CN106813521A - 石墨烯曲面传导换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯曲面传导换热器，该换热器存在两种实施方案，分别为单层结构和叠层结构两种类型，简称为单层换热器和叠层换热器，二种换热器均由换热器主体和流体分配单元构成，单层换热器的分配单元称为流体通道板，叠层的称之为分流格栅，流体分配单元将冷热流体分配到换热器主体中，换热器主体的核心结构是镀有石墨烯的陶瓷翅片，其间存在许多流体通路，与传统的换热原理不同，此发明中两种流体之间的换热主要通过石墨烯层的表面传热实现，其余部分热量通过陶瓷翅片以传统导热及热对流方式传递到下层的流体中，本发明充分利用了石墨烯高导热以及陶瓷材料耐高温和耐腐蚀性的特点，具有高效节能的特点，特别适用于在严苛的换热环境下使用。
Description
技术领域
本发明涉及流体传热领域，特指一种可实现超高效换热的石墨烯曲面传导换热器。
背景技术
目前，在换热器领域，使用较多的是管式换热器、板式换热器等，如专利“具有在通路中形成多个通道的热交换结构的板式换热器”(CN101194137)，尽管采用的波纹翅片加大了换热面积，但它们的传热依然都是通过管壁或板壁，将热量从壁的一侧传递到另一侧，这样不可避免的在管壁或板壁中产生很大的热量损失。
石墨烯是近几年国内外学者研究的热门材料，具有高导电、快速导热等一系列优点，数据显示，在室温下，石墨烯的热导率(5000W·m-1·K-1)是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜(室温下401W·m·K)的十倍多，在换热器领域拥有广阔的应用前景。
目前利用石墨烯设计换热设备的研究少之又少，仅有的专利“一种石墨烯换热器”(CN205843468U)，其进出水通道为多边形，通水困难，再加上仅有一处进水通道，因此难以满足工业生产高效的要求。。
陶瓷材料熔点很高，多在2000摄氏度以上，具有耐高温的性质，而且在高温下不易氧化，对酸碱都有良好的耐腐蚀能力。
综上，本发明提出一种新式换热器，石墨烯曲面传导换热器，采用了特殊的结构设计，以陶瓷作为基体材料，其上镀有一层石墨烯材料，利用表面传热，能够显著提高换热效率，易于推广。
发明内容
本发明提出石墨烯曲面传导换热器，目的是解决目前换热器热耗严重、传热慢的问题，提高换热器的换热效率。
本发明石墨烯曲面传导换热器有两种实施方案，方案一为单层结构，由流体通道板和单层换热器主体组成，其中单层换热器主体由陶瓷板和波浪形陶瓷翅片粘结而成，从而形成许多流体通道，相邻的流体通道分别通热流体和冷流体，陶瓷板和波浪形陶瓷翅片接触流体的一侧均镀有石墨烯层，传热主要通过石墨烯层的曲面传热来实现。
本发明石墨烯曲面传导换热器，陶瓷板和波浪形陶瓷翅片形成的流道截面可以有多种形式，例如半圆形、矩形。
本发明石墨烯曲面传导换热器，单层换热器主体可以由两个波浪形陶瓷翅片相对粘接而成，即陶瓷板换成波浪形陶瓷翅片，流道截面更大，增加换热效果。
本发明石墨烯曲面传导换热器的实施方案二为叠层结构，流体通道板更换为分流格栅，单层换热器主体更换为叠层换热器主体，即叠层换热器由分流格栅和叠层换热器主体组成，二者可通过粘合剂粘合。叠层换热器主体由许多片波浪形陶瓷翅片层叠而成，最外层的波浪形陶瓷翅片靠近流体层镀有石墨烯层，内部的波浪形陶瓷翅片的两侧均镀有石墨烯层，波浪形陶瓷翅片的层叠形成了许多流体通路；分流格栅外侧开有七个进出水口，分流格栅的内侧则是七个水槽，它们将外侧进入的流体分配到叠层换热器主体的各个流体通路中，使得进入到叠层换热器主体的流体在每层流体通路中都是冷热流体交替布置，同样，传热主要通过石墨烯层的曲面传热来实现。
在换热器工作过程中，冷热流体可以选择同向或反向进入换热器，根据单层换热器原理图所示，在单层换热器主体中，热流体的热量主要通过石墨烯层的表面传热传递到同层相邻的冷流体中；在叠层换热器中，剩余的热量还会通过波浪形陶瓷翅片传递到下层的相邻冷流体中，采用这种传热方式充分发挥了石墨烯材料高导热的特点，显著提升了传热效率。同时，由于换热器的主体材料采用的陶瓷，因此具有耐高温、耐酸碱腐蚀的优点。
本发明的有益效果是：
石墨烯曲面传导换热器，其换热的主要途径是石墨烯层的表面换热，由于石墨烯相比其它材料拥有显著的高导热性能，因此其传热效率也会显著地提升。
石墨烯曲面传导换热器，其叠层结构采用了多个波浪形陶瓷翅片叠加的设计，形成了数十个流体通路，冷流道和热流道相隔布置，扩大了换热效率，更有利于工业化应用。
石墨烯曲面传导换热器，其叠层机构采用了分流格栅，不仅能够将一股流体分为几股流入换热器主体，而且其分配作用使得流入换热器主体的每层都是冷热流体交替布置。
附图说明
图1是本发明石墨烯曲面传导换热器示意图。
图2是本发明石墨烯曲面传导换热器结构分解图。
图3是本发明石墨烯曲面传导换热器换热主体结构图。
图4是本发明石墨烯曲面传导换热器换热原理图。
图5是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器示意图。
图6是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器三视图。
图7是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器的A-A横截面图。
图8是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器的B-B横截面图。
图9是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器的C-C横截面图。
图10是本发明石墨烯曲面传导换热器叠层换热器换热原理图。
图11是本发明石墨烯曲面传导换热器的另外两种实施例。
图中：1.流体通道板，2.单层换热器主体，2-1.陶瓷板，2-2.石墨烯层，2-3.粘合剂，2-4.波浪形陶瓷翅片，3.分流格栅，4.叠层换热器主体，4-1.波浪形陶瓷翅片，4-2.石墨烯层，4-3.粘合剂，a.热流体，b.冷流体。
具体实施方式
本发明石墨烯曲面传导换热器有两种实施方案，方案一如图1-图4所示，为单层结构，称为石墨烯曲面传导单层换热器，以下简称单层换热器，单层换热器由流体通道板1和单层换热器主体2组成，其中单层换热器主体2由陶瓷板2-1和波浪形陶瓷翅片2-4通过粘合剂2-3粘结而成，从而形成许多流体通道，相邻的流体通道分别通热流体a和冷流体b，陶瓷板2-1和波浪形陶瓷翅片2-4接触流体的一侧均镀有石墨烯层2-2，传热主要通过石墨烯层2-2的曲面传热来实现。
本发明石墨烯曲面传导换热器的实施方案二如图5-图9所示，为叠层结构，称为石墨烯曲面传导叠层换热器，以下简称叠层换热器。如图5所示，叠层换热器由分流格栅3和叠层换热器主体4组成，二者通过粘合剂4-3粘合；如图9和图10所示，叠层换热器主体4是由许多片波浪形陶瓷翅片4-1层叠而成，波浪形陶瓷翅片4-1的两侧均镀有石墨烯层4-2，波浪形陶瓷翅片4-1的层叠形成了许多流体通路；如图6-图8所示，分流格栅3外侧开有七个进出水口，分流格栅3的内侧则是七个水槽，它们将外侧进入的流体分配到叠层换热器主体4的各个流体通路中，使得进入到叠层换热器主体4的流体在每层流体通路中都是冷热流体交替布置，在图9中，阴影部分表示热流体通路，空白通道表示冷流体通路。同样，传热主要通过石墨烯层4-2的曲面传热来实现。
在换热器工作过程中，冷热流体可以选择同向或反向进入换热器，根据图4单层换热器原理图所示，在单层换热器主体2中，热流体的热量主要通过石墨烯层2-2的表面传热传递到同层相邻的冷流体中，热传递方向如图4方向①(实线)所示；同样，在叠层换热器中，绝大部分热量的传递也是通过石墨烯层4-2的表面传热实现，热传递方向如图10方向①(实线)所示，剩余的热量还会通过波浪形陶瓷翅片4-1传递到下层的相邻冷流体中，如图10方向b(虚线)所示，采用这种传热方式充分发挥了石墨烯材料高导热的特点，显著提升了传热效率。
图11为本发明的另外两个实施例，将波浪形陶瓷翅片2-4替换成图h或g中的结构形式即得到另外两种不同形式的表面换热器，其换热原理与前面介绍的单层换热器一样，这两种实施例同样具有高换热效率、耐腐蚀等一系列优点。图11h流体通道的截面是半圆形，图11g流体通道的截面是矩形。
以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。
Claims (4)
1.石墨烯曲面传导换热器，其特征在于：由流体通道板和单层换热器主体组成，其中，单层换热器主体由陶瓷板和波浪形陶瓷翅片粘结而成，从而形成许多流体通道，相邻的流体通道分别通热流体和冷流体，陶瓷板和波浪形陶瓷翅片接触流体的一侧镀有石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的石墨烯曲面传导换热器，其特征在于：陶瓷板和波浪形陶瓷翅片形成的流道截面可以有多种形式，例如半圆形、矩形。
3.根据权利要求1所述的石墨烯曲面传导换热器，其特征在于：陶瓷板换成波浪形陶瓷翅片，两个波浪形陶瓷翅片相对粘接。
4.根据权利要求1所述的石墨烯曲面传导换热器，其特征在于：流体通道板替换成分流格栅，单层换热器主体替换为叠层换热器主体，叠层换热器主体由多片波浪形陶瓷翅片层叠而成，最外层的波浪形陶瓷翅片靠近流体层镀有石墨烯层，内部的波浪形陶瓷翅片的两侧均镀有石墨烯层，波浪形陶瓷翅片的层叠形成了许多流体通路；分流格栅外侧开有若干个进出水口，分流格栅的内侧则是相对应个数的水槽，分流格栅将外侧进入的流体分配到叠层换热器主体的各个流体通路中，使得进入到叠层换热器主体的流体在每层流体通路中都是冷热流体交替布置。
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