CN109323607A - 一种蜂窝型超紧凑板式热交换器 - Google Patents

一种蜂窝型超紧凑板式热交换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝型超紧凑板式热交换器，第一换热板片上各第一凹槽与其上侧相邻第二换热板片上的第四凹槽一一对应，各第一凹槽正对与其对应的第四凹槽且与与其对应的第四凹槽组成冷侧流道；各第一换热板片上的各第二凹槽与其上侧相邻第二换热板片上的第三凹槽一一对应，各第二凹槽正对与其对应的第三凹槽且与与其对应的第三凹槽组成热侧流道；热侧进口与各热侧流道的入口相连通，热侧出口与各热侧流道的出口相连通，冷侧进口与各冷侧流道的入口相连通，冷侧出口与各冷侧流道的出口相连通，该换热器紧凑度较高，且具有强化传热及耐高温高压能力。

Description

一种蜂窝型超紧凑板式热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，具体涉及一种蜂窝型超紧凑板式热交换器。
背景技术
板式热交换器在核能、热泵、制冷、萃取等领域中应用广泛，是一种十分重要的换热设备。与传统管壳式热交换器相比，板式热交换器通常具有紧凑度高、有效传热面积大、换热性能优良等优势。目前核发电、太阳能发电等能源动力***向高紧凑度、微型化、高效传热发展，传统热交换器逐渐无法满足对紧凑型***的需求。
工业上常用的钎焊板翅式热交换器，其结构主要由基板和肋片两部分组成，通过在基板与肋片间添加钎料焊接形成换热芯体。这种热交换器波纹板深度在2mm以上，紧凑度较低，仅为800～1000m2/m3。此外，由于高温条件下热应力的影响，此类热交换器内部易发生变形甚至失效，且钎料容易被腐蚀和发生高温蠕变。此类型热交换器一般主要应用于换热温度600℃以下，压力低于4MPa的工况，无法在高温高压环境下长期安全运行。
目前在核工业等领域普遍应用的是国外的一种印刷电路板板式热交换器(PCHE)，该热交换器通过蚀刻方式在金属换热板片上形成流道，并利用扩散焊方法将多块换热板片组成换热芯体。扩散焊使材料融化结晶，换热芯体具有非常强的承压能力。现有的印刷电路板热交换器依据芯体核心换热区的流道形式主要采用直通道或Z字形的连续通道结构(US20060090887)。然而，化学刻蚀通过减材制造方式形成的通道壁厚较厚，紧凑度并没有大幅提升，且刻蚀过程产生废液污染环境，不符合环境友好的要求。
国内超紧凑板式热交换器的研发相对滞后，目前仍然主要以钎焊板式热交换器为主。类似蜂窝型结构的热交换器在国内也有研究，如中国专利CN200910067681，CN20110279465等。这些发明提出了具有类似蜂窝芯体的陶瓷热交换器，通道截面主要为长方形，换热芯体为两平行板片之间加一层具有隔板的中间层，形成冷热通道。然而，这种发明所述热交换器本质上为板翅式热交换器，冷热通道之间的板片虽具有二次传热肋片强化传热的作用，但同时增加了材料的使用，且并未提高热交换器的紧凑度。另外，这种发明所述的热交换器耐高温高压能力差，且热交换器内工质在壁面附近容易泄漏，进出口处难以实现均流，使热交换器的换热量和换热性能下降，不可长期高效稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种蜂窝型超紧凑板式热交换器，该换热器紧凑度较高，且具有强化传热及耐高温高压能力。
为达到上述目的，本发明所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口、冷侧出口及若干层第一换热板片及若干层第二换热板片，其中，各第一换热板片与各第二换热板片自上到下依次交错分布，各第一换热板片的上表面均设置有若干第一凹槽，各第一换热板片的下表面均设置有若干第二凹槽，各第二换热板片的上表面设置均设置若干第三凹槽，各第二换热板片的下表面均设置有若干第四凹槽；
第一换热板片上各第一凹槽与其上侧相邻第二换热板片上的第四凹槽一一对应，其中，各第一凹槽正对与其对应的第四凹槽且与与其对应的第四凹槽组成冷侧流道；
各第一换热板片上的各第二凹槽与其上侧相邻第二换热板片上的第三凹槽一一对应，其中，各第二凹槽正对与其对应的第三凹槽且与与其对应的第三凹槽组成热侧流道；
热侧进口与各热侧流道的入口相连通，热侧出口与各热侧流道的出口相连通，冷侧进口与各冷侧流道的入口相连通，冷侧出口与各冷侧流道的出口相连通。
第一换热板片包括依次相连接的第一进口导流段、第一中间芯体及第一出口导流段，其中，第一中间芯体为矩形结构，第一进口导流段横截面的尺寸及第一出口导流段横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变。
第二换热板片包括依次相连接的第二进口导流段、第二中间芯体及第二出口导流段，其中，第二中间芯体为矩形结构，第二进口导流段横截面的尺寸及第二出口导流段横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变。
热侧进口、热侧出口、冷侧进口及冷侧出口上均设置有用于连接外部设备的法兰。
第一凹槽的横截面、第二凹槽的横截面、第三凹槽的横截面及第四凹槽的横截面均为梯形，且第一凹槽的深度、第二凹槽的深度、第三凹槽的深度及第四凹槽的深度均小于1mm。
各第一换热板片的厚度及各第二换热板片的厚度均小于0.5mm，第一换热板片的紧凑度及第二换热板片的紧凑度均大于2000m2/m3。
第一中间芯体上的第一凹槽及第二凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构；
第二中间芯体上的第三凹槽及第四凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构。
所述梯形的底角为10°-90°。
第一换热板片与其上侧相邻的第二换热板片之间围成一个热侧流道组，第一换热板片与其下侧相邻的第二换热板片之间围成一个冷侧流道组，其中，热侧流道组内的各热侧流道与与其上侧相邻冷侧流道组内的各冷侧流道依次交错分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器采用蜂窝式结构，具有高稳定性、耐高温、耐高压的特点，满足***核发电***、太阳能发电及超高温气冷堆等领域对热交换器耐高温及耐高压的要求，具体的，本发明包括若干层第一换热板片及若干层第二换热板片，其中，各第一换热板片与各第二换热板片自上到下依次交错分布，且各第一换热板片上各第一凹槽与其上侧相邻第二换热板片上其对应的第四凹槽组成冷侧流道；各第一换热板片上的各第二凹槽与上侧相邻第二换热板片上对应的第三凹槽组成热侧流道，从而大幅提升热交换器的紧凑度，另外，本发明中通过第一换热板片及第二换热板片充当二次传热面，以强化传热。
进一步，第一凹槽的横截面、第二凹槽的横截面、第三凹槽的横截面及第四凹槽的横截面均为梯形，换热面积较大，换热效果较好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面图；
图3为本发明的内部示意图；
图4为本发明的PCHE性能对比图；
图5为第一进口导流段6的结构示意图；
图6为第一凹槽为Z形结构时的示意图；
图7为第一凹槽为S形结构时的示意图；
图8为热流体与冷流体交错流动时第一换热板片13与第二换热板片12的分布图；
图9为第一中间芯体2串联时的结构示意图；
图10为第一中间芯体2并联时的结构示意图。
其中，1为第二中间芯体、2为第一中间芯体、3为第二出口导流段、4为第一出口导流段、5为第二进口导流段、6为第一进口导流段、7为冷侧进口、8为法兰、9为冷侧出口、10为热侧进口、11为热侧出口、12为第二换热板片、13为第一换热板片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器包括热侧进口10、热侧出口11、冷侧进口7、冷侧出口9及若干层第一换热板片13及若干层第二换热板片12，其中，各第一换热板片13与各第二换热板片12自上到下依次交错分布，各第一换热板片13的上表面均设置有若干第一凹槽，各第一换热板片13的下表面均设置有若干第二凹槽，各第二换热板片12的上表面设置均设置若干第三凹槽，各第二换热板片12的下表面均设置有若干第四凹槽；第一换热板片13上各第一凹槽与其上侧相邻第二换热板片12上的第四凹槽一一对应，其中，各第一凹槽正对与其对应的第四凹槽且与与其对应的第四凹槽组成冷侧流道；各第一换热板片13上的各第二凹槽与其上侧相邻第二换热板片12上的第三凹槽一一对应，其中，各第二凹槽正对与其对应的第三凹槽且与与其对应的第三凹槽组成热侧流道；热侧进口10与各热侧流道的入口相连通，热侧出口11与各热侧流道的出口相连通，冷侧进口7与各冷侧流道的入口相连通，冷侧出口9与各冷侧流道的出口相连通。
第一换热板片13包括依次相连接的第一进口导流段6、第一中间芯体2及第一出口导流段4，其中，第一中间芯体2为矩形结构，第一进口导流段6横截面的尺寸及第一出口导流段4横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变；第二换热板片12包括依次相连接的第二进口导流段5、第二中间芯体1及第二出口导流段3，其中，第二中间芯体1为矩形结构，第二进口导流段5横截面的尺寸及第二出口导流段3横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变。
热侧进口10、热侧出口11、冷侧进口7及冷侧出口9上均设置有用于连接外部设备的法兰8；第一凹槽的横截面、第二凹槽的横截面、第三凹槽的横截面及第四凹槽的横截面均为梯形，所述梯形的底角为10°-90°；且第一凹槽的深度、第二凹槽的深度、第三凹槽的深度及第四凹槽的深度均小于1mm；各第一换热板片13的厚度及各第二换热板片12的厚度均小于0.5mm，第一换热板片13的紧凑度及第二换热板片12的紧凑度均大于2000m2/m3。
第一中间芯体2上的第一凹槽及第二凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构；第二中间芯体1上的第三凹槽及第四凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构。
第一换热板片13与其上侧相邻的第二换热板片12之间围成一个热侧流道组，第一换热板片13与其下侧相邻的第二换热板片12之间围成一个冷侧流道组，其中，热侧流道组内的各热侧流道与与其上侧相邻冷侧流道组内的各冷侧流道依次交错分布。
参考图5，本发明中热流体的流动方向与冷流体的流动方向相同、相反或者相交，在实际操作时，第一换热板片13及第二换热板片12的尺寸根据传热工质传热性能的差异进行调整，最大程度的降低热阻，提高整体换热性能。
参考图6及图7，第一中间芯体2的数目为一个或者多个，当第一中间芯体2的数目为多个时，各第一中间芯体2之间串联连接或者并联连接；同样的，第二中间芯体1的数目为一个或者多个，当第二中间芯体1的数目为多个时，各第二中间芯体1之间串联连接或者并联连接，在实际操作时，将多个第一中间芯体2及多个第二中间芯体1进行串联或者并联使用，可以有效的降低第一中间芯体2及第二中间芯体1的尺寸，降低加工难度。

Claims (9)

1.一种蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，包括热侧进口(10)、热侧出口(11)、冷侧进口(7)、冷侧出口(9)及若干层第一换热板片(13)及若干层第二换热板片(12)，其中，各第一换热板片(13)与各第二换热板片(12)自上到下依次交错分布，各第一换热板片(13)的上表面均设置有若干第一凹槽，各第一换热板片(13)的下表面均设置有若干第二凹槽，各第二换热板片(12)的上表面设置均设置若干第三凹槽，各第二换热板片(12)的下表面均设置有若干第四凹槽；
第一换热板片(13)上各第一凹槽与其上侧相邻第二换热板片(12)上的第四凹槽一一对应，其中，各第一凹槽正对与其对应的第四凹槽且与与其对应的第四凹槽组成冷侧流道；
各第一换热板片(13)上的各第二凹槽与其上侧相邻第二换热板片(12)上的第三凹槽一一对应，其中，各第二凹槽正对与其对应的第三凹槽且与与其对应的第三凹槽组成热侧流道；
热侧进口(10)与各热侧流道的入口相连通，热侧出口(11)与各热侧流道的出口相连通，冷侧进口(7)与各冷侧流道的入口相连通，冷侧出口(9)与各冷侧流道的出口相连通。
2.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，第一换热板片(13)包括依次相连接的第一进口导流段(6)、第一中间芯体(2)及第一出口导流段(4)，其中，第一中间芯体(2)为矩形结构，第一进口导流段(6)横截面的尺寸及第一出口导流段(4)横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变。
3.根据权利要求2所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，第二换热板片(12)包括依次相连接的第二进口导流段(5)、第二中间芯体(1)及第二出口导流段(3)，其中，第二中间芯体(1)为矩形结构，第二进口导流段(5)横截面的尺寸及第二出口导流段(3)横截面的尺寸均先逐渐缩小再保持不变。
4.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，热侧进口(10)、热侧出口(11)、冷侧进口(7)及冷侧出口(9)上均设置有用于连接外部设备的法兰(8)。
5.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，第一凹槽的横截面、第二凹槽的横截面、第三凹槽的横截面及第四凹槽的横截面均为梯形，且第一凹槽的深度、第二凹槽的深度、第三凹槽的深度及第四凹槽的深度均小于1mm。
6.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，各第一换热板片(13)的厚度及各第二换热板片(12)的厚度均小于0.5mm，第一换热板片(13)的紧凑度及第二换热板片(12)的紧凑度均大于2000m2/m3。
7.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，第一中间芯体(2)上的第一凹槽及第二凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构；
第二中间芯体(1)上的第三凹槽及第四凹槽为直线型结构、S形结构或者Z形结构。
8.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，所述梯形的底角为10°-90°。
9.根据权利要求1所述的蜂窝型超紧凑板式热交换器，其特征在于，第一换热板片(13)与其上侧相邻的第二换热板片(12)之间围成一个热侧流道组，第一换热板片(13)与其下侧相邻的第二换热板片(12)之间围成一个冷侧流道组，其中，热侧流道组内的各热侧流道与与其上侧相邻冷侧流道组内的各冷侧流道依次交错分布。
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