一种鱼鳃仿生的板式微反应器换热面结构 |
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| 申请号 | CN202210691306.0 | 申请日 | 2022-06-17 | 公开(公告)号 | CN115111955B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 陈东; 张仕凯; 伍青林; 翟小威; 石盼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构，设置有若干个沿换热板长度方向等间隔排布的结构相同的流道单元；所述流道单元由两个对称布置的v形波峰、两个对称布置的直波峰、大人字波峰、沿板 中轴 线对称的小人字波峰组成；本发明提供的一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构，解决了现有微反应器换热设计换热性能不足的缺点，采用鱼鳃仿生结构，增大了单位体积 流体 的换热 接触 面积，同时引进了流体扰动，使原本处于 层流 状态的换热油流经v字形波峰与人字形波峰时，流体被拉伸、剪切、折叠、碰撞，使 流线 发生旋转，流体 边界层 被破坏，湍动程度大大增加，从而强化了 对流 传热 系数 ，可以显著提升换热效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构,其特征在于，包括换热板；所述换热板的上表面为换热介质流动面，下表面为被换热介质面；所述的换热介质流动面上设置有若干个沿换热板长度方向等间隔排布的流道单元； |
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| 说明书全文 | 一种鱼鳃仿生的板式微反应器换热面结构技术领域[0001] 本发明涉及板式微反应器、热交换技术领域，具体地说是一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构。 背景技术[0002] 板式微反应器由于其极小的特征尺寸以及极大的比表面积，具有优良的传质传热性能，在化工、制药等行业应用广泛。板式微反应器常被用于硝化反应等危险的强放热反应，因此内部反应流体与冷却介质的热交换能力是评价板式微反应器性能的一个重要指标。在热交换技术领域，一般通过增强换热系数或增大换热面积的方式来提高换热效率。 [0003] 目前板式微反应器为了增强换热能力，换热面设计一般采用平直形或人字形波纹结构，可以提高换热介质和板面的换热面积。但随着对板式微反应器使用性能提高，需要进一步优化换热面设计，增强反应器的换热能力。 [0004] 本发明从鱼鳃形状中得到启发，设计了一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构，不仅具有极大的换热面积，还可以引进对冷却介质的扰动，破坏流体的边界层，增大换热系数，从而强化换热。 发明内容[0005] 针对现有板式微反应器换热面设计的不足，本发明提供了一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构,包括换热板；所述换热板上方为换热介质流动域，下方为被换热介质域；换热板的上表面为换热介质流动面，下表面为被换热介质面；所述换热介质流动面设置有若干个沿换热板长度方向等间隔排布的流道单元； [0006] 所述流道单元由沿流体流向布置的波峰组成，包括两个布置在换热板宽度方向中轴线两侧且对称的v形波峰、两个布置在换热板宽度方向中轴线两侧且对称的直波峰A、一个以换热板宽度方向中轴线为对称轴的大人字波峰、一个以换热板宽度方向中轴线为对称轴的小人字波峰，所述流道单元整体关于换热板宽度方向中轴线对称。 [0007] 作为本发明的优选，v形波峰、直波峰A、大人字波峰和小人字波峰的横截面形状为矩形、等腰梯形或正弦波形。所述v形波峰由短边波峰、连接波峰、长边波峰依次连接组成，v形波峰的v形开口朝向与其邻近的侧边。所述短边波峰与板长度方向的夹角α为70°‑90°，所述短边波峰高度与短边波峰的横截面宽度之比h/w为0.5‑1.5，所述连接波峰与换热板宽度方向的夹角δ为45°‑135°，所述连接波峰高度与连接波峰的横截面宽度之比h/w为0.5‑1.5，所述长边波峰与换热板长度方向的夹角β为50°‑90°，所述长边波峰高度与长边波峰的横截面宽度之比h/w为0.5‑1.5。 [0008] 作为本发明的优选，所述直波峰A与换热板长度方向的夹角γ为60°‑90°，所述直波峰A的高度与直波峰A的横截面宽度之比h/w为0.5‑2。所述大人字波峰由两段沿换热板宽度方向中轴线对称的直波峰连接组成，所述直波峰与换热板长度方向的夹角ε为40°‑80°，所述直波峰高度与直波峰的横截面宽度之比h/w为0.5‑2，人字形开口方向与流体流向一致。所述小人字波峰由两段沿换热板宽度方向中轴线对称的直波峰连接组成，所述直波峰与换热板长度方向的夹角ζ为40°‑80°，所述直波峰高度与直波峰横截面宽度之比h/w为1‑3，人字形开口方向与流体流向一致。 [0009] 作为本发明的优选，所述的一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构,其特征在于，所述流道单元和换热板一体加工成型；所述的换热板材质为钢。所述的换热板的换热介质流动面布置了流道单元，下方的被换热介质流动面为光滑面。 [0010] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有： [0011] 一方面，采用鱼鳃仿生结构，增大了单位体积流体的换热接触面积，另一方面，引进了流体扰动，原本处于层流状态的换热油流经v字形波峰与人字形波峰时，流体被拉伸、剪切、折叠、碰撞，使流线发生旋转，流体边界层被破坏，湍动程度大大增加，从而强化了对流传热系数，对换热效果提升有显著作用。附图说明 [0012] 图1为一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构(后简称鱼鳃波纹)示意图； [0013] 图2为波峰横截面示意图； [0014] 图3为鱼鳃波纹的非等温流动仿真模型示意图； [0015] 图4为平直波纹的非等温流动仿真模型示意图； [0016] 图5为光滑无波纹的非等温流动仿真模型示意图； [0017] 图6是鱼鳃波纹与平直波纹、光滑无波纹三种结构的非等温流动仿真结果中流线图； [0018] 图7为鱼鳃波纹与平直波纹、光滑无波纹三种结构的非等温流动仿真结果中换热油出口温升对比图； [0019] 图中：1、v形波峰；2、直波峰A；3、大人字波峰、4、小人字波峰。 具体实施方式[0020] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。 [0021] 如附图1所示，本方法提供了一种鱼鳃仿生的板式反应器换热面结构，包括换热板；所述换热板上方为换热介质流动域，下方为被换热介质域；换热板的上表面为换热介质流动面，下表面为被换热介质面；所述换热板的换热介质流动面设置有若干个沿换热板长度方向等间隔排布的流道单元； [0022] 所述流道单元由沿流体流向布置的波峰组成；包括两个布置在换热板宽度方向中轴线两侧且对称的v形波峰1、两个布置在换热板宽度方向中轴线两侧且对称的直波峰A2、一个以换热板宽度方向中轴线为对称轴的大人字波峰3、一个以换热板宽度方向中轴线为对称轴的小人字波峰4；所述流道单元整体关于换热板宽度方向中轴线对称；所述的波峰是在换热板的换热介质流动面上的结构，这些波峰是和换热板一体加工成型的，是换热板的一部分，所述的换热板只有上方即换热介质流动面布置了流道单元，下方即被换热介质流动面为光滑面。 [0023] 如附图2所示，所述v形波峰1、直波峰A2、大人字波峰3和小人字波峰4的横截面形状为矩形，波峰横截面宽度为w；相邻两波峰之间的间隔距离d可以为1‑4倍波峰横截面宽度w。 [0024] 所述v形波峰1由短边波峰、连接波峰、长边波峰依次连接组成，所述短边波峰与换热板长度方向的夹角α为85°，所述短边波峰高度h＝0.75波峰横截面宽度w，所述连接波峰与换热板长度方向的夹角δ为90°，所述连接波峰高度h＝0.75波峰横截面宽度w，所述长边波峰与换热板长度方向的夹角β为65°，所述长边波峰高度h＝0.75波峰横截面宽度w；v形开口朝向与其邻近的侧边； [0025] 所述直波峰A2与换热板长度方向的夹角γ为75°，所述直波峰A2高度h＝波峰横截面宽度w； [0026] 所述大人字波峰3由两段沿换热板中轴线对称的直波峰连接组成，所述直波峰与换热板长度方向的夹角ε为60°，所述直波峰高度h＝波峰横截面宽度w，人字形开口方向与流体流向一致； [0027] 所述小人字波峰4由两段沿换热板宽度方向中轴线对称的直波峰连接组成，所述直波峰与换热板长度方向的夹角ζ为60°，所述直波峰高度h＝1.5波峰横截面宽度w，人字形开口方向与流体流向一致。 [0028] 实施例1：鱼鳃波纹设计 [0029] 参照附图3，采用COMSOL Multiphysics软件对流体进行非等温流动仿真以测试鱼3 鳃波纹的换热性能，流体材料为换热油，密度为900kg/m，导热系数为0.45W/(m·k)，恒压热容为1809.1J/(kg·k)，动力粘度为0.006Pa·s，换热板材料为不锈钢316L,密度为 3 7980kg/m ，导热系数为16.2W/(m·k)，恒压热容为502J/(kg·k)。计算模型采用非等温流动模型来耦合流动与传热过程，左端换热油入口速度为0.04m/s，换热油入口温度为15℃，板采用等温域设置为40℃，这意味着板温度始终恒定在40℃，通过比较换热油出口温度来判断换热性能，越高的换热油出口温度代表了越强的换热性能。结果显示，如附图6所示，原本处于层流状态的换热油流经v字形波峰与人字形波峰时，流体被拉伸、剪切、折叠、碰撞，产生十分复杂的旋转流线，流体边界层被破坏，贴近壁面的流体被加热后随即顺着波纹延伸方向向两侧及上方对流，未被加热的流体填补进来，进而形成一个良好的流体内部循环，湍动程度大大增加。如附图7所示，换热油出口温升为14.793℃。 [0030] 对比例2：光滑无波纹设计 [0031] 参照附图4，采用COMSOL Multiphysics软件对流体进行非等温流动仿真以测试光3 滑无波纹的换热性能，流体材料为换热油，密度为900kg/m ，导热系数为0.45W/(m·k)，恒压热容为1809.1J/(kg·k)，动力粘度为0.006Pa·s，换热板材料为不锈钢316L,密度为 3 7980kg/m ，导热系数为16.2W/(m·k)，恒压热容为502J/(kg·k)。计算模型采用非等温流动模型来耦合流动与传热过程，左端换热油入口速度为0.04m/s，换热油入口温度为15℃，板采用等温域设置为40℃。结果显示，如附图6所示，换热油流线平行，流动状态一直为层流，靠近壁面一侧的流体被加热的温度较高，而远离壁面一侧的流体温度仍较低。如附图7所示，换热油出口温升为9.062℃。 [0032] 对比例3：平直波纹设计 [0033] 参照附图4，采用COMSOL Multiphysics软件对流体进行非等温流动仿真以测试平3 直波纹的换热性能，流体材料为换热油，密度为900kg/m，导热系数为0.45W/(m·k)，恒压热容为1809.1J/(kg·k)，动力粘度为0.006Pa·s，换热板材料为不锈钢316L,密度为 3 7980kg/m ，导热系数为16.2W/(m·k)，恒压热容为502J/(kg·k)。计算模型采用非等温流动模型来耦合流动与传热过程，左端换热油入口速度为0.04m/s，换热油入口温度为15℃，板采用等温域设置为40℃。结果显示，如附图6所示，换热油流线基本平行，有轻微的弯曲流线产生，换热油流经平直波纹时受到了轻微扰动，但流动状态仍保持为层流，靠近壁面一侧的流体被加热的温度较高，远离壁面一侧的流体温度较低。如附图7所示，换热油出口温升为12.317℃。 [0034] 如附图7所示，实施例1与对比例1以及对比例2对比发现，平直波纹换热性能优于光滑无波纹换热性能，而鱼鳃波纹的换热性能相比于另两种结构得到了显著提升，这是因为了在鱼鳃波纹设计中，换热油流经鱼鳃波纹受到了更大的扰动，具有更强烈的湍动程度以及良好的流体内部热循环，进而强化了对流换热系数。在高对流换热系数以及高单位流体换热面积的共同作用下，鱼鳃波纹结构的换热性能得到了明显提升。 |
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