CN111912265A - 一种交错通道结构耐高压强化传热元件及其制造方法 - Google Patents

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CN111912265A CN202010949636.6A CN202010949636A CN111912265A CN 111912265 A CN111912265 A CN 111912265A CN 202010949636 A CN202010949636 A CN 202010949636A CN 111912265 A CN111912265 A CN 111912265A
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张旭伟
韩万龙
吴家荣
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Abstract

一种交错通道结构耐高压强化传热元件及其制造方法，由若干高温介质板片一和高温介质板片二、若干低温介质板片一和低温介质板片二以及若干端板沿板厚方向堆叠布置组合而成，所述高温介质板片一、高温介质板片二以及低温介质板片一、低温介质板片二均为金属薄板，所述端板为金属中厚板，所述板片高温介质板片一、高温介质板片二、低温介质板片一、低温介质板片二和端板的长度、宽度均相等。本发明耐高温高压、传热系数大、传热面积密度高、结构紧凑、金属耗量显著降低。

Description

一种交错通道结构耐高压强化传热元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及换热装置技术领域，特别涉及一种交错通道结构耐高压强化传热元件及其制造方法。
背景技术
在气体换热器内，流动阻力的限制迫使设计者选择较低的质量流速，气体的低质量流速和低导热系数导致单位传热面积上的低传热速率。因此传热表面积过大是气体换热器的一个典型特征。在总传热功率和泵耗功率要求相当的前提下，气体换热器传热面积多达液-液式换热器、冷凝器、蒸发器表面积的10倍以上。气体传热要求大的传热面积密度，符合要求的这类表面被称为紧凑式传热表面。在紧凑式气体换热器中，气体侧要求大的传热面积密度，为实现这一目标常用的方法是采用波纹板片或板翅式结构。
波纹板式换热器是近几十年来得到大力发展和广泛应用的一种高效、紧凑的热交换器。它由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，按构造分为密封垫式、全焊式和半焊式三类。波纹板是这种换热器的基本传热元件，它采用起伏的曲壁面诱发二次流动进而破坏近壁边界层，具有强化传热、扩展面积、结构支撑等作用。板翅式换热器通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。翅片是这种换热器的基本传热元件，其主要作用是扩大传热面积、提高传热效率、提高换热器的强度和承压能力。翅片表面的孔洞、缝隙、弯折等结构诱发湍动进而削弱了层流底层，强化传热效果显著，特别适用于气体等传热性能差的流体间传热。
波纹板和板翅式换热器具有传热效率高、结构紧凑、重量轻、流程布置灵活、适应性广等优点，是气体换热器最常采用的型式。这两种换热器存在的最主要问题是其耐压能力较差(≤10MPa)，使其应用范围受到较大限制。对于高压气体传热的场合，例如超临界二氧化碳布雷顿循环***回热器(～22MPa)、加氢站氢气冷却器(≥35MPa)、海上油气平台天然气后冷却器(～25MPa)、船用高压天然气加热器(～33MPa)、加氢裂化装置产物气-混氢换热器(～21MPa)、化工厂合成气冷却器(≥25MPa)等，波纹板和板翅式换热器由于耐压能力不足而无法使用。
为了实现高压气体间传热，目前用户只得采用耐高压的管壳式换热器。实践表明，在高压气-气传热过程中，管壳式换热器热效率低、传热系数小、紧凑性差的缺点进一步显现，普遍存在热能损耗高、传热面积大、体积庞大、金属耗量高、热惯性大的问题，已不能满足用户对换热装置紧凑、高效、灵活布置、快速响应的需求。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种交错通道结构耐高压强化传热元件及其制造方法，该传热元件耐高温高压、传热系数大、传热面积密度高、结构紧凑、金属耗量显著降低。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种交错通道结构耐高压强化传热元件，由若干高温介质板片一1a和高温介质板片二1b、若干低温介质板片一2a和低温介质板片二2b以及若干端板7沿板厚方向堆叠布置组合而成，所述高温介质板片一1a、高温介质板片二1b以及低温介质板片一2a、低温介质板片二2b均为金属薄板，所述端板7为金属中厚板，所述板片高温介质板片一1a、高温介质板片二1b、低温介质板片一2a、低温介质板片二2b和端板7的长度、宽度均相等。
所述高温介质板片一1a的下表面设置有高温介质集散段一3a以及高温介质流道一4a；所述高温介质板片二1b的上表面设置有高温介质集散段二3b以及高温介质流道二4b；所述低温介质板片一2a的下表面设置有低温介质集散段一5a以及低温介质流道一6a；所述低温介质板片二2b的上表面设置有低温介质集散段二5b以及低温介质流道二6b。
所述高温介质流道一4a位于高温介质板片一1a下表面的中部位置(沿板长方向)，高温介质流道一4a由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道一4a相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，高温介质流道一4a与主流方向交错角为α1，α1的大小介于零到九十度之间；
所述高温介质集散段一3a位于板片1a下表面的端部位置(沿板长方向)，高温介质集散段一3a包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与高温介质流道一4a两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道一4a的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道一4a的宽度相等。
所述高温介质流道二4b位于高温介质板片二1b上表面的中部位置(沿板长方向)，高温介质流道二4b由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道二4b相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，高温介质流道二4b与主流方向交错角为α2，α2的大小介于零到九十度之间；
所述高温介质集散段二3b位于高温介质板片二1b上表面的端部位置(沿板长方向)，高温介质集散段二3b包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与介质流道4b两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道二4b的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道二4b的宽度相等。
所述一块高温介质板片一1a与一块高温介质板片二1b配合使用，每块高温介质板片一1a和高温介质板片二1b上下层叠、紧密贴合布置，高温介质板片一1a和高温介质板片二1b间的空腔构成一个高温介质流动腔，每个高温介质流动腔包括高温介质集散段一3a、高温介质集散段二3b、高温介质流道一4a、高温介质流道二4b四部分，其中高温介质集散段一3a和高温介质集散段二3b长宽相等、位置相同；高温介质流道一4a和高温介质流道二4b长宽相等、位置相同，高温介质流道一4a和高温介质流道二4b与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。
所述低温介质流道一6a位于低温介质板片一2a下表面的中部位置(沿板长方向)，低温介质流道一6a由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道一6a相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，低温介质流道一6a与主流方向交错角为β1，β1的大小介于零到九十度之间；
所述低温介质集散段一5a位于板片2a下表面的端部位置(沿板长方向)，低温介质集散段一5a包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道一6a两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道一6a的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道一6a的宽度相等。
所述低温介质流道二6b位于低温介质板片二2b上表面的中部位置(沿板长方向)，低温介质流道二6b由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道二6b相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，低温介质流道二6b与主流方向交错角为β2，β2的大小介于零到九十度之间；
所述低温介质集散段二5b位于低温介质板片二2b上表面的端部位置(沿板长方向)，低温介质集散段二5b包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道二6b两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道二6b的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道二6b的宽度相等。
所述一块低温介质板片一2a与一块低温介质板片二2b配合使用，每块低温介质板片一2a和低温介质板片二2b上下层叠、紧密贴合布置，低温介质板片一2a和低温介质板片二2b间的空腔构成一个低温介质流动腔，每个低温介质流动腔包括低温介质集散段一5a、低温介质集散段二5b、低温介质流道一6a、低温介质流道二6b四部分，其中低温介质集散段一5a和低温介质集散段二5b长宽相等、位置相同，低温介质流道一6a和低温介质流道二6b长宽相等、位置相同，低温介质流道一6a和低温介质流道二6b与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。
所述一对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b与相邻一对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b之间可布置一对或多对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b；一对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b与相邻一对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b之间可布置一对或多对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b。
所述高温介质流道一4a、高温介质流道二4b以及低温介质流道一6a、低温介质流道二6b横截面形状为三角形、梯形、矩形、半圆形、半椭圆形、U形中的任意一种。
所述高温介质集散段一3a、高温介质集散段二3b与低温介质集散段一5a、低温介质集散段二5b的介质进出口(窄凹槽在板片端部开口)位置应错开足够的距离，为高、低温介质集箱的安装留出充足的空间。
一种交错通道结构耐高压强化传热元件的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：将金属薄板和金属中厚板按照设计的规格尺寸切割，得到金属板片毛坯；
步骤2：将板片毛坯表面污渍清洗干净，得到洁净金属薄板和中厚板，常用的清洁处理方法包括有机溶剂清洁、碱性化学清洁、酸性化学清洁等；
步骤3：利用防蚀技术将图纸设计的流道结构复制到洁净金属薄板表面，形成一层防蚀层，保护无需腐蚀加工的金属表面，仅暴露出待加工表面，得到附着防蚀层的金属板片，防蚀技术包括照相制版防蚀、丝网印刷防蚀、移印防蚀、激光光刻防蚀等；
步骤4：配制腐蚀剂，将附着防蚀层的金属板片浸入腐蚀剂中或者将腐蚀剂加压雾化喷射至板片表面，在板片表面腐蚀加工出所设计的介质流道、集散段结构，得到附着防蚀层的蚀刻板片；
步骤5：板片蚀刻合格后，使用溶剂、碱液或其他清洁剂将板片表面防蚀层去掉，得到蚀刻板片(即高温介质板片、低温介质板片)；
步骤6：根据传热元件装配图纸要求将端板、蚀刻板片叠放组装并紧固，得到装配件；
步骤7：将装配件放入真空扩散焊接设备炉体内，升温并加压，通过高温高压下的原子扩散使得板片接触面实现固态接合，得到包含有流体流动通道的实心块体，即传热元件。在理想的焊接条件下，扩散结合处的强度与母材相当，因此本发明提供的传热元件能够耐受很高的压力。
所述步骤1所述金属板片的材质由工艺设计确定。
所述步骤4所述腐蚀加工过程的关键工艺参数包括腐蚀剂组分、腐蚀剂浓度、腐蚀温度、蚀刻时间，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定。
所述步骤7所述真空扩散焊接过程的关键工艺参数包括焊接时间、焊接温度、焊接压力，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定。
本发明的有益效果：
(1)耐高压。扩散焊接的加工工艺使得传热元件能够达到母材的强度，端板7厚度足够时传热元件可轻易耐受超过60MPa的操作压力，耐压能力与管壳式换热器相当。
(2)耐高温。传热元件采用全金属材质，使用高温合金时可耐受高达900℃的高温，耐温能力与管壳式换热器相当。
(3)传热系数大。本发明提供的交错通道结构传热元件同时具备三种强化传热功效，十分适用于传热能力较差的气体换热场合。与现有管壳式换热器相比，本发明提供传热元件的传热系数能够提升50％～500％。
(4)传热面积密度高。采用金属薄板作为换热板片以及采用微细的介质流道结构均有助于提高传热元件的传热面积密度。与现有管壳式换热器相比，本发明提供传热元件的传热面积密度能够增大50％～300％。
(5)结构紧凑、金属耗量小。高的传热系数、高的传热面积密度造就了高的紧凑度。本发明提供的交错通道结构传热元件与相同换热量的管壳式换热器相比，体积和重量仅为后者的1/4～1/6。
附图说明
图1为本发明的装配示意图。
图2为本发明的高温介质板片一1a倾斜流道介质板片结构图。
图3为本发明的高温介质板片二1b倾斜流道介质板片结构图。
图4为本发明的低温介质板片一2a倾斜流道介质板片结构图。
图5为本发明的低温介质板片二2b倾斜流道介质板片结构图。
图6为本发明中传热介质基本流动形态示意图。
图7为本发明中传热介质流动轨迹示意图。
图8为本发明中加工完成的传热元件外形图。
其中，1a和1b为配合使用的高温介质板片、2a和2b为配合使用的低温介质板片、3a和3b为高温介质集散段、4a和4b为高温介质流道、5a和5b为低温介质集散段、6a和6b为低温介质流道、7为端板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：一种交错通道结构耐高压强化传热元件，由若干高温介质板片一1a和高温介质板片二1b、若干低温介质板片一2a和低温介质板片二2b以及若干端板7沿板厚方向堆叠布置组合而成，所述高温介质板片一1a、高温介质板片二1b以及低温介质板片一2a、低温介质板片二2b均为金属薄板，所述端板7为金属中厚板，所述板片高温介质板片一1a、高温介质板片二1b、低温介质板片一2a、低温介质板片二2b和端板7的长度、宽度均相等。
所述高温介质板片一1a的下表面设置有高温介质集散段一3a以及高温介质流道一4a；所述高温介质板片二1b的上表面设置有高温介质集散段二3b以及高温介质流道二4b；所述低温介质板片一2a的下表面设置有低温介质集散段一5a以及低温介质流道一6a；所述低温介质板片二2b的上表面设置有低温介质集散段二5b以及低温介质流道二6b。
如图2所示：所述高温介质流道一4a位于高温介质板片一1a下表面的中部位置(沿板长方向)，高温介质流道一4a由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道一4a相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，高温介质流道一4a与主流方向交错角为α1，α1的大小介于零到九十度之间；微通道当量直径越小，传热元件强化传热效果越显著，但阻力损失会迅速增大；微通道间距越小，传热元件越紧凑、金属耗量越少，但设备结构强度会被削弱。
所述高温介质集散段一3a位于板片1a下表面的端部位置(沿板长方向)，高温介质集散段一3a包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与高温介质流道一4a两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道一4a的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道一4a的宽度相等。
如图3所示：所述高温介质流道二4b位于高温介质板片二1b上表面的中部位置(沿板长方向)，高温介质流道二4b由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道二4b相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，高温介质流道二4b与主流方向交错角为α2，α2的大小介于零到九十度之间；微通道当量直径越小，传热元件强化传热效果越显著，但阻力损失会迅速增大；微通道间距越小，传热元件越紧凑、金属耗量越少，但设备结构强度会被削弱。
所述高温介质集散段二3b位于高温介质板片二1b上表面的端部位置(沿板长方向)，高温介质集散段二3b包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与介质流道4b两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道二4b的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道二4b的宽度相等。
所述一块高温介质板片一1a与一块高温介质板片二1b配合使用，每块高温介质板片一1a和高温介质板片二1b上下层叠、紧密贴合布置，高温介质板片一1a和高温介质板片二1b间的空腔构成一个高温介质流动腔，每个高温介质流动腔包括高温介质集散段一3a、高温介质集散段二3b、高温介质流道一4a、高温介质流道二4b四部分，其中高温介质集散段一3a和高温介质集散段二3b长宽相等、位置相同，它们作为高温介质在板片上的进出口承担着介质汇集和分散的作用，高温介质流道一4a和高温介质流道二4b长宽相等、位置相同，它们承担着传递热量的作用，高温介质流道一4a和高温介质流道二4b与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。此种交错通道结构能够强化传热的原因有三：交错流道高温介质流道一4a和高温介质流道二4b互为扰流件，对流道内的流动互相施加周期性扰动，使得介质流动边界层发生周期性中断和再附着，抑制了层流底层的发展、减小了该处的导热热阻；交错流道4a和4b中上下两股交叉流之间的剪切作用诱发了湍流、涡流以及剧烈的混合，从而强化了传热；介质流道采用较小的当量直径(≤5mm)，强化了传热。
所述高温介质流道间交错角度对介质基本流动形态影响显著。以高温介质流道一4a和4b为例：如图6(a)所示，当交错角α1+α2≤90°时介质呈折线形流动—介质一直沿4a的微通道流动(实线所示)，直至碰到侧壁面后被“反弹”并转变方向至4b的微通道继续流动(虚线所示)；如图6(c)所示，当交错角α1+α2≥160°时介质呈Z形流动—此时介质仍主要沿4a和4b的微通道流动，但流动方向的转变发生在4a和4b的接触点之间(如图6中A、B、C、D点)，此时介质呈现曲折向前的流动形态；如图6(b)、图7所示，当交错角90°<α1+α2<160°时折线形和Z形流动同时存在—位于微通道沟槽底部附近的介质受到交叉流股间的剪切作用影响较小而呈现折线形流动(图7中心线所示)，位于微通道沟槽顶部附近的介质受到交叉流股间的剪切作用影响较大而呈现Z形流动(图7点划线所示)。交错角度越大，交叉流股间的剪切阻滞作用越强烈，产生的二次流强度越大，传热性能越强，但阻力损失也越大。
如图4所示：所述低温介质流道一6a位于低温介质板片一2a下表面的中部位置(沿板长方向)，低温介质流道一6a由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道一6a相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，低温介质流道一6a与主流方向交错角为β1，β1的大小介于零到九十度之间；微通道当量直径越小，传热元件强化传热效果越显著，但阻力损失会迅速增大；微通道间距越小，传热元件越紧凑、金属耗量越少，但设备结构强度会被削弱。
所述低温介质集散段一5a位于板片2a下表面的端部位置(沿板长方向)，低温介质集散段一5a包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道一6a两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道一6a的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道一6a的宽度相等。
如图5所示：所述低温介质流道二6b位于低温介质板片二2b上表面的中部位置(沿板长方向)，低温介质流道二6b由若干条相互平行的微细直通道(微通道)等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道二6b相对于介质主流方向(板片长度方向)倾斜布置，低温介质流道二6b与主流方向交错角为β2，β2的大小介于零到九十度之间；微通道当量直径越小，传热元件强化传热效果越显著，但阻力损失会迅速增大；微通道间距越小，传热元件越紧凑、金属耗量越少，但设备结构强度会被削弱。
所述低温介质集散段二5b位于低温介质板片二2b上表面的端部位置(沿板长方向)，低温介质集散段二5b包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道二6b两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道二6b的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道二6b的宽度相等。
所述一块低温介质板片一2a与一块低温介质板片二2b配合使用，每块低温介质板片一2a和低温介质板片二2b上下层叠、紧密贴合布置，低温介质板片一2a和低温介质板片二2b间的空腔构成一个低温介质流动腔，每个低温介质流动腔包括低温介质集散段一5a、低温介质集散段二5b、低温介质流道一6a、低温介质流道二6b四部分，其中低温介质集散段一5a和低温介质集散段二5b长宽相等、位置相同，它们作为低温介质在板片上的进出口承担着介质汇集和分散的作用，低温介质流道一6a和低温介质流道二6b长宽相等、位置相同，它们承担着传递热量的作用，低温介质流道一6a和低温介质流道二6b与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。低温介质流道间交错角度对流动形态、传热性能、阻力损失的影响同高温介质通道，此处不再赘述。
所述一对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b与相邻一对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b之间可布置一对或多对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b；一对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b与相邻一对低温介质板片一2a、低温介质板片二2b之间可布置一对或多对高温介质板片一1a、高温介质板片二1b。
所述高温介质流道一4a、高温介质流道二4b以及低温介质流道一6a、低温介质流道二6b横截面形状为三角形、梯形、矩形、半圆形、半椭圆形、U形中的任意一种。
所述高温介质集散段一3a、高温介质集散段二3b与低温介质集散段一5a、低温介质集散段二5b的介质进出口(窄凹槽在板片端部开口)位置应错开足够的距离，为高、低温介质集箱的安装留出充足的空间。
如图8所示：一种交错通道结构耐高压强化传热元件的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：将金属薄板和金属中厚板按照设计的规格尺寸切割，得到金属板片毛坯；
步骤2：将板片毛坯表面污渍清洗干净，得到洁净金属薄板和中厚板，常用的清洁处理方法包括有机溶剂清洁、碱性化学清洁、酸性化学清洁等；
步骤3：利用防蚀技术将图纸设计的流道结构复制到洁净金属薄板表面，形成一层防蚀层，保护无需腐蚀加工的金属表面，仅暴露出待加工表面，得到附着防蚀层的金属板片，防蚀技术包括照相制版防蚀、丝网印刷防蚀、移印防蚀、激光光刻防蚀等；
步骤4：配制腐蚀剂，将附着防蚀层的金属板片浸入腐蚀剂中或者将腐蚀剂加压雾化喷射至板片表面，在板片表面腐蚀加工出所设计的介质流道、集散段结构，得到附着防蚀层的蚀刻板片；
步骤5：板片蚀刻合格后，使用溶剂、碱液或其他清洁剂将板片表面防蚀层去掉，得到蚀刻板片(即高温介质板片、低温介质板片)；
步骤6：根据传热元件装配图纸要求将端板、蚀刻板片叠放组装并紧固，得到装配件；
步骤7：将装配件放入真空扩散焊接设备炉体内，升温并加压，通过高温高压下的原子扩散使得板片接触面实现固态接合，得到包含有流体流动通道的实心块体，即传热元件。在理想的焊接条件下，扩散结合处的强度与母材相当，因此本发明提供的传热元件能够耐受很高的压力。
所述步骤1所述金属板片的材质由工艺设计确定。
所述步骤4所述腐蚀加工过程的关键工艺参数包括腐蚀剂组分、腐蚀剂浓度、腐蚀温度、蚀刻时间，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定。
所述步骤7所述真空扩散焊接过程的关键工艺参数包括焊接时间、焊接温度、焊接压力，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定。
实施例：
将3mm厚304不锈钢薄板切割成24块300mm×180mm的板片，将12mm厚304不锈钢中厚板切割成2块300mm×180mm的板片；使用WP-760清洗剂对切割得到的26块板片毛坯进行表面清洁；采用照相制版防蚀技术，将1a图纸设计的结构转移到6块薄板片下表面、将1b图纸设计的结构转移到6块薄板片上表面、将2a图纸设计的结构转移到6块薄板片下表面、将2b图纸设计的结构转移到6块薄板片上表面，形成特定结构防蚀层，金属板片无需蚀刻加工的其他表面则全部制作防蚀层，防蚀层的主要成分为季戊四醇三丙烯酸酯聚合物；将100克FeCl3晶体溶于300毫升浓盐酸中，再加入1200毫升水稀释后即得到三氯化铁腐蚀剂，将黏附防蚀层的24块薄板片放在蚀刻机传送带上，利用耐酸泵将三氯化铁腐蚀剂加压喷射到板片表面，在60℃温度下经过60分钟蚀刻即可在板片上蚀刻出所设计的流道和集散段槽道；检查确定板片蚀刻合格后，将5％的NaOH溶液喷淋至板片表面，在60℃温度下经过100秒钟即可去除板片表面的防蚀层，得到蚀刻板；自下而上依次叠放端板7、蚀刻板2b、2a、1b、1a、2b、2a、1b、1a、2b、2a、1b、1a、2b、2a、1b、1a、2b、2a、1b、1a、2b、2a、1b、1a、端板7，将26块板片定位、对齐、压实、贴紧并紧固，得到装配件，如图1所示；将装配件装入真空扩散焊接设备炉体内，在900℃、10MPa条件下焊接6小时即可实现板片交界面处原子的扩散和晶界迁移，在交界面处形成了与金属基材没有区别的连接点，扩散焊接完成，传热元件加工完成，如图8所示。
按照上述步骤加工得到的交错通道结构耐高压强化传热元件为300mm×180mm×96mm的多孔金属长方形块体，其介质流道4a、4b、6a、6b长度为240mm、宽度为160mm、微通道为直径3mm的半圆、微通道间距为5mm、α1＝α2＝β1＝β2＝30°，介质集散段3a、3b、5a、5b深度为1.5mm、总长为30mm、窄凹槽宽度15mm、窄凹槽长10mm，高温介质集散段一3a、高温介质集散段二3b的介质进出口位于板片1a、1b的左下角和右上角，低温介质集散段一5a、低温介质集散段二5b的介质进出口位于板片2a、2b的左上角和右下角，高、低温介质进出口在板宽方向的间距为130mm。
将本实施例的强化传热元件与典型管壳式换热器用于同一个高压气-气换热场合，气体换热工艺参数见表1，两种换热器热力设计结果对比见表2。
表1
Figure BDA0002676486710000181
Figure BDA0002676486710000191
表2
Figure BDA0002676486710000192

Claims (10)

1.一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，由若干高温介质板片一(1a)和高温介质板片二(1b)、若干低温介质板片一(2a)和低温介质板片二(2b)以及若干端板(7)沿板厚方向堆叠布置组合而成，所述高温介质板片一(1a)、高温介质板片二(1b)以及低温介质板片一(2a)、低温介质板片二(2b)均为金属薄板，所述端板(7)为金属中厚板，所述板片高温介质板片一(1a)、高温介质板片二(1b)、低温介质板片一(2a)、低温介质板片二(2b)和端板(7)的长度、宽度均相等。
2.根据权利要求1所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述一块低温介质板片一(2a)与一块低温介质板片二(2b)配合使用，每块低温介质板片一(2a)和低温介质板片二(2b)上下层叠、紧密贴合布置，低温介质板片一(2a)和低温介质板片二(2b)间的空腔构成一个低温介质流动腔，每个低温介质流动腔包括低温介质集散段一(5a)、低温介质集散段二(5b)、低温介质流道一(6a)、低温介质流道二(6b)四部分，其中低温介质集散段一(5a)和低温介质集散段二(5b)长宽相等、位置相同，低温介质流道一(6a)和低温介质流道二(6b)长宽相等、位置相同，低温介质流道一(6a)和低温介质流道二(6b)与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。
3.根据权利要求1所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述高温介质板片一(1a)的下表面设置有高温介质集散段一(3a)以及高温介质流道一(4a)；所述高温介质板片二(1b)的上表面设置有高温介质集散段二(3b)以及高温介质流道二(4b)；所述低温介质板片一(2a)的下表面设置有低温介质集散段一(5a)以及低温介质流道一(6a)；所述低温介质板片二(2b)的上表面设置有低温介质集散段二(5b)以及低温介质流道二(6b)。
4.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述高温介质流道一(4a)位于高温介质板片一(1a)下表面的中部位置，高温介质流道一(4a)由若干条相互平行的微细直通道等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道一(4a)相对于介质主流方向倾斜布置，高温介质流道一(4a)与主流方向交错角为α1，α1的大小介于零到九十度之间；
所述高温介质集散段一(3a)位于板片(1a)下表面的端部位置，高温介质集散段一(3a)包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与高温介质流道一(4a)两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道一(4a)的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道一(4a)的宽度相等。
5.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述高温介质流道二(4b)位于高温介质板片二(1b)上表面的中部位置，高温介质流道二(4b)由若干条相互平行的微细直通道等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，高温介质流道二(4b)相对于介质主流方向倾斜布置，高温介质流道二(4b)与主流方向交错角为α2，α2的大小介于零到九十度之间；
所述高温介质集散段二(3b)位于高温介质板片二(1b)上表面的端部位置，高温介质集散段二(3b)包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与介质流道(4b)两端相接，L形凹槽深度与高温介质流道二(4b)的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与高温介质流道二(4b)的宽度相等。
6.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述一块高温介质板片一(1a)与一块高温介质板片二(1b)配合使用，每块高温介质板片一(1a)和高温介质板片二(1b)上下层叠、紧密贴合布置，高温介质板片一(1a)和高温介质板片二(1b)间的空腔构成一个高温介质流动腔，每个高温介质流动腔包括高温介质集散段一(3a)、高温介质集散段二(3b)、高温介质流道一(4a)、高温介质流道二(4b)四部分，其中高温介质集散段一(3a)和高温介质集散段二(3b)长宽相等、位置相同；高温介质流道一(4a)和高温介质流道二(4b)长宽相等、位置相同，高温介质流道一(4a)和高温介质流道二(4b)与主流方向呈相反的倾斜方向交错布置。
7.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述低温介质流道一(6a)位于低温介质板片一(2a)下表面的中部位置，低温介质流道一(6a)由若干条相互平行的微细直通道等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道一(6a)相对于介质主流方向倾斜布置，低温介质流道一(6a)与主流方向交错角为β1，β1的大小介于零到九十度之间；
所述低温介质集散段一(5a)位于板片(2a)下表面的端部位置，低温介质集散段一(5a)包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道一(6a)两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道一(6a)的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道一(6a)的宽度相等。
8.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述低温介质流道二(6b)位于低温介质板片二(2b)上表面的中部位置，低温介质流道二(6b)由若干条相互平行的微细直通道等间距并列组成，微通道当量直径大小为0.5～5mm，微通道长度、微通道个数由流动传热计算确定，微通道间距由强度计算确定，低温介质流道二(6b)相对于介质主流方向倾斜布置，低温介质流道二(6b)与主流方向交错角为β2，β2的大小介于零到九十度之间；
所述低温介质集散段二(5b)位于低温介质板片二(2b)上表面的端部位置，低温介质集散段二(5b)包括板片两端的两个L形凹槽，两个L形凹槽分别从板片两端向板片中部延伸至与低温介质流道二(6b)两端相接，L形凹槽深度与低温介质流道二(6b)的深度相等，每个L形凹槽由一宽一窄两段矩形凹槽组成，宽凹槽宽度与低温介质流道二(6b)的宽度相等。
9.根据权利要求3所述的一种交错通道结构耐高压强化传热元件，其特征在于，所述一对高温介质板片一(1a)、高温介质板片二(1b)与相邻一对高温介质板片一(1a)、高温介质板片二(1b)之间可布置一对或多对低温介质板片一(2a)、低温介质板片二(2b)；一对低温介质板片一(2a)、低温介质板片二(2b)与相邻一对低温介质板片一(2a)、低温介质板片二(2b)之间可布置一对或多对高温介质板片一(1a)、高温介质板片二(1b)；
所述高温介质流道一(4a)、高温介质流道二(4b)以及低温介质流道一(6a)、低温介质流道二(6b)横截面形状为三角形、梯形、矩形、半圆形、半椭圆形、U形中的任意一种；
所述高温介质集散段一(3a)、高温介质集散段二(3b)与低温介质集散段一(5a)、低温介质集散段二(5b)的介质进出口位置应错开足够的距离，为高、低温介质集箱的安装留出充足的空间。
10.基于权利要求1所述一种交错通道结构耐高压强化传热元件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将金属薄板和金属中厚板按照设计的规格尺寸切割，得到金属板片毛坯；
步骤2：将板片毛坯表面污渍清洗干净，得到洁净金属薄板和中厚板，常用的清洁处理方法包括有机溶剂清洁、碱性化学清洁、酸性化学清洁等；
步骤3：利用防蚀技术将图纸设计的流道结构复制到洁净金属薄板表面，形成一层防蚀层，保护无需腐蚀加工的金属表面，仅暴露出待加工表面，得到附着防蚀层的金属板片，防蚀技术包括照相制版防蚀、丝网印刷防蚀、移印防蚀、激光光刻防蚀等；
步骤4：配制腐蚀剂，将附着防蚀层的金属板片浸入腐蚀剂中或者将腐蚀剂加压雾化喷射至板片表面，在板片表面腐蚀加工出所设计的介质流道、集散段结构，得到附着防蚀层的蚀刻板片；
步骤5：板片蚀刻合格后，使用溶剂、碱液或其他清洁剂将板片表面防蚀层去掉，得到蚀刻板片(即高温介质板片、低温介质板片)；
步骤6：根据传热元件装配图纸要求将端板、蚀刻板片叠放组装并紧固，得到装配件；
步骤7：将装配件放入真空扩散焊接设备炉体内，升温并加压，通过高温高压下的原子扩散使得板片接触面实现固态接合，得到包含有流体流动通道的实心块体，即传热元件。在理想的焊接条件下，扩散结合处的强度与母材相当，因此本发明提供的传热元件能够耐受很高的压力；
所述步骤1所述金属板片的材质由工艺设计确定；
所述步骤4所述腐蚀加工过程的关键工艺参数包括腐蚀剂组分、腐蚀剂浓度、腐蚀温度、蚀刻时间，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定；
所述步骤7所述真空扩散焊接过程的关键工艺参数包括焊接时间、焊接温度、焊接压力，这些工艺参数根据金属板片材质、规格以及板片上的流道结构、尺寸确定。
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