CN109269334A - 一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法，其结构紧凑可靠、耐高温高压且能够有效改善现有换热器热应力集中问题。该换热器包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；导热芯体填充至换热器壳体内，支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙，N根第一衬管和N根第二衬管在换热器壳体内沿S字形排列或U字形排列，从而形成冷、热过流通道，实现换热目的。

Description

一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法

技术领域

本发明属于热交换领域，具体涉及一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型、高效、安全的能量循环***，适用于高温气冷堆核电站、太阳能光热电站等领域。换热器是超临界二氧化碳布雷顿循环中最为重要的部件之一，整个循环50％以上的热量需要通过换热器加以利用，其热工水力性能对整个循环的效率和***尺寸有着重要的影响。

目前核电站***中用于高温高压工况的换热器主要为管壳式换热器，现有的各类管壳式换热器普遍存在换热面积密度低、体积重量大、换热效率低等缺点。而且在超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆中，换热时最大工况通常在20MPa、500℃以上，制造能承受如此高温高压的管壳式换热器的难度是非常高的。

目前，印刷电路板式换热器(PCHE)作为一种高效、紧凑、新型的耐高温高压换热设备，被普遍认为是超临界二氧化碳布雷顿循环中最为适用的换热器。PCHE的流体通道是在金属板上采用化学刻蚀工艺形成的，传统的通道截面形状为直径1～2mm的半圆，不同的板块之间通过扩散焊层叠连接在一起组装成换热器芯体。在相同换热量的条件下，PCHE的尺寸只有传统管壳式换热器尺寸的1/5～1/10。但PCHE固有的化学蚀刻、扩散焊接等加工方法存在着加工难度大、成本高的缺点。此外，传统的半圆通道在高温下运行时，半圆尖角处会产生很大的热应力集中，使材料产生热疲劳，造成材料蠕变，影响换热效率与运行安全性。

综上所述，超临界二氧化碳布雷顿循环中需要一种紧凑高效、安全可靠、易于加工、耐高温高压的换热设备。

目前，在热交换领域还提出了管道式微细管换热器：

中国专利，专利公开号CN101033922提出了一种管道式微细管换热器。冷热流体微细管束穿过两侧内管板分别延伸固定于外管板。在换热器壳侧内与冷、热流体管束外侧及两侧内管板组成的空间内填充导热液。冷热流体经外管板及微细管束进入换热器，分别从换热器两侧的集结箱排出，而且冷、热流体进入换热器的路径可以相互置换。

但是该专利公开的换热器存在以下不足：换热器导热介质为导热油，存在高温下结焦的缺点，不耐高温高压；微细管束的管外径为0.1～1.0mm，管板与毛细管的连接存在很大难度。

中国专利，专利公开号CN102200399A提出了一种非金属微细管束换热器。其中，冷流体管束与热流体管束穿过总管板并通过总管板与换热器壳体固定。冷、热流体管束的两端与分管板连接固定，分管板与管板接头固定，换热器壳体装有导热液补充接口。冷、热流体管束为非金属材料制成的软管，在换热器壳体总管板外呈现软连接，管束汇聚到分管板连接头后在与***连接。具有很高的换热面积与体积比，具有超强的抗腐蚀性，可用于各种严重腐蚀条件下的换热需要。微细管束接头灵活，不受空间的限制，柔韧性好。

但是该专利公开的换热器存在以下不足：非换热区域管束直接裸露，微细管束易被损伤，造成泄漏；非金属材质不耐高温高压，无法满足超临界二氧化碳布雷顿循环的换热需求。

发明内容

为了克服背景技术中的问题，满足超临界二氧化碳布雷顿循环中换热需求，本发明提供了一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法。该换热器的结构紧凑可靠、耐高温高压且能够有效改善现有换热器热应力集中问题。

另外该换热器的制造方法，通过铸造工艺填充金属作为导热介质，能够在有效地降低加工难度与成本的同时增强换热器换热效果。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种铸造式微通道紧凑式换热器，包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；

换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；其中直管或第一Y字形管或第二Y字形管的管壁上设置有铸造通道；

第一Y字形管的一个管口与直管的一个管口连通，第一Y字形管的另外两个管口安装分别第一管板和第二管板；第二Y字形管的一个管口与直管的另一个管口连通，第二Y字形管的另外两个管口安装第三管板和第四管板；

支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管、第二衬管的外径相适配；

N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个S字形过流通道；

N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个S字形过流通道；

导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；所述导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；所述换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。

进一步地，导热芯体材质优选黄铜合金或银铜合金。

进一步地，为了增大换热面积提高换热效率，除直管外，所述N根第一衬管、N根第二衬管位于两块支撑管板中间部分弯折形式还可以是Z字形、梯形、正弦形或螺旋缠绕式，其中Z字形管、梯形管、正弦形管可在水平与垂直之间旋转任意角度。

进一步地，上述第一衬管、第二衬管均为不锈钢毛细圆管，外径为1～5mm，壁厚为0.1～1mm。

进一步地，上述支撑管板上的小孔阵列有2N/4个小孔组构成，每个小孔组包括四个小孔，四个小孔的中心连线为矩形或平行四边形。

进一步地，上述支撑管板材质为不锈钢，厚度为1～3mm。

进一步地，上述换热器壳体材质为不锈钢，壳体厚度为1～3mm，直管、第一Y字形管以及第二Y字形管垂直于换热介质流动方向的截面为矩形或正多边形或圆形。

进一步地，上述第一管板、第二管板、第三管板、第四管板材质均为不锈钢。

基于上述对换热器结构的描述，现对该换热器的制作方法进行说明，该方法包括以下步骤：

【1】装配

【1.1】分别将N根第一衬管和N根第二衬管插装过两个支撑管板；将两个支撑管板连同衬管平行安装于换热器壳体直管内部；

【1.2】将第一管板和第二管板安装在第一Y字形管的两个管口上，将第三管板和第四管板安装在第二Y字形管的两个管口上；

【1.3】将N根第一衬管的一端均与第一管板固定，N根第一衬管的另一端均与第三管板或第四管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；再将N根第二衬管的一端均与第一管板固定，N根第二衬管的另一端均与第四管板或第三管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；

【1.4】将第一Y字形管和第二Y字形管固定连接在直管两端；

【2】导热芯体的填充；

【2.1】将导热合金粉末通过所述铸造通道充满第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板与换热器壳体形成的空隙内；

【2.2】填充完导热合金粉末后将整体放置到真空加热炉中，加热至导热合金粉末熔点后保持直至导热合金粉末完全融化成为液体状态，并且使其充满所述空隙；

【3】降温至液体导热金属完全凝固后与换热器壳体、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板融为一体后，完成换热器的制作。

该导热芯体还可以采用另外一种真空吸铸法进行填充，具体步骤是：

【2】导热芯体的填充；

【2.1】将完成装配后的第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、两个支撑管板以及换热器壳体形成的空隙通过铸造通道抽至真空后，整体加热至导热芯体金属的熔点温度；

【2.2】将导热合金溶液通过铸造通道浇筑满整个空隙。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明换热器为微通道换热器，结构紧凑，换热效率高，并且非换热区域的管束均设置在换热器壳体内部，可靠性高，换热器整体采用导热合金粉末和导热合金溶液通过铸造法填充，不仅降低了加工难度与成本较低，同时提升了整个设备的耐高温高压能力。

(2)本发明换热器的过流通道整体形式为U形或是S形，因此冷热流体进出口可位于一侧或是两侧，可根据实际工况要求进行选择，使用灵活性更高。

(3)本发明中换热器的换热区域部分的第一衬管、第二衬管的形状可为直管，或是做成弯折管如Z字形管、梯形管、正弦形管，或螺旋缠绕管，其中弯折管可在水平与垂直之间旋转任意角度。不仅可以提高换热效率，并且换热器流道形式多变，可根据换热不同要求加以选择，也进一步的提高该换热器的灵活性。

(4)本发明中过流通道截面均为圆形，能够有效改善热应力集中，避免材料产生热疲劳。

(5)本发明中衬管与导热芯体形成双层流动边界(第一衬管和第二衬管作为导热介质的第一层边界，当其被腐蚀发生泄漏之后，导热芯体可作为第二层边界)，能够更耐流体腐蚀，有效防止冷热换热介质混合交叉，同时承压能力更高。

(6)本发明中导热芯体材质为黄铜或银铜合金，导热系数较高，能增强换热器换热效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中支撑管板小孔阵列为矩形小孔组时的结构示意图；

图3为本发明中支撑管板小孔阵列为平行四边形小孔组时的结构示意图；

图4为本发明中第一衬管、第二衬管为直管时的结构示意图；

图5为本发明中第一衬管、第二衬管为Z字形管时的结构示意图；

图6为本发明中过流通道为U字形时的示意图；

图7为本发明中过流通道为S字形时的示意图。

附图标记如下：

1-第一管板、2-第二管板、3-第三管板、4-第四管板、5-换热器壳体、51-第一Y字形管、52-第二Y字形管、53-直管、6-支撑管板、61-小孔、62-间隙、7-第一衬管、8-第二衬管、9-导热芯体。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

换热器结构

本发明提供的一种铸造式微通道紧凑式换热器，包括：换热器壳体5、第一管板1、第二管板2、第三管板4、第四管板3、第一衬管7、第二衬管8、支撑管板6、导热芯体9组成；

换热器壳体5由第一Y字形管51、第二Y字形管52和直管53组成，其中直管53的管壁上设置有用于填充导热芯体的铸造通道(该铸造通道也可在第一Y字形管51或第二Y字形管52上开设)；如图1中所示。

第一Y字形管51的一个管口与直管53的一个管口连通，第一Y字形管51的另外两个管口安装分别第一管板1和第二管板2；第二Y字形管52的一个管口与直管53的另一个管口连通，第二Y字形管52的另外两个管口安装第三管板3和第四管板4。Y字形管与管板连接方式为焊接。

支撑管板6为两个且平行安装在直管53内且支撑管板6的边缘与直管内壁之间具有间隙(该间隙用于填充导热芯体时液态导热金属的流通)；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管7、第二衬管8的外径相适配。支撑管板小孔阵列有2N/4个小孔组构成，每个小孔组包括四个小孔，四个小孔的中心连线为矩形或平行四边形，如图2和图3所示。

为了增大换热面积提高换热效率，除直管外，N根第一衬管7、N根第二衬管8位于两块支撑管板6中间部分形式还可以为弯折管或螺旋缠绕形，其折弯形式为Z字形、梯形、正弦形，并且弯折管可在水平与垂直之间旋转任意角度。如图4所示，N根第一衬管7位于两块支撑管板6中间部分的直管形式，以及如图5所示，N根第一衬管7位于两块支撑管板6中间部分的Z字形管形式。

导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。

如图6和7所示，过流通道的形式如下：

N根第一衬管7的一端均固定在第一管板1上，N根第一衬管7的另一端固定在第四管板4从而形成N个S字形过流通道，或者N根第一衬管7的一端均固定在第一管板1上，N根第一衬管7的另一端固定在第三管板3从而形成N个U字形过流通道；

N根第二衬管8的一端均固定在第二管板2上，N根第二衬管8的另一端均依固定在第三管板3从而形成N个S字形过流通道，或者N根第二衬管8的一端均固定在第二管板2上，N根第二衬管8的另一端固定在第四管板4从而形成N个U字形过流通道。

N根第一衬管形成S字形过流通道需要和N根第二衬管形成S字形过流通道配合使用，同样，N根第一衬管形成U字形过流通道需要和N根第二衬管形成U字形过流通道配合使用，

当第一衬管中通入热流介质时，第二衬管中通入冷流介质，反之亦然；

第一管板1、第二管板材质为316L不锈钢，换热器N根第一衬管7、N根第二衬管8与第一管板1、第二管板2、第三管板3、第四管板4的连接方式为脉冲激光焊接或者胀接。

本实施例中，第一衬管7与第二衬管8均为316L不锈钢毛细圆管，外径为2mm，壁厚为0.5mm。换热器壳体为316L不锈钢板焊接而成，厚度为2mm，所述支撑管板材质为不锈钢，厚度为1～3mm，第一Y字形管51、第二Y字形管52和直管53垂直于换热介质流动方向的截面均为矩形。

换热器制造

【1】分别将N根第一衬管和N根第二衬管插装过两个支撑管板；将两个支撑管板连同衬管平行安装于换热器壳体直管内部；

【2】将第一管板和第二管板安装在第一Y字形管的两个管口上，将第三管板和第四管板安装在第二Y字形管的两个管口上；

【3】将N根第一衬管的一端均与第一管板固定，N根第一衬管的另一端均与第三管板或第四管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；再将N根第二衬管的一端均与第一管板固定，N根第二衬管的另一端均与第四管板或第三管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；

【4】将第一Y字形管和第二Y字形管固定连接在直管两端；

【5】采用直接填充铸造法，将黄铜或银铜合金粉末填充满第一管板1、第二管板2、第三管板3、第四管板4、N根第一衬管7、N根第二衬管8以及两个支撑管板6与换热器壳体形成的空隙内，再将其放入真空加热炉中，加热至合金粉末熔点后保持直至合金粉末完全融化充满空隙，降温至合金完全凝固后与换热器所有部件融为一体，完成换热器的制作；

或者采用真空吸铸法，将第一管板1、第二管板2、第三管板3、第四管板4、N根第一衬管7、N根第二衬管8、两个支撑管板6以及换热器壳体加热至黄铜或银铜合金熔点温度，再往空隙中直接吸注黄铜或者银铜合金融液，待冷却完成换热器的制作。

本实施例中的微细管壳式换热器可实现600℃、40MPa以下工况高温高压超临界二氧化碳的换热。与管壳式换热器相比，本实施例中的换热器结构紧凑，换热效率高，更耐高温高压；与PCHE相比，本实施例中的换热器承压能力更高，能够有效改善热应力集中，加工难度与成本较低。

根据上述说明书，本领域技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，并不局限于上面描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；

换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；其中直管或第一Y字形管或第二Y字形管的管壁上设置有铸造通道；

第一Y字形管的一个管口与直管的一个管口连通，第一Y字形管的另外两个管口安装分别第一管板和第二管板；第二Y字形管的一个管口与直管的另一个管口连通，第二Y字形管的另外两个管口安装第三管板和第四管板；

支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管、第二衬管的外径相适配；

N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个S字形过流通道；

N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个S字形过流通道；

导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；所述导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；所述换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。

2.根据权利要求1所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述导热芯体材质优选黄铜合金或银铜合金。

3.根据权利要求2所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述N根第一衬管、N根第二衬管位于两块支撑管板中间部分形式为直管、Z字形管、梯形管、正弦形管或螺旋缠绕管。

4.根据权利要求3所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述第一衬管、第二衬管均为不锈钢毛细圆管，外径为1～5mm，壁厚为0.1～1mm。

5.根据权利要求4所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述小孔阵列由2N/4个小孔组构成，每个小孔组包括四个小孔，四个小孔的中心连线为矩形或平行四边形。

6.根据权利要求5所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述换热器壳体材质为不锈钢，壳体厚度为1～3mm，直管、第一Y字形管以及第二Y字形管垂直于换热介质流动方向的截面为矩形或正多边形或圆形。

7.根据权利要求6所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述支撑管板材质为不锈钢，厚度为1～3mm。

8.根据权利要求7所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述第一管板、第二管板、第三管板、第四管板材质均为不锈钢。

9.一种基于权利要求1所述铸造式微通道紧凑式换热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】装配

【1.1】分别将N根第一衬管和N根第二衬管插装过两个支撑管板；将两个支撑管板连同衬管平行安装于换热器壳体直管内部；

【1.2】将第一管板和第二管板安装在第一Y字形管的两个管口上，将第三管板和第四管板安装在第二Y字形管的两个管口上；

【1.3】将N根第一衬管的一端均与第一管板固定，N根第一衬管的另一端均与第三管板或第四管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；再将N根第二衬管的一端均与第一管板固定，N根第二衬管的另一端均与第四管板或第三管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；

【1.4】将第一Y字形管和第二Y字形管固定连接在直管两端；

【2】导热芯体的填充；

【2.1】将导热合金粉末通过所述铸造通道充满第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板与换热器壳体形成的空隙内；

【2.2】填充完导热合金粉末后将整体放置到真空加热炉中，加热至导热合金粉末熔点后保持直至导热合金粉末完全融化成为液体状态，并且使其充满所述空隙；

【3】降温至液体导热金属完全凝固后与换热器壳体、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板融为一体后，完成换热器的制作。

10.一种基于权利要求1所述铸造式微通道紧凑式换热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】装配

【1.1】分别将N根第一衬管和N根第二衬管插装过两个支撑管板；将两个支撑管板连同衬管平行安装于换热器壳体直管内部；

【1.2】将第一管板和第二管板安装在第一Y字形管的两个管口上，将第三管板和第四管板安装在第二Y字形管的两个管口上；

【1.3】将N根第一衬管的一端均与第一管板固定，N根第一衬管的另一端均与第三管板或第四管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；再将N根第二衬管的一端均与第一管板固定，N根第二衬管的另一端均与第四管板或第三管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；

【1.4】将第一Y字形管和第二Y字形管固定连接在直管两端；

【2】导热芯体的填充；

【2.1】将完成装配后的第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、两个支撑管板以及换热器壳体形成的空隙通过铸造通道抽至真空后，整体加热至导热芯体金属的熔点温度；

【2.2】将导热合金溶液通过铸造通道浇筑满整个空隙；

【3】降温至导热合金溶液完全凝固并与换热器壳体、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板融为一体后，完成换热器的制作。