一种组合式传热强化结构的制作方法

本实用新型涉及超临界流体传热技术领域，尤其涉及一种组合式传热强化结构。

背景技术：

超临界流体(supercriticalfluid)是指温度、压力高于其临界状态的流体，如超临界二氧化碳、超临界水等。超临界流体具有大密度、大导热系数、低粘度、低表面张力的特点，其流动和传热性能均优于常规流体，已被广泛应用于动力工程、航天工程等高新技术领域。

尽管超临界流体从低温液相到高温气相的变化是没有相变的连续过程，但超临界流体在升温或降温过程中的流动和传热现象非常复杂。当运行参数不良时，超临界流体会发生类似于亚临界膜态沸腾的传热恶化现象，传热性能将降低至不足正常传热的20％。该现象不仅导致间壁式换热器无法达到额定运行参数，造成全系统效率的急剧降低，而且在超临界锅炉、超临界二氧化碳反应堆中，恒定热流密度的换热条件甚至可能导致局部壁面温度飞升至1000℃以上，出现局部材料超温爆管或破损的重大事故。

常用的超临界流体抑制传热恶化、同步强化传热的方式主要有两种，即有源强化技术和无源强化技术。有源强化传热技术需额外增设机械能、电磁能等耗能装置，存在系统复杂、维护繁琐、额外能耗等问题，无法在紧凑式换热器、超临界锅炉及反应堆等特定场合应用；无源强化传热技术主要有扰流元件、内螺纹管、涡流发生器等，其特点为结构简单、运行可靠、无需外部动力，如半椭圆形涡流发生器、扰流元件、内螺纹管等，均为通过改变主流流动方向，产生局部涡流或旋流以强化传热。然而，常规无源强化传热技术需将额外部件设置于流场中，一旦放入该结构便无法改变，较大的迎风面积必然导致流动阻力显著增大，且随着传热工质流速的升高，局部阻力会出现与速度平方成正比的增长现象，甚至出现阻力增长过多导致的额外能耗大于传热强化收益的现象。

由此可见，在通过超临界流体进行无源强化传热时，置于流场中的额外部件引入了较大的流动阻力，并且较大的流动阻力可能会导致产生的额外能耗大于传热强化收益，从而如何能够在最小附加流动阻力的情况下，取得最优的强化传热效果，这是超临界流体传热领域研究的重要方向。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种组合式传热强化结构，用以解决当前在通过超临界流体进行无源强化传热时，置于流场中的额外部件引入了较大的流动阻力，并且较大的流动阻力可能会导致产生的额外能耗大于传热强化收益的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种组合式传热强化结构，包括多个强化传热单元，所述强化传热单元包括强化传热组件；所述强化传热组件包括多个仿翼形导流件；多个所述导流件沿超临界流体的主流方向依次安装在预强化传热的流道的壁面上，各个所述导流件的形态依次为鸟类单个翅膀在一次挥动时按时间等分的各个瞬间形状。

优选的，本实用新型中所述强化传热单元还包括旋转基座、旋转限位组件；所述旋转基座的中轴线呈竖直布置，所述旋转基座转动安装在所述壁面上；所述旋转限位组件连接所述旋转基座与所述壁面；所述强化传热组件安装在所述旋转基座上，各个所述导流件朝向一平面的同一侧边偏转预设角度，所述平面沿着所述主流方向并垂直于所述壁面。

优选的，本实用新型中所述强化传热单元还包括设在所述壁面上的下沉槽；所述下沉槽的槽底设有竖直布置的固定轴，所述旋转基座转动安装在所述固定轴上；所述旋转基座位于所述下沉槽内，所述导流件伸出所述下沉槽外。

优选的，本实用新型中所述旋转限位组件包括第一柔性阻尼件和第二柔性阻尼件；所述第一柔性阻尼件、所述第二柔性阻尼件分设在长条状所述旋转基座的两侧，且沿所述固定轴呈中心对称布置；所述第一柔性阻尼件、所述第二柔性阻尼件的一端分别连接所述旋转基座的两端，另一端分别连接所述下沉槽的槽壁。

优选的，本实用新型中所述旋转限位组件还包括第一限位器和第二限位器；所述第一限位器、所述第二限位器安装在所述下沉槽的槽壁上；所述旋转基座的其中一端伸入至所述第一限位器、所述第二限位器之间，并由所述第一限位器、所述第二限位器限制所述旋转基座的旋转角度。

优选的，本实用新型中所述预设角度为0～25°；所述旋转基座的旋转角度为0°～15°。

优选的，本实用新型中各个所述导流件沿所述主流方向排布的总长小于1m。

优选的，本实用新型中多个所述强化传热单元以两个为一组分别进行设置，并且每组的两个所述强化传热单元对称设置在相应的一条轴对称线的两侧，和/或，多个所述强化传热单元在同一条轴对称线的两侧呈对称设置。

(三)技术效果

本实用新型提供的组合式传热强化结构，通过设置多个沿超临界流体的主流方向依次排布的仿翼形导流件，则可以在超临界流场中模拟鸟类挥舞翅膀的全过程，在一方面，设计仿翼形的强化传热组件的组合形成类似于鸟类扑翼的动作而引发明显的涡流，以最小的结构尺寸产生最强的流体输运效率，有效增强了垂直于主流方向的流体运动，强化近壁面区域与中心流体的混合，从而有助于强化传热；在另一方面，由于仿翼形的强化传热组件具有类似于鸟类翅膀的结构，具有良好的流体动力学特性，不会在仿翼形的强化传热组件的尾翼附近形成大范围的流动分离区，从而减小产生的局部阻力。

由此可见，本实用新型在确保通过引流的超临界流体对流道的壁面进行强化传热的同时，尽量减小了局部的流动阻力，从而保证了传热过程的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所示的组合式传热强化结构在流道的壁面上安装的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所示的1号导流件至14号导流件在超临界流体流经时对应产生的涡流的示意图；

图3为本实用新型实施例所示的旋转基座处于15°偏转角度时，在下沉槽内安装的俯视结构示意图(不包含强化传热组件)；

图4为本实用新型实施例所示的旋转基座处于0°偏转角度时，在下沉槽内安装的俯视结构示意图(不包含强化传热组件)；

图5为本实用新型实施例所示的多个强化传热单元呈第一种排布的爆炸结构示意图；

图6为本实用新型实施例所示的多个强化传热单元呈第二种排布的爆炸结构示意图。

图中：1、流道；2、壁面；3、导流件；4、根部；5、旋转基座；6、固定轴；7、下沉槽；8、第一柔性阻尼件；9、第二柔性阻尼件；10、第一限位器；11、第二限位器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种组合式传热强化结构，包括多个强化传热单元，强化传热单元包括强化传热组件；强化传热组件包括多个仿翼形导流件3；多个导流件3沿超临界流体的主流方向依次安装在预强化传热的流道1的壁面2上，各个导流件3的形态依次为鸟类单个翅膀在一次挥动时按时间等分的各个瞬间形状。

具体的，对于鸟类飞行而言，鸟类在飞行中，其周围的空气基本保持不动，鸟类通过翅膀不同形式的挥动来向前或向上飞行，在该过程中，鸟类的翅膀不断地将前方的空气向后推、将上方的空气向下推。由于鸟类翅膀具有良好的前进流线型，在鸟类向前飞行时，张开的翅膀不会受到过大的空气阻力，并且鸟类可以通过翅膀的摆动以最小的能耗而获得最大的升力和前进力，即可以在最小的翅膀尺寸和结构变形下，达到更高的气体输运效率和反向推动力。

本实施例所示的强化传热组件，就是通过采用多个仿翼形导流件3来模拟鸟类挥舞翅膀的全过程，与鸟类飞行时正好相反，本实施例所示的强化传热组件是安装在预强化传热的流道1的壁面2上，是不动的，而超临界流体是向前运动是沿其主流方向高速(大于10m/s)向前输送的，其中，图1所示的流道1的横截面可为矩形或圆形，而本实施例所示的方案优选矩形截面的流道1，超临界流体的主流方向为垂直于纸面向里的方向，并用符号“×”表示。

由此，在超临界流体高速流经各个仿翼形导流件3时，由于各个导流件3的形态依次为鸟类单个翅膀在一次挥动时按时间等分的各个瞬间形状，从而可以在超临界流场中模拟鸟类挥舞翅膀的全过程，在一方面，设计仿翼形的强化传热组件的组合形成类似于鸟类扑翼的动作而引发明显的涡流，以最小的结构尺寸产生最强的流体输运效率，有效增强了垂直于主流方向的流体运动，强化近壁面2区域与中心流体的混合，从而有助于强化传热；在另一方面，由于仿翼形的强化传热组件具有类似于鸟类翅膀的结构，具有良好的流体动力学特性，不会在仿翼形的强化传热组件的尾翼附近形成大范围的流动分离区，从而减小产生的局部阻力。

与此同时，由于鸟类飞行时翅膀挥舞的位置与地平线之间存在相对角度关系，在图1中，虚线k1表示地平线经90°旋转后对应的位置，可以认为鸟类挥舞翅膀是围绕着虚线k1作往复运动，在此种布置结构下，强化传热组件推动超临界流体运动的方向与流道1进行换热的壁面2几乎平行，无法起到搅混壁面2附近流场的作用。由此，本实施例中在对各个导流件3的安装位置进行进一步的具体设计时，各个导流件3朝向一平面的同一侧边偏转预设角度α，所述平面沿着所述主流方向并垂直于所述壁面，如此，虚线k1竖直位于所述平面上。这样也就使得在超临界流场中，强化传热组件模拟仿真的鸟类扑翼的动作围绕着虚线k2作往复运动，从而可使得强化传热组件对超临界流体形成的推动作用向壁面2方向偏转，并侧向冲刷流道1的壁面2，以达到对壁面2强化传热的效果，其中，预设角度α可设为0～25°，由于在实际设计中，应确保强化传热组件中的各个导流件3不应触碰到流道1的壁面2，从而受限于强化传热组件的结构，同时由于更大的预设角度α将导致更高的局部阻力，因而，偏转预设角度α不应大于25°。

另外，在此应指出的是，本实施例将鸟类单个翅膀在一次挥动时按时间等分的为14个瞬间形状，从而强化传热组件包括沿超临界流体的主流方向依次对应设置的14个导流件。在图2中示意出了1号导流件至14号导流件的结构，其中，1号导流件的结构如图2-1所示，2号导流件的结构如图2-2所示，3号导流件的结构如图2-3所示，以此类推，14号导流件的结构如图2-14所示，在图2-1至图2-14中，还示意了每个导流件3在超临界流体流经时对应产生的涡流，涡流用椭圆形表示，在每个椭圆形中箭头表示相应涡流运动的方向。

由此，超临界流体在流经1号导流件时，将会产生如图2-1所示明显的涡流，并且在涡流向下游发展过程中连续经过2号导流件至14号导流件，从而，该涡流的形状、位置和运动方向都会出现明显的变化。具体的，涡流运动方向由最初的如图2-1所示的斜向右侧上方远离壁面2，在依次流经2号导流件至5号导流件时，涡流逐步转向为斜向右侧下方冲击壁面2；然后，在流经6号导流件至10号导流件后，涡流逐步进一步靠近壁面2，并且向下运动的趋势更加明显，此时对壁面2传热具有较好的强化作用；接着，在进一步流经11号导流件至14号导流件时，涡流逐步远离壁面2，且运动方向也向壁面2反方向转变。继而，当在再次流经下一组强化传热组件的1号导流件时，重复以上过程。

进一步的，本实施例中强化传热单元还包括旋转基座5、旋转限位组件；旋转基座5的中轴线呈竖直布置，旋转基座5转动安装在壁面2上；旋转限位组件连接旋转基座5与壁面2；强化传热组件安装在旋转基座5上。

具体的，由图1所示的结构可知，由于强化传热组件中的每个导流件3通过根部4安装在旋转基座5上，并且旋转基座5可沿其中轴线相对于壁面2发生转动，从而强化传热组件在面对不同的流动条件时，可自适应的调整其与主流方向的夹角，从而实现在高速下小夹角来强化传热同时降阻，并在低速下大夹角来极致强化传热。与此同时，通过在旋转基座5与壁面2之间设置旋转限位组件可限制旋转基座5在流场中的转动角度，防止因旋转基座5的转动角度超出限定范围而影响到强化传热组件对壁面2的强化传热效果，及有可能导致的增大额外的流体阻力，并导致传热恶化现象的发生。

进一步的，参见图1，本实施例中强化传热单元还包括设在壁面2上的下沉槽7；下沉槽7的槽底设有竖直布置的固定轴6，旋转基座5转动安装在固定轴6上；旋转基座5位于下沉槽7内，导流件3伸出所述下沉槽7外。

具体的，本实施例所示的下沉槽7设置的端口呈圆形，下沉槽7设置的端口也可呈矩形、菱形或其它形状，但不限于此，只要满足将旋转基座5设置于下沉槽7内即可，这样有利于防止旋转基座5直接暴露在超临界流场中而导致引入较大的流动阻力。

进一步的，参见图3、图4，本实施例中旋转限位组件包括第一柔性阻尼件8和第二柔性阻尼件9；第一柔性阻尼件8、第二柔性阻尼件9分设在长条状旋转基座5的两侧，且沿固定轴6呈中心对称布置；第一柔性阻尼件8、第二柔性阻尼件9的一端分别连接旋转基座5的两端，另一端分别连接下沉槽7的槽壁。

与此同时，旋转限位组件还包括第一限位器10和第二限位器11；第一限位器10、第二限位器11安装在下沉槽7的槽壁上；旋转基座5的其中一端伸入至第一限位器10、第二限位器11之间，并由第一限位器10、第二限位器11限制旋转基座5的旋转角度。

具体的，本实施例所示的第一柔性阻尼件8、第二柔性阻尼件9可采用弹簧、弹性片等，但不限于此，只要通过将其设置在旋转基座5的两侧，以实现对旋转基座5的转动幅度进行弹性阻尼限制的相应结构均满足要求。

在换热器没有运行前，即在流道1中没有通入高速流动的超临界流体之前，由于没有流体冲刷强化传热组件，在第二柔性阻尼件9的推动作用下，旋转基座5与主流方向呈一定夹角β(相应地强化传热组件与主流方向也呈一定夹角)，该夹角β一般不超过15°，并通过在旋转基座5的两侧设置第一限位器10和第二限位器11，以此将旋转基座5的旋转角度β限制在0°～15°以内，从而可防止因第一柔性阻尼件8、第二柔性阻尼件9失效而导致的强化传热组件转角过大的问题。

在实际设计时，设置在换热器没有运行前，旋转基座5与主流方向呈15°夹角，旋转基座5的一端与第二限位器11相抵触。在换热的流道1内超临界流体流速较高时，由于该15°夹角的存在，导致至少有一个导流件3存在新增的迎风面，这使得相应导流件3的迎风面和背风面所受到的推力存在明显差异，而由于各个导流件3安装在旋转基座5上，由此，这两者推力之差产生的作用力会推动旋转基座5向夹角减小的方向旋转，即旋转基座5的一端向着第一限位器10处作逆时针摆动，从而通过减小导流件3的迎风面积来平衡两侧推力。随着夹角的减小，第一柔性阻尼件8被压缩，其正向推力也会有所增大。当旋转基座5受到的迎风推动力与两个柔性阻尼件推力达到力矩平衡时，旋转基座5将与主流保持一定的夹角不再变化，其中，超临界流体流速越高，该夹角越小。在超临界流体换热通道中，工质流速一般为10-15m/s，因而，将旋转基座5与主流方向保持一定的夹角为0°的工况设定为工质流速10m/s，并将该设定作为柔性阻尼件最大推力的设计选型输入。

当旋转基座5与主流方向夹角变为0°时，可以充分利用鸟类翅膀的流线形作用减少强化传热组件引发的流动阻力增加的问题。超临界流体接连冲刷强化传热组件，形成了类似于鸟类飞行过程中形成的涡流，该涡流主要是将翅膀相对上方的气团转运至相对下方，由于在本实施例中强化传热组件为竖直布置，则可理解为将强化传热组件一侧的气团转运至另外一侧，由于旋转基座5与主流方向夹角为0°，因此，该气团通过斜侧向冲刷壁面2，既能对壁面2附近流体进行充分搅浑，又达到尽量减小阻力的作用。

当超临界流体流速较低时，不仅传热能力较差、换热器总阻力较低，且极可能出现传热恶化现象。在该情况下，强化传热组件迎风面和背风面受到的推力差较小，不足以在第一柔性阻尼件8的反向推力作用下推动旋转基座5向夹角减小的方向大幅度旋转。当旋转基座5受到的迎风推动力和柔性阻尼件的推力达到力矩平衡时，旋转基座5将与主流方向将依然保持不大于15°的较大夹角，从而具有较大的迎风面。超临界流体流速越低，该夹角越大。超临界流体对应换热的流道1中，非异常工况下的工质流速一般不小于1m/s，因此，将旋转基座5与主流方向保持一定的夹角为15°的工况设定为工质流速1m/s，并将该设定作为柔性阻尼件最小推力的设计选型输入。

当旋转基座5与主流方向夹角变为15°时，超临界流体接连冲刷扑翼形强化传热组件，模拟了鸟类同时向上和向前飞行的动作，从而将强化传热组件上方低温的流体，通过扑翼效应由上方输运到翅膀下方，形成低温冲击气团可以更大角度斜向冲击传热的壁面2，更大限度的搅动壁面2附近的流体边界层，显著增强传热强化的能力，最大限度的抑制传热恶化现象导致的局部壁温飞升现象；另一方面，随着壁面2温度的升高，壁面2附近流体的温度也会显著提升，由于强化传热组件为金属材质且通过旋转基座5与壁面2直接相连，因此其温度也会随之升高，强化传热组件也起到了翅片作用，既可以更好地将壁面2聚积的热量传导到主流区域，又能在将气流向壁面2附近输运时加热气团，使其出现一定的膨胀加速现象，从而以更大冲量冲击壁面2，两者共同作用能够显著抑制传热恶化出现的范围和造成的壁面2温度飞升问题。另外，当传热恶化导致壁面2温度大幅升高时，第一柔性阻尼件8、第二柔性阻尼件9的温度随之升高，受热胀冷缩现象影响，其阻尼力将会所有提升，因此，当传热恶化现象出现时，即使超临界流体流速高于1m/s，甚至达到2m/s，都可以继续保持最大夹角，从而起到最强的传热强化效果，以抑制传热恶化现象，而此时由于超临界流体流速较低，因此较大夹角导致的局部流动阻力增幅有限，不会成为强化传热过程中的主要限制因素。

进一步的，本实施例中各个所述导流件3沿所述主流方向排布的总长小于1m。

具体的，由于一般小型鸟类，如鸽子，挥翅频率在10hz左右，即一秒内挥舞翅膀10次，由于超临界流体在流道1(换热通道)内的设计流速一般不小于10m/s，因而，在每个强化传热组件中的第一个导流件3和最后一个号导流件3之间的设置距离一般不大于1米，可以认为该距离内工质流速变化较小，气流经过每一个传热元件的时间间隔基本相同，可以模拟等时间间隔挥舞翅膀的物理过程。

进一步的，本实施例中多个强化传热单元以两个为一组分别进行设置，并且每组的两个强化传热单元对称设置在相应的一条轴对称线的两侧；多个强化传热单元在同一条轴对称线的两侧呈对称设置。

具体的，本实施例所示的多个强化传热单元必须对称使用，即必须确保多组强化传热组件在换热流道1的壁面2上呈对称布置，本实施例在图5和图6中分别示意了两组强化传热单元在流道1的壁面2上的对称布置结构，其中，图5中的两组强化传热单元所对应的两条轴对称线呈平行布置，而在图6中，两组强化传热单元对称分布在同一条轴对称线的两侧，并且图5和图6中沿着相应轴对称线所示的方向“→”表示超临界流体的主流方向。

由于鸟类翅膀挥舞时必然产生向上的升力，若强化传热组件不对称使用，则将造成所有仿翼形导流件3受力方向相同，这使得换热器本体受到同向的作用合力，对换热器的连接法兰或其他连接件造成局部应力问题，通过对多组强化传热组件的对称布置，可以将各个仿翼形导流件3所受到的升力作用进行内部平衡，从而使得换热器总体受力几近忽略不计。本实施例的图5和图6所示的两种布置方式都可起到良好的传热强化与减阻效果，相邻两个仿翼形导流件3之间的流向和径向距离可根据实际换热器运行参数进行适应性调整。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。