CN107504854A - 一种表面多孔高通量传热板管及板式再沸器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面多孔高通量传热板管及板式再沸器。为了解决现有传热板刚度低、抗变形能力差，高温烧结时存在翘曲变形和废品率高问题，本发明公开了一种表面多孔高通量传热板管。该表面多孔高通量传热板管，包括板管基体和多孔金属层，所述板管表面沿其长度方向的外表面为波纹形结构，且上表面的波峰与下表面的波谷相对应，设有多个相互平行且独立的贯穿孔；所述多孔金属层位于所述板管基体的外表面。本发明的表面多孔高通量传热板管，不仅可以加速液体蒸发，强化沸腾传热效率，而且具有较高的抗变形能力，提高表面多孔高通量传热板管成品率。

Description

一种表面多孔高通量传热板管及板式再沸器

技术领域

本发明涉及一种在能源动力工程领域中使用的蒸发器、汽化器、再沸器，特别涉及一种表面多孔高通量传热板管及板式再沸器。

背景技术

板式热交换器具有紧凑度高、传热系数高特点，可用于介质沸腾、蒸发传热和物料分离。

板式沸腾传热设备在炼油、化工、制冷、核能、食品加工、工业废液浓缩、空气分离、海水淡化装置应用广泛。例如，食品、轻工、制冷行业用板式升膜、降膜蒸汽器。现有板式沸腾传热设备传热元件一般为表面光滑金属波纹板。

传热理论表明，将多孔金属固定在传热元件表面，饱和液体通过毛细作用进到烧结层，因烧结层结构中存在着大量鼓泡点，增加了汽化核心点，可加速液体蒸发，强化沸腾、蒸发传热效率。

国内外关于板式热交换器传热元件表面增加表面多孔结构的报道极少。中国船舶重工集团公司第七一一研究所公开了一种在单张波纹板片表面烧结多孔金属粉末的高通量换热板。中国专利号为CN 103175431 A。

该换热板由一层板材基体和一层金属粉末构成，其中金属粉末通过烧结的方式固定在板材基体的蒸发侧表面。

工程应用中，为满足介质传热要求，换热板片长度尺寸往往达到1000mm甚至更大，板长宽比例为2:1～5:1，厚度尺寸一般为0.5～1.5mm。所以，板片自身刚度即抗变形能力较低。

因金属板材导热各向异性，烧结炉内温度分布不均匀，烧结金属板片表面多孔金属粉末时，板片基体受热不均，极易导致翘曲变形，废品率很高。

发明内容

为解决公开报道高通量板片刚度低、抗变形能力差，高温烧结时存在翘曲变形和废品率高问题，本发明提出了一种表面多孔高通量传热板管。该表面多孔高通量传热板管，包括板管基体和多孔金属层，其特征在于，所述板管基体表面沿其长度方向的外表面为波纹形结构，且上表面的波峰与下表面的波谷相对应，设有多个相互平行且独立的贯穿孔；所述多孔金属层位于所述板管基体的外表面。

优选的，所述板管基体由上下两层传热波纹板组成，其中所述上层传热波纹板与所述下层传热波纹板之间镜像设置，并且所述上层传热波纹板的波谷与所述下层传热波纹板的波峰贴牢固定。

进一步优选的，所述上层传热波纹板与所述下层传热波纹板之间通过激光焊接的方式进行固定连接。

优选的，所述多孔金属层由金属粉末组成，具有30％～70％的表面孔隙率，并且通过烧结的方式与所述板管基体固定连接。

进一步优选的，所述金属粉末由不锈钢、钛、铜、双相钢、哈氏合金、镍基合金、铝以及铝合金中的一种或多种成分组成，并且所述金属粉末的颗粒直径为30～200μm,颗粒层厚度0.1～0.3mm。

一种板式再沸器，包括换热芯体，所述换热芯体由以上所述的表面多孔高通量传热板管组成，提供冷、热介质流道空间

其中，相邻表面多孔高通量传热板管之间相互平行且保持一定间距，形成轮廓近似为长方体，在表面多孔高通量传热板管的长侧边设置密封镶条，两相邻表面多孔高通量传热板管包夹的空间作为低温介质流道。

优选的，在相邻两层所述表面多孔高通量传热板管之间，上层表面多孔高通量传热板管中下表面的波峰与下层表面多孔高通量传热板管中上表面的波峰上下相互对应，使得低温沸腾介质流道呈正弦波纹状。

所有表面多孔高通量传热板管包含的贯穿孔道共同作为高温介质流道。表面多孔高通量传热板管沿长度方向端部布置密封镶块，用于隔离冷、热介质串流。

优选的，该板式再沸器，还包括高温介质管箱、折流板和低温介质管箱，其中，所述折流板位于所述高温介质管箱内；该板式再沸器的流程布置方式为，低温沸腾介质下进上出，垂直向上流动，单流程，利于蒸汽排出，高温介质流入设备后经所述折流板，多次折返流动以保证充分换热。

进一步优选的，相邻所述折流板之间为非等间距布置。

本发明的一种具有表面多孔高通量传热板管的板式再沸器与现有公开报道强化沸腾传热技术比较，具有以下有益效果：

1、在本发明中，表面多孔高通量传热板管是将多孔金属固定在传热元件表面，饱和液体通过毛细作用流入多孔层，因多孔层中存在着大量汽化核心点，可加速液体蒸发，强化沸腾传热效率。

2、烧结多孔金属粉末前，传热板管采用激光焊接波纹板对形成。板管具有多个相互平行且独立的贯穿孔，相邻贯穿孔之间平行布置焊缝，增强了板管基体刚度。在烧结金属粉末时，波纹板管具有较高抗变形能力，提高传热板管成品率。

3、在本发明中，板式再沸器中的低温介质在由相邻波纹板管外表面组成正弦状流道内流动，提高了介质扰流程度，进一步强化沸腾传热，并且流道内无波纹板触点，利于蒸汽排出。

4、在本发明中，板式再沸器高温介质在波纹板管内若干贯穿通道内流动，通过设置折流板可增加介质流程数量，增加高温介质与低温介质之间进行热交换的面积和时间，利于提高换热性能。

附图说明

图1为本发明一种表面多孔高通量传热板管的结构示意图；

图2为图1中A-A方向的局部截面示意图；

图3为对本发明表面多孔高通量传热板管进行激光焊接加工的示意图；

图4为本发明表面多孔高通量传热板管表面多孔沸腾流动传热示意图；

图5为本发明板式再沸器的轴侧图；

图6为本发明表面多孔高通量传热板管相互连接的结构示意图；

图7为图6中F-F方向的局部截面示意图；

图8为本发明板式再沸器中的流程布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步介绍。

结合图1和图2所示，本发明的表面多孔高通量传热板管1包括，板管基体11和多孔金属层12。板管基体11由上、下两层传热波纹板片组对形成。相邻的表面多孔高通量传热板管1按一定间距平行布置，所包夹空间作为低温介质侧流道。同一表面多孔高通量传热板管1的相邻片组成贯穿孔13作为高温介质流道。

优选的，传热波纹板片由模压成型工艺制成，传热波纹板壁面沿流动方向呈正弦波纹型。传热波纹板厚0.5～1.5mm。材质包括不锈钢、双相钢、钛、铜、哈氏合金、铝合金。

优选的，所述上层传热波纹板与所述下层传热波纹板之间通过激光焊接的方式进行固定连接。

结合图3所示，进行两层传热波纹板之间的激光焊接时，首先，将待固定连接的两件传热波纹板镜像对称放置在散热平台上，借助压块21将两件传热波纹板压紧固定，保证上层传热波纹板的波谷与下层传热波纹板的波峰紧密贴牢；接着，沿传热波纹板的宽度方向进行焊接，完成两件传热波纹板之间的固定连接，形成板管基体11。

其中，在本实施例中，传热波纹板的截面形状为近似等腰梯形，传热波纹板的厚度尺寸为0.5～1.5mm，传热波纹板的材质为不锈钢。激光焊接的主要工艺参数为：激光焊接输入功率为1500～3500KW，离焦量为+3～10mm，焊接速度为1～5m/min。焊接过程中，在板管上方采用氩气、氮气保护，氩气流量为10～35L/min，氮气保护压力为0.3～1.0MPa；在板管下表面附近采用氮气保护，氮气保护压力为0.3～0.7MPa。

同理，在其他实施例中也可以根据表面多孔高通量传热板管1使用工况的不同，传热波纹板的截面形状采用矩形、三角形或正弦形，传热波纹板选用其他材质，例如双相钢、钛、铜、哈氏合金或铝合金。

优选的，多孔金属层12由金属粉末组成，并且通过烧结的方式与板管基体11固定连接。首先，通过在板管基体11的外表面，即在上表面和下表面分别依次涂覆粘结层和金属粉末层，借助粘结层将金属粉末粘结在板管基体11的外表面上；然后，将粘结有金属粉末的板管基体11置于烧结炉内，进行高温烧结，使金属粉末烧结固定在板管基体11的外表面，形成表面孔隙率为30％～70％的多孔金属层12，从而获得表面多孔高通量传热板管1。

结合图4所示，低温饱和液流经表面多孔高通量传热板管1时，通过毛细作用进入到烧结层。因烧结层结构中存在着大量鼓泡点，增加了汽化核心点，在与贯穿孔13内部的流体之间的热量交换时，强化沸腾传热效率。

在本实施例中，金属粉末选用不锈钢材质，金属粉末的颗粒直径为30～200μm,颗粒层的厚度为0.1～0.3mm。同样，根据表面多孔高通量传热板管1使用工况的不同，金属粉末也可以采用其他材质，例如钛、铜、双相钢、哈氏合金、镍基合金、铝及铝合金中的一种或多种成分。

结合图5所示，一种板式再沸器，传热芯体，低温介质管箱3和进出口接管31、32；高温介质管箱5、进出口接管33、34，折流板4。其中，传热芯体由表面多孔高通量传热板管1组成，折流板4位于低温介质管箱3的内部。

在本实施例中，低温介质管箱3采用半圆拱结构，与表面多孔高通量传热板管1所构成板束的短边焊接连接。设有低温介质进口接管31和低温介质出口接管32。

高温介质管箱5采用半圆拱形式与表面多孔高通量传热板管1形成板束长边相焊接连接。分别设有低温介质进口接管33和低温介质出口接管34。在本实施例中，高温介质进口接管33和高温介质出口接管34位于同侧，也可根据流程布置数量布置在不同侧。

结合图6和图7所示，传热芯体由多个表面多孔高通量传热板管1组成，提供冷、热介质流道空间。相邻表面多孔高通量传热板管1平行布置并保持一定间距，在表面多孔高通量传热板管1的长侧边设置密封镶条2，用于密封流道除进出口外侧边。两相邻板管包夹的空间作为低温介质流道。

相邻表面多孔高通量传热板管1之间的贯穿孔13错位布置，即在相邻两层表面多孔高通量传热板管1之间，上层表面多孔高通量传热板管1中下表面的波峰与下层表面多孔高通量传热板管1中上表面的波峰上下相互对应，使低温介质流道沿流动方向截面呈正弦曲线型流道6。

此外，根据工艺设计要求不同，将相邻表面多孔高通量传热板管1之间的贯穿孔13相对应布置，即将上层表面多孔高通量传热板管1中下表面的波峰与下层表面多孔高通量传热板管1中上表面的波谷上下相互对应，两层表面多孔高通量传热板管1间形成波节状流道。

结合图6和图8所示，每层板管包含的若干贯孔道作为高温介质流道。表面多孔高通量传热板管1沿长度方向端部布置密封镶块23，用于隔离冷、热介质串流。沿表面多孔高通量热板管1长度布置折流板4，用于实现高温介质流体多流程换热。相邻折流板4之间的距离可根据换热流速大小，作不等间距布置。

结合图7和图8所示，高温介质从进口接管33流入设备，流经传表面多孔高通量热板管1的贯穿孔13和分程折流板4，与流道6内流动的低温介质充分换热后从出口接管34流出设备。

低温介质下进上出，从进口接管31流入设备，垂直向上流动，单流程。保证沸腾、蒸发传热过程中产生的汽相尽快排出设备，从而提高换热器的热交换效率。

Claims (10)

1.一种表面多孔高通量传热板管，包括板管基体和多孔金属层，其特征在于，所述板管基体表面沿其长度方向的外表面为波纹形结构，且上表面的波峰与下表面的波谷相对应，设有多个相互平行且独立的贯穿孔；所述多孔金属层位于所述板管基体的外表面。

2.根据权利要求1所述的表面多孔高通量传热板管，其特征在于，所述板管基体由上下两层传热波纹板组成，其中所述上层传热波纹板与所述下层传热波纹板之间镜像设置，并且所述上层传热波纹板的波谷与所述下层传热波纹板的波峰贴牢固定。

3.根据权利要求2所述的表面多孔高通量传热板管，其特征在于，所述上层传热波纹板与所述下层传热波纹板之间通过激光焊接的方式进行固定连接。

4.根据权利要求1所述的表面多孔高通量传热板管，其特征在于，所述多孔金属层由金属粉末组成，具有30％～70％的表面孔隙率，并且通过烧结的方式与所述板管基体固定连接。

5.根据权利要求4所述的表面多孔高通量传热板管，其特征在于，所述金属粉末由不锈钢、钛、铜、双相钢、哈氏合金、镍基合金、铝以及铝合金中的一种或多种成分组成，并且所述金属粉末的颗粒直径为30～200μm,颗粒层厚度0.1～0.3mm。

6.一种板式再沸器，其特征在于，包括换热芯体，所述换热芯体由权利要求1-5中任意一项所述的表面多孔高通量传热板管组成，提供冷、热介质流道空间。

7.根据权利要求6所述的板式再沸器，其特征在于，所述表面多孔高通量传热板管之间相互平行设置且保持一定间距，形成轮廓为长方体，并且在表面多孔高通量传热板管的长侧边设置密封镶条，两相邻表面多孔高通量传热板管包夹的空间作为低温介质流道。

8.根据权利要求6所述的板式再沸器，其特征在于，在相邻两层所述表面多孔高通量传热板管之间，上层表面多孔高通量传热板管中下表面的波峰与下层表面多孔高通量传热板管中上表面的波峰上下相互对应，使得低温沸腾介质流道呈正弦波纹状。

9.根据权利要求6所述的板式再沸器，其特征在于，还包括高温介质管箱、折流板和低温介质管箱，其中，所述折流板位于所述高温介质管箱内；该板式再沸器的流程布置方式为，低温沸腾介质下进上出，垂直向上流动，单流程，利于蒸汽排出，高温介质流入设备后经所述折流板，多次折返流动以保证充分换热。

10.根据权利要求9所述的板式再沸器，其特征在于，相邻所述折流板之间为非等间距布置。