CN107643011A - 一种D形截面Zig‑Zag通道紧凑式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种D形截面Zig‑Zag通道紧凑式换热器。本发明包括冷流体进出口、热流体进出口以及换热芯体，换热芯体包括由钛或钛合金材料制成的冷侧板以及热侧板，冷侧板、热侧板上分别刻蚀有多条并列且供流体通过的D形截面Zig‑Zag通道，冷侧板与热侧板平行且交替重叠设置并通过扩散焊接技术连接为一体，所述冷侧板与所述热侧板的厚度存在差异，所述冷侧Zig‑Zag通道与所述热侧Zig‑Zag通道的横截面积存在差异，所述冷侧Zig‑Zag通道与所述热侧Zig‑Zag通道的肋宽存在差异。本发明更具耐高温、高压、腐蚀性的苛刻环境的特性；增加了板片面积有效利用率，提高了通道布置的紧凑度；通道阻力损失得到降低，整体换热性能大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于浮式天然气装置、海洋平台、新一代核能领域使用的高紧凑度换热器技术领域，具体是涉及一种D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器。
背景技术
浮式天然气装置、海洋平台、新一代核能领域使用的高紧凑度换热器，主要是板翅式换热器。而板翅式换热器主要由基板和翅片通过钎焊方式组合在一起，该换热器存在的问题有：钎焊处为异种材料焊接，高温条件下的热膨胀应力易导致内部变形失效；在高腐蚀环境中钎焊连接处的填充钎料容易被腐蚀，导致泄漏；较薄的翅片在高温高压下易发生蠕变，进而堵塞部分通道，降低换热效率和安全性；换热器板片材料都是采用不锈钢，而不锈钢应用于海水环境中容易被腐蚀，导致板片泄漏；换热器流道的三角形截面、矩形截面、梯形截面，采用机械加工方式而成，加工周期长且难以保证表面粗糙度等级；直通道、正弦曲折通道、“几”字形通道的换热器存在传热效率低和面积有效利用率低问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，包括冷流体进出口、热流体进出口以及换热芯体，所述换热芯体包括由钛或钛合金材料制成的冷侧板以及热侧板，所述冷侧板板面上刻蚀有多条并列且供冷流体通过、截面为D形的冷侧Zig-Zag通道，所述热侧板板面上刻蚀有多条并列且供热流体通过、截面为D形的热侧Zig-Zag通道，所述冷侧板与热侧板平行且交替重叠设置并通过扩散焊接技术连接为一体，所述冷侧板与所述热侧板的厚度存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道与所述热侧Zig-Zag通道的横截面积存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道与所述热侧Zig-Zag通道的肋宽存在差异。
进一步的，所述冷侧板、热侧板材质为钛或钛合金。
进一步的，所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道的截面均为D形且直径为0.2-5mm。
进一步的，所述冷侧Zig-Zag通道两端分别刻蚀有与所述冷流体进出口连通的冷侧直通道，所述热侧Zig-Zag通道两端分别刻蚀有与所述热流体进出口连通的热侧直通道。
进一步的，所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道在Z形转角处圆弧过渡，所述圆弧半径为所在Zig-Zag通道直径的1-3倍。
进一步的，所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道的Z形转角角度为60-180度。
进一步的，所述冷侧Zig-Zag通道中相邻Z形转角之间的长度与所述热侧Zig-Zag通道中相邻Z形转角之间的长度存在差异，所述相邻Z形转角之间的长度为所在Zig-Zag通道直径的1-10倍。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述冷侧板与热侧板采用钛或钛合金材质加工而成，且所述冷侧板与热侧板之间通过扩散焊接技术实现固态连接，这使得本发明换热器可用于强腐蚀性的海水环境、高温腐蚀环境，避免了传统的钎料与基材焊接部位出现腐蚀、泄露等问题，本发明更具耐高温、高压、腐蚀性的苛刻环境的特性。
其次，本发明采用光化学蚀刻技术形成D形截面通道，可明显缩短加工周期且保证通道内表面粗燥度等级，从而有效降低通道阻力损失。
本发明采用Zig-Zag通道，所述Zig-Zag通道解释为锯齿形通道，本发明相对于传统的正弦曲折通道、“几”字形通道，增加了板片面积有效利用率，提高了通道布置的紧凑度。本发明采用Zig-Zag通道，相对于直通道可有效提高换热器传热性能。
(2)本发明还创造性地将所述冷侧板的厚度设置成不同于所述热侧板的厚度，并使得所述冷侧Zig-Zag通道的横截面积不同于所述热侧Zig-Zag通道的横截面积，所述冷侧Zig-Zag通道之间的肋宽不同于所述热侧Zig-Zag通道之间的肋宽，通过上述冷侧板、热侧板不同特征几何尺寸的设置，使得冷热侧承压能力范围更加宽泛，实现对局部热力环境特征的细致区分，实现不同热力状态的合理匹配，实现局部到整体进行合适的定制设计，实现不同热力环境之间的热力行为匹配适应性精确控制，从而大幅提高整体换热性能。
(3)本发明所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道在Z形转角处采用圆弧过渡，可进一步有效降低通道的阻力损失，而阻力损失是衡量微孔通道换热器性能最重要的指标之一。另外本发明所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道中Z形转角角度以及相邻Z形转角之间长度的设置，使流体流动方向、速度改变频繁，湍动程度大大增强，进一步提高了换热器整体的换热性能。本发明所述D形截面通道传热强化效果优于现有技术中矩形截面、圆形截面通道，同时阻力损失增加小于圆形截面通道、矩形截面通道。本发明所述Zig-Zag通道传热强化效果优于现有技术中梯形通道、正弦曲折通道、“几”字形通道。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为换热芯体结构示意图。
图3为冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道结构示意图。
图4为冷侧板、热侧板上不同通道直径、不同肋宽示意图。
图5为冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道之间不同圆弧半径、不同Z形转角、不同相邻Z形转角之间长度示意图。
附图中标记的含义如下：
1-热流体进口 2-换热芯体 3-热流体出口 4-冷流体进口
5-冷流体出口 6-上端板 7-下端板 10-冷侧板 11-热侧板
16-1-入口冷侧直通道 16-2-出口冷侧直通道 17-冷侧Zig-Zag通道
18-1-入口热侧直通道 18-2-出口热侧直通道 19-热侧Zig-Zag通道
L1/L2-肋宽 L3/L4-相邻Z形转角之间长度 n1/n2-Z形转角角度
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：
如图1、2所示，本发明包括冷流体进出口、热流体进出口以及换热芯体2，所述换热芯体2包括由钛或钛合金材料制成的冷侧板10以及热侧板11，所述冷侧板10板面上刻蚀有多条并列且供冷流体通过、截面为D形的冷侧Zig-Zag通道17，所述热侧板11板面上刻蚀有多条并列且供热流体通过、截面为D形的热侧Zig-Zag通道19，所述冷侧板10与热侧板11平行且交替重叠设置并通过扩散焊接技术连接为一体，所述冷侧板10与所述热侧板11的厚度存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道17与所述热侧Zig-Zag通道19的横截面积存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道17与所述热侧Zig-Zag通道19的肋宽存在差异。所述肋宽指的是冷侧板或热侧板上相邻Zig-Zag通道之间的距离。
所述换热芯体2上方为上端板6，所述换热芯体2下方为下端板7。热流体进口1位于换热器后侧、热流体出口3位于换热器前侧，冷流体进口4位于换热器左侧、冷流体出口5位于换热器右侧。
所述扩散焊接技术是指相互接触的材料表面，在温度和压力的作用下相互靠近，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面处形成新的扩散层，从而实现可靠连接。
本发明所述冷侧板10与热侧板11采用钛或钛合金材质加工而成，且所述冷侧板10与热侧板11之间通过扩散焊接技术实现固态连接，这使得本发明换热器可用于强腐蚀性的海水环境、高温腐蚀环境，避免了传统的钎料与基材焊接部位出现腐蚀、泄露等问题，本发明更具耐高温、高压、腐蚀性的苛刻环境的特性。
其次，本发明采用光化学蚀刻技术形成D形截面通道，可明显缩短加工周期且保证通道内表面粗燥度等级，从而有效降低通道阻力损失。
如图3所示，本发明采用Zig-Zag通道，所述Zig-Zag通道解释为锯齿形通道，本发明相对于传统的正弦曲折通道、“几”字形通道，增加了板片面积有效利用率，提高了通道布置的紧凑度。本发明采用Zig-Zag通道，相对于直通道可有效提高换热器传热性能。
如图4所示，本发明还创造性地将所述冷侧板10的厚度设置成不同于所述热侧板11的厚度，并使得所述冷侧Zig-Zag通道17的横截面积不同于所述热侧Zig-Zag通道19的横截面积，所述冷侧Zig-Zag通道17之间的肋宽不同于所述热侧Zig-Zag通道19之间的肋宽，通过上述冷侧板10、热侧板11不同特征几何尺寸的设置，经测试结果显示：本发明整体换热性能大幅提高。
所述冷侧板10、热侧板11材质为钛或钛合金。
所述冷侧Zig-Zag通道17、热侧Zig-Zag通道19的截面均为D形且直径选择0.2-5mm。
所述冷侧Zig-Zag通道17两端分别刻蚀有与所述冷流体进出口连通的冷侧直通道，所述热侧Zig-Zag通道19两端分别刻蚀有与所述热流体进出口连通的热侧直通道。
如图5所示：所述冷侧Zig-Zag通道17、热侧Zig-Zag通道19在Z形转角处圆弧过渡，所述圆弧半径为所在Zig-Zag通道直径的1-2倍。该结构可进一步有效降低通道的阻力损失。
所述冷侧Zig-Zag通道17、热侧Zig-Zag通道19的Z形转角角度为90-150度。所述冷侧Zig-Zag通道17中相邻Z形转角之间的长度不同于所述热侧Zig-Zag通道中相邻Z形转角之间的长度，所述相邻Z形转角之间的长度为所在Zig-Zag通道直径的1-10倍。经研究发现：所述冷侧Zig-Zag通道、热侧Zig-Zag通道中Z形转角角度以及相邻Z形转角之间长度的设置，进一步提高了换热器整体的能效。
Claims (7)
1.一种D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，包括冷流体进出口、热流体进出口以及换热芯体(2)，其特征在于：所述换热芯体(2)包括由钛或钛合金材料制成的冷侧板(10)以及热侧板(11)，所述冷侧板(10)板面上刻蚀有多条并列且供冷流体通过、截面为D形的冷侧Zig-Zag通道(17)，所述热侧板(11)板面上刻蚀有多条并列且供热流体通过、截面为D形的热侧Zig-Zag通道(19)，所述冷侧板(10)与热侧板(11)平行且交替重叠设置并通过扩散焊接技术连接为一体，所述冷侧板(10)与所述热侧板(11)的厚度存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道(17)与所述热侧Zig-Zag通道(19)的横截面积存在差异，所述冷侧Zig-Zag通道(17)与所述热侧Zig-Zag通道(19)的肋宽存在差异。
2.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧板(10)、热侧板(11)材质为钛或钛合金。
3.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧Zig-Zag通道(17)、热侧Zig-Zag通道(19)的截面均为半圆形且直径为0.2-5mm。
4.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧Zig-Zag通道(17)两端分别刻蚀有与所述冷流体进出口连通的冷侧直通道，所述热侧Zig-Zag通道(19)两端分别刻蚀有与所述热流体进出口连通的热侧直通道。
5.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧Zig-Zag通道(17)、热侧Zig-Zag通道(19)在Z形转角处圆弧过渡，所述圆弧半径为所在Zig-Zag通道直径的1-3倍。
6.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧Zig-Zag通道(17)、热侧Zig-Zag通道(19)的Z形转角角度为60-180度。
7.如权利要求1所述的D形截面Zig-Zag通道紧凑式换热器，其特征在于：所述冷侧Zig-Zag通道(17)中相邻Z形转角之间的长度与所述热侧Zig-Zag通道(19)中相邻Z形转角之间的长度存在差异，所述相邻Z形转角之间的长度为所在Zig-Zag通道直径的1-10倍。
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