磁力辅助式多孔式翅片换热器以及实时控制换热的方法与流程

本发明涉及工程换热技术领域的一种多孔式翅片换热器及其控制方法，具体涉及一种磁力辅助式多孔式翅片换热器以及实时控制换热的方法。

背景技术：

随着冶金、化工(石化)工业的迅速发展，空分设备的需求量越来越大。而换热器是空分设备中的关键部件，是空分设备节能降耗的关键设备之一。多孔翅片具有加工工艺简单、比表面积大的特点，不仅使翅片重量减轻，又使翅片传热性能加强，被广泛应用于各种换热器中，一直是国内外学者研究的焦点。翅片开孔可使热边界层不断破裂，增加了对气流的扰动，从而提高其传热性能，同时也可促进流体间的横向混合，有利于换热器换热效率的整体提升。对开孔翅片进行改进，使得改进的开孔翅片对提高换热器的换热性能有显著的影响。

技术实现要素：

针对现有换热器翅片中存在的问题，本发明提供了一种孔大小可实时改变的多孔板翅式换热器，以及可实时改变孔隙大小进而调节控制换热工作情况和性能的方法。

本发明的技术方案如下：

一、一种可实时改变孔隙大小的多孔式翅片换热器：

所述换热器主体设有八个封头，封头用于作为流体的出入口，换热器主体的对称两侧外壁安装有磁发生装置，每个封头的端口处设有多个流速检测传感器；换热器主体内部具有多层多孔翅片层，每层多孔翅片层均由多孔翅片间隔布置且连接构成，相邻多孔翅片之间形成流道，多孔翅片开设圆孔，圆孔中安装有磁敏超材料，磁敏超材料的一侧为固定的半圆，另一侧为可变形的半椭圆，磁敏超材料的半圆侧与多孔翅片圆孔的一侧通过焊接固定连接，半椭圆侧为自由侧能够在半圆和半椭圆之间变形，在半椭圆侧和多孔翅片圆孔的另一侧之间形成间隙作为孔隙。

所述的磁敏超材料，其基底材料为是cs25冷凝型硅橡胶和cs25冷凝型硅橡胶催化剂，夹杂项为red型铁粉。所述的磁敏超材料能够在磁场的作用下，使其内部的单元晶格结构产生稳定的形变，进而改变整个磁敏超材料发生变形量，实现自由侧在半圆与半椭圆之间的变形。

所述的磁敏超材料在自然状态下，厚度与所述多孔翅片的厚度一致。

所述的换热器主体对称两侧的磁发生装置之间连线为磁场方向，所述的多孔翅片间的流道方向与磁场方向平行，且磁敏超材料的半椭圆侧变形方向与磁场方向平行。

多个流速检测传感器在封头端口的周围沿周向间隔均布。

同一层多孔翅片层中的各个多孔翅片的圆孔尺寸一致，不同层多孔翅片层的多孔翅片的圆孔尺寸可以相同或者不同。

二、一种多孔式翅片换热器的实时控制换热方法，方法包括以下步骤：

1)运用cae进行大规模批量模拟分析，针对在换热器内部不同流体的n股流的状态下，对每一股流的i种不同的流体入口速度vi进行模拟，得到在最佳换热效率时的每层多孔翅片层中的多孔翅片的孔隙大小，将每一层多孔翅片层的孔隙大小进行归类统计，获得每一层多孔翅片层的孔隙大小的均值ei与方差si；

2)根据不同层多孔翅片层的多孔翅片孔隙大小的均值ei与方差si制备不同层的磁敏超材料，并安装在多孔翅片的圆孔中；

3)在多孔翅片换热器工作时，均匀分布在封头入口处的流速检测装置对经过的流体流速进行检测，获得流体入口速度vi，并实时传输到控制装置中；根据不同的流体入口速度vi处理得到磁敏超材料的截面变形量a，再处理获得使磁敏超材料发生这样的截面变形量所需要的磁场力fi，进而控制磁发生装置施加均匀的磁场力fi，实时改变多孔翅片中的磁敏超材料的形变，进而改变不同层多孔翅片层中的圆孔和磁敏超材料之间形成的孔隙大小；

4)不同层多孔翅片层的多孔翅片的孔隙大小改变调节了相邻多孔翅片间的换热流动，进而改变了不同多孔翅片层的换热效率和工作，实现了多孔式翅片换热器的实时控制换热。

由每一层多孔翅片层的孔隙大小的均值ei决定每一层中的磁敏超材料的截面初始大小，孔隙大小的均值ei越大，则磁敏超材料的截面初始大小应当越小；由每一层的孔隙大小的方差si决定每一层中的磁敏超材料中的磁性材料与非磁性材料的材料配比，孔隙大小的方差si越大，则磁敏超材料的变形能力应当越大。

让每一层多孔翅片层的多孔翅片中的磁敏超材料有不同的磁性大小与变形能力，以此来使得在相同的磁场之下有不同的形变，在相同的磁场变化下有不同的变形大小，进而控制换热工作。

本发明的有益效果如下：

1)本发明特殊在翅片圆孔中布置了磁敏超材料，通过磁力作用，在不同的封头入口流速下，多孔翅片换热器能够得到不同的孔隙大小，使换热器在不同入口流速下都能够得到尽可能高的换热性能。

2)本发明采用的带有磁敏超材料的多孔式翅片换热器翅片，能够对流体的边界层进行破坏，促进了流体间的横向混合，并使这种横向混合更加均匀，提高了换热器的整体换热性能。

附图说明

图1为本发明的结构外形示意图；

图2为本发明单层翅片三维结构示意图；

图3为本发明单个翅片三维结构示意图；

图4为本发明控制孔隙大小的方法流程图。

图中：磁发生装置1、封头2、流速检测装置3、换热器主体4、磁敏超材料5。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，具体的换热器主体4设有八个封头2，封头2用于作为流体的出入口，换热器主体4的对称两侧外壁安装有磁发生装置1，每个封头2的端口处设有多个流速检测传感器，多个流速检测传感器构成了流速检测装置3，多个流速检测传感器各自检测流经封头2的流体流速后取平均作为最终的流体速度。

换热器主体4内部具有多层多孔翅片层，如图2所示，每层多孔翅片层均由多孔翅片间隔布置且连接构成，相邻多孔翅片之间形成流道，多孔翅片开设圆孔，圆孔中安装有磁敏超材料，磁敏超材料的一侧为固定的半圆，另一侧为可变形的半椭圆，如图3所示，磁敏超材料的半圆侧与多孔翅片圆孔的一侧通过焊接固定连接，半椭圆侧为自由侧能够在半圆和半椭圆之间变形，在半椭圆侧和多孔翅片圆孔的另一侧之间形成间隙作为孔隙。

具体实施的磁敏超材料，其基底材料为是cs25冷凝型硅橡胶和cs25冷凝型硅橡胶催化剂，夹杂项为red型铁粉。磁敏超材料能够在磁场的作用下，使其内部的单元晶格结构产生稳定的形变，进而改变整个磁敏超材料发生变形量，实现自由侧在半圆与半椭圆之间的变形。

具体实施中，磁敏超材料在自然状态下，厚度与多孔翅片的厚度一致。

换热器主体4对称两侧的磁发生装置1之间连线为磁场方向，多孔翅片间的流道方向与磁场方向平行，且磁敏超材料的半椭圆侧变形方向与磁场方向平行。

多个流速检测传感器在封头2端口的周围沿周向间隔均布。

同一层多孔翅片层中的各个多孔翅片的圆孔尺寸一致，不同层多孔翅片层的多孔翅片的圆孔尺寸可以相同或者不同。

如图4所示，本发明的实施工作过程包括：

1)运用cae进行大规模批量模拟分析，针对在换热器内部不同流体的n股流的状态下，对每一股流的i种不同的流体入口速度vi进行模拟，在设计入口流速分布情况下，得到在最佳换热效率时的每层多孔翅片层中的多孔翅片的孔隙大小，将每一层多孔翅片层的孔隙大小进行归类统计，获得每一层多孔翅片层的孔隙大小的均值ei与方差si；

2)根据不同层多孔翅片层的多孔翅片孔隙大小的均值ei与方差si制备不同层的磁敏超材料，并安装在多孔翅片的圆孔中；

3)在多孔翅片换热器工作时，均匀分布在封头2入口处的流速检测装置3对经过的流体流速进行检测，获得流体入口速度vi，并实时传输到控制装置中；

根据不同的流体入口速度vi由对应关系处理得到磁敏超材料的截面变形量a，再处理获得使磁敏超材料发生这样的截面变形量所需要的磁场力fi，进而控制磁发生装置1施加均匀的磁场力fi，实时改变多孔翅片中的磁敏超材料5的形变，进而改变不同层多孔翅片层中的圆孔和磁敏超材料5之间形成的孔隙大小；并将这组数据以流体入口速度vi作为标记，储存在存储器中。

4)不同层多孔翅片层的多孔翅片的孔隙大小改变调节了相邻多孔翅片间的换热流动，进而改变了不同多孔翅片层的换热效率和工作，实现了多孔式翅片换热器的实时控制换热。

本发明所述的内容仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，依据本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。