CN105627808A - 一种新型换热器芯体和分流结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型换热器芯体和分流结构，属于化工，冶炼，能源动力机械领域。本发明所述的换热器内容包括换热器芯体结构和分流结构。芯体结构包含两种基本结构形式及其强化型的变种形式，基本结构指三角形波浪板和独立薄平板构成的芯体结构以及矩形波浪板自身构成的芯体结构这两种，而强化型变种结构即增加壁面小波纹和改直流道为蛇形流道这两种形式。使用本发明的芯体结构组成的换热器具有冷热流体换热面互相包覆及单位体积换热面积更大的特点。而本发明提出的采用中分板形式的分流结构具有加工简单，工作可靠的特点。同时本发明还依据分流结构提出了三种冷热流进出口流道的布局方案，为解决实际工程问题提供很好的借鉴。

Description

一种新型换热器芯体和分流结构

技术领域

本发明属于化工，冶炼，能源动力机械领域，涉及到换热器应用的一切设备，具体涉及如余热回收、核能、太阳能、地热能、海洋热能利用等方面。

背景技术

70年代世界爆发的能源危机有力的加速了传热强化技术的发展，如今能源问题依然是人类面临的重大问题，无论何种动力设备或者热量交互设备，只要涉及到利用热能的设备基本都离不开换热器，而换热器在如今的工业生产设备中占据了重要的地位，如何更加高效的利用热能，对节能减排以及可持续科学发展将有重大意义，而且有些设备对换热器提出了更多的要求，诸如燃气轮机的回热器，废热回收设备，以及制冷设备或者移动动力设备等，都对换热器提出了高换热系数，小体积，大换热量，低重量，低成本等诸多要求。

传统的换热器多以管翅式，管壳式，板式，板翅式，螺旋板式换热器居多，其中板式换热器也已经是目前量产换热器中单位体积换热力较高的一种换热器了，加之其结构简单，生产方便，发展势头很迅猛，但是其单位体积的换热面积并不是岂今已有换热器中最大的，而高密度的板翅式换热器单位体积换热面积十分巨大，但其却并非属于一次表面换热器，而且板间翅片板与平板需要焊接，工艺复杂，而在一些应用领域，如军用燃气轮机中，希望使用单位体积换热面积更大，换热系数更高的换热器，一次表面换热器又站在了人们的视野中(板式换热器也属于一次表面换热器)，而高紧凑型一次表面换热器会满足这一要求，国外在这方面相对国内要起步更早，如一台2700kw的回热式燃气轮机重量大约2800kg，如果采用管壳式回热器，回热器重量将高达23600kg之多，美国斯坦福大学开发出一种新型一次表面换热器重量只有相应换热量管壳式换热器体积的1/8，体积只有相应换热量管壳式换热器体积的1/5，但是这一类新型结构换热器也是属于国外保密技术。

这种高紧凑一次表面换热器的设计难点在于芯体和分流结构两部分上(芯体结构指的是冷热流在换热器中交换热量的通道排布构成，分流结构指的是将冷热流体分别引导进入对应的流动通道的装置)。

而国内公开可见的相关资料显示，工程人员在这种高紧凑一次表面换热器的研究还是停留在对称波纹板芯体结构上，而至于分流结构暂未见公开资料提及。

没有可靠的公开的分流结构，也是导致这种对称波纹板高紧凑一次表面换热器在国内工业发展中应用缓慢，目前国内公开资料仅可见上海交大有相关方面的工作，但也没有公开分流结构。

因此提出一种可靠的分流结构，另外提出一种更加紧凑，单位体积换热面积更大的芯体结构对促进工业发展以及能源高效利用十分有价值。

发明内容

本专利提出了一种新结构的一次表面换热器，其芯体紧凑程度比目前市面公开资料可见的换热器要更高，单位体积的换热面积要更大，另外换热器构成十分简单，芯体结构中流动通道的构成十分巧妙简洁。区别于板式换热器(也属于一次表面换热器)一层冷流一层热流交替排布的特点，本换热器芯体的冷热流通道由众多分散的细小通道构成，每一层中既有冷流通道又有热流通道，每束冷流通道的壁面完全被热流包裹，每束热流通道的壁面又完全被冷流包裹，本专利公开了两种芯体方案，三角形截面芯体和矩形截面芯体。另外本专利还公开了一种简便巧妙的分流结构，对这种高紧凑一次表面换热器的生产应用提供了指导作用。

本换热器专利包括两大部分：芯体结构和分流结构。

其中，芯体结构由多层板叠加构成，每层采用板材冲压成边长为2-10mm三角形截面波浪板或者矩形截面波浪板，板材的材料使用0.2-0.5mm不锈钢板但不只限于不锈钢板(导热金属，非金属都可以)，且厚度不只限于0.2-0.5mm，三角形或者矩形的边长不只限于2-10mm。对于三角形波浪板，芯体由一张三角形波浪板加一张平板作为基单元，每个基单元为一层，多个基单元叠加构成。在每层基单元中，相邻的两个流道走的一个是冷流一个是热流，而和这层基单元相邻的基单元中，对应位置的相邻流道走的流体正好互换，一个是热流一个是冷流，以形成芯体中每束冷流通道周围都完全包覆着热流通道，每束热流通道周围都完全包覆着冷流通道，而对于矩形芯体结构，每个基单元只由一张矩形波浪板构成，多层基单元相互叠加，构成芯体，每层基单元中，相邻的两个流道中冷热流的分布方式与三角波纹板原理相同。

分流结构由波浪板流道入口前缘居中未被冲压的平面板材部分(或者有加强沟的平面)完成，该平面板材和波浪板入口前缘相平滑连接(本质是一整张平板冲出波纹型部分和分流部分)该分流板的主要特点是位置处于波浪板波浪高度中央位置，分流板的周围再冲出对应不同方向的弯边，与相邻的波浪板或者独立薄平板接触(矩形芯体不需要独立薄平板)，外缘焊接密封，形成换热器冷热流进出口流道，而分流板处于波纹板波纹高度中央位置这一特点恰好能完成冷热流在芯体流道中的交替分布。

与市面公开现有紧凑型一次表面类型换热器芯体相比，本发明的换热器具有众多优点。第一，芯体结构更加紧凑，单位体积换热面积要更大。第二，换热器芯体形成众多微小通道，强化了换热性能。第三，本换热器还可以顺着流道方向在流道壁面上冲出波纹，形成壁面小波纹，进一步增加湍流度，而直流道还可以变形成蛇形流道，进一步增强换热性能。第四，每束冷流通道都完全被热流通道包覆，每束热流通道都完全被冷流通道包覆，这样相互包覆，使得冷热流体通过导热壁面充分接触，这是一般隔板换热器，如板式换热器，所不具备的特点。第五，本换热器的加工装配工艺简单，加工只需要模具冲压成型即可，装配时只需要焊接外缘密封即可，而每束冷热流道接触部分可按需要选择是否焊接且无需满焊，如果焊接换热器耐受冷热流压差更大，不焊接也不会造成冷热流掺混，这更加适合大批量工业化生产。第六，本换热器构型调整容易，形状适应性强，可以堆叠成任意宽高比，另外还可以适当整体弯曲一定弧度，适用于圆环结构，如发动机进气部分。第七，本发明公开了一种简便可靠实用的冷热流分流装置。

下面结合附图，对本发明专利中的芯体结构和分流结构做进一步详细说明。

附图说明

图1、2、3、4、5表述了本专利申述的几种芯体结构及其变种。

图1为三角形波浪板芯体中冷热流体的流动方向及流道搭配示意图，其中1表示热流体，流向纸外方向；2表示冷流体，流向纸内方向。

图2为矩形波浪板芯体中冷热流体的流动方向及流道搭配示意图，其中1表示热流体，流向纸外方向；2表示冷流体，流向纸内方向。

图3为三角形波浪板芯体结构构成示意图，其中1为平板，2为三角形波浪板，3、5、7、9、11为热流体流道，4、6、8、10、12为冷流体流道，S1、S2、S3分别为三角形波浪板的每个三角单元的边长，这里并不需要三边完全相同，只要S1等于S3即可，也就是三角形单元为等腰或等边三角形即可，S2边越短，则相同尺寸芯体里面流道单元数量越多，如图4所示，等腰三角形单元芯体结构。

图4为等腰三角形波浪板芯体，其中1为平板，2为三角形波浪板，3、5、7、9、11为热流体流道，4、6、8、10、12为冷流体流道。

图5为矩形波浪板芯体结构构成示意图，其中5是平板，6是矩形波浪板，不同于三角形波浪板芯体结构，矩形波浪板芯体结构中平板只在换热器上下表面上被需要，而在内部每层的基单元中则不需要，而其中1、3、8、10为热流体流道，2、4、7、9为冷流体流道，11为矩形波浪板基单元，不同于三角形波浪板芯体，在三角形芯体中基单元是由一张三角波浪板和一张平板一起构成，而在矩形芯体里面，基单元就是由单独的一张矩形波浪板自身构成。

图6、7、8通过三角形波浪板芯体示意了分流结构(矩形芯体分流结构相同)。

图6、7标明分流板位于波浪板的波浪高度中央位置，该分流板平面与波浪板流道方向平行，其生产过程可以理解为一张平板在冲压的过程中保留一部分端部平板，而平板的中间段部分，交替对上和对下分布冲压出凹槽形成波浪结构，而保留的那部分端部平板就是分流板。

图7指出分流板工作原理，由分流板的上下表面，将冷热流体分别引导进入对应的流道，波浪板中部的分流板和基单元中的独立薄平板一起构成分流道。

图8为三角形截面的芯体结构的换热器工作示意图，如图示，分流板和基单元中的独立薄平板一起构成分流通道，热流体从图示红色箭头方向流入分流通道，红色箭头方向流出换热器，冷流体从图示蓝色箭头方向流入分流道，蓝色箭头方向流出换热器。

图9为蛇形流道示意图，外加沿着流道流动方向在垂直壁面方向冲出波纹型，形成壁面小波纹。

图10为冷热流体进出换热器的几种流动方式，1为冷流体同侧进出，矩形分流流道；2为冷流体同侧进出，梯形分流流道；3为冷流体异侧进出，梯形分流流道。(注：冷热流体可以互换)

具体实施方式

本发明在于提供一种更加紧凑的一次表面换热器，同时还提供了一种简便可行的分流结构。

众所周知，一次表面换热器由于其单位体积内直接换热面积更大而称著，但是不同结构的一次表面换热器，其分流结构的难度也不一样，本专利提供的一次表面换热器芯体结构更加紧凑，单位体积换热面积更大，如图1和图2所示，每束冷流道完全被热流道包围，每束热流道完全被冷流道包围，如此相互包覆，而且本专利所提供的芯体结构可以将冷热流分成数量更多的流道，这就意味着单位体积内的换热面积更大，而且所有的换热面都是一次表面，这样换热性能更高，一般来说如此高密度的流道分布，分流结构将是难实现的，但是本专利巧妙的利用了冲压成型时候端部预留的中分板，完美的解决了这个问题，而且芯体内部基单元的波浪板与平板之间并不需要焊接(当然也可以预先布置焊料钎焊且无需满焊，这样换热器可耐受的冷热流体压差会更大)，这样使得该装配极其简化。

该换热器采用了传热学基本原理，导热与对流换热的原理，冷流体在其流道内流动，其流道壁面另一侧接触的是热流体，热流体通过对流换热将热量传导给壁面，壁面通过导热，将热量带到冷流体一侧，再通过对流换热传递给冷流体，这样实现热量从热流体向冷流体传递的过程，实现换热，同时由于本专利所提供的芯体结构紧凑，冷流体被分割成数量众多的支流，冷流的每一束支流都完全被热流包裹，而热流也被分割成数量众多的支流，热流的每一束支流也完全被冷流包裹，形成冷热流相互包覆的布局，如此每一处壁面都是冷热流体直接换热的有效壁面，这样会大大提高换热效率，而本专利提供的三角形波浪和矩形波浪芯体结构更是能大大细分冷热流体，增加直接接触换热表面。相比之下，三角形波浪板芯体单位体积换热面积要大于矩形波浪板芯体，但是其装配工艺较矩形波浪板芯体要复杂。

另外本专利中的附图8展示的只是一种换热器示意结构，也是最基础最简单的结构，实际操作中，可以在沿着流道方向，垂直流道表面冲压出壁面小波纹，如图9所示，如此可以增加流体流动时候的湍流度，增强对流换热能力，也可以强化换热，而至于附图7中的直向流道也可以做成蛇形流道，这样在垂直流动方向可以形成稍许二次流，强化对流换热，从而增强换热器的换热能力。如图9所示，蛇形流道外加壁面小波纹。至于分流结构，本质都是中分板的结构，如图6、7所示，中分板和波纹板是一体冲压成型的，中分板的上表面和波纹板的奇数通道相连，起到堵住奇数通道的目的，则流过上表面的流体只能流入偶数通道，而中分板的下表面和偶数通道相连，起到堵住偶数通道的目的，流经下表面的流体只能流入奇数通道，如此冷热流体经过分流流道的协助，一个流过分流中分板的上表面，一个流过下表面，进入对应的交错流道，三角形波浪板芯体还需要借助芯体内部基单元中的独立薄平板的帮助，形成冷热流通道相互包覆的布局，矩形波浪板芯体则直接依靠自身叠加就可以形成冷热流互相包覆的布局。分流流道的布置可以有多种形式，图8中冷流体(蓝色箭头)布置的是同侧进出，也可以通过改变流道布局，形成异侧进出的形式，如图10中3所示，同时端部的矩形也可以做成梯形流道结构，让分流更加均匀，提高换热器性能，如图10中的2,3所示(图10中的1示意的就是图8的流道结构)。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：换热器的芯体是由具有高导热性能的薄不锈钢板(铜板或者铝板)冲压而成的三角形波浪板和另外的薄平板组合叠加构成(三角截面通道)或者由单独的矩形波浪板叠加构成(矩形截面通道)。不锈钢板(铝板或者铜板)厚度在0.2-0.5mm左右不等(包括但不限于此尺寸)，其厚度依据换热器流道尺寸和耐压确定。三角截面通道的芯体中三角形波浪板和另外的薄平板构成芯体的冷热流道；矩形截面通道的芯体中，矩形波浪板独立构成芯体冷热流道；芯体具有冷热流道是众多分散细小流道的特点，且冷流道一周壁面完全由热流道包围，热流道一周壁面完全由冷流道包围。三角形波浪板端部的中分板和另外的薄平板构成换热器的分流结构(矩形波浪板芯体不需要独立薄平板，直接使用中分板就可以构成分流结构)，分流结构保证冷热流体进入各自对应的分散通道，分流结构流道布局可以做成梯形或者矩形，冷热流体可以同侧进出或者异侧进出，而流道沿着流动方向可以在垂直壁面方向冲出波纹，形成壁面小波纹，增加湍流度，同时流道可以由直流道做成蛇形流道，进一步增强换热性能。

2.依据权利要求1所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：芯体的构成材料为高导热性能的薄不锈钢板或者铝板或者铜板。

3.依据权利要求1所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：导热板材冲压成三角型波浪板或者矩形波浪板，并保留板材端部平面部分不冲压，平面部分处于波浪板波浪高度中央位置，与波浪部分光滑过渡，作为分流板使用。

4.依据权利要求3所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：三角形波浪板和另外的薄平板相互叠加形成芯体通道，或者矩形波浪板自身相互叠加形成芯体通道。

5.依据权利要求3所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：分流板将冷热流分别引导进入冷热流对应的分散的细小通道。

6.依据权利要求4所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：三角形波浪板截面三角形边长依据实际加工工艺和板材厚度及流体性质确定，建议2-10mm但不限于此尺寸，三角形包含等边三角形或者等腰三角形，而矩形浪纹板矩形边长依据实际加工工艺和板材厚度及流体性质确定，建议2-10mm但不限于此尺寸，矩形包含正方形或者长方形。

7.依据权利要求4所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：芯体中每束冷流的细小通道的壁面完全被热流通道包围，每束热流的细小通道的壁面也完全被冷流通道包围。

8.依据权利要求4所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：作为一种可选流道形式，芯体的流道可以是直列的也可以是蛇形的。

9.依据权利要求4所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：作为一种可选壁面形式，芯体的波浪板在冲压时，沿着流道发展方向可以在垂直流道壁面方向也冲出波纹，形成壁面小波纹，增加湍流度增强换热性能。

10.依据权利要求1所述的一种新型换热器芯体和分流结构，其特征在于：作为进出流的一种方式，分流结构的流道布局可以是矩形的也可以是梯形的，进出流可以同侧进出也可以异侧进出，依据实际工程需要进行布置。