CN109163586B - 一种螺旋流道印刷电路板换热器 - Google Patents

一种螺旋流道印刷电路板换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋流道印刷电路板换热器，包括上壳体、侧方壳体、下壳体，在上下壳体及侧方壳体形成的空腔内设有换热器芯体，所述换热器芯体由多层换热板经扩散焊接而成，在每个换热板上设有螺旋流道供工作介质作用，在侧方壳体上设有热介质入口和冷介质入口分别与换热板上的热介质流入口和冷介质流入口相连通，在每个换热板上设有热介质流出口和冷介质流出口，热介质和冷介质分别通过对应的螺旋流道进行热交换后，分别通过热介质流出口和冷介质流出口输出上、下壳体外。本发明结构紧凑、占用体积小，在增强换热效果的同时使压力变化呈现平稳过渡，避免出现逆流区而导致的空化效应，延长换热器的使用寿命。

Description

一种螺旋流道印刷电路板换热器
技术领域
本发明涉及一种换热器，尤其涉及一种螺旋流道印刷电路板换热器。
背景技术
20世纪80年代，澳大利亚悉尼大学发明了印刷电路板换热器(Printed CircuitHeat Exchanger，PCHE)，而后英国Heatric公司生产出应用于制冷和石油化工产业的产品。PCHE的换热芯体是由许多换热板层叠而成，每块换热板表面用化学刻蚀或激光腐蚀工艺加工出微流道，换热板之间通过扩散焊接技术紧密连接，经扩散焊接后的焊缝性能可达到与母材性能一致的标准。PCHE的流道尺寸为毫米级，相比传统换热器有着较大的换热面积与体积比，Natesan等人对分别作为中间换热器的PCHE和管壳式换热器作了比较，相同传热率下的PCHE的体积仅为管壳式换热器的1/30，其紧凑程度可见一斑。其次，印刷电路板换热器具有耐高温、高压的优势，可用作加热器、预热器、过热器和蒸发器等，因此，印刷电路板换热器的应用非常广泛，如今在太阳能发电、核能利用、工业废热发电等方面均有所开拓或应用，地热发电、燃料电池、燃气加热、燃气轮机、船舶余热发电、航空航天等领域均有着潜在应用可能性。
传统的印刷电路板换热器芯体的换热板均为直流道形式，尽管后期也出现了Z字型、波浪型、机翼型等复杂流道换热器，但其紧凑程度和换热能力依然可以提升，且为复杂流道的拐角处容易出现回流区，影响换热器综合性能。尤其是当PCHE在高温高压状态工作时，产生逆流的同时易发生空化现象，久而久之就会产生空化腐蚀，损害换热板表面，不仅影响其换热效果，还降低了换热器的服役寿命。而经扩散焊接连接在一起的换热板，不能修理更不能更换，代价太大。因此，要避免以上问题并达到增强其换热性能的目的，就需要对流道结构进一步改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种提高换热性能的螺旋流道印刷电路板换热器。
本发明所采用的技术方案为：一种螺旋流道印刷电路板换热器，包括上壳体、侧方壳体、下壳体，在上下壳体及侧方壳体形成的空腔内设有换热器芯体，其特征在于：所述换热器芯体由多层换热板经扩散焊接而成，在每个换热板上设有螺旋流道供工作介质作用，在侧方壳体上设有热介质入口和冷介质入口分别与换热板上的热介质流入口和冷介质流入口相连通，在每个换热板上设有热介质流出口和冷介质流出口，并分别与上壳体和下壳体上设置的流道相连通，热介质和冷介质分别通过对应的螺旋流道进行热交换后，分别通过热介质流出口和冷介质流出口输出上、下壳体外。
按上述技术方案，所述换热板均为圆形结构，换热板表面借助化学刻蚀技术或激光腐蚀技术加工出螺旋流道供工作介质流通。
按上述技术方案，在换热板的表面设有一个螺旋方向的螺旋流道，相邻换热板的螺旋流道的介质流入口错开一定的角度，使冷介质入口和热介质入口错开一定的角度。
按上述技术方案，相邻换热板的螺旋流道的介质流入口错开180°，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度，因此相邻换热板的介质流出口也错开180°，使不同工质分开流出。
按上述技术方案，在换热板的表面设有两个螺旋方向的螺旋流道，分别为热介质螺旋流道和冷介质螺旋流道，两介质螺旋流道的流入口错开一定的角度布设，使安设在侧方壳体上的热介质入口和冷介质入口错开一定的角度布设。
按上述技术方案，两介质螺旋流道的流入口错开180°的角度布设，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度。
按上述技术方案，热介质流出口和冷介质流出口分别为半圆状，两者相对换热板的中心呈对称布置。
按上述技术方案，所述冷介质流入口为与对应的螺旋流道相连通的凹坑，所述热介质流入口为与对应的螺旋流道相连通的凹坑。
按上述技术方案，在换热器芯体的上下端分别设有顶层盖板和底层盖板，在顶层盖板和底层盖板上分别设有用于流出通道，供冷介质或热介质流出，在上下壳体的中心分别设有输出通道，供冷介质或热介质流出。
按上述技术方案，所述流道截面形状为半圆形、长方形、三角形、椭圆形或梯形，也不限于以上几种。
一般地，用单位体积内的换热面积来评价换热器的紧凑性，用j表示，单位为mm2/mm3。分别取直线型流道和螺旋流道的换热单元，如图8(a)所示，r为流道半径，l为相邻流道间的间距，h为热板厚度，L为直流道的长度；图8(b)中l为相邻流道间距，l0为该段螺旋流道所在区域的内径(半径)，α为螺旋流道对应的圆心角。
Figure BDA0001758626000000031
Figure BDA0001758626000000032
计算可知，二者换热单元的换热面积与体积比是一致的，但一般认为，相同面积的长方形和圆形，拉伸相同厚度，立方体的体积总是大于圆柱形，因此，螺旋流道的圆形换热板构成的换热器芯体比直线型流道的长方形换热板构成的芯体更具紧凑性。
一般地用努谢尔数Nu表征换热器的换热性能，范宁摩擦系数f表征换热器的压降性能，分别通过以下公式记性计算：
Figure BDA0001758626000000033
式中，k为工质导热系数，Dh为流道水力直径，q为换热系数；
Figure BDA0001758626000000034
式中，ΔP为进出口压降，L为流道长度，ρ为工质密度，V为工质流速；
计算结果如图9和图10所示，工质为超临界二氧化碳，在规定的工况下，直线型流道和螺旋线流道的实际长度相同，即换热面积保持相同时，随着雷诺数的增大，螺旋型流道的换热器换热性能增大了67％～155％不等，效果非常显著。
本发明所取得的有益效果为：
(1)与用相同面积的直线型流道换热板构成的立方体换热芯体相比，螺旋线型流道换热板构成的换热芯体体积更小；
(2)螺旋流道换热器可节省直线型流道的集管(位于换热板的入口和出口分别用来分配工质和汇集工质)空间，更进一步提升了设备紧凑性；
(3)使用相同材料时，螺旋线型流道的换热芯体质量更轻；
(4)增强换热效率：螺旋流道的曲率在不断变化，与相同长度的直线型流道印刷电路板换热器相比，螺旋流道的局部水头损失更大，导致介质在流道内的作用时间更长，换热效果更佳；
(5)提升使用寿命：相比含角度变化的Z字型、、梯形等折线型流道形式，螺旋线使介质在流动过程中的压力和速度实现平稳过渡，不会出现逆流区，抑制了空化效应产生，对换热板起到了保护作用，延长了换热器的服役寿命。
附图说明
图1是本发明的总装图。
图2是本发明的***视图。
图3是本发明的换热板实施例一。
图4为图3的侧视图。
图5为图4中II处的局部放大示意图。
图6是本发明的换热板实施例二。
图7是本发明的换热板流道截面形状实施例，其中7(a)为半圆形；7(b)矩形；7(c)三角形；7(d)椭圆形；7(e)梯形。
图8是不同流道的换热单元尺寸对比，其中8(a)为直线型流道；8(b)为螺旋线型流道。
图9是直线型和螺旋型流道受热性能对比。
图10是直线型和螺旋型流道冷却性能对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，本实施例提供了一种螺旋流道印刷电路板换热器，包括上壳体1、侧方壳体2、下壳体，上下壳体1中心有流道1-1供介质通过。在上下壳体及侧方壳体形成的空腔内设有换热器芯体4，所述换热器芯体1由多层换热板4-2经扩散焊接而成，在每个换热板上设有螺旋流道供工作介质作用，所述换热板4-2均为圆形结构，换热板表面借助化学刻蚀技术或激光腐蚀技术加工出螺旋流道供工作介质流通。在侧方壳体2上设有热介质入口3-1和冷介质入口3-2分别与换热板上的热介质流入口和冷介质流入口相连通，在每个换热板4-2上设有热介质流出口和冷介质流出口，并分别与上壳体1和下壳体上设置的流道相连通，热介质和冷介质分别通过对应的螺旋流道进行热交换后，分别通过热介质流出口和冷介质流出口输出上、下壳体外。
本发明提供的一种螺旋流道印刷电路板换热器，其换热板的流道形式可以有多种：
实施例一、在换热板的表面设有一个螺旋方向的螺旋流道4-5，箭头方向表示介质的流动方向；相邻换热板的螺旋流道的介质流入口错开180°，使侧方壳体2的冷介质入口和热介质入口错开180°的角度。在靠近换热板边缘处加工凹坑与螺旋流道连接作为介质流入口4-4。相邻换热板的螺旋流道的介质流入口错开180°，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度。介质流出通道4-6和介质流出口4-7分别为半圆状，两者相对换热板的中心呈对称布置，其中介质流出口4-7与螺旋流道相连通，供该换热板上的介质输出。而介质流出通道4-6与螺旋流道不相通，以供作为另一种介质的输出通道。4-6和4-7的设置可以将间隔布置的换热板上的冷、热工质互不干扰的自由流动。选用此换热板时，相邻换热板的介质流入口4-4相隔180°，低温介质和高温介质相隔180°进入螺旋流道，在出口处分别自然进入对应的半圆形通道，互不干扰，而在换热器芯体的顶部和底部分别设置仅加工了一个半圆形通孔的顶层盖板4-1和底部盖板4-3，既可以作为一个通道的闭口，又可以充当另一个通道的开口，最终两个半圆形通道分别于上下壳体的通道连接供两个通道中的介质分别输出。
实施例二，此换热板表面有两个螺旋方向的螺旋流道，分别为热介质螺旋流道和冷介质螺旋流道，热介质和冷介质在同一换热板表面流动，实线箭头和虚线箭头分别代表热介质和冷介质的流动方向；在换热板4-2的边缘设置两个凹槽分别于两个螺旋形流道连接作为介质流入口，其相对位置视加工或安装方便或而定(不限于180°)，本实施例以两介质螺旋流道的流入口错开180°的角度布设为例进行说明，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度。热介质流出口和冷介质流出口分别为半圆状，两者相对换热板的中心呈对称布置。分别与两个螺旋流道相通作为介质出口。选用此换热板时，只要保证高温介质或低温介质的入口分别对齐即可。同样地，换热器芯体部分的顶部和底部设置仅加工了一个半圆形通孔的盖板，顶部和底部的半圆形通孔分别与高温介质和低温介质的半圆形出口相连接，同时对另一种工质起“堵塞”作用，以供高温介质和低温介质分别输出。
本发明提供的一种螺旋流道印刷电路板换热器，其流道截面形式可以有多种，如图6所示：作为实施例，其流道截面形式可以为半圆形、矩形、三角形、椭圆形和梯形，但不限于以上所提及的几种形式。

Claims (8)

1.一种螺旋流道印刷电路板换热器，包括上壳体、侧方壳体、下壳体，在上下壳体及侧方壳体形成的空腔内设有换热器芯体，其特征在于：所述换热器芯体由多层换热板经扩散焊接而成，在每个换热板上设有螺旋流道供工作介质作用，在侧方壳体上设有热介质入口和冷介质入口分别与换热板上的热介质流入口和冷介质流入口相连通，在每个换热板上设有热介质流出口和冷介质流出口，并分别与上壳体和下壳体上设置的流道相连通，热介质和冷介质分别通过对应的螺旋流道进行热交换后，分别通过热介质流出口和冷介质流出口输出上、下壳体外，在换热板的表面设有两个螺旋方向的螺旋流道，分别为热介质螺旋流道和冷介质螺旋流道，两介质螺旋流道的流入口错开一定的角度布设，使安设在侧方壳体上的热介质入口和冷介质入口错开一定的角度布设。
2.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：所述换热板均为圆形结构，换热板表面借助化学刻蚀技术或激光腐蚀技术加工出螺旋流道供工作介质流通。
3.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：相邻换热板的螺旋流道的介质流入口错开180°，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度。
4.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：两介质螺旋流道的流入口错开180°的角度布设，使冷介质入口和热介质入口错开180°角度。
5.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：热介质流出口和冷介质流出口分别为半圆状，两者相对换热板的中心呈对称布置。
6.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：所述冷介质流入口为与对应的螺旋流道相连通且深度相同的凹坑，所述热介质流入口为与对应的螺旋流道相连通的凹坑。
7.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：在换热器芯体的上下端分别设有顶层盖板和底层盖板，在顶层盖板和底层盖板上分别设有用于流出通道，供冷介质或热介质流出，在上下壳体的中心分别设有输出通道，供冷介质或热介质流出。
8.根据权利要求1所述的螺旋流道印刷电路板换热器，其特征在于：所述流道截面形状为半圆形、长方形、三角形、椭圆形或梯形。
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