CN101738125A

CN101738125A - 一种微通道换热器芯片及具有分布式端口结构的微换热器

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Publication number: CN101738125A
Application number: CN200810228549A
Authority: CN
Inventors: 陈光文; 李恒强; 焦凤军; 袁权
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: CN101738125B

Abstract

一种具有分布式端口结构的微通道换热器。由：(一)冷、热流体的通道芯片；和，(二)具有流体通路孔的传热板，以及，(三)带有流体通道的金属封板构成。每种流体芯片的结构及尺寸相同，两种流体芯片的通道结构对称；第一种流体芯片的一对角区设第二种流体芯片上流体的通路孔；每个芯片上的流体通道的端口区为多通道结构，并与相邻传热板和芯片上的通路孔区形成分布式出入口。本发明换热器除具有微通道换热器高传热特性优点外，还具有快速分散流体介质成极细小流体单元的特性，适合集成于大规模反应器单元，尤其适用于具有高蒸汽压流体的换热。

Description

一种微通道换热器芯片及具有分布式端口结构的微换热器

技术领域

本发明涉及微尺度结构的换热器，具体说是一种具有分布式端口结构的微通道换热器。

背景技术

液氨吸收工业过程中的换热器目前主要为管板式换热器，由于其通道尺度大，热阻大、液体流体的换热系数仅为数百W·m^-2·K^-1。氨水的蒸汽压力较高，减压后易使蒸汽压快速增加，因而其换热器的进口端经常被设计成浮头式，以快速响应这种变化，避免对换热器造成较大冲击破坏。但浮头式端口结构使其密封性受到考验。而且单位体积的传热面积小，换热效率低，因而体积庞大。

微通道换热器，由于其通道特征尺度在微米至毫米级尺度，具有很高的传热特性，液体的传热系数高达10³～10⁵W·m^-2·K^-1。

Swift et al.(US 4516632)公开了一种错流式微通道热交换器，并特别应用于早期的一种称为“Stirling engine”的热机，以开槽和未开槽金属平板相间组成，换热器进口及出口存在较大空腔，空腔处易局部累积热量，不利于热量快速分散，且使用氢气氛下铜焊技术限制了该换热器对于腐蚀性流体的应用(如液氨吸收工业过程中换热)。通道为单侧式，致使以相同数量的平板，却未能使特征尺度最大化，造成资源浪费及微反应器质量较大。

Lovette et al.(US 7156159B2)报导了一种多层微通道换热器，采取了多开口的“U”型通道结构，并在“U”型通道壁内设置真空空隙，或采取热导率小的材料填充空隙，这种换热器结构复杂，加工及封装都较困难，且采用半导体材料的热流层板增加制备成本。

本发明提供了具有分布式端口结构的微通道换热器，其制备过程简单、成本低、易压合封装且易调变尺寸，换热效率高；将微通道换热器用于大规模氨水调配工业过程中的换热尚未见文献报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效的微通道换热器，以适应于具有腐蚀性流体且流体具有较高蒸汽压的流体(如氨水)换热。它是通过在金属平板上蚀刻通路孔和流体通道芯片的方法，并按序堆叠构成一种具有分布式端口结构的微换热器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

制备一种微通道换热器芯片：在金属平板上蚀刻有通路孔和流体微通道，通道的端口区仍为多通道结构，且端口区通道为双面透刻的平行微通道。

所述端口区通道区域跨度与通路孔尺寸完全一致。

所述平板厚度为0.2～2.0mm，更优选板厚为0.4～1mm，流体通道为1条或1条以上的微通道，微通道的当量直径为50-3000μm。

由上述结构芯片板及封板组装成微换热器。芯片的数量为2个或2个以上，芯片总量≤200片；若芯片上延伸至端口区的内部通道为双面贯通的，在两种流体芯片间夹设只有通路孔的传热薄盲板，换热芯片由传热薄盲板分隔交替堆叠；在芯片和传热板上均设换热流体的通路孔，第一种流体芯片上的端口通道与相邻第二种流体芯片及传热板上的通路孔，形成微换热器的分布式端口结构。

其中，两种换热流体芯片外观及通道尺度相同、结构对称，与传热板皆为外形尺寸相同的方形薄板；在传热板上的四个角区设通路孔。

换热流体的通道阻力降可通过堆叠同尺寸不等数量的流体芯片调变。

本发明换热器除具有微通道高传热特性外，还具有下述特性：

1.对于具有较高蒸汽压的流体，一般在管路输送过程中，都是保持一个相对较高的压力，直至输送终端。常规换热器在端口处常常存在较大尺度的空腔，高蒸汽压流体在空腔内迅速减压冲击换热器体，产生剧烈震动；并且流体浓度改变，将大量气泡带入换热器通道中，降低换热性能。本发明将通路孔与通道交叉堆叠，流体进入换热器瞬间便分割成若干股极细的流体流，因而可完全避免这种高蒸汽压热流体“敲缸”震动。

2.通路孔与通道交叉结构，可降低平板在高温高压制备过程中的扭曲变形。显而易见，通道间的支撑壁是通过传递和分散端口周边平板的热应力及机械应力发挥作用。

3.传热板的介入，一方面使现有的化学蚀刻深度突破单侧最大工艺深度，通道可以透刻，再者强化传热作用，更有利扩散焊接。

附图说明

图1为换热器构件及芯片结构示意。

图2为微通道换热器构件层叠方式示意图。

图3为芯片通路孔与端口分布通道的其中两种堆叠方式及流动途径，按换热芯片上内部流体通道分透刻和单侧蚀刻，相应加设传热盲板和不设传热盲板两种方式下，芯片上的通路孔与端口分布通道的两种堆叠方式及流动途径；其中，A为换热器中第二流体芯片(12)上的流体，B为第一流体芯片(11)上的流体。

具体实施方式

本发明微通道换热器。由：(一)冷、热流体的通道芯片；和，(二)具有流体通路孔的传热薄盲板，以及，(三)带有流体通道的金属封板构成。每种流体芯片的结构及尺寸相同，两种流体芯片的通道结构对称，尺寸相同；第一种流体芯片的一对角区设第二种流体芯片上流体的通路孔；每个芯片上的流体通道的端口区为多通道结构，并与相邻传热板和芯片上的通路孔区形成分布式出入口。

本发明微通道换热器金属芯片1采用不锈钢等金属或聚四氟乙烯等高分子的薄板材质。由化学蚀刻(包括双面透刻和单侧蚀刻)技术在芯片上加工出流体通道3、通路孔2。每个芯片上的流体通道端口区4在芯片的对角处，为多通道结构，且处于端口区4的通道透刻，端口间流体通道3可透刻也可单侧蚀刻。

当端口内部流体通道为透刻加工时，在微通道平板芯片间加设传热薄盲板5，将两种流体的通道芯片(第一流体芯片11、第二流体芯片12)与传热薄盲板5顺序堆叠，由封板6于它们的二端封装成本发明的微通道换热器，第一流体芯片上的端口区通道与相邻第二流体芯片及传热薄盲板上的通路孔，形成微换热器的分布式端口结构，相应的第二流体芯片上的端口区通道与相邻第一流体芯片及传热薄盲板上的通路孔，也形成了微换热器的分布式端口结构。

微通道芯片厚度可以选择0.2～2.0mm间市售规格，优选板厚为0.4～1mm，薄板片有利于制备当量直径更小的微通道，对于易挥发出气体的氨水流体是有益的，小通道能降低其气化速率。同时，因为化学蚀刻较难加工深度大于1.0mm的通道，而精密机械加工方法难以满足批量生产要求，因而芯片厚度最大不能大于2mm(深度大于1.0mm的大深宽比微通道可采取线切割或热压等法获得)。

本发明换热器微通道芯片除端口区多通道为双面贯通透刻外，端口区间的传热通道也可透刻，以获取较大的深宽比微通道强化传热，因而需要在冷、热流板间设置分隔板(传热薄盲板)，同时起到传热作用。传热薄盲板的两组对角区设流体流动通道，本发明称为通路孔，通路孔可以用任意方便加工的形状，但要跨越相邻芯片端口多通道的边界，以使相邻芯片上的端口多通道与之相通。传热板可以薄至0.1mm，可以是不锈钢材质，也可以是导热系数更大的其它耐温材料，薄传热板有利于芯片间扩散键合焊接。

对于不同的换热流体流量，可选择不同厚度的平板或数量不等的堆叠方式，以确保芯片两侧的垂直应力相当，保护换热器体。例如第一种流体流量大，则第一种流体芯片采用厚度较大的平板，或将两片第一种流体芯片的通道面扣合一起再组合一片第二种流体芯片板，这样相等当量直径的两种流体芯片，在这种叠加制备所形成的一个换热单元，第一种流体通道当量直径为第二种流体通道当量直径的2倍。

本发明换热器封装可依芯片材料选取不同的方法，此技术及通道加工技术为本领域技术人员所熟知，不属本发明的范围。

实施例1

用以构成微通道换热器的芯片、传热板及封板如附图1示。

图3(2)为本实施的带有传热板组装的换热器内部端口堆叠及流体流动方向示意图。两种流体微通道芯片各50片，以及100片传热板，外形尺寸为250×190×106mm。每块盖板上各有两个通路孔，一个为冷流体通路孔，一个为热流体通路孔，通路孔直径为38mm。因热流体流量大，故热流体芯片厚度采用较大的1.0mm不锈钢板，冷流体芯片板厚0.6mm，通道宽度相等为4mm，相应的热流通道及冷流通道的当量直径分别为1.6和1.04mm，通道比表面积分别为2500和3833m²/m³；每片芯片上的流体通道12条，通道总长400mm，通道间支撑壁宽度2mm。传热板四角处设通路孔，跨度与延伸至此区域的芯片A或B上的第一条至第十二条端口通道间宽度相等，单片厚度0.1mm，以水为流动流体，在流量7t/h时流体侧通道压力降0.95kg/cm²。利用本发明如上所述几何参数的微换热器，已在10t/h氨水调配工业现场成功应用。

实施例2

不设传热板，微通道芯片除端口处，内部流体通道单侧加工，按图3(1)的堆叠方式制作具有分布式端口结构的微通道换热器。外形尺寸90×90×57mm，封板及芯片板设通路孔，封板进口直径为20mm。热流和冷流芯片板单侧通道以化学刻蚀加工，深分别为0.4和0.2mm，宽2mm，其相应的热流通道及冷流通道的当量直径分别为0.67和0.36mm，通道比表面积分别为6000和1100m²/m³；在500W的热空气流量下，以水为换热流体的传热效率最高达99％，水出口温度大于50℃时的传热效率为94％。

以实施例1为例简述本发明微换热器的工作方式，如下：

由所述换热器层叠方式可见，热流体B在进入其芯片内部通道前，自封板的圆形通路孔(61或62)流入，穿过第一块传热板矩形通路孔，被第一块热流体芯片端口分布通道分割成12股极细流体流，经过六次折流流向的改变流出，第一块芯片通道仅负担热流体总流量的五十分之一。热流体B在经过第一块其芯片的端口分布通道后，再依次穿过第二块传热板通路孔、冷流体芯片通路孔、第三块传热板到达第二块热流体的芯片……。这样，热流体在其第一块芯片至第五十块芯片通道中被迅速分散，每个热流体芯片内的一条通道内流量为总流量的1/(12×50)。

表1本发明微通道换热器与管壳式、板式换热器的主要性能参数比较

表2本发明微通道换热器的传热性能

换热器尺寸mm×mm	热流量kJ/s	入口温度K	热效率η％
换热器尺寸mm×mm	热流量kJ/s	入口温度K	热效率η％	250×190	46.44¹	331	66.7
90×90	0.500²	416	82.6	250×190	46.44¹	331	66.7
90×90	0.500²	416	82.6	75×75	0.605²	546	77.8

1、工厂侧线实验数据(冷却水的流量为热氨水的1/2)；

2、实验室数据。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种微通道换热器芯片，其特征在于：所述芯片(1)为蚀刻有通路孔(2)和流体通道(3)的金属平板，且流体通道(3)的二端作为流体端口区(4)，端口区(4)为多通道结构，且端口区通道为双面透刻的微通道。

2.按照权利要求1所述微换热器芯片，其特征在于：所述端口区(4)通道区域跨度与通路孔区域形状及尺寸大小完全一致。

3.按照权利要求1所述微换热器芯片，其特征在于：所述平板厚度为0.2～2.0mm，更优选板厚为0.4～1mm，流体通道为1条或1条以上的微通道，微通道的当量直径为50-3000μm。

4.一种具有分布式端口结构微换热器，包括二封板(6)及至少两片叠压于其间的权利要求1所述结构的换热芯片(1)，其用于两种流体间的换热，其特征在于：

所述芯片(1)的数量为2个或2个以上，且芯片总量≤200片。

5.按照权利要求4所述微换热器，其特征在于：

若芯片(1)上内部微通道(3)为双面贯通的，在两芯片间夹设只带有通路孔(2)的传热薄盲板(5)，换热芯片(1)由传热薄盲板分隔交替堆叠；

在芯片(1)和传热薄盲板(5)对角区域处均设换热流体的通路孔，第一流体芯片上的端口通道与相邻第二流体芯片及传热板上的通路孔，形成微换热器的分布式端口结构。

6.按照权利要求4所述微换热器，其特征在于：所述两种流体芯片通道尺度相同、结构对称；所述芯片及传热薄盲板为大小相同的方形薄板；在传热薄盲板上的四个角区(4)设通路孔。

7.按照权利要求4所述微换热器，其特征在于：换热流体的通道阻力降可通过堆叠同尺寸不等数量的流体芯片调变。