CN108332588B - 一种高寿命多系统板式换热器及其实现方法 - Google Patents

一种高寿命多系统板式换热器及其实现方法 Download PDF

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Abstract

一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：依次包括上盖板、换热片和下盖板，上述换热片包括多种型式，各型式换热片按一定次序堆叠形成多个独立换热系统；上述多个独立换热系统包括至少两种高压腔、至少两种高压环形空腔、至少两种高压流道、至少一种低压腔、至少一种低压流道、至少两种高压换热介质分配孔、至少一种低压换热介质分配孔；上述各高压环形空腔及高压换热介质分配孔分别设置具有连续曲率的微凸体，上述高压换热介质分配孔具有一定锥度，其能有效降低各高压环形腔与低压流道之间的压差。上述各高压环形空腔中还设置了加强圈，其进一步提高了多系统板式换热器使用寿命。

Description

一种高寿命多系统板式换热器及其实现方法
技术领域
本发明涉及板式换热器，具体涉及一种高寿命多系统板式换热器及其实现方法。
背景技术
板式换热器是液—液、液—汽进行热交换较为理想的设备，其具有热交换效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、使用寿命长等一系列优点，因而被广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门。并且，其可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种情况。
板式换热器根据换热系统数量可分为单系统板式换热器和多系统板式换热器。但系统板式换热器通常为两种换热介质之间的热量转化，而多系统板式换热器通常为两种以上换热介质之间的热量转化。比较而言，多系统板式换热器具备两种以上不同换热介质同时换热的功能，相当于同时使用多个单系统板式换热器，因而多系统板式换热器具有空间结构紧凑，换热效率高等优点。单系统板式换热器通常采用两种表面花纹相互共轭的换热片依次堆叠而成，形成两种换热空腔，因而其结构较简单，且疲劳耐久可控性较好。相对而言，多系统板式换热器需采用两种以上表面花纹不同的换热片依次堆叠，形成两种以上换热空腔，因而其结构较为复杂，疲劳耐久可控性较差。为使多系统板式换热器各个换热空腔有序排布，压力较高的换热介质通常首先储存于高压环形空腔后经高压介质分配孔流入换热腔，由于现有高压环形空腔表面为平面且无相应支撑结构，因而当流速较低的高压换热介质聚集于此时，高压环形空腔与换热介质压力较小的低压腔易形成较大压差，使多系统板式换热器处于低周疲劳状态状态，产品可靠性较差。
针对高压环形空腔与低压腔之间存在的大压差，现有技术的解决方案为在高压环形腔中设置采用机加工的环形块状金属垫圈，其虽能解决多系统板式换热器疲劳开裂问题，但其具有多系统换热器整体质量重，金属垫圈机加工成本高等缺点，且其并未从根本上解决大压差问题。
因此，开发一种低压差高强度的高寿命多系统板式换热器是本领域技术人员需要思考的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高寿命多系统板式换热器及其实现方法，其能有效减小高压环形空腔与低压流道之间的压差，且具有简单易行的补强措施，提高现有多系统板式换热器使用寿命。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：依次包括上盖板、换热片和下盖板，上述换热片包括多种型式，各型式换热片按一定次序堆叠形成多个独立换热系统；上述多个独立换热系统包括至少两种高压腔、至少两种高压环形空腔、至少两种高压流道、至少一种低压腔、至少一种低压流道、至少两种高压换热介质分配孔、至少一种低压换热介质分配孔；压力较高换热介质分别经上述各高压腔、上述各高压环形空腔后通过各高压换热介质分配孔分别进入上述各高压流道，压力较低的换热介质经上述低压腔后通过低压换热介质分配孔进入上述低压流道，压力不同的各种换热介质在各自流道中完成热量交换；上述各高压环形空腔及高压换热介质分配孔分别设置具有连续曲率的微凸体，其提高了各高压环形空腔中换热介质的流动速度，降低了各高压环形腔与低压流道之间的压差；上述高压换热介质分配孔具有一定锥度，其能进一步降低各高压环形腔与低压流道之间的压差。
优选地，上述高寿命多系统板式换热器还包括加强圈，其安装于上述多系统板式换热器各高压环形空腔中，其降低了各高压环形空腔因压差引起的应力。
具体地，上述加强圈为具有周期性上凸和下凹平面的环形波纹圈，其上凸平面与下凹平面分别各高压环形空腔的上平面与下平面采用焊接的方式连接；上述加强圈的波数可根据加强圈材料的减薄率与高压换热介质分配槽进液孔大小设置。
进一步地，上述加强圈波数设置条件为：加强圈材料的减薄率≤25％、加强圈与各高压环形空腔形成的换热介质流通区域最小面积大于高压换热介质分配孔进液口面积、加强圈的安装位置能保证高压换热介质顺畅流通。
优选地，上述各高压环形空腔侧壁具有曲率连续的微凸体结构，当相同流量的高压换热介质流过上述微凸体结构时，高压换热介质相对于各高压环形空腔侧壁的流动速度增加，由此高压换热介质的压力下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差有所减小。
优选地，上述各高压换热介质分配孔内壁具有曲率连续的微凸体结构，而各低压换热介质分配孔内壁无微凸体结构。因而相同流量的高压换热介质流经高压换热介质分配孔时的流动速度再一次提高，高压换热介质的压力再一次下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差再一次减小。
进一步地，上述高压换热介质分配孔进液口面积大于出液口面积，即各高压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成高压换热介质分配孔的高压换热介质分配槽具有一定的锥度，而低压换热介质分配孔进液口面积等于出液口面积，即低压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成低压换热介质分配孔的低压换热介质分配槽无锥度；由此，当相同流量高压介质换热介质流经高压换热介质分配孔时时流动速度进一步提高，高压换热介质的压力进一步下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差进一步降低。
具体地，各高压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成高压换热介质分配孔的高压换热介质分配槽锥度范围为1:12～1:11。
本发明还提出了上述高寿命多系统板式换热器实现方法，其包括以下具体步骤：
(1)备料：准备相应尺寸的不锈钢片、铜箔；
(2)冲压换热片：采用冲压机将相应不锈钢片冲成相应型号的换热片；
(3)冲压加强圈：采用冲压机将相应不锈钢片充成相应型号的加强圈；
(4)镀铜：采用电镀技术在上述加强圈表面镀一层铜膜，铜膜厚度为0.04～0.06mm；
(5)预装配：将上述上盖板、各型号换热片、加强圈、铜箔、下盖板按一定顺序预装配；
(6)预压：采用压力机预压上述预多系统板式换热器，预压力设置为0.5～4.5MPa；
(7)钎焊：将上述预压多系统板式换热器放入真空炉进行钎焊，炉温为1100～1200℃，钎焊时间为9小时；
(8)质检：按国家标准或行业标准或企业标准对上述块状流体分配器进行质量检查。质检环节穿插在每一个制造工序中；
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明各高压环形空腔侧壁具有连续曲率微凸体，其能有效提高高压换热介质的流动速度，降低高压换热介质作用于高压环形空腔侧壁的压力，减小高压环形空腔与低压流道的压差；
(2)本发明中各高压换热介质分配孔内壁具有连续曲率微凸体，其能再次提高高压换热介质的流动速度，降低高压换热介质作用于高压换热介质分配孔内壁的压力，再次减小高压环形空腔与低压流道的压差；
(3)本发明中各高压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成高压换热介质分配孔的高压换热介质分配槽具有一定的锥度，其能进一步提高高压换热介质流动速度，进一步减小高压环形空腔与低压流道的压差；
(4)本发明中各高压环形空腔中设置加强圈，其能减小高压环形腔因压差引起的应力，进一步提高多系统换热器使用寿命。
(5)本发明中的加强圈可采用模具冲压的方式批量生产，因而成本较低。
附图说明
图1为本发明高寿命多系统板式换热器腔体与流道示意图，其中a为一号高压腔、b为一号高压环形空腔、f为二号高压环形空腔、g为二号高压腔、h为低压流道，j为一号高压流道、k为低压腔、m为二号高压流道；
图2为本发明高寿命多系统板式换热器结构示意图，其中1为上盖板、2为换热片、3为下盖板、4为加强圈、1.1为一号高压进/出液孔、1.2为低压进/出液孔、1.3为二号高压进/出液孔、2.1为一号换热片、2.2为二号换热片、2.3为三号换热片、2.4为四号换热片；
图3为本发明高寿命多系统板式换热器一、二号高压环形腔示意图；
图4为本发明高寿命多系统板式换热器高压换热介质分配孔示意图；
图5为本发明高寿命多系统板式换热器低压换热介质分配孔示意图；
图6为本发明高寿命多系统板式换热器低压换热介质分配槽示意图；
图7为本发明高寿命多系统板式换热器高压换热介质分配槽示意图；
图8为本发明高寿命多系统板式换热器高压换热介质分配槽局部放大示意图；
图9为本发明高寿命多系统板式换热器加强圈示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
首先需要说明的是多系统板式换热器具有两个或两个以上独立换热系统，图1-9所示的具有两个独立换热系统的换热器仅用于示例说明的目的。本实施例中的多系统板式换热器具体结构依次包括上盖板1、换热片2和下盖板3，如图2所示；上述换热片1可分为一号换热片2.1、二号换热片2.2、三号换热片2.3、四号换热片2.4四种形式，各型号换热片按一定次序堆叠分别形成一号高压腔a、一号高压环形空腔b、二号高压环形空腔f、二号高压腔g、低压流道h，一号高压流道j、低压腔k和二号高压流道m、高压换热介质分配孔和低压换热介质分配孔，如图2所示；压力较高的两种换热介质A和C分别经一号高压腔a、一号高压环形空腔b和二号高压腔g、二号高压环形空腔f后通过高压换热介质分配孔分别进入一号高压流道j和二号高压流道m，压力较低的换热介质B经低压腔k后通过低压换热介质分配孔进入低压流道h，压力不同的三种换热介质在各自流道中完成热量交换；上述一号高压环形空腔b、二号高压环形空腔f及高压换热介质分配孔分别设置具有连续曲率的微凸体，其提高了一、二号高压环形空腔中换热介质的流动速度，降低了一、二号高压环形腔与低压流道之间的压差；上述高压换热介质分配孔具有一定锥度，其能进一步降低一、二号高压环形腔与低压流道之间的压差。
上述多系统板式换热器还包括设置在一、二号高压环形空腔中的加强圈，如图9所示，其能降低一、二号高压环形空腔因压差引起的应力，进一步提高多系统板式换热器的使用寿命。上述加强圈为具有周期性上凸和下凹平面的环形波纹圈，上凸平面与下凹平面分别与一、二号高压环形空腔的上平面与下平面采用焊接的方式连接；上述加强圈的波数可根据加强圈材料的减薄率与高压换热介质分配孔进液孔大小设置，在本实施例中加强圈材料的减薄率≤25％，加强圈与一、二号高压环形空腔形成的换热介质流通区域最小面积大于高压换热介质分配槽进液口面积，且加强圈的安装位置不得影响高压换热介质顺畅流通。
上述一、二号高压环形空腔侧壁具有曲率连续的微凸体结构，如图3所示，当相同流量的高压换热介质流过上述微凸体结构时，高压换热介质相对于一、二号高压环形空腔侧壁的流动速度增加，由此高压换热介质的压力下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差有所减小。
上述高压换热介质分配孔内壁具有曲率连续的微凸体结构，如图4所示，而低压换热介质分配孔内壁无微凸体结构，如图5所述。因而相同流量的高压换热介质流经高压换热介质分配孔时的流动速度再一次提高，高压换热介质的压力再一次下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差再一次减小。
进一步地，高压换热介质分配孔进液口面积大于出液口面积，即高压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成高压换热介质分配孔的高压换热介质分配槽具有一定的锥度如图7和图8所示，本实施例中，锥度值为1:11；低压换热介质分配孔进液口面积等于出液口面积，即低压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成低压换热介质分配孔的低压换热介质分配槽无锥度，如图6所示；由此，当相同流量高压介质换热介质流经高压换热介质分配孔时时流动速度进一步提高，高压换热介质的压力进一步下降，由此，高压环形空腔与低压流道之间的压差进一步降低。
本发明还提出了上述高寿命多系统板式换热器的实现方法，其具体包括以下步骤：
(1)备料：准备相应尺寸的不锈钢片、铜箔；
(2)冲压换热片：采用冲压机将相应不锈钢片冲成相应型号的换热片；
(3)冲压加强圈：采用冲压机将相应不锈钢片充成相应型号的加强圈；
(4)镀铜：采用电镀技术在上述加强圈表面镀一层铜膜，铜膜厚度为0.05mm；
(5)预装配：将上述上盖板、各型号换热片、加强圈、铜箔、下盖板按一定顺序预装配；
(6)预压：采用压力机预压上述预多系统板式换热器，预压力设置为2MPa；
(7)钎焊：将上述预压多系统板式换热器放入真空炉进行钎焊，炉温为1135℃，钎焊时间为9小时；
(8)质检：按国家标准或行业标准或企业标准对上述块状流体分配器进行质量检查。质检环节穿插在每一个制造工序中；
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：依次包括上盖板、换热片和下盖板，上述换热片包括多种型式，各型式换热片按一定次序堆叠形成多个独立换热系统；上述多个独立换热系统包括至少两种高压腔、至少两种高压环形空腔、至少两种高压流道、至少一种低压腔、至少一种低压流道、至少两种高压换热介质分配孔、至少一种低压换热介质分配孔；压力较高换热介质分别经上述各高压腔、上述各高压环形空腔后通过各高压换热介质分配孔分别进入上述各高压流道，压力较低的换热介质经上述低压腔后通过低压换热介质分配孔进入上述低压流道，压力不同的各种换热介质在各自流道中完成热量交换；
上述各高压环形空腔及高压换热介质分配孔分别设置具有连续曲率的微凸体，其提高了各高压环形空腔中换热介质的流动速度，降低了各高压环形腔与低压流道之间的压差；
上述高压换热介质分配孔具有一定锥度，其能进一步降低各高压环形腔与低压流道之间的压差。
2.根据权利要求1所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：还包括：
加强圈，安装于上述多系统板式换热器各高压环形空腔中，其降低了各高压环形空腔因压差引起的应力。
3.根据权利要求2所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述加强圈为具有周期性上凸和下凹平面的环形波纹圈，其上凸平面与下凹平面分别各高压环形空腔的上平面与下平面采用焊接的方式连接；上述加强圈的波数根据加强圈材料的减薄率与高压换热介质分配槽进液孔大小设置。
4.根据权利要求3所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述加强圈波数设置条件为：加强圈材料的减薄率≤25％、加强圈与各高压环形空腔形成的换热介质流通区域最小面积大于高压换热介质分配孔进液口面积、加强圈的安装位置能保证高压换热介质顺畅流通。
5.根据权利要求1所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述各高压环形空腔侧壁具有曲率连续的微凸体结构，所述微凸体结构作用是提高流经其表面的高压换热介质流动速度，降低换热介质作用于各高压环形空腔侧壁压力。
6.根据权利要求1所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述各高压换热介质分配孔内壁具有曲率连续的微凸体结构，所述微凸体结构作用是再一次提高流经高压换热介质分配孔内壁的流动速度，降低高压换热介质作用于各高压换热介质分配孔内壁压力。
7.根据权利要求1所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述各高压换热介质分配孔进液口面积大于出液口面积，即各高压换热介质分配孔或相邻换热片焊接形成高压换热介质分配孔的高压换热介质分配槽具有一定的锥度，其作用是进一步提高流经高压换热介质分配孔内壁的流动速度，降低高压换热介质作用于各高压换热介质分配孔内壁压力。
8.根据权利要求7所述的一种高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述高压换热介质分配孔或上述高压换热介质分配槽锥度范围为1:12～1:10。
9.一种如权利要求1所述的高寿命多系统板式换热器，其特征在于：上述高寿命多系统板式换热器实现方法包括以下步骤：
(1)备料：准备相应尺寸的不锈钢片、铜箔；
(2)冲压换热片：采用冲压机将相应不锈钢片冲成相应型号的换热片；
(3)冲压加强圈：采用冲压机将相应不锈钢片充成相应型号的加强圈；
(4)镀铜：采用电镀技术在上述加强圈表面镀一层铜膜，铜膜厚度为0.04～0.06mm；
(5)预装配：将上述上盖板、各型号换热片、加强圈、铜箔、下盖板按一定顺序预装配；
(6)预压：采用压力机预压上述预装配好的多系统板式换热器，预压力设置为0.5～4.5MPa；
(7)钎焊：将上述预压多系统板式换热器放入真空炉进行钎焊，炉温为1100～1200℃，钎焊时间为9小时；
(8)质检：按国家标准或行业标准或企业标准对上述多系统板式换热器进行质量检查，质检环节穿插在每一个制造工序中。
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