CN111197937A - 一种换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换热器，包括多个芯体模块，所述芯体模块包括前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板，所述多个第一换热板片及所述多个第二换热板片设置于所述前端板与所述后端板之间，所述第一换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第一换热介质通道，所述第二换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第二换热介质通道，所述第一换热介质通道及所述第二换热介质通道均为微小通道结构。

Description

一种换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及换热领域，尤其涉及一种换热器及其制造方法。

背景技术

随着技术发展，换热器已广泛应用于能源动力、航空航天、船舶、化工、制药等行业，对于节能减排战略实施有着重要意义。目前，板翅式换热器是舰载燃气轮机的首选换热器形式。燃气轮机通常采用中间冷却器进行间冷循环的方式来提高其性能，因此要求尽可能提高中间冷却器效率以确保燃气轮机整体效率。然而，板翅式换热器由于其效率提高空间有限，其作为中间冷却器难以达到要求，从而影响燃气轮机整体效率。

发明内容

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种换热器及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种换热器，包括多个芯体模块，所述芯体模块包括前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板，所述多个第一换热板片及所述多个第二换热板片设置于所述前端板与所述后端板之间，所述第一换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第一换热介质通道，所述第二换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第二换热介质通道，所述第一换热介质通道及所述第二换热介质通道均为微小通道结构。

根据一些实施方式，所述第一换热板片的第一换热介质通道为弧形通道或直通道，所述第二换热板片的第二换热介质通道为竖直通道或倾斜通道。

根据一些实施方式，所述第二换热介质通道的延伸方向与所述第一换热介质通道的延伸方向垂直形成错流形式或者所述第二换热介质通道的延伸方向与所述第一换热介质通道的延伸方向相反形成逆流形式。

根据一些实施方式，所述第一换热介质通道为单流程通道或两流程通道或多流程通道，所述第二换热介质通道为单流程通道。

根据一些实施方式，所述第一换热板片的第一换热介质通道的入液端口的一侧设有进液孔，所述第一换热板片的第一换热介质通道的出液端口的一侧设有出液孔，所述第二换热板片的多条第二换热介质通道的两侧分别设有进液孔、出液孔。

根据一些实施方式，所述第一换热板片的进液孔、出液孔及所述第二换热板片的进液孔、出液孔为三角形结构或矩形结构，所述多个第一换热板片的进液孔及所述多个第二换热板片的进液孔相互叠加而形成进液通道，所述多个第一换热板片的出液孔及所述多个第二换热板片的出液孔相互叠加形成出液通道。

根据一些实施方式，所述第一换热板片及所述第二换热板片为扇形结构或梯形结构，厚度为1至3毫米，所述第一换热介质通道及所述第二换热介质通道的宽度为1.2至4.7毫米，节距为1.5至5毫米，通道深度为0.7至2.7毫米。

根据本发明的另一方面，还提供了一种换热器的制造方法，包括以下步骤：步骤一，将板材进行机械加工分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板；步骤二，将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行焊接及机械加工形成芯体模块；步骤三，将多个芯体模块进行组装形成换热器的整体结构。

根据一些实施方式，步骤一具体为：将板材进行剪裁、整型，以及毛刺处理、清洗、光洁度处理，以分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板；采用加工中心分别加工第一换热板片的第一换热介质通道及第二换热板片的第二换热介质通道，其中，加工用刀直径为0.5～2mm，加工深度为0.5～1.2mm，吃刀量为0.1mm，给进速度为0～1500r/min，转速为0～3000r/min；再次对前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行毛刺处理、清洗、烘干。

根据一些实施方式，步骤二具体为：将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行熔焊装配，为真空扩散焊接做准备；将装配后的前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板放入真空扩散焊接炉，进行真空扩散焊接，形成芯体模块，该过程主要包括先提升真空扩散焊接炉温度至1100℃，耗时12小时，再保温30小时，然后降温至150℃，耗时55小时；对芯体模块进行外形粗加工，并进行打压试验；将芯体模块进行打压、清洗、烘干。

本发明的有益效果为：

1、本发明的换热器的第一换热板片的第一换热介质通道、第二换热板片的第二换热介质通道均为微小通道结构形式，且设置形成错流、逆流等形式，能够提高换热器的换热效率，使得换热器作为中间冷却器可以达到要求，从而确保燃气轮机整体效率。

2、本发明的换热器采用钛合金材料进行加工，耐腐蚀性能好，以防止海上环境的腐蚀。

附图说明

图1为本发明第一实施例的换热器的结构示意图；

图2为图1中换热器的芯体模块的结构示意图；

图3为图2中芯体模块的前端板的结构示意图；

图4为图2中芯体模块的第一换热板片的结构示意图；

图5为图2中芯体模块的第二换热板片的结构示意图；

图6为图2中芯体模块的后端板的结构示意图；

图7为图2中芯体模块的分解结构的示意图；

图8为本发明第二实施例的换热器的第一换热板片的结构示意图；

图9为本发明第三实施例的换热器的第一换热板片及第二换热板片的结构示意图；

图10为本发明第四实施例的换热器的第一换热板片及第二换热板片的结构示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例的换热器100整体呈环形结构，包括多个芯体模块10。本实施例中，换热器100包括10个形状及结构相同的芯体模块10。可以理解，换热器100也可以4等分或6等分或8等分为芯体模块，即换热器100也可以包括4个或6个或8个形状及结构相同的芯体模块10。本实施例中，芯体模块10为扇形结构。可以理解，芯体模块10也可以为其他结构形式，例如梯形结构。

如图2所示，芯体模块10包括前端板11、多个第一换热板片12、多个第二换热板片13及后端板14。其中，多个第一换热板片12及多个第二换热板片13依次间隔设置于前端板11与后端板14之间。前端板11、第一换热板片12、第二换热板片13、后端板14彼此之间均采用焊接方式连接。可以理解，多个第一换热板片12及多个第二换热板片13也可以采用其他设置方式，例如ABB方式，即首先设置一个第一换热板片12，然后再设置两个第二换热板片13，以此类推。

可以理解，芯体模块10的前端板11、多个第一换热板片12、多个第二换热板片13及后端板14可以采用钛合金材料或镍基耐蚀合金材料进行加工，耐腐蚀性能好，以防止海上环境的腐蚀。钛合金材料可以为Ti-6A1-4V(TC4)、Ti-5A1-2.5Sn(TA7)或工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。镍基耐蚀合金可以为哈氏合金或Ni-Cu合金。

本实施例中，第一换热介质为液体，例如水。第二换热介质为气体，例如空气。第一换热介质流经第一换热板片12，第二换热介质流经第二换热板片13，通过这种方式来实现换热，即第一换热介质冷却第二换热介质。

如图3所示，前端板11呈扇形结构，其端面设有第一换热介质入口112、第一换热介质出口114。前端板11的第一换热介质入口112处焊接有入液管15，前端板11的第一换热介质出口114处焊接有出液管16。第一换热介质依次通过入液管15、第一换热介质入口112进入芯体模块10，经过循环后再依次通过第一换热介质出口114、出液管16排出。

如图4所示，第一换热板片12呈扇形结构，其靠近前端板11的一侧端面设有多条第一换热介质通道122，且第一换热介质通道122的入液端口1222的一侧设有进液孔124，第一换热介质通道122的出液端口1224的一侧设有出液孔126。第一换热介质分别流经多条第一换热介质通道122，即由第一换热介质通道122的入液端口1222进入，经过第一换热介质通道122后，由第一换热介质通道122的出液端口1224排出。本实施例中，第一换热介质通道122为弧形通道，可实现强化换热，从而提高换热性能。可以理解，第一换热介质通道122也可以为直通道。第一换热介质通道122为微小通道结构，其截面形状可以为矩形、方形、或半圆形，微小通道可以增加换热面积，提高换热介质流速，从而实现强化换热。本实施例中，第一换热板片12的厚度为1至3毫米。第一换热介质通道122的宽度为1.2至4.7毫米，节距为1.5至5毫米，通道深度为0.7至2.7毫米。进液孔124与前端板11的第一换热介质入口112相对应。进液孔124为三角形结构。出液孔126与前端板11的第一换热介质出口114相对应。出液孔126为三角形结构。可以理解，第一换热板片12也可以为其他结构形式，例如梯形结构。

如图5所示，第二换热板片13呈扇形结构，其靠近前端板11的一侧端面设有多条第二换热介质通道132，且多条第二换热介质通道132的两侧分别设有进液孔134、出液孔136。第二换热介质分别流经多条第二换热介质通道132，即由第二换热介质通道132的进气端口1322进入，经过第二换热介质通道132后，由第二换热介质通道132的出气端口1324排出。本实施例中，第二换热介质通道132为竖直通道，以降低第二换热介质阻力而使得第二换热介质顺利通过。第二换热介质通道132为微小通道结构，其截面形状可以为矩形、方形、或半圆形。本实施例中，第二换热板片13的厚度为1至3毫米。第二换热介质通道132的宽度为1.2至4.7毫米，节距为1.5至5毫米，通道深度为0.7至2.7毫米。进液孔134与第一换热板片12的进液孔124相对应。进液孔134为三角形结构。出液孔136与第一换热板片12的出液孔126相对应。出液孔136为三角形结构。可以理解，第二换热板片13也可以为其他结构形式，例如梯形结构。

如图6所示，后端板14与前端板11相对设置，并与前端板11一起作为芯体模块10的两侧端板，将多个第一换热板片12及多个第二换热板片13夹设于中间。后端板14呈扇形结构。

如图7所示，本实施例中，多个第一换热板片12、多个第二换热板片13焊接为一个整体后，多个第一换热板片12的进液孔124及多个第二换热板片13的进液孔134相互叠加而形成进液通道17，同理，多个第一换热板片12的出液孔126及多个第二换热板片13的出液孔136相互叠加形成出液通道18。

如图7所示，本实施例中，每一芯体模块10均作为换热器100的一个单独模块来完成换热工作。具体换热过程如下：

首先，第一换热介质依次通过入液管15、第一换热介质入口112进入进液通道17，进液通道17此时作为集液器以暂时存储第一换热介质，然后，第一换热介质分别流经多个第一换热板片12进入出液通道18，出液通道18此时作为集液器以暂时存储第一换热介质，最后，第一换热介质由出液通道18再依次通过第一换热介质出口114、出液管16排出。第一换热介质流经多个第一换热板片12的同时，第二换热介质分别流经多个第二换热板片13，从而实现第一换热介质与第二换热介质之间的热交换。

如图4及图5所示，本实施例中，第一换热板片12的第一换热介质通道122为弧形通道，第二换热板片13的第二换热介质通道132为竖直通道，且第二换热介质通道132的延伸方向与第一换热介质通道122的延伸方向垂直，形成错流形式，可实现强化换热，从而提高换热性能。本实施例中，第一换热介质通道122为单流程通道。可以理解，如图8所示，第一换热板片22的第一换热介质通道222也可以为两流程通道，或者为多流程通道，以加强换热，从而进一步提高换热性能。本实施例中，第二换热介质通道132的延伸方向与第一换热介质通道122的延伸方向垂直，形成错流形式。可以理解，如图9所示，第二换热板片33的第二换热介质通道332的延伸方向也可以与第一换热板片32的第一换热介质通道322的延伸方向相反，形成逆流形式，以加强换热，从而进一步提高换热性能。本实施例中，第二换热板片13的第二换热介质通道132为竖直通道，进液孔134、出液孔136均为三角形结构。可以理解，如图10所示，第二换热板片43的第二换热介质通道432也可以为倾斜通道，进液孔434、出液孔436均为矩形结构，相应的，第一换热板片42的进液孔424、出液孔426也均为矩形结构，与三角形结构相比，矩形结构可以更好的分配进液通道中所存储的第一换热介质的流量，使得第一换热介质通道422内的流量呈均匀分布，以加强换热，从而进一步提高换热性能。

本发明实施例的换热器100的第一换热板片12的第一换热介质通道122、第二换热板片13的第二换热介质通道132均为微小通道结构形式，且设置形成错流、逆流等形式，能够提高换热器100的换热效率，使得换热器100作为中间冷却器可以达到要求，从而确保燃气轮机整体效率。

本发明实施例的换热器100的制造方法包括如下步骤：

步骤一，将板材进行机械加工分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板；

首先，将板材进行剪裁、整型，以及毛刺处理、清洗、光洁度处理，以分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板。其中，剪裁及整型在加工中心进行；毛刺处理通过超声波进行处理，也可采用冷冻或者热爆等方式进行处理；清洗采用超声波设备进行处理，并通过酸、碱、丙酮溶液进行清洗，然后在烘干炉内进行加热烘干；光洁度处理采用激活能和冲击能的复合能的方式进行处理，使得前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板的表面粗糙度Ra<＝0.05um，耐磨性能提高50％以上，耐腐蚀性能提高50％以上。

其次，采用加工中心分别加工第一换热板片的第一换热介质通道及第二换热板片的第二换热介质通道。其中，加工用刀直径为0.5～2mm，加工深度为0.5～1.2mm，吃刀量为0.1mm，给进速度为0～1500r/min，转速为0～3000r/min；

最后，再次对前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行毛刺处理、清洗、烘干。

步骤二，将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行焊接及机械加工形成芯体模块；

首先，将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行熔焊装配，为真空扩散焊接做准备。

其次，将装配后的前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板放入真空扩散焊接炉，进行真空扩散焊接，形成芯体模块。该过程主要包括：(1)先提升真空扩散焊接炉温度至1100℃，耗时12小时；(2)再保温30小时；(3)然后降温至150℃，耗时55小时。

然后，对芯体模块进行外形粗加工，并进行打压试验。如满足压力要求，进行芯体模块外形线切割、外部封头及法兰熔焊、外形机械加工、修磨等，完成芯体模块的整体加工。如有泄漏，则将芯体模块放入真空扩散焊接炉内重新焊接。如果换热器厚度较大，例如大于480mm，需要在上一步骤中将其分成两部分分别扩散焊接，然后本步骤中通过熔焊焊接成一个整体。

最后，将芯体模块进行打压、清洗、烘干。

步骤三，将多个芯体模块进行组装形成换热器的整体结构。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (10)

1.一种换热器，包括多个芯体模块，所述芯体模块包括前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板，所述多个第一换热板片及所述多个第二换热板片设置于所述前端板与所述后端板之间，其特征在于，所述第一换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第一换热介质通道，所述第二换热板片的靠近所述前端板的一侧端面设有多条第二换热介质通道，所述第一换热介质通道及所述第二换热介质通道均为微小通道结构。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述第一换热板片的第一换热介质通道为弧形通道或直通道，所述第二换热板片的第二换热介质通道为竖直通道或倾斜通道。

3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述第二换热介质通道的延伸方向与所述第一换热介质通道的延伸方向垂直形成错流形式或者所述第二换热介质通道的延伸方向与所述第一换热介质通道的延伸方向相反形成逆流形式。

4.根据权利要求2或3所述的换热器，其特征在于，所述第一换热介质通道为单流程通道或两流程通道或多流程通道，所述第二换热介质通道为单流程通道。

5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述第一换热板片的第一换热介质通道的入液端口的一侧设有进液孔，所述第一换热板片的第一换热介质通道的出液端口的一侧设有出液孔，所述第二换热板片的多条第二换热介质通道的两侧分别设有进液孔、出液孔。

6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述第一换热板片的进液孔、出液孔及所述第二换热板片的进液孔、出液孔为三角形结构或矩形结构，所述多个第一换热板片的进液孔及所述多个第二换热板片的进液孔相互叠加而形成进液通道，所述多个第一换热板片的出液孔及所述多个第二换热板片的出液孔相互叠加形成出液通道。

7.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述第一换热板片及所述第二换热板片为扇形结构或梯形结构，厚度为1至3毫米，所述第一换热介质通道及所述第二换热介质通道的宽度为1.2至4.7毫米，节距为1.5至5毫米，通道深度为0.7至2.7毫米。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的换热器的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，将板材进行机械加工分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板；

步骤二，将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行焊接及机械加工形成芯体模块；

步骤三，将多个芯体模块进行组装形成换热器的整体结构。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，步骤一具体为：

将板材进行剪裁、整型，以及毛刺处理、清洗、光洁度处理，以分别形成前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板；

采用加工中心分别加工第一换热板片的第一换热介质通道及第二换热板片的第二换热介质通道，其中，加工用刀直径为0.5～2mm，加工深度为0.5～1.2mm，吃刀量为0.1mm，给进速度为0～1500r/min，转速为0～3000r/min；

再次对前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行毛刺处理、清洗、烘干。

10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，步骤二具体为：

将前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板进行熔焊装配，为真空扩散焊接做准备；

将装配后的前端板、多个第一换热板片、多个第二换热板片及后端板放入真空扩散焊接炉，进行真空扩散焊接，形成芯体模块，该过程主要包括先提升真空扩散焊接炉温度至1100℃，耗时12小时，再保温30小时，然后降温至150℃，耗时55小时；

对芯体模块进行外形粗加工，并进行打压试验；

将芯体模块进行打压、清洗、烘干。

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