CN107388854A - 一种基于3d打印技术的新型印刷电路板式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，包括基于3D打印技术成型的换热主体，其中，该换热主体的两端分别为第一换热器进出口段和第二换热器进出口段，第一换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体进口通道和冷流体出口通道，第二换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体出口通道和冷流体进口通道，换热主体的中部自下而上开设有若干层周期性换热通道，一部分周期性换热通道与热流体进出口通道相连通，其余部分周期性换热通道与冷流体进出口通道相连通。本发明采用3D打印技术，整个换热器一体成型，可以减少由于制造误差带来的泄流和阻力等损失。

Description

一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器。
背景技术
随着透平机械和核能工业的蓬勃发展，系统关键设备的热负荷越来越高，换热器作为一种在能源领域广泛使用的散热设备，也面临着严峻的挑战。印刷电路板式换热器(PCHE)是一种传热性能优良，高效率的紧凑式换热器，换热板上紧密地布置有很多周期性的通道，不同种类的冷热流体(空气、氦气、水以及超临界二氧化碳等)在该半圆形截面的通道内流动，并发生换热，PCHE具有相当高的单位体积换热能力。
传统PCHE的换热板采用化学腐蚀或激光腐蚀的方式刻出换热通道，然后将各刻蚀成型的换热板叠加在一起通过真空扩散技术组成换热器。这种制备方法限制了通道形式的发展，减缓了各种新型通道的工业化，目前大量采用的是半圆形截面的Z形和S形流道，这些通道虽然形式简单，但是会产生很明显的阻力损失。另外，板片叠加方法在换热器制备过程中难免会有制造偏差，造成流体的泄露损失和额外的阻力损失，在一定程度上降低了换热器的换热性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，包括基于3D打印技术成型的换热主体，其中，
该换热主体的两端分别为第一换热器进出口段和第二换热器进出口段，第一换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体进口通道和冷流体出口通道，第二换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体出口通道和冷流体进口通道，换热主体的中部自下而上开设有若干层周期性换热通道，一部分周期性换热通道与热流体进出口通道相连通，其余部分周期性换热通道与冷流体进出口通道相连通。
本发明进一步的改进在于，热流体进口通道和热流体出口通道，以及冷流体进口通道和冷流体出口通道均呈对角布置。
本发明进一步的改进在于，热流体进口通道和热流体出口通道采用圆柱形通道。
本发明进一步的改进在于，周期性换热通道采用Z形换热通道、S形换热通道，或者交替布置的Z形换热通道和S形换热通道。
本发明进一步的改进在于，周期性换热通道作为冷热流体通道时，纵向上相间排列，且通道纵向间距相等。
本发明进一步的改进在于，周期性换热通道的截面形状为，圆形/圆形，横椭圆/横椭圆，纵椭圆/纵椭圆，或者纵椭圆/横椭圆。
本发明进一步的改进在于，周期性换热通道采用Z形换热通道时，在通道的转弯区域布置有V形翅片。
本发明进一步的改进在于，周期性换热通道采用S形换热通道时，在通道的转弯区域布置有光滑V形翅片或者翼型翅片。
本发明进一步的改进在于，当进行换热器扩展时，将多个换热器核心焊接在一起，然后焊接上扩展端盖，并在扩展端盖上设置工质供应通道。
本发明具有如下的优点：
本发明提供的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，包括基于3D打印技术成型的换热主体，该换热主体的两端分别为第一换热器进出口段和第二换热器进出口段，第一换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体进口通道和冷流体出口通道，第二换热器进出口段在竖直方向上开设有热流体出口通道和冷流体进口通道，换热主体的中部自下而上开设有若干层周期性换热通道，一部分周期性换热通道与热流体进出口通道相连通，其余部分周期性换热通道与冷流体进出口通道相连通。3D打印技术适应了PCHE通道结构的快速发展，可以更加方便地制备该结构复杂的新型通道，为PCHE的设计和工业化提供了便利。提出的一种换热器扩展方式有效弥补了3D打印换热器功率不足的问题，有效提升了换热器的工作能力，扩展了换热器的使用范围。
进一步，热流体进口通道和热流体出口通道，以及冷流体进口通道和冷流体出口通道均呈对角布置，这样就可以适当地增加热流体和冷流体的换热周期。
进一步，周期性换热通道可以采用Z形换热通道、S形换热通道，或者交替布置的Z形换热通道和S形换热通道。
进一步，冷热流体通道在纵向上相间排列，且通道纵向间距相等。
进一步，冷热流体通道有多种截面形状，如圆形/圆形，横椭圆/横椭圆，纵椭圆/纵椭圆，纵椭圆/横椭圆。
进一步，换热主体中，冷热流体通道在流向上为周期性的Z形换热通道，在通道的转弯区域布置有V形翅片。
进一步，换热主体中，冷热流体通道在流向上为周期性的S形换热通道，在通道的转弯区域布置有光滑V形翅片。
进一步，换热主体中，冷热流体通道在流向上为周期性的S形换热通道，在通道的转弯区域布置有翼型翅片。
综上所述，本发明中，Z形换热通道、S形换热通道中加入了V形翅片、光滑V形和翼型翅片结构，大大优化了通道内的流动特性，相比于传统的通道结构来说，增大了换热面积，改变了局部的流动结构，强化了传热性能，减小了由于转角涡结构带来的阻力损失，从而提高了换热效率；采用了圆形、椭圆形的流道截面，提高了换热器芯体的利用率，进一步增大了换热面积，从而提高了整体换热量，同时节省了金属材料，此外，横/纵椭圆形流道减小了纵/横向的尺寸，提高了换热器的紧凑性，实际中可以根据不同的需要选择合适的通道结构和截面形状；采用3D打印技术，整个换热器一体成型，可以减少由于制造误差带来的泄流和阻力等损失；3D打印技术使得换热器芯体在材料选择方面更加灵活，传统方法中不可刻蚀的高性能材料也可以应用于换热器的制备中；3D打印技术基于计算机三维建模，可以制造各种复杂的流动通道，如本发明中提出的新型通道结构，使得PCHE通道的发展更加多元化；与传统的刻蚀叠加方法相比，3D打印技术更加便捷，成本更低，且大大加快了生产速度，缩短工期。
附图说明
图1为本发明中基于3D打印技术的PCHE研究方案流程图；
图2为本发明中换热器的整体结构图；
图3为本发明换热器的扩展方式示意图；
图4a为本发明中换热器通道的圆形/圆形截面图；
图4b为本发明中换热器通道的横椭圆/横椭圆截面图；
图4c为本发明中换热器通道的纵椭圆/纵椭圆截面图；
图4d为本发明中换热器通道的纵椭圆/横椭圆截面图；
图5为本发明中Z形通道中布置V形翅片的结构图；
图6为本发明中S形通道中布置光滑V形翅片的结构图；
图7为本发明中S形通道中布置翼型翅片的结构图。
图中：1为换热主体，2为第一换热器进出口段，3为第二换热器进出口段，4为周期性换热通道，5为热流体进口通道，6为热流体出口通道，7为冷流体进口通道，8为冷流体出口通道，9为V形翅片，10为光滑V形翅片，11为翼型翅片，12为扩展端盖，13为工质供应管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参阅图1，本发明提出了基于3D打印技术的PCHE研究流程，首先建立PCHE三维模型，然后对其换热性能进行数值模拟，获得各性能参数，如果不满足要求，那么返回修改三维模型，满足要求则输入3D打印机中生产样品，设计并进行相应的实验，如果实验结果不满足要求，同样返回建模软件中修改模型，如果实验结果与数值模拟结果相互印证，那么就可进行批量生产并投入使用。3D打印制备方法采用的换热器材料为先进的合金，包括：NiCr23Co12Mo(617合金)、HX硬质合金或625合金等。3D打印工艺方法包含实体打印过程、成型后的静置强化、内表面抛光和整体清洁。外表面的抛光采用物理方法如砂纸打磨，通道内表面的抛光采用化学方法，配备可溶解相应合金的化学溶剂。换热器核心的尺寸可根据实际要求确定，流体通道的截面直径为毫米等级，实际的进出口段冷热流体通道尺寸根据工质的种类和流量确定。各种强化换热翅片在宽度方向的尺寸同样为毫米等级，增强换热的同时不会带来过多的阻力增加。
参照图2，本发明提出的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，包括换热主体1以及第一换热器进出口段2和第二换热器进出口段3，换热主体1中包含多层Z形换热通道或S形换热通道，同一层中的通道相互平行且间隔相等，为同种工质，相邻层中的流体通道也相互平行，为不同换热工质，且流动方向相反。第一换热器进出口段2和第二换热器进出口段3分别包含热流体进口通道5、冷流体出口通道8和热流体出口通道6、冷流体进口通道7，这四个通道在外部与工质供应管道相连，在内部通过扇形过渡通道与换热主体通道连接，冷热通道的扇形过渡区域在纵向上交叉排列。
参照图2，第一换热器进出口段2和第二换热器进出口段3的冷热流体通道的尺寸根据工质的种类和流量确定。
参照图2，整个换热器核心为3D打印的一体式结构。
参照图3，当进行换热器扩展时，首先将多个换热器核心焊接在一起，然后盖上扩展端盖12，同样采用焊接方式组装，扩展端盖12上有工质供应管道13。
参照图4a至图4d，冷热流体通道在纵向上相间排列，且通道纵向间距相等。此外，冷热流体通道有多种截面形状，如圆形/圆形，横椭圆/横椭圆，纵椭圆/纵椭圆，纵椭圆/横椭圆。
参照图5，在换热主体1中，冷热流体通道在流向上为周期性的Z形换热通道，在通道的转弯区域布置有V形翅片9。
参照图6，在换热主体1中，冷热流体通道在流向上为周期性的S形换热通道，在通道的转弯区域布置有光滑V形翅片10。
参照图7，在换热主体1中，冷热流体通道在流向上为周期性的S形换热通道，在通道的转弯区域布置有翼型翅片11。
换热器工作过程为：热流体从热流体进口通道5中进入，冷流体进口通道7中进入，冷热流体通过扇形过渡通道进入换热主体1中，逆向流动，并在纵向相邻的周期性通道中发生换热，被冷却的热流体出口通道6的出口流出，被加热的冷流体出口通道8的出口流出。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，包括基于3D打印技术成型的换热主体(1)，其中，
该换热主体(1)的两端分别为第一换热器进出口段(2)和第二换热器进出口段(3)，第一换热器进出口段(2)在竖直方向上开设有热流体进口通道(5)和冷流体出口通道(8)，第二换热器进出口段(3)在竖直方向上开设有热流体出口通道(6)和冷流体进口通道(7)，换热主体(1)的中部自下而上开设有若干层周期性换热通道(4)，一部分周期性换热通道(4)与热流体进出口通道相连通，其余部分周期性换热通道(4)与冷流体进出口通道相连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，热流体进口通道(5)和热流体出口通道(6)，以及冷流体进口通道(7)和冷流体出口通道(8)均呈对角布置。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，热流体进口通道(5)和热流体出口通道(6)采用圆柱形通道。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，周期性换热通道(4)采用Z形换热通道、S形换热通道，或者交替布置的Z形换热通道和S形换热通道。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，周期性换热通道(4)作为冷热流体通道时，纵向上相间排列，且通道纵向间距相等。
6.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，周期性换热通道(4)的截面形状为，圆形/圆形，横椭圆/横椭圆，纵椭圆/纵椭圆，或者纵椭圆/横椭圆。
7.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，周期性换热通道(4)采用Z形换热通道时，在通道的转弯区域布置有V形翅片(9)。
8.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，周期性换热通道(4)采用S形换热通道时，在通道的转弯区域布置有光滑V形翅片(10)或者翼型翅片(11)。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，其特征在于，当进行换热器扩展时，将多个换热器核心焊接在一起，然后焊接上扩展端盖(12)，并在扩展端盖(12)上设置工质供应通道(13)。
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