CN106091784B - 一种铜合金材料的换热板片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板式换热器中使用的换热板片，所述换热板片中设置至少一个分流部件，所述分流部件将流经换热板片的换热流体的流动路径分成至少两个分流流道，分流部件设置开口，使得所述的换热板片中的分程流道为串联结构，从而使换热流体在换热板片上形成S形流道；所述的换热板片采用铜合金材料，所述铜合金由铜、铁、锰、铈、镁、锡、银、铬及其他辅材加工而成，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜71.2％～82.5％、铁3.3％～4.5％、锰1.1％～2.5％、铈0.35％～0.45％、镁0.77％～1.3％、锡0.028％～0.14％、银0.06％～0.09％、铬0.3％～0.9％，剩余为辅材。本发明的换热板片铜合金具有耐高温、导热系数高的特性，并且大大改善了抗变形能力和耐磨性。

Description

一种铜合金材料的换热板片

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种板式换热器，属于F28D的换热器领域。

背景技术

一般情况下，板式换热器板片两侧冷、热流体通道的横截面积是相等的(图1a)。在此种情况下，如果两种流体的流量(指体积流量)相差不大，此时同一种流体的流道可以采取互相平行并联的方式，如图1a，此时板式换热器两侧流体的换热系数相差不大，整个换热器换热系数很高，而且这样设置还可以使得两种流体的进出口都在一个端板5上，如图1b所示，有利于板式换热器的拆解检修和板片清洗。但是如果两种流量相差较大的流体进行换热时，如果两种流体都采取并联的流体通道，则会出现较小流量的流速太低，从而导致更低的换热系数。因此通常将低流量流体通道设置成串联的形式，如图2a所示，这样就无法将冷热流体的四个进出口全部设置在一个端板上，只能设置在两个端板5、6上，如图2b所示，在两个端板上都设置流体进出接口，在换热器跟管路处于连接状态时，板式换热器将拆卸困难，需要两端拆卸，造成检修不便。

发明内容

本发明仅用同一种板片改变密封结构来实现冷、热侧流体流通截面积不相等的需求，而且这些板片组装而成的板式换热器采用单侧接管的组装形式，可以节省很大的安装和维修费用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种板式换热器中使用的换热板片，所述换热板片中设置至少一个分流部件，所述分流部件将流经换热板片的换热流体的流动路径分成至少两个分流流道，分流部件设置开口，使得所述的换热板片中的分程流道为串联结构，从而使换热流体在换热板片上形成S形流道。

优选的，分流部件的开口长度L1，分流部件的长度为L2，分流流道宽度W，则满足如下关系式：

L1/L＝a-b*Ln(L1/W)-c*(L1/W)；

其中L＝L1+L2；

400<L<800mm,80<L1<140mm,130<W<150mm；Ln是对数函数

0.17<L1/L<0.22,0.5<L1/W<1.1

0.18<a<0.21,0.014<b<0.016,0.0035<c<0.004。

优选的，分流部件是通过密封槽和密封垫实现的，所述密封槽设置在换热板片上，通过将密封垫插入到密封槽内，从而形成分流部件。

优选的，密封垫采用橡胶材料。所述橡胶材料由以下重量份数的原料制成：三元乙丙橡胶7-9份，丁苯胶3-6份，氧化锌6-8份，白炭黑13-15份，促进剂4-5份，发泡剂2-8份，环烷油5-6份，钛白粉20份，天然橡胶50-55份，莱茵散10-13份，硅橡胶15-17份，碳化硅2份，三聚腈胺2份，防老剂0.6份至1.5份，软化剂4份至6份，硫化剂2.2份至4份。

优选的，沿着流体流动的方向，不同的分流流道的宽度W不断的减少。

优选的，所述的换热板片采用铜合金材料，所述铜合金由铜、铁、锰、铈、镁、锡、银、铬及其他辅材加工而成，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜71.2％～82.5％、铁3.3％～4.5％、锰1.1％～2.5％、铈0.35％～0.45％、镁0.77％～1.3％、锡0.028％～0.14％、银0.06％～0.09％、铬0.3％～0.9％，剩余为辅材。

铜合金的加工方法如下：

1)用中频感应炉将电解铜熔化并升温至1300～1400℃，加入金属铬、银保温33分钟；

2)捞出炉渣后，加入其余成分并搅拌均匀；然后出炉浇铸，并控制炉温在1340℃；

3)采用半连续式浇铸，浇铸时用氮气保护；

4)根据需要将铸件锻打或压力加工成零部件，然后将零部件加热至900℃保温3小时淬水，再在479℃温度下保温2～3小时进行时效处理。

与现有技术相比较，本发明的板式换热器及其换热板片具有如下的优点：

1)本发明仅用同一种板片改变密封结构来实现冷、热侧流体流通截面积不相等的需求，而且这些板片组装而成的板式换热器采用单侧接管的组装形式，可以节省很大的安装和维修费用。

2)本发明在传统板片结构基础上设计了将板片换热区域分割成几部分的流程分割密封槽，以与相应形状的密封橡胶垫片配合，实现将整个板片的流通截面分割成几小部分，流体在一个板片通道内的流动长度由在分割前的一个流程变成分割后的多个流程，从而提高流速。方便板式换热器设计时，流量相差较大两种流体换热情况下换热面积和流通面积的匹配。

3)本发明通过多次试验，得到一个最优的换热板片优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4)开发了新的换热板片的材料。

5)开发了新的密封垫片的材料。

6)通过通道宽度的变化设置，提高了换热系数。

附图说明

图1是一个流道并联的现有技术板式换热器示意图；

图2是流道串联的现有技术板式换热器的示意图；

图3是本发明分程板片结构的示意图；

图4是本发明分程垫片的结构示意图；

图5是本发明的流量大的流体的板片结构示意图；

图6是本发明分程板片的结构示意图；

图7是图3的分程板片的尺寸示意图。

附图标记如下：

1第一流体进口，2第一流体出口，3第二流体进口，4第二流体出口，5端板，6端板，7分流流道，8分流密封槽，9分流密封垫，10换热板片，11分流流道，12分流流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种板式换热器中使用的换热板片10，所述换热板片10中设置至少一个分流部件，所述分流部件将流经换热板片的换热流体的流动路径分成至少两个分程流道7，所述的换热板片10中的分程流道7为串联结构。通过上述的分程流道7的串联结构，使得流体因此经过所有的分程流道7，如图6所示，从而使换热流体在换热板片10上形成S形流道。

通过设置分流部件，使得流量小的流体可以充满整个换热板片，从而避免了出现一些流体短路的换热区域，从而增加了换热系数，提高了整个换热器的换热系数；此外，通过设置分流部件，使得小流量的流体也能够实现在多个板片中的流体通道的并联，如图1a所示，避免了为了提高换热系数而将小流体通道设置为图2a所示的串联的结构，从而可以使得流体的四个进出口1-4都设置在同一个端板上，从而使得维护方便。

大流量流体的体积流量是小流量流体的体积流量的2倍以上。

作为优选，分流部件是通过密封槽8和密封垫9实现的，所述密封槽8设置在换热板片上，通过将密封垫9插入到密封槽8内，从而形成分流部件。

作为优选，分流部件是通过在换热板片上直接设置密封条来实现。作为优选，密封条和换热板片一体化制造。

在换热板片的流体进口和出口的上下两端上，即图3的上下两端，分流部件在一端是封闭的，在另一端是设置开口的，其中沿着左右方向，开口位置是交替设置在上下两端，这样保证流体通道形成S形。

请注意，前面以及后面所提到的上下左右方向并不限定于使用状态中的是上下左右方向，此处仅仅是为了表述图3中的板片的结构。

图3、6所述的板片因为设置了两个分流部件，因此流体的进出口设置在上端和下端。当然也可以设置1个或者奇数个分流部件，此时的流体的进出口位置就位于同一端上，即同时位于上端或下端。

如前所述的S形流道可以是半个S形，例如只设置一个分流部件的情况，也可以是整个S形，例如图3、6的形式，也可以是多个一个S形和/或半个S形的组合，例如设置大于2个分流部件的情况，例如3个分流部件就是1一个S形和半个S形的组合，4个分流部件就是2个S形，等等以此类推。

对于采用密封垫的形式，作为优选，密封垫与板式换热器换热板片之间的设置的垫片一体化设计，因此本发明也提供了一中板式换热器中在换热板片之间使用的垫片。所述垫片中设置至少一个分流密封垫9，所述分流密封垫9将流经换热板片的换热流体的流动路径分成至少两个分程流道7，所述的换热板片10中的分程流道7为串联结构，从而使换热流体在换热板片10上形成S形流道。

在数值模拟和实验中发现，通过设置分流部件，能够使得换热器换热系数增加，但是同时也带来流动阻力的增加。通过数值模拟和实验发现，对于分流流道的宽度，如果过小，会导致流动阻力过大，换热器的承压太大，而且可能产生流道两侧边界层沿着流体流动方向重合，而导致换热系数下降，同理，分流流道过大也会导致降低板式换热器的换热系数，因此对于分流通道7具有一个合适的数值；对于分流部件开口的长度也有一定的要求，如果开口过小，会导致流体通过开口流过的数量过小，在增加压力的同时降低了换热系数，同理，如果过大，则流体会产生短路区域，起不到相应的换热效果，因此对于开口也有一个合适的长度。因此在分流部件的开口长度、分流部件的长度、分流流道宽度之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的换热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下(2.5MPa以下)，满足最大换热量的情况下总结出的最佳的换热板片的尺寸优化关系。

如图7所示，分流部件的开口长度L1，分流部件的长度为L2，分流流道宽度W，则满足如下关系式：

L1/L＝a-b*Ln(L1/W)-c*(L1/W)；

其中L＝L1+L2；

400<L<800mm,80<L1<140mm,130<W<150mm；Ln是对数函数

0.17<L1/L<0.22,0.5<L1/W<1.1

0.18<a<0.21,0.014<b<0.016,0.0035<c<0.004。

其中开口长度是沿着分流部件，从开口出现的位置沿伸到流体通道的最远的位置，如图7中的A点。

作为优选，a＝0.19,b＝0.015,c＝0.0037；

作为优选，随着L1/W的不断增加，a的数值不断减少；

作为优选，随着L1/W的不断增加，b、c的数值不断增加。

作为优选，分流通道的流体的流速为0.4-0.8m/s，优选，0.5－0.6m/s，在此流速下采取上述公式得到的换热效果最好。

优选，换热器换热板的板间距4-6mm，优选5mm。

对于图4中的采用密封垫的与垫片一体化的形式，也满足上述公式情况下，换热效果最优。

作为优选，多个分流部件是互相平行。

作为优选，沿着流体流动的方向(即距离换热板片的流体入口越远)，同一换热板片上不同的分流流道的宽度W不断的减少。例如，图3中的分流流道7的宽度大于分流流道11，分流流道11的宽度大于分流流道12。通过分流流道宽度W不断的减少可以使得流体不断的加速，避免因为动力不足导致的流体运行缓慢。

作为优选，沿着流体流动的方向，同一分流流道的宽度W不断的减少。例如，分流流道7内，沿着流体流动方向(即图3从上到下)，宽度W不断的减少。此时，对于前面公式中的W采用的是平均宽度W。

作为优选，不同换热板片上，距离换热器流体入口越远，分流流道宽度越小。主要是距离入口越远，则分配流体越少，通过流道宽度的变化使得流体保证一定的流速。

作为优选，换热板片设置波纹，波纹的高度不同。同一板片上，沿着流体的流动路径，同一个分流通道内的波纹高度逐渐升高，例如分流流道7内，沿着流体流动方向(即图3从上到下)，波纹高度逐渐升高。

作为优选，分流流道距离换热板片流体入口距离越远，不同分流流道内的波纹的高度越高，例如，图3中的分流流道7内的波纹高度小于分流流道11，分流流道11的波纹高度小于分流流道12。

作为优选，不同换热板片上，距离换热器流体入口越远，波纹高度越高。主要是距离入口越远，则分配流体越少，通过波纹高度的变化使得流体保证一定的流速。

作为优选，换热板片设置波纹，波纹的密度不同。同一板片上，沿着流体的流动路径，同一个分流通道内的波纹密度逐渐变大，例如分流流道7内，沿着流体流动方向(即图3从上到下)，波纹密度逐渐变大。

作为优选，分流流道距离换热板片流体入口距离越远，不同分流流道内的波纹的密度变大。例如，图3中的分流流道7内的波纹密度小于分流流道11，分流流道11的波纹密度小于分流流道12

作为优选，不同换热板片上，距离换热器流体入口越远，波纹密度越大。主要是距离入口越远，则分配流体越少，通过波纹高度的变化使得流体保证一定的流速。

作为优选，前面所提到的波纹高度和/或密度增加的幅度越来越小。

作为优选，所述的换热板片采用铜合金材料，所述铜合金由铜、铁、锰、铈、镁、锡、银、铬及其他辅材加工而成，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜71.2％～82.5％、铁3.3％～4.5％、锰1.1％～2.5％、铈0.35％～0.45％、镁0.77％～1.3％、锡0.028％～0.14％、银0.06％～0.09％、铬0.3％～0.9％，剩余为辅材。

作为优选，所述辅材由氯化锌及木炭混合加工而成。

作为优选，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜76.3％、铁4.4％、锰1.8％、铈0.5％、镁1.07％、锡0.007％、银0.75％、铬0.6％，剩余为辅材。

上述铜合金的加工方法如下：

1、用中频感应炉将电解铜熔化并升温至1300～1400℃，加入金属铬、银保温33分钟；

2、捞出炉渣后，加入其余成分并搅拌均匀。然后出炉浇铸，并控制炉温在1340℃；

3、采用半连续式浇铸，浇铸时用氮气保护；

4、根据需要将铸件锻打或压力加工成零部件，然后将零部件加热至900℃保温3小时淬水，再在479℃温度下保温2～3小时进行时效处理；

经上述规范制成的铜合金具有耐高温、导热系数高的特性，并且大大改善了抗变形能力和耐磨性。

作为优选，密封垫9和/或换热板片之间的密封垫片采用橡胶材料。所述橡胶材料由以下重量份数的原料制成：三元乙丙橡胶7-9份，丁苯胶3-6份，氧化锌6-8份，白炭黑13-15份，促进剂4-5份，发泡剂2-8份，环烷油5-6份，钛白粉20份，天然橡胶50-55份，莱茵散10-13份，硅橡胶15-17份，碳化硅2份，三聚腈胺2份，防老剂0.6份至1.5份，软化剂4份至6份，硫化剂2.2份至4份。

作为优选，三元乙丙橡胶8份，丁苯胶5份，氧化锌7份，白炭黑14份，促进剂4份，发泡剂4份，环烷油6份，钛白粉20份，天然橡胶52份，莱茵散12份，硅橡胶16份，碳化硅2份，三聚腈胺2份；防老剂0.9份，软化剂5份，硫化剂3份。

制造方法包括如下步骤：

A.在密炼机中依次加入所述三元乙丙橡胶、丁苯胶、氧化锌、白炭黑、促进剂、发泡剂、环烷油、钛白粉、天然橡胶、莱茵散、硅橡胶、碳化硅、三聚腈胺以及促进剂和防老剂，然后启动密炼机进行第一次混炼，时间70秒至75秒，温度为60℃至70℃；

B.在A步骤的密炼机中加入软化剂进行第二次混炼，时间75秒，温度小于105℃，然后冷却排胶；

C.硫化：将B步骤的胶排到压片机上再加入硫化剂进行翻炼，时间125－140秒，下片即得。

作为优选，促进剂是促进剂D。

作为优选，所述促进剂为二硫代氨基甲酸盐；所述防老剂为聚乙烯蜡；所述软化剂为石蜡；所述硫化剂为硫化树脂。

所述橡胶具有如下优点：1)通过添加氧化锌、钛白粉的物料复配，所得材料弹性好，并且具有一定的硬度，耐磨耐用，寿命长，不易磨损。2)由于采用聚乙烯蜡作为防老化剂，可提高橡胶的持久度、硬度和抗磨损性；3)硫化时间短，使橡胶由线形结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子，产出的橡胶其抗张、定伸、耐磨的性能好。

所述换热板片3的两侧壁面设置防腐层。冷源和/或热源侧壁面的防腐层是由涂覆防腐涂料生成，防腐涂料组分的质量百分比如下：片状锌粉6.6-8.3％，氧化铝为8-9％，硼酸为7.2-9.2％，丙烯酸为0.7-0.9％，润湿分散剂为0.4-0.5％，增稠剂为0.15-0.23％，消泡剂为0.14-0.23％，余量的水。该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于换热板片表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好耐蚀涂层。

制备上述水性防腐涂料的方法，该方法按照以下步骤实施，

a、按涂料总质量百分比，分别称取一定量的水、0.4％的润湿分散剂和0.23％的消泡剂，然后混合到一起，充分搅拌使之溶解制成涂料混合液A1，再向混合液A1中加入占涂料总质量的8.3％的片状金属粉，搅拌均匀制成涂料混合液A2；

b、按涂料总质量百分比，称取7.3％硼酸，组成混合液，加入到20％～40％的水中充分溶解制成无机酸混合液B1，再向混合液B1中加入8％的氧化物粉，搅拌至无沉淀制成无机酸混合液B2；

c、按涂料总质量百分比，称取0.7％的丙稀酸，加入到5％～15％的水中，充分搅拌均匀制成还原剂混合液C；

d、按涂料总质量百分比，称取0.15％的增稠剂羟乙基纤维素，加入到2.5％～15％的水中，搅拌至溶解呈半透明状且无凝胶出现即停止搅拌制成增稠剂混合液D；

e、将配制的无机酸混合液B2加入到涂料混合液A2中，然后加入还原剂混合液C配制量的1/5～1/2，边搅拌边加入增稠剂混合液D，再加入余量的水，继续搅拌30～90分钟，直到涂料混合液均匀一致无团聚颗粒为止，最后再加入剩余的还原剂混合液C，再搅拌10～40分钟，即得。

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于翅片管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好耐蚀涂层。

所述润湿分散剂为平平加系列中的SA-20，所述的增稠剂选用羟乙基纤维素；所述的消泡剂选用磷酸三丁酯。

优选的一个实施例，从冷源到热源侧，冷源防腐层、换热板片以及热源防腐层的热膨胀系数依次减小。之所以如此设置是因为在换热的过程中，热源侧的防腐层先受热，先膨胀，然后依次向外是换热板片、冷源侧防腐层受热膨胀，因此冷源防腐层、换热板片以及热源防腐层的热膨胀系数依次减小可以保证膨胀率基本保持一致，保证各层连接的紧密性和稳定性。这样，冷源和热源一侧的防腐层采取前面所提到的防腐涂料，通过改变防腐涂料成分从而实现热膨胀系数的变化。当然也可以采用其他不同的防腐涂料实现热膨胀系数的变化。例如只在一侧使用前面提到的防腐涂料，另一侧使用其他的防腐材料。

图5展示了流量大的流体的流动通道，实际上，对于本发明来说，两种换热流体都可以使用流量小的流体。例如在换热板片一定的情况下，两种流体的流量都很小，此时两种流体的流动通道都可以采取图3、图6形式的板片。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种板式换热器中使用的换热板片，所述换热板片中设置至少一个分流部件，所述分流部件将流经换热板片的换热流体的流动路径分成至少两个分流流道，分流部件设置开口，使得所述的换热板片中的分程流道为串联结构，从而使换热流体在换热板片上形成S形流道；其特征在于所述的换热板片采用铜合金材料；

所述铜合金由铜、铁、锰、铈、镁、锡、银、铬及其他辅材加工而成，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜71.2％～82.5％、铁3.3％～4.5％、锰1.1％～2.5％、铈0.35％～0.45％、镁0.77％～1.3％、锡0.028％～0.14％、银0.06％～0.09％、铬0.3％～0.9％，剩余为辅材。

2.如权利要求1所述的换热板片，其特征在于，所述辅材由氯化锌及木炭混合加工而成。

3.如权利要求1所述的换热板片，其特征在于，所述铜合金中各成分所占重量百分比分别为：铜76.3％、铁4.4％、锰1.8％、铈0.5％、镁1.07％、锡0.007％、银0.75％、铬0.6％，剩余为辅材。

4.如权利要求1所述的换热板片，其特征在于，分流部件的开口长度L1，分流部件的长度为L2，分流流道宽度W，则满足如下关系式：

L1/L＝a-b＊Ln(L1/W)-c＊(L1/W)；

其中L＝L1+L2；

400＜L＜800mm，80＜L1＜140mm，130＜W＜150mm；Ln是对数函数

0.17＜L1/L＜0.22，0.5＜L1/W＜1.1

0.18＜a＜0.21，0.014＜b＜0.016，0.0035＜c＜0.004。

5.如权利要求1-4之一所述的换热板片的铜合金的加工方法如下：

1)用中频感应炉将电解铜熔化并升温至1300～1400℃，加入金属铬、银保温33分钟；

2)捞出炉渣后，加入其余成分并搅拌均匀；然后出炉浇铸，并控制炉温在1340℃；

3)采用半连续式浇铸，浇铸时用氮气保护；

4)根据需要将铸件锻打或压力加工成零部件，然后将零部件加热至900℃保温3小时淬水，再在479℃温度下保温2～3小时进行时效处理。