流体换热更充分，单位质量流体总换热量为25-35J/kg，为人字形板换的1.3倍。
科学性、先进性
- 多流体换热问题,以往的对策是通过串联多台换热器来解决，如果能将多流体换热集中到一个换热器中，即以多股流换热器代替常规的两股流换热器，将大大简化现有的换热器网络系统，达到节能和节省投资的目的。尽管如此，在过去的几十年里人们却主要以两股流换热器为研究对象，不重视多股流换热器的设计和优化研究 ，相关研究较少。 常见的多股流板翅式换热器由于采用钎焊技术不易拆卸，限制了其在工程上的应用。板式换热器具备紧凑式换热器的优点同时克服了板翅式换热器的缺点，正广泛应用于各个工业环节，而国内外尚未见有关多股流板式换热器的研究。项目最终确定了一种正六边形球面肋板式换热器，能够实现三流体同时换热，整体性能突出，具有以下优点： 1、正六边形球面肋板式换热器单位压降传热系数为3-7W/(平方米*K)*Pa，而应用最广泛的人字形板换仅为1-3W/(平方米*K)*Pa； 2、正六边形球面肋板式换热器工质的单位质量换热量为25-36KJ/kg,大于人字形板换的20-28KJ/kg。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，获第十一届“挑战杯”山东省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；图纸；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品不同于常规板式换热器，对称正六边形外观结构可实现三种流体同时换热；板片上球面状凸肋和凹肋组成的多条螺旋线型的流道，能够提高相应的传热和流体性能。基本特点和优势： 1、与多股流板翅式换热器相比，正六边形对称结构带来外形美观，占地面积小易于拆卸，流道布置灵活等优点； 2、与传统板式换热器相比， （a）采用球形凸点的设计，增加换热面积，增强流体扰动，同时有利于减少压降，压降仅为传统板式换热器的20%左右，单位压降传热系数为传统板换的2倍； （b）采用内部螺旋线的流道设计，增加了流程，延长了流体在换热器内的停留时间，换热更加充分，单位质量流体的换热量为25-36KJ/kg，约为普通换热器的1.3倍； 总之，该作品在整体性能上具有显著的提升，节能减排，符合现今国家“十一五”提出的可持续发展战略要求。该作品综合了板式换热器和多股流换热器的优点，若用于工程实践中，必然会体现出板式换热器传热性能突出，以及多股流换热器节省系统投资等多个优点，带来可观的经济效益和节能减排效果。
同类课题研究水平概述
- 热能是能源的主要表达形式，在初级能源消费中，约80%的能源要通过换热设备转化。多股流换热器是多种流体同时换热的热交换器，主要功能是用一股或几股流体加热、冷却另外一股或几股流体，使要加热或冷却的流体达到设定温度。 1.多股流换热器结构的研究现状 1.1缠绕管式换热器 缠绕管式换热器作为一种特殊结构的管壳式换热器,具有可进行多种介质传热、单位容积传热面积大、无热膨胀问题等特点。缠绕管式换热器中通常采用并管结构实现3种以上流体换热。 1.2 多通道螺旋板换热器 多通道螺旋板换热器与传统螺旋板换热器的不同之处在于，螺旋体由卷制而成的多个同心的螺旋板和位于螺旋体中央的星形中心隔板构成，每块螺旋板的里端都一一对应焊接在星形中心隔板各个分叉的端部，由星形中心隔板和螺旋板构成多螺旋通道。 1.3 板翅式换热器 板翅式换热器被认为是最有发展前途的新型换热设备之一。基本结构单元由隔板、翅片以及封条三部分组成。板翅式换热器结构灵活、易于布置，因此在多股流换热中得到广泛应用。多股流板翅式换热器的研究一直是传热学领域的重要研究方向，例如流道的布置对换热器性能的影响，翅片的效率、传热机理分析及量化公式等。板翅式多股流换热器能够合理分配各种流体的传热面积,使设备的布置更加紧凑，热（冷）量损失减少到最小程度；存在的主要的问题是制造困难。 2.多股流板式换热器的设想 板式换热器因为高效紧凑以及优异的传热性，近几十年得到迅速发展。板式换热器正在被越来越多的传统管壳式换热器应用领域所接受。板式换热器主要由三部分组成。其中板片是关键部件，换热器的传热和流动特性及耐压能力等都是由板片决定的。 板式换热器在两股流换热领域中应用广泛，而在多股流换热领域中，仍然以管壳式换热器和板翅式换热器为主。如果能通过结构上的改变将板式换热器应用于多股流换热领域中，那么其自身优点或许能带来更多经济和社会效益。因此作品的设计初衷是将板式换热器的优点在多股流换热领域中进行延伸，期待能得到一种性能突出的多股流板式换热器设计。
