CN107255425B - 一种换热板、加工方法及换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换热板、加工方法及换热器,涉及换热设备领域。换热板的第一表面上设有两个集流槽和槽形流道,两个集流槽分别位于换热板两端,槽形流道包括:至少一个分级流道,分级流道由一个集流槽通至另一集流槽,分级流道包括两个分别与两个集流槽相连通的主流道,两个主流道之间通过至少两第一支流道相连通;网状流道,其设于相邻的第一支流道之间,并与第一支流道流体连通;同时,网状流道的横截面面积小于第一支流道的横截面面积,分级流道和网状流道形成叶脉状流体分配结构。本发明通过分级流道的主驱动力和网状流道的毛细力的共同作用,有效改善流体分布均匀性,增大有效传热面积,使得在相同流量下流体的流速减小,降低阻力。
Description
技术领域
本发明涉及换热设备领域,具体是涉及一种换热板、加工方法及换热器。
背景技术
随着***高温反应堆技术和清洁火电技术的快速发展,与之高度匹配的超临界流体布雷顿循环成为国内外研究的热点,大有取代现有蒸汽朗肯循环的趋势。由于布雷顿循环具有高度回热的特性,并且处于气-气换热的条件下,因此超临界流体换热器成为动力***中体积最大的设备,其体积占动力***总设备体积的90%以上,同时,超临界流体换热器的性能对动力***的集成度、稳定性、可控性和安全性具有重要意义。
传统的管翅式管壳换热器由换热管和翅片通过钎焊方式组合在一起,适用于常规的气体或液体工质的换热,并不满足高温高压的超临界流体介质的换热要求,容易因热膨胀应力以及翅片发生蠕变导致换热器内部变形失效,因钎焊材料腐蚀而导致换热器泄露。由于超临界流体的高温高压、高密度、低粘度的物理特性,微通道换热器利用超临界流体的体积流量和摩擦阻力相应较小的特点,能够实现换热效率更高,经济性和安全性更好。例如,Heatric公司提出的印刷电路板换热器的基本元件为微通道板片,板片上采用化学刻蚀形成多种构型的通道,例如直通道、人字形通道和S形通道,通过冷热板片逐层交替叠加而形成的换热器,具有承压能力好,换热效率高等优点,而且在同等热负荷条件下,体积比管壳式换热器减少85%。然而,印刷电路板微通道换热器的高度紧凑设置和微尺度通道在大幅减小换热器尺寸的同时也会造成换热器阻力剧增,流动分布不均匀,板片局部温度过高等现实问题,这些问题既导致压缩耗功增大,也影响整个***的效率和经济性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的主要目的在于提供一种换热板,本发明的另一目的在于提供一种加工方法和换热器,通过叶脉状流体分配结构中的分级流道的主驱动力和网状流道的毛细力的共同作用,可以有效改善流动分布的均匀性,防止局部通道阻塞,而且能够增大有效传热面积,使得在相同流量下的流体工质的流速减小,有助于降低阻力。
本发明提供一种换热板,所述换热板的第一表面上设有两个集流槽和槽形流道,两个所述集流槽分别位于所述换热板两端,所述槽形流道包括:
至少一个分级流道,所述分级流道由一个所述集流槽通至另一所述集流槽,所述分级流道包括两个分别与两个集流槽相连通的主流道,两个所述主流道之间通过至少两第一支流道相连通;
网状流道,其设于相邻的所述第一支流道之间,并与所述第一支流道流体连通;同时,
所述网状流道的横截面面积小于所述第一支流道的横截面面积,所述分级流道和网状流道形成叶脉状流体分配结构。
在上述技术方案的基础上,相邻的所述第一支流道之间还设有至少一个次级流道,所述次级流道与相邻的所述第一支流道之间的网状流道流体连通,所述次级流道的横截面面积小于所述第一支流道的横截面面积,且大于所述网状流道的横截面面积。
在上述技术方案的基础上,所述分级流道、网状流道和次级流道的横截面的形状均为半圆形。
在上述技术方案的基础上,至少两所述第一支流道直径立方之和等于所述主流道直径的立方。
在上述技术方案的基础上,所述网状流道的直径Dw为:Dw=aDz,其中,Dz为所述第一支流道的直径,a=1/3~1/10。
在上述技术方案的基础上,所述主流道远离所述集流槽的一端和至少两所述第一支流道形成分叉结构,所述第一支流道与所述主流道之间的夹角范围为0≤α<90。
在上述技术方案的基础上,所述第一支流道的中部还设有至少两第二支流道,所述第一支流道和至少两第二支流道形成分叉结构,第二支流道与所述第一支流道之间的夹角范围为0≤α<90。
在上述技术方案的基础上,所述换热板的第二表面上设有两个集流槽和槽形流道,第一表面上的所述集流槽具有第一出口,第二表面上的所述集流槽具有第二出口,所述第一出口和所述第二出口的位置不同。
本发明还提供一种换热板的加工方法,包括:
S1.在换热板上进行机加工的抛光处理,以提升换热板的光洁度;
S2.通过化学蚀刻的方法在换热板上加工出分级流道;
S3.采用激光刻蚀的方法加工网状流道。
本发明还提供一种换热器,所述换热器包括多个上述的换热板,且多个所述换热板层叠设置,所述换热板中一侧设有另一换热板的面上设有所述集流槽和槽形流道,且相邻的所述换热板的集流槽和槽形流道拼接形成流体通道。
与现有技术相比,集流槽经由主流道与若干第一支流道流体连通,而且第一支流道之间通过网状流道连通,形成叶脉状流体分配结构,因此,本发明的优点如下:
(1)提高流动均匀性:通过叶脉状流体分配结构中的分级流道的主驱动力和网状流道的毛细力的共同作用,可以有效改善流体分布的均匀性,防止局部通道阻塞。
(2)增大有效传热面积,降低流道阻力:通过分级流道、网状流道大幅增大流通的横截面总面积,不但能够增大有效传热面积,而且使得在相同流量下的流体工质的流速减小,有助于降低阻力,节省功耗,提高流动换热效率。
(3)减小热应力:采用网状流道使流体工质在换热板中分布范围更大,从而使换热板面的温度分布更加均匀,可以有效地减小局部高温度梯度导致的热应力。
附图说明
图1是本发明实施例换热板正面的微通道结构示意图;
图2是图1中分级流道的局部放大图;
图3是本发明网状流道的二个实施例;
图4是本发明实施例换热板反面的微通道结构示意图;
图5是本发明实施例微通道换热器的结构示意图;
图6是图5中A向侧视图;
图7是图5中B向侧视图。
附图标记:
1-集流槽,101-第一出口,102-第二出口,2-分级流道,21-主流道,22-第一支流道,221-侧向伸展段,222-水平延伸段,3-网状流道,4-次级流道,5-微型次级流道。
具体实施方式
本发明实施例在同一换热板正面和背面均通过机加工、化学和激光蚀刻形成包含分级流道2、次级流道4以及位于分级流道2与次级流道4之间的网状流道3的叶脉状流体分配结构作为流体传热微通道,用于流体(例如超临界流体)的换热,并且同一换热板正面和背面的叶脉状传热微通道位置相对应,因此,具有叶脉状分形特征的传热微通道产生越来越多的分支,不仅使得对流换热面积大幅度增加,增强对流换热效果,而且利用叶脉仿生结构减小工质的流动阻力,在最小能量消耗的前提下,将工质输送到换热板片的各个部分,增强换热装置的传热性能。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示,本发明实施例提供一种换热板,换热板的形状没有限定,例如可以为矩形或圆形的板,换热板的第一表面上设有两个集流槽1和槽形流道,第一表面可以是正面或背面,换热板也可以是用于换热的任意形状的三维实体,该实体的至少一个表面上(例如外表面上)设有两个集流槽1和槽形流道。换热板正面和/或背面上的流道结构主要包括进口部分、换热区域和出口部分三部分组成,分别位于换热板的两端的两个集流槽1形成进口部分和出口部分,槽形流道形成换热区域。流入进口部分的流体先被分流至槽形流道中,汇合后流入出口部分,之后离开换热板,流体在进入换热板后未经转折便可以进入换热区域。
槽形流道包括至少一个分级流道2、网状流道3和至少一个次级流道4。分级流道2由一个集流槽1通至另一集流槽1,分级流道2的数量根据换热板换热区域的大小确定,例如图1中示出3个分级流道2。参见图2所示,每一个分级流道2包括两个分别与两个集流槽1相连通的主流道21,两个主流道21之间通过至少两第一支流道22相连通。网状流道3和次级流道4均设于相邻的第一支流道22之间,网状流道3、次级流道4和相邻的第一支流道22互相流体连通。
通过分级流道2、网状流道3和次级流道4可以大幅增大流通的横截面总面积,不但能够增大有效传热面积,而且使得在相同流量下的流体工质的流速减小,有助于降低流道阻力,节省功耗,提高流动换热效率。
网状流道3的横截面面积小于第一支流道22的横截面面积,次级流道4的横截面面积小于第一支流道22的横截面面积,且大于网状流道3的横截面面积,分级流道2、次级流道4和网状流道3形成叶脉状流体分配结构。作为进口部分的集流槽1中的流体流入主流道21中,首先被分流到至少两第一支流道22中,然后流入作为出口部分的集流槽1中,同时,靠近进口部分的第一支流道22中的流体进入次级流道4和网状流道3,汇合流入靠近出口部分的第一支流道22中,经过主流道21流入作为出口部分的集流槽1中,最后离开换热板。
通过主流道21和第一支流道22流体的主驱动力和网状流道3的毛细力的共同作用,可以有效改善流动分布的均匀性,防止局部通道阻塞,提高流动均匀性。
分级流道2、网状流道3和次级流道4的横截面的形状均为半圆形,所有主流道21的半圆形圆心连成的中心线均位于同一平面上,同理对于第一支流道22、网状流道3或者次级流道4,半圆形圆心连成的中心线均位于同一平面上,可以进一步改善流体分布的均匀性,防止局部通道阻塞,提高流动均匀性。
主流道21的长度为L1,主流道21的一端与集流槽1连通,主流道21远离集流槽1的一端和至少两第一支流道22形成分叉结构。第一支流道22的数量为s,s为正整数,s=2,3,4……,第一支流道22与主流道21之间的夹角范围为0≤α<90,第一支流道22的直径范围为:500微米-1500微米,s段第一支流道22直径立方之和等于主流道21直径的立方,既有利于流体工质流量均匀分配,避免个别流道出现流速过高的现象,又可以保证流体流经主流道21和第一支流道22时流速不会出现显著突变,从而尽量减小局部阻力的产生。
分叉结构的举例说明如下:图2中,主流道21远离集流槽1的一端分叉为3段第一支流道22,其中中间的1段第一支流道22与主流道21平行,另外2段第一支流道22以适当角度α(0≤α<90)向两侧扩展,第一支流道22包括侧向伸展段221和水平延伸段222,侧向伸展段221的两端分别与主流道21和水平延伸段222相连通,且侧向伸展段221与主流道21之间的夹角范围为0≤α<90。s段第一支流道22的直径可以相同,也可以存在细微差异,s段第一支流道22直径立方之和等于主流道21直径的立方。这种分叉结构可以减少流体从进口部分向出口部分流动过程中的转折及由此产生的阻力,有利于防止局部通道阻塞,节省功耗,提高流动换热效率。
次级流道4连通相邻的第一支流道22中的水平延伸段222,并且垂直于第一支流道22中的水平延伸段222,可以进一步改善流体分布的均匀性,防止局部通道阻塞,提高流动均匀性。
参见图1所示,分级流道2、网状流道3和次级流道4至少有3级,以平面方式铺展开来,主流道21、第一支流道22和第二支流道23形成主叶脉通道,相邻的第一支流道22之间通过垂直的次级流道4形成次级叶脉通道,主叶脉通道在远离集流槽1一侧呈放射式分布,主叶脉通道和次级叶脉通道之间形成多个多边形区域,多边形区域内设置网状流道3,共同构成叶脉状传热通道,既可以提高主叶脉通道和次级叶脉通道与整个换热板面积的比值,又可以避免局部通道堵塞而导致受热过度、局部温度过高的问题。
参见图3所示,网状流道3可以采用三角形网结构、四边形网结构、五边形网结构、六边形网结构,甚至不规则的多边形网结构,多边形结构的边长不大于所在多边形区域尺寸的1/5,确保网状流道3在整个换热区域具有一定的分布密度。采用网状流道3使流体工质在换热板中分布范围更大,从而使换热板面的温度分布更加均匀,可以有效地减小局部高温度梯度导致的热应力。网状流道3的直径Dw为:Dw=aDz,其中,Dz为第一支流道22的直径,a=1/3~1/10。
第一支流道22的中部还设有至少两第二支流道23,第一支流道22和至少两第二支流道23形成分叉结构,流体工质从第一支流道22的一端分散流入第二支流道23后从第一支流道22的另一端汇合流出。
参见图2所示,流体流入第一支流道22经过长度L2后可以继续形成分叉结构,即第二支流道23。第二支流道23的数量也为s,s为正整数,s=2,3,4……,例如在图2中第二支流道23为2段,具体的,每一个水平延伸段222中部还设有至少两第二支流道23,流体工质从水平延伸段222的一端分散流入第二支流道23后从水平延伸段222的另一端汇合流出。s段第二支流道23的直径可以相同,也可以存在细微差异,至少两第二支流道23直径立方之和等于分叉前第一支流道22直径的立方。相邻的第二支流道23之间也可以通过微型次级流道5连通,微型次级流道5与第二支流道23垂直,网状流道3、微型次级流道5和相邻的第二支流道23互相流体连通,进一步改善流动分布的均匀性,防止局部通道阻塞,提高流动均匀性。第二支流道23可以继续形成类似的新分叉结构。
参见图1所示,换热板的第一表面上的集流槽1具有第一出口101,参见图4所示,换热板的第二表面上设有两个集流槽1和槽形流道,第二表面上的集流槽1具有第二出口102,第一出口101和第二出口102的位置不同。第一表面和第二表面分别为换热板正面和背面,第一表面和第二表面上的集流槽1和槽形流道的位置相同,即换热板正面和背面换热区域的各级叶脉和网状叶脉通道的位置完全重合。
上述的叶脉状通道结构分别存在于单片换热板的正面和反面,可以充分利用空间,以实现换热器结构紧凑和高效换热的目的。但是正面和反面存在以下差异:(1)为了保持热流体与冷流体呈逆流换热,换热板背面的入口部分及出口部分与换热板正面的入口部分及出口部分位置相反;换热板正面上的两个集流槽1通过第一出口101与流体工质的入口和出口分别连接,反面上的两个集流槽1通过第二出口102与换热工质的入口和出口分别连接,第一出口101和第二出口102的位置不同。(2)由于进出口位置的限制,换热板正面的入口部分及出口部分位置处于板片的左右两侧,换热板背面的入口部分及出口部分的位置处于板片的上下两侧。
本发明实施例还提供一种换热板的加工方法:
S1.在换热板上进行机加工的抛光处理,以提升板片的光洁度;
S2.通过化学蚀刻的方法在换热板上加工出分级流道2;
S3.采用激光刻蚀的方法加工网状流道3。
上述加工方法还包括:
S4.将两换热板对齐后通过扩散焊接,使得分级流道2和网状流道3组合成为圆形通道。
具体的,首先,在单层换热板上进行机加工的抛光处理,提升板片的光洁度,以便于后期焊接时获得良好的效果;其次,通过化学蚀刻的方法在换热板上加工出主叶脉通道和次级叶脉通道,例如,主流道21、第一支流道22和第二支流道23形成主叶脉通道,相邻的第一支流道22之间的次级流道4以及相邻的第二支流道23之间的微型次级流道5形成次级叶脉通道,并且在换热板的两面均采用化学蚀刻加工半圆形截面的主叶脉通道和次级叶脉通道;第三,主叶脉通道和次级叶脉通道加工完成后,采用激光刻蚀的方法对板片上主叶脉通道和次级叶脉通道之间存在的网状流道3进行加工;最后,完成流体通道的加工后,上下相接触的两层换热板的通道将完全吻合,通过将两层板片对齐和扩散焊接,其最终流体通道将组合成为流动阻力最小的圆形通道,并且冷侧通道与热侧通道交替布置,换热器整体呈逆流换热。
换热板除了顶层和底层外均采用双侧蚀刻通道,并且顶层和底层之间的换热板的通道加工方式和结构完全相同,可以采用批量模式化加工,可以有效地降低加工难度和成本。
参见图5所示,本发明实施例还提供一种换热器,换热器包括多个上述的换热板,且多个换热板层叠设置,换热板中一侧设有另一换热板的面上设有集流槽1和槽形流道,且相邻的换热板的集流槽1和槽形流道拼接形成流体通道。
多个换热板片组合后通过加压扩散焊接技术进行组合,形成换热器的主体结构,其中第一换热板的背面流体通道与第二换热板的背面流体通道相拼接可以形成截面为圆形的流体通道,假定为低温侧流体通道,而第二换热板的正面流道与第三换热板的正面通道拼接,形成了与另一侧通道相对应的换热通道,即高温侧流体通道。参见图6和图7所示,换热器主体中前后两侧分别为高温侧入口截面和高温侧出口截面,两个截面完全相同,高温流体通过入口分流连箱进入圆形入口通道,而换热器主体左右两侧存在低温流体出口和出口,可以看出高温侧入口与低温侧出口相邻,而高温侧出口与低温侧入口相邻。换热器工作的过程为:超临界流体由入口部分连箱进入换热器各层换热板,流入各级叶脉通道内与换热板相间隔的另一侧流体进行换热,最后经出口连箱后流出换热器。
本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种换热板,其特征在于:所述换热板用于超临界流体的换热,所述换热板的第一表面上设有两个集流槽(1)和槽形流道,两个所述集流槽(1)分别位于所述换热板两端,所述槽形流道包括:
至少一个分级流道(2),所述分级流道(2)由一个所述集流槽(1)通至另一所述集流槽(1),所述分级流道(2)包括两个分别与两个集流槽(1)相连通的主流道(21),两个所述主流道(21)之间通过至少两第一支流道(22)相连通;
网状流道(3),其设于相邻的所述第一支流道(22)之间,并与所述第一支流道(22)流体连通;同时,
所述网状流道(3)的横截面面积小于所述第一支流道(22)的横截面面积,所述分级流道(2)和网状流道(3)形成叶脉状流体分配结构;
所述分级流道(2)和网状流道(3)的横截面的形状均为半圆形,所述主流道(21)、所述第一支流道(22)和所述网状流道(3)的半圆形圆心连成的中心线均位于同一平面上;
至少两所述第一支流道(22)直径立方之和等于所述主流道(21)直径的立方;
所述网状流道(3)的直径Dw为:Dw=aDz,其中,Dz为所述第一支流道(22)的直径,a=1/3~1/10。
2.如权利要求1所述的换热板,其特征在于:相邻的所述第一支流道(22)之间还设有至少一个次级流道(4),所述次级流道(4)与相邻的所述第一支流道(22)之间的网状流道(3)流体连通,所述次级流道(4)的横截面面积小于所述第一支流道(22)的横截面面积,且大于所述网状流道(3)的横截面面积。
3.如权利要求2所述的换热板,其特征在于:所述分级流道(2)、网状流道(3)和次级流道(4)的横截面的形状均为半圆形。
4.如权利要求1所述的换热板,其特征在于:所述主流道(21)远离所述集流槽(1)的一端和至少两所述第一支流道(22)形成分叉结构,所述第一支流道(22)与所述主流道(21)之间的夹角范围为0≤α<90。
5.如权利要求1所述的换热板,其特征在于:所述第一支流道(22)的中部还设有至少两第二支流道(23),所述第一支流道(22)和至少两第二支流道(23)形成分叉结构,第二支流道(23)与所述第一支流道(22)之间的夹角范围为0≤α<90。
6.如权利要求1至5任一项所述的换热板,其特征在于:所述换热板(10)的第二表面上设有两个集流槽(1)和槽形流道,第一表面上的所述集流槽(1)具有第一出口(101),第二表面上的所述集流槽(1)具有第二出口(102),所述第一出口(101)和所述第二出口(102)的位置不同。
7.如权利要求1-6任意一项所述的换热板的加工方法,其特征在于,所述加工方法包括:
S1.在换热板上进行机加工的抛光处理,以提升换热板的光洁度;
S2.通过化学蚀刻的方法在换热板上加工出分级流道(2);
S3.采用激光刻蚀的方法加工网状流道(3)。
8.一种换热器,其特征在于:所述换热器包括多个如权利要求1-6任意一项所述的换热板,且多个所述换热板层叠设置,所述换热板中一侧设有另一换热板的面上设有所述集流槽(1)和槽形流道,且相邻的所述换热板的集流槽(1)和槽形流道拼接形成流体通道。
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