CN105547019B - 一种非均匀分布肋片的高温高压板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非均匀分布肋片的高温高压板式换热器，由换热芯体，热流体进口与出口，冷流体进口与出口构成，其中芯体区分为入口导流段、强化传热段、减阻段及出口导流段四部分。进口导流段均采用扇形分布的减阻型肋片，有利于流体在换热器内分布均匀，出口段分布同类型翅片，减小流动阻力的同时可以起到支撑换热板的作用；沿流动方向芯体壁面采用正弦函数曲线结构，使壁面附近流体平滑地向换热中心流动，减小壁面附近漏流。本发明可以在流体传热能力最强时强化传热，在流体换热能力较差时强化减阻，可以有效提高换热器的综合换热特性，同时扇形减阻形肋片可改善换热器内流体分布均匀性，对换热器提供良好支撑，改进换热器安全性能。

Description

一种非均匀分布肋片的高温高压板式换热器

技术领域

本发明涉及一种在核能、热泵、制冷、萃取等领域使用，可承受高温高压的板式换热器结构，特别涉及一种包括肋片结构和排布形式为非均匀的印刷电路板换热器。

背景技术

板式换热器在核能、热泵、制冷、萃取等领域中应用广泛，是一种十分重要的换热设备。与20世纪初期广泛应用的传统管壳式换热器相比，板式换热器通常具有紧凑度高、有效传热面积大、换热性能优良等特点。为满足紧凑式设备及便携式系统等需求，传统的换热器形式无法满足对紧凑式装备的需求。

20世纪中期发展的钎焊板翅式换热器，其结构主要由基板和肋片两部分组成，通过添加钎料使基板与肋片紧密结合在一起，减小接触热阻，提高换热器的换热性能。因钎焊板式换热器在高温条件下热膨胀应力易导致换热器内部变形至失效，钎焊连接位置的填充钎料容易被腐蚀和发生高温蠕变等缺点，该类型换热器一般主要应用于600℃以下，压力不高于4MPa的条件，当其应用在更高温度和压力条件下时，存在很多安全隐患。

20世纪80年代，英国Heatric公司设计生产出一种印刷电路板板式换热器，该换热器换热板采用蚀刻方式一体成型，多块换热板采用扩散焊接构成芯体，该方法制造的换热器始终为一种材料，不会产生因不同材料热膨胀系数关系引起的残余应力，有非常强的承压能力，其抗拉伸强度达到母材本体强度。现有的印刷电路板换热器依据芯体核心换热区的流道形式主要分为两类，一类是采用直通道或Z字形的连续通道结构(US20060090887)；另一类芯体采用S型肋片或翼型肋片的独立肋片结构(US20090294113)。

然而，上述单一肋片结构印刷电路板换热器的肋片为一种均匀分布的肋片形式，换热器在高温高压条件下运行时，工质在跨临界区域进行热量交换，因工质在临界点附近换热能力显著提高，在临界点后其换热能力出现恶化的现象，换热器的有效换热面积并没有得到充分的利用；同时，均匀排布的肋片在工质换热性能较弱时，阻力更加突出，降低换热器的综合性能；另一方面，换热器内工质在壁面附近的泄露与不均匀分布，也会使换热器的换热量和换热性能下降，不能高效稳定运行。

发明内容

为克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种非均匀分布肋片的高温高压印刷电路板换热器结构形式，在换热性能较强区域分布强化换热型肋片，在换热性能较弱区域采用分布减阻型肋片，在进、出口位置分布非均匀排布的扇形导流肋片，沿流动方向壁面采用变弦长的正弦函数曲线。

本发明的技术方案是这样实现的：

热侧换热板与冷侧换热板交替叠加，四角位置形成热流体进口和热流体出口，冷流体进口和冷流体出口，两种换热板叠加形成的流体进口连接入口导流段，后依次连接强化换热段和减阻段，出口导流段，最后连接到流体出口，肋片分布在热侧换热板与冷侧换热板上，肋片是非均匀排列，其中强化换热段为分布紧密的强化换热肋片；减阻段为分布疏松的近似菱形，头部及尾部为尖角形状的减阻型肋片；入口导流段与出口导流段为扇形分布的减阻型肋片；两种换热板沿流体流动方向壁面为正弦函数曲面。

紧密的强化换热型肋片分布紧密，外形控制线相交；减阻型肋片分布疏松，外形控制线相离。

入口导流段与出口导流段采用扇形分布方式，在扇形面导流肋片为非均匀分布，即由直通流向位置指向另一侧，导流肋片逐渐变稀疏。

两种换热板沿流体流动方向为正弦函数曲面，该曲面为非均匀的正弦函数曲面，即进口位置到出口位置，弦长逐渐增大。

本发明相对于现有技术的优点与效果是：

①局部强化传热：流体在临界点附近换热系数最高，在此处增大传热面积，可有效提高总换热量。

③降低通道阻力：在换热较弱区域采用稀疏排布的减阻型肋片，增大了流体流通截面积，使工质流速减小，有助于降低阻力节省功耗。

②提高流动均匀性：换热器前段与后段分布扇形非均匀排布的导流肋片，可以有效改善工质在换热器内流动均匀性分布。

④减小壁面泄露流：壁面呈正弦函数形曲面，使进口位置的工质不易从壁面的缝隙直接流向出口，从而提高总换热性能。

综上所述，本发明具有以下优点：

①本发明可以实现局部强化传热，减小局部阻力，提高换热器综合性能；

②本发明可以高效利用换热器有效换热面积；

③本发明可以使换热器内流体分布更加均匀；

④本发明可以降低壁面附近漏流，增强避免扰动，提高换热量。

附图说明

图1是本发明换热器整体结构示意图。

图2是本发明中两种换热板肋片形式与非均匀肋片排布示意图。

图3是本发明中两侧流体芯体流道与进口分布示意图。

图4(a)(b)(c)是本发明中换热板减阻型改进肋片结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种非均匀排布肋片的高温高压换热器，其芯体部分由两种蚀刻通道呈中心对称的换热板交替层叠组成，热侧换热板与冷侧换热板上蚀刻的通道形式相同，且分布有非均匀分布的肋片。在工质临界点附近分布有换热面积较大，排布较密集的强化传热型肋片，在工质达到超临界后分布近似菱形的导流肋片。同时，两侧流体进出口位置分布呈扇形非均匀排布的导流肋片用以改善工质流动均匀性，在壁面蚀刻出周期非均匀的正弦波浪形曲面，可以有效减少壁面泄露流对换热器换热效率的影响。

参照图1所示，一种肋片非均匀分布的高温高压板式换热器包括：一个换热芯体1，连接芯体的四个进出口管道分别是热流体进口6与出口7，冷流体进口8与出口9，其中换热器芯体区分为入口导流段2、强化传热段3、减阻段4及出口导流段5四部分。该类型换热器的换热板可采用光化学蚀刻方法制备，易于实现复杂结构的非均匀分布形式，利用扩散焊方法对换热器进行整体焊接

参照图2所示，热侧换热板10与冷侧换热板11两侧蚀刻通道在同一轴线上并呈中心对称，肋片结构、排布方式呈非均匀分布，强化换热肋片分布于流体临界点附近，效果最佳，因此可根据跨临界流体临界点位置。热流体入口导流段2和冷流体导流段5的扇形导流肋片也呈非均匀排布，有利于均衡各方向流体背压，改善流动均匀度。同时肋片呈交错分布，有利于流体实现扰流。沿流动方向壁面采用变弦长正弦函数曲线，可有效减小换热器壁面附近流体泄露，增强换热器内流体扰动，起到强化换热作用。该换热器换热区肋片分布结构复杂机加工难度大，一般可采用光化学蚀刻方法蚀刻出流道，热侧换热板与冷侧换热板交替分布构成换热器芯体。

参照图3所示，热侧换热板10与冷侧换热板11的流体进出口位置分布相反，热侧流体与冷侧流体呈逆流换热。高压流体在拟临界点附近通过肋片较密集的强化传热段，流体换热后达到超临界状态后换热性能明显下降，通过分布较稀疏的减阻型肋片，有利于提高换热器综合换热性能，使换热器更加紧凑。

参照图4(a)所示，为减阻型改进异性肋片，其结构是将两个翼型相反放置，尾部相交而成的形状，中间突出，两侧为尖角。

参照图4(b)所示，为减阻型改进异性肋片，其结构是将翼型的头部改进为抛物线函数型结构，两侧为尖角，形似剑鱼，该类型肋片流线型好，迎风面积小。

参照图4(a)所示，为新型减阻型改进异型肋片，其结构是两对称翼首尾相接，取相交的扁平段，该类型肋片截面变化均匀，有利于导流。

参照图4(b)所示，为新型减阻型改进异型肋片，其结构是由抛物线及翼型相交部分组成的改进肋片结构，该类型肋片有利于流体减阻的同时，可对换热器进行有效支撑。

参照图4(c)所示，为新型减阻型改进异型肋片，其结构是两抛物线组成的改进肋片结构，该类型肋片截面变化均匀，有利于减阻设计。

Claims (2)

1.一种非均匀分布肋片的高温高压板式换热器，包括热侧换热板(10)，冷侧换热板(11)，其特征在于：热侧换热板(10)与冷侧换热板(11)交替叠加，四角位置形成热流体进口(6)和热流体出口(7)，冷流体进口(8)和冷流体出口(9)，两种换热板叠加形成的流体进口连接入口导流段(2)，后依次连接强化换热段(3)和减阻段(4)，出口导流段(5)，最后连接到流体出口，肋片分布在热侧换热板(10)与冷侧换热板(11)上，肋片是非均匀排列，其中强化换热段(3)为分布紧密的强化换热肋片(12)，该肋片外形控制线相交；减阻段为分布疏松的近似菱形，头部及尾部为尖角形状的减阻型肋片(13)，该肋片外形控制线相离；入口导流段(2)与出口导流段(5)为扇形分布的减阻型肋片(13)；两种换热板沿流体流动方向壁面为正弦函数曲面，该曲面为非均匀的正弦函数曲面，即进口位置到出口位置，弦长逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种非均匀分布肋片的高温高压板式换热器，其特征在于，入口导流段(2)与出口导流段(5)采用扇形分布方式，在扇形面的减阻型肋片为非均匀分布，即由直通流向位置指向另一侧，减阻型肋片逐渐变稀疏。