一种基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体及换热器的制作方法

本实用新型属于换热设备技术领域，具体涉及一种基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体及换热器。

背景技术：

换热器在工业中的应用极为广泛，要实现动力、化工、船舶、制冷和机械等领域设备的低能耗和高效运行离不开先进换热器的设计。为提升换热器的换热能力，总体上有以下三种手段：提高传热温差、增大传热面积、增大对流换热系数。在无相变的换热器中，提高传热温差通常通过合理布置流道例如令冷热流体逆流来实现，增大换热面积意味着增大换热器总体积或减小通道截面来布置更多流道，增大对流换热系数可以通过扰流来实现。从目前的换热器设计来看，应用最广泛的是管壳式换热器和板式换热器。其中管壳式换热器如图1所示，其由于体积较大、换热效率较低而难以应用于需要轻质量、小体积换热器的场合。板翅式换热器的典型翅片形式如图2-图5所示，其中传统的直通道板翅式换热器内的流动缺乏足够的扰动，波纹翅片等通道设计又使得流动产生较多的涡和死区，导致流动的形状阻力增大并消耗更多的泵功。

在航空航天换热器中，追求换热效率的同时还需要保证换热器的可靠性，即维护方便、运行可靠。当换热器内流动的流体具有腐蚀性或沉淀、碎屑时，必须保证换热器不易堵塞，因此换热器的通道不能过小。

目前的多数换热器为了提高换热效果，有些设计体积过大造成运行重量过大，有些设计成仿生微通道但思路局限于树状分叉，不能适应现阶段航空航天领域、电子芯片领域等高端设备中的高效换热需求。同时传统管壳式换热器的换热能力又不足以满足当前的换热需求。目前一些在高端领域应用的换热器还需要良好的可靠性，单纯缩小换热器通道来增大换热面积-体积比的途径因此受到了阻碍，即不能通过单纯减小通道尺寸来实现换热强化。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体，通过借鉴生物体肺泡的交错、腔室间隔结构提升换热器性能，同时可减少换热器芯体体积，解决了现有换热器芯体高换热性能和微体积难以兼顾的问题。

本实用新型的另一目的是提供具有上述换热器芯体的换热器。

本实用新型所采用的技术方案是，一种基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体，该芯体包括外壳，内部通过换热板将芯体分为两层，每层空腔内设置有两层鱼刺型肋条组合，每一层鱼刺型肋条组合由若干列相互平行的鱼刺形肋条组成，每一列鱼刺形肋条由若干对呈八字形排列的短肋组成，同一列的若干对短肋形状、角度、间距都相同；两层鱼刺形肋条不接触；两层鱼刺形肋条分别固定在介质流动空腔的内壁上。

本实用新型的特点还在于：

进一步地，每对所述短肋之间的距离为短肋自身长度的0.1-2倍。

进一步地，每列所述鱼刺型肋条的方向与介质流向成一定交错角。

进一步地，所述每层鱼刺型肋条组合的高度为介质流动空腔的1/2。

进一步地，所述两层鱼刺型肋条组合在高度上具有间隔，间隔为肋高的 0.1-1倍。

进一步地，每层所述介质流动空腔内沿介质流向或与介质流向成一定角度方向还设置有一个或多个挡板。

本实用新型还提供一种换热器，具有上述任一项基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体。

鱼刺型结构的设置使得介质流动空腔内形成了很多交错的微小流动空腔，即仿生的交错肺泡。流体在该流动空腔内流动时，围绕鱼刺型结构流动，会在两排流道间反复掺混并产生利于换热的扰动；上下两层鱼刺结构之间的空隙会使得流动变的更为复杂，有利于漩涡的产生，同时流体在边界处受到壁面阻挡折转、翻转，使得其产生漩涡、二次流并借此在后面的流道中强化换热。鱼刺型结构本身不仅能极大的增强流体的掺混程度，增大换热系数，并且肋形成的二次表面能增大换热面积。该结构能从增大换热系数、增大换热面积两方面提升换热器的性能。

本实用新型的有益效果是，本实用新型将仿生元素融合到换热器的设计中，设计出微小交错肺泡换热器，该结构从传热系数、传热面积两方面提升了换热器的性能，

单位面积换热功率达到传统管片式换热器、管壳式换热器的7倍以上，并达到与超过一般层叠式、板式换热器的性能，接近微通道换热器性能。同时由于其内部通道没有达到微通道的尺寸范围，鱼刺型结构设置也使得流动中二次流和各种扰动较多，因而可以很大程度避免堵塞的问题。由于其单位体积换热效果较强，可以用较小的体积实现相同的换热需求，从而实现减小换热器体积的目的。同时由于其体积的减小，内部空腔也较传统换热器缩小很多，因此相同换热需求下所需的工质也会降低，亦即其运行重量能减低1/2 左右。

附图说明

图1是传统管壳式换热器结构示意图；

图2是传统板翅式换热器的平直翅片结构示意图；

图3是传统板翅式换热器的翅片管结构示意图；

图4是传统板翅式换热器的锯齿形翅片结构示意图；

图5是传统板翅式换热器的波纹翅片结构示意图；

图6是本实用新型鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体的结构示意图；

图7a-7c是本实用新型鱼刺型肋条的结构示意图；

图8是两层鱼刺型肋条的截图示意图；

图9是本实用新型肋条截面呈平行四边形的示意图；

图10是本实用新型肋条截面呈矩形的示意图；

图11是本实用新型肋条截面呈三角形的示意图；

图12本实用新型肋条截面呈切边椭圆形的示意图；

图13本实用新型肋条截面呈十字形的示意图；

图14本实用新型肋条截面呈L形的示意图；

图15本实用新型肋条截面呈六边形的示意图；

图16是本实用新型挡板示意图。

图中，1.外壳，2.换热板，3.直线肋条，4.挡板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型并不限于这些实施方式。

本实用新型基于仿生的鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体的结构如图6所示，该芯体包括外壳1，内部通过换热板2将芯体分为两层，分别作为冷热介质流体流动的介质流动空腔，通过换热板2进行热交换。每层空腔内设置有两层鱼刺型肋条组合，每一层鱼刺型肋条组合由若干列相互平行的鱼刺形肋条组成，每一列鱼刺形肋条由若干对呈八字形排列的短肋3组成，同一列的若干对短肋形状、角度、间距都相同，即形成鱼刺型。两层鱼刺形肋条不接触。两层鱼刺形肋条分别固定在介质流动空腔的内壁上。

如图7a所示为其中一层鱼刺型肋条组合，每一列鱼刺形肋条都成倒八字排列，如图7b为另一层鱼刺型肋条组合，每一列鱼刺形肋条都成正八字排列。两层肋条相互穿插组合在一起，上层肋条和下层肋条互相平行，但没有接触点，如图7c。每对短肋之间的距离优选短肋自身长度的0.1-2倍。

每层鱼刺型肋条组合的高度可以为介质流动空腔的1/2，即，两层鱼刺型肋条组合在高度上没有间隔。两层鱼刺型肋条组合在高度上也可以具有一定间隔，如图8所示，间隔优选取肋高的0.1-1倍。

每一列鱼刺形肋条的方向可以与介质流向平行，也可以与介质流向成一定交错角(也即与换热器芯体侧壁成一定交错角)。

鱼刺型肋条的截面包括但不仅限于平行四边形(图9)、矩形(图10)、三角形(图11)、切边椭圆形(图12)、十字形(图13)、L形(图14)、六边形(图15)等形状，即由多边形、弧线及其组合而成的肋截面都算作交错肺泡结构的肋截面形式。

如图16，为了进一步提高换热性能，每层所述介质流动空腔内沿介质流向或与介质流向成一定角度方向还设置有挡板4，所述挡板将所述直线型肋排分割为若干组，挡板的存在增加了介质在交错肋芯体中的折返次数，改变流动路径，增强换热能力。挡板可设为n个(n≥1)，从而将流域分为1/(n+1)。 n具体为多少视介质流动空腔形状和尺寸而定，一般来说n＝2,3,4左右可降低流阻，并且可以增加流体扰动，增强换热；流体从肋条组合形成的空腔流过时，被挡板挡住，进而折返，以加强换热。挡板设置时视换热器体积可以以 10mm～200mm为间隔，挡板越密流体折转越频繁，换热越强同时压降越高。换热器的外形整体尺寸、隔板形式和厚度、进出口形式、肋截面参数视需要的换热功率及体积要求而定，其参数较多且变化相对较为任意，这里不给出固定值。

以本实用新型一种鱼刺型微小交错肺泡换热器芯体为例，进行换热性能计算。

取鱼刺型肋条组合层数为2，两层之间无间隔，流体通道单排肋高1mm，短肋间距2mm，单个短肋长度为10mm，无挡板，每一对呈八字形的短肋的夹角为60°，短肋截面取矩形，肋顶和肋底宽0.8mm，即肋截面面积0.8mm²。

对该实施例的换热器进行计算，当冷热流体平均对数温差为35℃左右时，热流密度约为8.8W/cm²，单位面积换热功率达到传统管片式换热器、管壳式换热器的7倍以上，并达到和超过一般层叠式、板式换热器的性能，接近微通道换热器性能。同时由于其内部通道没有达到微通道的尺寸范围，鱼刺型结构设置也使得流动中二次流和各种扰动较多，因而可以很大程度避免堵塞的问题。由于其单位体积换热效果较强，可以用较小的体积实现相同的换热需求，从而实现减小换热器体积的目的。同时由于其体积的减小，内部空腔也较传统换热器缩小很多，因此相同换热需求下所需的工质也会降低，亦即其运行重量能减低1/2左右。

同时，从换热器的交错肺泡所可能具有的众多几何变型及几何尺寸变化来看，本实用新型提供了大量的仿生设计形式和思路，可以进一步开拓仿生设计在实际换热器中的应用。