專利名稱：康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流動(dòng)換熱裝置，具體涉及的是一種為強(qiáng)化流動(dòng)換熱綜合性能而設(shè)計(jì)的具有康托集分形結(jié)構(gòu)特征換熱管束的康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器。
背景技術(shù)：
管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、能源、動(dòng)力、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。因此，對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其流動(dòng)換熱效率顯得尤為重要。管殼式換熱器通常是在一個(gè)殼體內(nèi)布置許多平行管束，一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，另一種流體在殼側(cè)流動(dòng)，冷熱兩種流體通過(guò)換熱管束進(jìn)行熱量交換。為提高換熱器流動(dòng)換熱效率，目前采取的強(qiáng)化傳熱手段主要有(1)改變管束外形或在管內(nèi)外進(jìn)行螺紋形、波紋形等多種形式設(shè)計(jì)，即通過(guò)管束形狀或表面性質(zhì)的改造進(jìn)行強(qiáng)化傳熱；(2)在管束外的流體空間內(nèi)采用折流板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這些強(qiáng)化傳熱手段使流體在流動(dòng)換熱區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的局部擾動(dòng)，提高流體湍動(dòng)能強(qiáng)度，進(jìn)而改善傳熱特性，但卻導(dǎo)致了流動(dòng)阻力的增加，即增加了泵功消耗。此外，已有的換熱管束設(shè)計(jì)缺乏對(duì)流體輸送路徑優(yōu)化的考慮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在換熱管束內(nèi)流體輸送路徑不合理、泵功消耗和傳熱性能不匹配的問(wèn)題。為此，迫切需要開(kāi)展換熱器內(nèi)換熱管束結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高效換熱。本發(fā)明將管殼式換熱器的換熱管束設(shè)計(jì)成分形結(jié)構(gòu)特征以充分利用殼體空間，增加流動(dòng)換熱面積， 以提高換熱器的流動(dòng)換熱綜合性能，即最大限度的提高換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)， 進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的換熱器內(nèi)換熱管束在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的流體輸送路徑不合理、泵功消耗和傳熱性能不匹配的問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種新型的具有分形結(jié)構(gòu)特征換熱管束的管殼式換熱器，該換熱器能大大提高換熱器的熱有效性，達(dá)到高效換熱和節(jié)能目的。技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種康托(Cantor)集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，其特征在于所述的換熱管束為至少一組直徑大小滿足Cantor集分形結(jié)構(gòu)特征的平行管束。所述的Cantor集分形結(jié)構(gòu)的分形單元，其分形輪廓生成過(guò)程如下
(1)在水平方向，將第0級(jí)表面輪廓分為(2s-l)段(參數(shù)s為正整數(shù)，可取1，2，3 · · ·)，
將各段從左到右按1，2......2^-1依次排序，其中奇數(shù)段與奇數(shù)段等長(zhǎng)，偶數(shù)段則
與偶數(shù)段等長(zhǎng)，奇數(shù)段總長(zhǎng)乙為初始表面輪廓長(zhǎng)度、的l//x (/x為水平方向比例系數(shù)，Zx所述的分形單元換熱管束至少有2級(jí)，以平面方式鋪展開(kāi)來(lái)，各換熱管束中心線均位于同一平面上。所述的分形結(jié)構(gòu)為所述的分形單元沿所述的殼體方形交叉陣列布置后構(gòu)成的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)，如此便可充分利用殼體空間，以實(shí)現(xiàn)換熱器結(jié)構(gòu)緊湊和高效換熱的目的。本發(fā)明的換熱管束的截面形狀為矩形或圓形。所述的換熱管束在殼體內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性的截面變化，使得殼側(cè)流體在反復(fù)改變速度梯度和溫度梯度條件下流動(dòng)，有利于提高流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，同時(shí)管束截面變化有助于二次流和渦流的形成，從而強(qiáng)化對(duì)流換熱。所述的具有Cantor集分形結(jié)構(gòu)特征的換熱管束沿平面展開(kāi)并呈交叉陣列布置充分利用了殼體空間來(lái)布置更多的換熱管束以增加換熱面積，強(qiáng)化流動(dòng)換熱，同時(shí)呈分形結(jié)構(gòu)分布的換熱管束可使換熱器內(nèi)流體的溫度分布更加均勻，亦能提高流動(dòng)換熱效率。已有數(shù)值模擬計(jì)算表明，對(duì)于這種分形結(jié)構(gòu)式換熱管束的流動(dòng)換熱，隨著分形級(jí)數(shù)的增加，最大換熱量逐漸增大，且增加幅度逐漸減小。此外，隨著分形級(jí)數(shù)的增加，流動(dòng)阻力將增大，即泵功消耗將增大，但其熱有效性(換熱量/泵功)卻呈增加趨勢(shì)。由此可知，所述的換熱器在提高換熱量的同時(shí)，也導(dǎo)致了泵功消耗的增加，但卻最大限度地提高了換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)，進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。本發(fā)明提供的Cantor集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，其換熱管束、殼體、管板等根據(jù)工作條件、流體性質(zhì)等可選擇不同的材料，可選用碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等材料。其管程和殼程流體可為水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有機(jī)物、制冷劑等任意流體工質(zhì)。管束內(nèi)的換熱方式可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸騰/冷凝相變換熱方式等，殼側(cè)的換熱方式也可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸騰/冷凝相變換熱方式等。有益效果
本發(fā)明涉及的一種具有Cantor集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，其換熱管束在殼體內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性的交錯(cuò)布置，有利于改善換熱管束表面的流體速度矢量和熱流矢量方向的夾角，提高了流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性。同時(shí)，管束截面變化有助于二次流和渦流的形成，從而強(qiáng)化對(duì)流換熱。并且，本發(fā)明充分利用了殼體空間來(lái)布置分形結(jié)構(gòu)換熱管束，大大增加了冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換所需的換熱面積，同時(shí)也能最大限度地提高換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。


圖1本發(fā)明Cantor集分形結(jié)構(gòu)式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明Cantor集分形結(jié)構(gòu)生成過(guò)程示意圖。
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CN 102252540 A說(shuō)明書(shū)2/3 頁(yè)
>1)，其中偶數(shù)段長(zhǎng)度則取為第1級(jí)換熱管束直徑；
(2)將上述各奇數(shù)段再次按上述方法各分成(2s-l)段，第2級(jí)換熱管束直徑也為偶數(shù)段長(zhǎng)度；
(3)不斷重復(fù)以上步驟，根據(jù)這種方法生成的分形輪廓，其(/7+1)級(jí)水平方向長(zhǎng)度(奇數(shù)段長(zhǎng)度)為
圖3本發(fā)明分形單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4本發(fā)明分形單元交叉布置平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5本發(fā)明分形單元交叉陣列布置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.左管板；2.殼體；3.換熱管束；4.右管板；5.殼程流體；6.管程流體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1給出了本發(fā)明Cantor集分形結(jié)構(gòu)式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。一種具有Cantor 集分形結(jié)構(gòu)特征換熱管束的換熱器，由Cantor集分形換熱管束、殼體和管板等主要部分組成。殼體截面形狀一般為矩形，管板1、4分別位于殼體2的兩側(cè)。Cantor集分形換熱管束 3以平面方式鋪展開(kāi)來(lái)并呈交錯(cuò)布置，其兩端固定并穿過(guò)管板1、4。殼程流體5進(jìn)出口位于殼體2上，管程流體6進(jìn)出口位于管板1、4上，如此，管板便不僅能分隔管箱內(nèi)的管程流體與殼體內(nèi)的殼程流體，還能均勻分配進(jìn)入各換熱管束的管程流體，并起密封作用。同時(shí)，換熱管束直徑大小的周期性變化使得殼程流體在反復(fù)改變速度梯度和溫度梯度的條件下流動(dòng)，提高了殼體內(nèi)流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，且換熱管束的截面變化有助于二次流和渦流的形成，從而強(qiáng)化流動(dòng)換熱。圖2給出了 Cantor集分形結(jié)構(gòu)從n=0級(jí)到n=3級(jí)的生成過(guò)程的示意圖。將第0 級(jí)輪廓分為5段(可根據(jù)需要分為3、5、7段等)，將各段從左到右按1，2··· 5依次排序，其中奇數(shù)段與奇數(shù)段等長(zhǎng)，偶數(shù)段與偶數(shù)段等長(zhǎng)，奇數(shù)段總長(zhǎng)為初始輪廓長(zhǎng)度的1//； (/； >1)， 偶數(shù)段長(zhǎng)度則取為換熱管束直徑，將上述各奇數(shù)段再次重復(fù)以上步驟，如此循環(huán)下去則可生成具有Cantor集分形結(jié)構(gòu)的分形單元換熱管束，如圖3所示。所述的分形單元換熱管束至少有兩級(jí)，以平面方式鋪展開(kāi)來(lái)，各換熱管束中心線均位于同一平面上，其在水平方向的總長(zhǎng)度可根據(jù)殼體大小而定。所述分形單元經(jīng)交叉陣列布置后，便可得到如圖4、5所示的換熱管束陣列布置結(jié)構(gòu)示意圖。其陣列的維數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行布置直至殼體，殼體截面形狀為矩形，各換熱管束截面形狀可為圓形或矩形，如此便可充分利用殼體空間，以實(shí)現(xiàn)換熱器結(jié)構(gòu)緊湊很高效換熱的目的。
權(quán)利要求
1.一種康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，其特征在于所述的換熱管束為至少一組直徑大小滿足康托集分形結(jié)構(gòu)特征的平行管束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，其特征在于所述的康托集分形結(jié)構(gòu)的分形單元換熱管束至少有兩級(jí)，以平面方式鋪展開(kāi)來(lái)，各換熱管束的中心線均位于同一平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，其特征在于所述的換熱管束的截面形狀為圓形或矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，其特征在于所述的換熱管束沿所述的殼體交叉陣列布置構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種康托集分形結(jié)構(gòu)式換熱器，包括換熱管束、殼體和管板，所述的管板位于殼體的兩側(cè)，所述的換熱管束的兩端固定于管板上，并穿過(guò)所述的管板，所述的換熱管束為至少一組直徑大小滿足康托集分形結(jié)構(gòu)特征的平行管束。本發(fā)明充分利用了殼體空間來(lái)最大限度地布置換熱管束以增加換熱面積，同時(shí)，所述的換熱管束呈多級(jí)交錯(cuò)布置且其截面呈周期性變化，大大提高了流動(dòng)換熱的場(chǎng)協(xié)同性，亦最大限度地提高了換熱器的熱有效性，達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
文檔編號(hào)F28F13/08GK102252540SQ20111024271
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 楊立波, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)