CN102661670A - 一种超导纳米传热板式换热器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超导纳米传热板式换热器，由多个超导纳米板束焊接组合而成，所述板束由多个传热板片焊接而成并进行真空封闭，每个所述板束包括蒸发段和冷凝段，所述板束内填充有超导纳米介质。本发明将纳米技术应用到传热板导热液中，传导性更强，又在真空状态下进行相变，相变过程与波纹形状两者优势，形成强化换热，同时增加了传导液与波纹之间传热效率；本发明将传统的焊接板改成板束进行工艺调整创新，可在不同压力、不同温度、不同应用范围内进行高效的传热。

Description

一种超导纳米传热板式换热器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及传热和传质领域，特别是一种超导纳米传热板式换热器及其制造方法。
 
背景技术：
传统的热交换器都是采用两种不同的介质通过表面，在两种传热介质被动力驱动时，才能产生表面换热，不论是管式或板式都采用同一种模式，动力消耗很大，没有蒸发和冷凝的自然过程。在现时国际社会的能源短缺之时，节能装备是节能降耗的关键。不论采用什么形式的有效先进的监测方法最终还是由装备工艺过程实现不断改进创新才能提升一次能源或零能耗（低品位能源）充分利用，也包括余热的有效回收利用。超导纳米传热板式换热器与传统的换热设备有本质的区别，它是通过超导纳米溶液被加热后蒸发，在无阻力状态下发生相变；对板束内加热后传递给另外各种不同的介质，完成蒸发冷凝循环传热过程，所以在传热和传质换热领域是创新的高效节能换热设备。超导纳米传热板式换热器在国内外属首创，将传统的焊接板改成板束进行工艺调整创新，可在不同压力、不同温度、不同应用范围内进行高效的传热。这是解决落实提高经济效益，降低“单位”能耗关键。
 
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是为使传热器能在不同压力、不同温度、不同应用范围内进行高效的传热，旨在制造出一种新型的板式换热器。
本发明采用的技术方案是提供一种超导纳米传热板式换热器，由多个超导纳米板束焊接组合而成，所述板束由多个传热板片焊接而成并进行真空封闭，每个所述板束包括蒸发段和冷凝段，所述板束内填充有超导纳米介质。
本发明还提供一种超导纳米传热板式换热器的制造方法，该方法包括以下步骤：
1）采用数值模拟设计传热板片模具，确定传热板片的热效率及流动阻力，根据传热板片不同的材质物理性，对模具波纹角度及深度进行调整，进行冷压成型；
2）对成型后的板片进行探伤，采用超声波进行拉伸后减薄测量；
3）对成型的传热板片进行板束焊接，同时进行气密试验；
4）将超导纳米介质配置好后向板束内填充；
5）采用机械真空对所述板束进行真空封闭；
6）根据设计参数对板束数量加以确定，对超导纳米板束进行组合，并对组合后的板束进行整体气密或水压试验；
7）按照设计要求将组合后的板束装入壳体，进行整体压力试验检测。
本发明的有益效果是将纳米技术应用到传热板导热液中，传导性更强，又在真空状态下进行相变，相变过程与波纹形状两者优势，形成强化换热，同时增加了传导液与波纹之间传热效率。
附图说明：
图1是本发明中超导纳米传热板换热器的分离式结构；
图2是本发明中超导纳米传热板整体式换热器的整体式结构；
图3是本发明中的超导纳米传热板束示意图；
图4是本发明中的超导纳米传热板的示意图。
 
具体实施例：
超导纳米传热板传热功率的计算公式为：
Q=T1-T0/Re=T0-T2/Rc  （W）
   其中：Q-------热功率（W）
         T1------高温热源温度（℃）
         T0------工质蒸汽温度（℃）
         T2------低温冷源温度（℃）
         Re-----加热气化段的热阻（℃/W）
         Rc-----放热凝结段的热阻（℃/W）
其中工质蒸汽温度T0：
T0=1/2(T1+T2)+Q/2(Rc-Re)  （℃）
超导纳米传热板式换热器，由多个超导纳米板束焊接组合而成，所述板束由多个传热板片焊接而成。超导纳米传热板式换热器的板束将纳米溶液与其他液体混合后作为超导纳米介质（导热载体）。采用纳米溶液的优点是：纳米溶液受热后，在真空板束内迅速蒸发：利用低气压范围（一般在10-3—10-10torr）在蒸发腔内分子或者原子，彼此间不产生碰撞；在蒸发过程中生长表面没有活性；并且由于化学、力学、和输运现象控制平衡，实现可逆转化。
本发明中超导纳米介质采用纳米溶液与其他溶液（工作介质）混合而成，其中所述纳米溶液为氧化物浆液，如氧化硅浆液（SiO）、氧化铝浆液（Al2O3）、氧化铜浆液或以上浆液中两者或三者的混合浆液，也可以是其他的氧化物浆液，其中纳米颗粒直径为30nm,长度为10μm,纯度>90wt%。所述其他溶液是高纯水（H2O）、重铬酸钠（Na2Cr2O7·2H2O）、铵溶液、R134A中的一种；氧化物浆液与其它溶液的配比5‰（重量比）。在重力场中的沉降室纳米颗粒使超导纳米溶液在传热板底部浓缩胶粒发生硬球无序—有序相变放热并成三维有序结构。
超导纳米介质是一种高速度无阻力的传热元件，真空后在无阻
力状态进行相变导热，由蒸发段和冷凝段完成换热过程。参见附图1、2，板束内部为超导纳米介质，超导纳米传热板束在蒸发段受热后，其中板束内的超导纳米介质迅速蒸发成为热介质（液态变为气态是一个相变的过程），经分离管到达冷凝段。超导纳米热介质受冷后凝结成液体（即冷介质）。冷凝液在重力的作用沿传热板束内壁返回到蒸发段，并再次受热气化，如此循复。蒸发段与冷凝段的换热介质流动方向可任意，且蒸发段和冷凝段压力可以不同，在温度范围为-20℃—500℃内进行热传导，不同板束间蒸发段与冷凝段温差相同。
蒸发段和冷凝段可一体也可分离，附图1为分离式结构，附图2为整体式结构。两段超导纳米传热板束的材料可相同也可不同，可根据不同的介质与超导纳米板束的相容性和耐蚀性而确。有的纳米溶液在受热后对传热板片可能产生腐蚀，如不锈钢传热板片耐氯腐蚀，100℃时溶液中的氯离子>10pmm时传热板片很快出现腐蚀。
参见附图3，蒸发段和冷凝段的超导纳米传热板束为：2米（2000mm）宽，6米(6000mm)长，12mm厚，其上的真空管直径为10mm，长度为50mm，对所述板束采用真空封闭。
多个传热板片通过焊接工艺，焊接成板束，再将板束焊接组装成超导纳米换热器。组合板束可无限叠加，可实现装备大型化。超导纳米换热器的换热面积(F)的计算公式是：
Figure 682653DEST_PATH_IMAGE001
 (m2)
f--单板片换热面积（m2）
Figure 17819DEST_PATH_IMAGE002
--传热板片数量
超导纳米换热器在热力计算的前提下优化选用不同板型。超导纳米传热板式换热器耐压可以到达△P＞7MPa，并采用真空技术（真空度达到△P≥10-5Pa）。超导纳米换热器是高效热交换设备，传热速度快，能在2-15秒内完成导热过程。
超导纳米换热器传热计算模式如下：
传热的基本方程式为：
Figure 684424DEST_PATH_IMAGE003
           
  传热系数-------
Figure 763238DEST_PATH_IMAGE004
（w/m2℃）
  对数平均温差------
Figure 261216DEST_PATH_IMAGE005
（℃）
  换热面积  ---------
Figure 767283DEST_PATH_IMAGE006
（m2）
传热系数总系数关系式：
Figure 921184DEST_PATH_IMAGE007
式中   -----板片热侧流体传热热阻
      
Figure 156173DEST_PATH_IMAGE009
-----热侧换热系数
Figure 98722DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 474339DEST_PATH_IMAGE011
-----污垢层热阻， 
    
Figure 894956DEST_PATH_IMAGE012
Figure 367526DEST_PATH_IMAGE013
传热单元数NTU的计算如下：
Figure 579775DEST_PATH_IMAGE015
Figure 804083DEST_PATH_IMAGE016
Figure 131159DEST_PATH_IMAGE017
Figure 415510DEST_PATH_IMAGE018
传热板片是采用各种不同金属板材料：DC04(碳钢)、Or18N.9T(不锈钢)、B10/B30(铜质合金)以及254SM（不锈钢的一种）压制成高效的传热片，所述板片的深度为0.4—1.0mm,并将上述不同材质压制成高效的传热片焊接成板束。板片焊接组合成板束可无限叠加，单台最大组合面积：F＞104㎡。
其中板片的焊接是采用光电跟踪熔焊而成，只需将不同宽度的板片，在焊接前输入到计算机控制系统中，可完成全部焊接工艺过程。超导纳米传热板束是采用全自动光电跟踪焊接专用设备焊接而成。通过计算机控制，可以解决板式换热器换热板片组件的现场的在线的全自动化焊接，实现单焊枪的并联的实时焊接，大大提高焊接速度，有效地保证焊接质量。
超导纳米传热板式换热器的制造方法，步骤如下：
1）采用数值模拟设计传热板片模具，确定传热板热效率及流动阻力，根据传热板片不同的材质物理性，对模具波纹角度及深度进行调整，进行冷压成型。从热力学角度讲波纹深度选择在1.5—6.5mm,硬板型波纹角度大于120度，NTU值可达到7，端差不超过1℃。软板型波纹角度不大于120度，阻力降小，NTU值不大于4.端差大。
2）对成型后的板片进行探伤，采用超声波进行拉伸后减薄测量。
3）对成型的传热板片进行板束焊接，同时进行气密试验。
4）将超导纳米介质配置好后向传热板束内填充。
5）采用机械真空对所述板束进行真空封闭。
6）根据设计参数对板束数量加以确定，对超导纳米板束进行组合，并对组合后的板束进行整体气密或水压试验。
7）根据有关工况条件和技术要求，对超导纳米板式换热器进行设计，按照设计要求将组合后的板束装入壳体，进行整体压力试验检测。蒸发段与冷凝段的壳体材料，可根据工艺技术要求的不同而选择。
因为是将纳米技术应用到传热板导热液中，传导性更强，又在真空状态下进行相变，相变过程与波纹形状两者优势，形成强化换热，同时增加了传导液与波纹之间传热效率，使纳米传热优势与波纹板的传热优势都得以体现，并形成优势叠加，因此超导纳米传热板式换热器，与传统的换热设备有着本质的区别。
导纳米板式换热器是高效的换热设备，通过热传导进行换热的热交换装置，结构简单，维护方便，适应范围广。是一种多形式组合的换热设备，在-20-500℃的任何换热条件下都可以换热。安装简单。适用于石化、电力、治金、国防、民用等众多领域的纳米传热板式换热。可根据不同工况技术要求而变动；可以一体也可分体，灵活性强，不影响换热效设备的工作效率，承压能力也可以在不同工艺条件下改变，换热板材质、波纹型式都有多种选择，也减少了制造成本，提高热传导效率，为国内外最先进的换热设备。

Claims (18)

1.一种超导纳米传热板式换热器，由多个超导纳米板束焊接组合而成，所述板束由多个传热板片焊接而成并进行真空封闭，每个所述板束包括蒸发段和冷凝段，其特征在于，所述板束内填充有超导纳米介质。
2. 根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述超导纳米介质由纳米溶液和其他溶液混合而成。
3. 根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述纳米溶液为氧化物浆液，所述纳米颗粒直径为30nm。
4. 根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述氧化物浆液为氧化硅浆液、氧化铝浆液、氧化铜浆液或上述浆液中两者或三者的混合浆液。
5. 根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述其他溶液为高纯水（H2O）、重铬酸钠（Na2Cr2O7·2H2O）、铵溶液、R134A中的一种。
6. 根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述氧化物浆液与其它溶液的重量配比为5‰。
7. 根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述蒸发段和冷凝段的板束长为6m，宽为3m。
8.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器的真空度达到△P≥10-5Pa，耐压值大于7MPa，耐温范围在-20℃-500℃。
9. 根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，传热板片是由DC04(碳钢)、Or18N.9T(不锈钢)、B10/B30(铜质合金)以及254SM压制而成。
10.  根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述蒸发段和冷凝段为一体或者分离。
11. 一种超导纳米传热板式换热器的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）采用数值模拟设计传热板片模具，确定传热板片的热效率及流动阻力，根据传热板片不同的材质物理性，对模具波纹角度及深度进行调整，进行冷压成型；
2）对成型后的板片进行探伤，采用超声波进行拉伸后减薄测量；
3）对成型的传热板片进行板束焊接，同时进行气密试验；
4）将超导纳米介质配置好后向板束内填充；
5）采用机械真空对所述板束进行真空封闭；
6）根据设计参数对板束数量加以确定，对超导纳米板束进行组合，并对组合后的板束进行整体气密或水压试验；
7）按照设计要求将组合后的板束装入壳体，进行整体压力试验检测。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述板束包括蒸发段和冷凝段，蒸发段和冷凝段的板束长为6m，宽为3m。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述超导纳米介质由纳米溶液和其他溶液混合而成，所述纳米溶液与其它溶液的重量配比为5‰。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述纳米溶液为氧化物浆液，所述纳米颗粒直径为30nm。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述氧化物浆液为氧化硅浆液、氧化铝浆液、氧化铜浆液或上述浆液中两者或三者的混合浆液。
16. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述其他溶液为高纯水（H2O）、重铬酸钠（Na2Cr2O7·2H2O）、铵溶液、R134A中的一种。
17. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述换热器的真空度达到△P≥10-5Pa，耐压值大于7MPa，耐温范围在-20℃-500℃。
18. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述传热板片是由DC04(碳钢)、Or18N.9T(不锈钢)、B10/B30(铜质合金)以及254SM压制而成。
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