CN102575905A - 用于制造热交换器板束的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造热交换器的板束(40)的方法，其中板束(40)由板(41)的堆叠形成。所述方法包括：通过加工减小各板的初始厚度；同时至少在板(41)的边缘设置至少一个连接包边(45)，且连接包边(45)的高于加工后的板(41)的厚度；在板(41)的中心部位形成波纹(42)；将板(41)成对叠置，通过焊缝(50)将与每对板(41)接触的包边(45)连接起来；叠置成对的板(41)，通过密封焊缝(50)连接与成对的板(41)接触的包边(45)，且叠置所述流体交替流入或流出的开口端或封闭端。

Description

用于制造热交换器板束的方法
技术领域
本发明涉及一种制造热交换器紧凑型板束的方法，其中该热交换器在高压和/或高温条件下工作。
本发明还涉及一种板式热交换器，该板式热交换器包括至少一个采用所述方法制造的板束。
背景技术
用于该类型热交换器的板束通常包含彼此平行的板的堆叠，且板之间限定有用于循环至少两路独立流体的回路。
板之间的流体循环可以是具有交叉流或逆流的会聚型，每个回路都连接至流体的进入集流器及返回集流器。
板束中的板具有多种增加流体之间热交换系数的方式。
关于这一点，已知平板组成的板束，其板和板之间插入由折叠薄金属片制成并钎接在板上的肋片。
对于高温应用(例如温度高于600℃)，使用金属填充物和薄肋片可能会带来问题。
实际上，由于金属填充物的熔点低于母材的熔点，板束的使用温度是受到限制的；并且使用具有与基材不同热机械特性的金属填充物，在接点处会出现缺陷。此外，当肋片非常薄时，例如其厚度不足0.5mm，从机械性能的角度而言，钎接过程中的晶粒粗化是不利的。
板束还可以由带有刻蚀通路的板的堆叠构成。
通过在板不需要刻蚀的部分设置保护性掩膜，然后对板进行化学刻蚀，以完成所述刻蚀。完成刻蚀后，通过焊接(尤其是通过扩散焊接)将各板组装在一起。
采用这种技术制造板束较复杂，且容易出现问题。
对镍基合金板进行化学刻蚀是非常困难的，生产者需采用费时长且成本高的机械加工技术，并且板上可刻制通路的几何空间很少。
此外，如果对镍基合金进行扩散焊接的话，需要对材料进行高温加热。实际上，通过均衡热压或轴向均匀挤压的方法，进行组装的板的温度都会升高到1000℃以上，这样该热处理会导致晶粒粗化，而与板材较薄的情况不兼容。
因为在整个交换区域各板被焊接在一起，通过该技术得到的板束非常坚硬，由于这个原因板束对于热瞬变的耐受性较低。
这两种板束的另外一个缺点在于：焊接头或钎接头设置在通路之间的整个交换区域中，而所述通路较细，导致无论是在板束的制造还是使用过程中都无法对这些接头进行检查。
例如FR-A-2 738 906中还提到一种由彼此平行的金属热交换板的堆叠组成的板束，该金属热交换板包括表面平滑的边缘及设置有波纹的中心部位，并与相连的板形成两个独立流体的逆流式双回路。
该类型板束中板的组装有两种方式，一种是将设置于各板边缘上的一组垫片焊在一起，以获得板之间必要的间隔；另一种是将发挥垫片作用的附加部件焊接到每块板的纵边上，然后将这些附加部件焊接在一起。
在第一种情形中，垫片的使用使焊接次数增加，而在组装后很难检查焊接的情况；另外，会在板束的侧壁上形成一道焊点墙。
在第二种情形中，使用附加部件也会导致焊接次数的增加，并且只能在板束制造过程中检查位于板束内部焊接点的情况。此外，焊接点的宽度可能是各板之间距离的下限，因而限制了板束的紧凑性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高温热交换器的紧凑板束；该板束避免了前面提到的缺点，并且可显著减少将不同板组装在一起的焊接次数。
因此，本发明的目的是提供一种制造热交换器紧凑板束的方法，其中，该板束由板的堆叠形成，在该板之间限定有两路独立流体的至少两条循环回路，且该板包括设置有波纹的中心热交换部位；该方法包括：
-通过加工减小该每块板的初始厚度，同时在该板的边缘和/或通管处设置至少一个连接包边，该连接包边的高度大于加工后该板的厚度；
-在该每块板的该中心部位形成波纹；
-通过将该板的该包边叠放在一起，使该板成对叠置；
-通过密封焊缝将与该每对板接触的该包边连接起来；
-通过将该成对的板该包边叠放在一起，将该成对的板叠置在一起；以及
-通过将该流体流入或流出的开口端或封闭端交替叠置，该密封焊缝将与该成对的板接触的该包边连接起来。
根据本发明的其它特征：
-通过对所述板至少一面进行加工，减小该每块板的初始厚度；
-通过对所述板的两面进行加工，减小该每块板的初始厚度；
-通过冲压或成型工艺，在所述每块板的中心部位形成所述波纹；
-加工后，所述板的厚度介于0.2mm和3mm之间；
-加工后，所述包边的高度取决于所述波纹的摆动振幅，且该包边的高度优选介于0.5mm和5mm之间；以及
-加工后，所述包边的厚度介于1mm和6mm之间。
此外，本发明的目的是提供一种板式热交换器，该板式热交换器包括抵抗内部压力的外壳，该外壳中设置至少一个板束，该板束由上述定义的方法制造得到。
附图说明
通过以下作为实例并且参照附图作出的说明，可更好地理解本发明。其中：
图1由图1A和图1B组成，是示例性热交换器的轴向剖面图，其中包括根据本发明方法制造的板束；
图2是图1热交换器板束的示意性透视图；
图3是板束中一对板的示意图；
图4由图4A至图4D组成，是板束中一块板的示意性截面图，示出了根据本发明制造方法的第一实施例的不同步骤；
图5由图5A至图5D组成，是板束中一块板的截面图，示出了根据本发明制造方法的第二实施例的不同阶段；
图6至图9是示意性截面图，示出了制造另一种板束的方法的不同步骤。
具体实施方式
图1所示的热交换器1作为实例，示出了一种设置有根据本发明制造方法制造的板束的非限制性实施例。
热交换器1用于高温(一般高于600℃)核反应堆中，以实现第一流体和第二流体之间的热交换。
第一流体是核反应堆中的初级流体，在核反应堆中的闭合回路里循环。第一流体先后穿过核反应堆的堆芯(图中未示出)和热交换器1，最终返回堆芯的入口。初级流体在反应堆的堆芯中被加热，然后以例如约850℃的温度流出堆芯。初级流体将部分热量传给热交换器1中的二级流体，并且以例如约400℃的温度从热交换器1中流出。
第二流体是核反应堆中的二级流体，在核反应堆中的闭合回路里循环。第二流体先后穿过热交换器1和燃气涡轮机(图中未示出)，以驱动发电机，然后返回热交换器1的入口。二级流体以例如约350℃的温度进入热交换器1，以例如约800℃的温度流出。
热交换器1包括：
-外壳2，具有基本垂直的中心轴X，且设置有初级流体的入口3和出口4以及二级流体的四个入口5和四个出口6；
-八个热交换板束40，设置于外壳2中，并在热交换板束40中实现初级流体和二级流体之间的热交换；
-环形集流器7，用于向板束40提供初级流体；
-集流器8，用于向板束40提供二级流体；
-环形集流器9，用于收集并排放流出板束40的初级流体；
-中央集流器10，用于收集并排放流出板束40的二级流体；
-输入室11，将二级流体分配至集流器8；及输出室12，将流出二级排放集流器10的二级流体分配至出口6；
-较低的内部设备11，一方面引导初级流体在集流器7和集流器9之间的流动，另一方面引导初级流体在入口3和出口4之间的流动；以及
-风扇14，安装在外壳2中，用于使初级流体循环。
外壳2包括缸体20，缸体20内设置有板束40和集流器7、集流器8、集流器9和集流器10。缸体20具有朝向顶部的孔21，以及用于密封孔21的可移除的盖22。二级流体的入口5位于缸体20的上部，并且规则分布在缸体20的同一圆周上。
二级流体的出口6位于缸体20的上部，但略低于入口5，并且规则分布在缸体20的同一圆周上。
唯一的螺孔位于缸体20的下部，穿过该螺孔形成初级流体的入口3和出口4。入口3和出口4同轴，且出口4环绕入口3。
通过凸状底部，缸体20在底部闭合，凸状底部具有圆形的以X轴为中心的中央孔，中央孔中固定有风扇14。
如图2和图3所示，板41的堆叠形成板束40，在板41之间设定有用于循环两路流体的两个回路，其中两路流体即图2中实心箭头表示的第一流体A及中空箭头表示的第二流体B。第一流体和第二流体在板的堆叠中的每两块板中的一块板的两侧交替循环。
每块板41包括设置有波纹42的中央热交换部，波纹与波纹之间形成促进流体之间进行热交换的通路43。
一般来说，通过图案(例如衬垫、棱纹、嵌入物或其它图案)形成波纹42，该图案经板变形得到。
形成板束40的堆叠中，第一流体和第二流体在每两块板中的一块板41两侧的通路43中交替循环。为了确定通路43的开口端46或封闭端47，每块板41具有突出于各纵向边41a和/或横向边41b的一个连续包边45或多个非连续包边45。纵向边41a和/或横向边41b上的包边45的设置取决于流体在板束40中板41之间的流动方向，同时还取决于流体流入集流器和流出集流器(图中未示出)的设置。
图3显示的纵向边41a和/或横向边41b上包边45的设置是一个示例性实施例，当然还可以有其它设置方式。
参考图4和图5，描述了制造板束40的方法的两种实施例。
如图4A所示，最初板41是平的，并且是等厚度的。
所述方法的第一步骤是(优选通过机械加工)减小板30的初始厚度，并在板的边缘，使包边45位于板41的纵向边41a和/或横向边41b上，从而获得板41。在板41的至少一个面上进行机械加工，例如铣削。
根据图4所示的第一实施例，通过对板30的两面进行机械加工减小板30的厚度，这样在去除外部区域46a和外部区域46b后保留了中间区域46，如图4B所示。图中非阴影区域表示已去除的材料。
接着，所述方法的第二步骤包括在每块板41的中心部位形成波纹42。
用所述方法制成板41后，通过将包边45叠放在一起，使板41成对叠置，并用密封焊缝50将与每对板41接触的包边45连接起来，如图4D所示。
接着，通过将成对的板的包边45叠放在一起，将成对的板41再次叠置，并用密封焊缝50将相互接触的包边45连接起来。
根据图5所示的第二实施例，为了得到板41，通过对板30的一面进行机械加工，减小板30的初始厚度，如图5A所示。图中非阴影区域表示已去除的材料。
在这种情况下，单一区域46a被去除，保留区域46位于包边45的一侧；而在前一个实施例中，包边45在保留区域46的两侧延伸。在第二实施例中，所述方法的后续步骤与前一个实施例的步骤相同，包括在板41的中心部位形成波纹42，然后成对叠置板41，再通过密封焊缝50连接与每对板接触的包边45。
然后通过将成对的板41的包边45叠放在一起，使成对的板叠置起来，且通过密封焊缝50连接与对板41接触的包边45。
每块板41的加工可以是例如铣削的方式，每块板41中心部位的波纹42可通过例如冲压或成型工艺形成。
作为示例，加工后，板41的厚度e1介于0.2mm和3mm之间，包边45的高度h1介于0.5mm和5mm之间，而包边45的厚度e2介于2mm和4mm之间。位于板41的两侧(图4C)或一侧(图5C)的包边45的柱脚45a的高度h2介于0.2mm和3mm之间。
一般情况下，根据波纹的摆动幅度确定包边的高度。
不同包边45的高度不必相等，而取决于包边45位于板束的受冷侧还是受热侧，或是位于两路流体位于流入集流器和流出集流器的受冷侧还是受热侧。
优选地，将板41两两组装并焊接在一起，由此形成的对板具有相同的尺寸，然后将该对板组装并焊接在一起，以形成最终的堆叠。通过该方法，能够避免考虑焊接过程中发生的收缩问题。实际上，如果通过在已焊接的板的堆叠上逐一添加板，由于焊接引起的收缩，要焊接的新板与已经焊接的板会具有不同的尺寸。
与板束40相连的流体流入集流器和流出集流器(图中未示出)，可直接集成到板束40中，或者可以具有额外形状的任何形式焊接在对应的板束40上。
图6至图9示出了板束40的另一个实例，其中每块板41均根据本发明的方法制造得到。
在该示例性实施例中，板束具有用于形成集流器的通管。
该实例中，将板束40的板两两连接起来，该两块板包括上板61和下板62。
此外在该实例中，机械加工每块板61和板62的两面，以去除部分材料，并保留具有确定厚度的部分(分别对应于得到的每快板61或板62的厚度)。在板61的纵向边和/或横向边上形成有一个或多个包边63，同时也在板62的纵向边和/或横向边上形成有一个或多个包边64。非阴影区域对应于已去除的材料。在该示例性实施例中，包边63和包边64仅在对应板(分别是板61和板62)的一侧延伸，即包边63在板61下方，包边64在板62上方。
在每块板61和板62上分别开有第二流体B的流入孔65和流出孔66，如图6所示。孔65和孔66分别围有包边67和包边68。
流入孔65和流出孔66叠置在一起形成通管。
接着，在每块板61和板62的中心部位形成波纹69，将这些板成对叠置。通过密封焊缝70连接彼此接触的包边63和包边64。
叠置按照此方法形成的成对的板61和板62，通过密封焊缝70连接与叠置的成对的板61和板62接触的包边63和包边64。
如图9所示，与每个孔65和孔66周围接触的包边67和包边68也由密封焊缝70焊接在一起。由此形成的板61和板62的堆叠安装在两块相对的厚板71和厚板72之间，厚板71和厚板72平行于成对的板61和板62。
图9所示的示例性实施例中，板61和板62的堆叠在板束40的一个侧面设置有第一流体A流入的区域A1，在相对侧设置有第一流体A在流过板束40的对应回路后流出的区域A2。流体A在对板中两个相邻板61和板62之间的通路中进行循环。流入区域A1连接至第一流体A流入的集流器(图中未示出)，流出区域A2连接至第二流体A流出的集流器(图中未示出)。
位于板61和板62中的孔65设定了第二流体B两个相对流入区域B1，位于板61和板62中的孔66设定了第二流体B在流过板束40的对应回路后的两个流出区域B2。第二流体B通过孔65进入，并且作为第一流体A的逆流，在对板中的板61和板62之间的通路中进行循环。每个区域B1都连接至第二流体B的流入集流器(图中未示出)，每个流出区域B2则连接至第二流体B在流过板束40后流出的集流器(图中未示出)。
流体A和流体B在板束40中对板的两块板之间交替循环。
当然还可有其它设置。
作为实例，制板的材料是镍基钢或不锈钢。通过钨极氩弧焊(TIG)法、或激光或电子束法进行焊接。
通过使用本发明的制造方法，对板进行加工后，得到的尺寸精确性比包括附加部件或垫片的板束更高。
通过焊接进行组装，能够消除在焊接区域和受热影响的区域之外，影响材料微结构的任何风险。
此外，焊接点只位于束板的边缘或者第二流体B循环的管道中(如图9所示的示例性实施例)。因此，由于可从外部查看位于边缘的焊接点以及通过第二流体的管道(图9的实例)查看，增加了针对热瞬变的灵活性，并方便对板束焊接点整体情况进行检查。
本发明中的方法可以消除焊接墙的设置以及额外部件的使用。因此该设置减少了焊接点的数量，增加了设备的可靠性，并且可以实现高质量的焊接。
最后，根据本发明的方法可以制造板间距小的板束，间距值可小于3mm。

Claims (9)

1.一种制造热交换器的紧凑板束(40)的方法，该板束由板(41；61，62)的堆叠形成，在该板(41；61，62)之间限定有两路独立流体的至少两条循环回路，且该板(41；61，62)包括设置有波纹(42；69)的中心热交换部位；其特征在于：
通过加工减小该每块板(41；61，62)的初始厚度，同时在该板(41；61，62)的边缘和/或通管(65，66)处设置至少一个连接包边(45；63，64；67，68)，该连接包边(45；63，64；67，68)的高度大于加工后该板(41；61，62)的厚度；
在该每块板(41；61，62)的中心部位形成波纹(42；69)；
通过将该板(41；61，62)的该包边(45；63，64；67，68)叠放在一起，使该板(41；61，62)成对叠置；
通过焊缝(50；70)将与该每对板(41；61，62)接触的该包边(45；63，64；67，68)连接起来；
通过将该成对的板(41；61，62)的该包边(45；63，64；67，68)叠放在一起，将该成对的板(41；61，62)叠置在一起；以及
将该流体流入或流出的开口端或封闭端交替叠置，通过该密封焊缝(50；70)将与该成对的板(41；61，62)接触的该包边(45；63，64；67，68)连接起来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述板(41；61，62)至少一面进行加工，减小该每块板(41；61，62)的初始厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述板(41；61，62)的两面进行加工，减小该每块板(41；61，62)的初始厚度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，通过冲压或成型工艺，在所述每块板(41；61，62)的中心部位形成所述波纹(42，69)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，加工后，所述板(41；61，62)的厚度介于0.2mm至6mm之间。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，加工后，所述包边(45；63，64；67，68)的高度取决于所述波纹(42，69)的摆动幅度，且该包边的高度优选介于0.5mm和5mm之间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，加工后，所述包边(45；63，64；67，68)的厚度介于1mm和4mm之间。
8.一种板式热交换器，其特征在于，该板式热交换器包括抵抗内部压力的外壳，该外壳中设置有至少一个板束(40)，该板束(40)由上述权利要求任一项所述的方法制造得到。
9.根据权利要求8所述的板式热交换器，其特征在于，该板式热交换器能够用于高温核反应堆。
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