CN109798790A - 一种高效率的板翅式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的板翅式换热器，涉及换热器技术领域，其技术方案要点是包括至少三层堆叠的长方体结构的换热单元，换热单元包括由上至下依次固定设置的上隔板、第一翅片、中间隔板、第二翅片和下隔板，第一翅片两侧位于上隔板与中间隔板之间、第二翅片两侧位于中间隔板与下隔之间分别固设有垫块；第一翅片将上隔板与中间隔板之间的空间分隔成多个平行的横流道，横流道沿着上隔板的长度方向设置；第二翅片将中间隔板与下隔板之间的空间分隔成多个平行的纵流道，纵流道沿着上隔板的宽度方向设置。本发明解决了现有板翅式换热器同一层流道之间热交换效率低的问题，通过相邻两层流道交错设置，提高换热器的热交换效率。

Description

一种高效率的板翅式换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，更具体的说，它涉及一种高效率的板翅式换热器。

背景技术

板翅式换热器是一种以翅片为传热元件的换热器，具有传热效率高、紧凑、轻巧和适应性强等特点，因此其被广泛应用于空分设备、石油化工、制冷及低温领域、汽车和航空工业等领域。板翅式换热器通常包括隔板、翅片封条和导流片；相邻两隔板间放置翅片、导流片和封条形成一个夹层，为流体通道，将上述夹层根据实际需要以不同的方式叠置，钎焊为一个整体组成板束，再将板束和对应的封头、接管、支撑等零件装配，即形成板翅式换热器。板翅式换热器的相邻两个流体通道内流过相互进行换热的两种流体，两种流体在换热器内逆向流动。

现有技术参考授权公告号为CN104215101B的发明专利，其公开了一种板翅式换热器，包括顶板、底板以及堆叠设置于所述顶板和所述底板之间的板片，任意相邻两板片之间形成流体通道；还包括隔板，所述板片的流道被所述隔板分隔为两个相互隔绝的低温流体流道和高温流体流道，各流道的两端分别设有流体进口和流体出口；相邻两板片的低温流体流道位于隔板的不同侧，且其流体进口和流体出口分别连通，高温流体流道位于隔板的不同侧，且其流体进口和流体出口分别连通。该发明中板片的流道被分隔为两个分流道，两个分流道内的流体通过隔板也可以进行热交换，提高了板翅式换热器的换热效率。但存在以下不足，由于隔板的面积较小，单位时间低温流体通道与高温流体通道中的液体进行热交换的能量有限。

授权公告号为CN106355042B的发明专利公开了一种板翅式换热器的均匀化设计方法，其中板翅式换热器芯体包括平板和翅片，每相邻的两块平板之间设有一片翅片，从而在每相邻的两块平板之间形成多个流道，流道的截面为等腰梯形。该发明设计的板翅式换热器的同一层流道之间通过翅片的腰边进行热交换，虽然一定程度上增加了换热面积，但翅片腰边尺寸有限，单位时间内的热交换量仍无法满足需要。

为了满足市场需求，亟需设计一种高效的板翅式换热器。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效率的板翅式换热器，通过相邻两层流道交错设置，显著提高流道间的热交换效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种高效率的板翅式换热器，包括至少三层堆叠的长方体结构的换热单元，换热单元包括由上至下依次固定设置的上隔板、第一翅片、中间隔板、第二翅片和下隔板，第一翅片两侧位于上隔板与中间隔板之间、第二翅片两侧位于中间隔板与下隔之间分别固设有垫块；第一翅片将上隔板与中间隔板之间的空间分隔成多个平行的横流道，横流道沿着上隔板的长度方向设置；第二翅片将中间隔板与下隔板之间的空间分隔成多个平行的纵流道，纵流道沿着上隔板的宽度方向设置。

通过采用上述技术方案，使用时，横流道可以作为高温流体流道，纵流道可以作为低温流体流道，这样整个一层横流道中的高温流体被相邻上下两层纵流道中的低温流体冷却，横流道与纵流道之间的热交换面积大大增加，提高了单位时间热交换效率。

本发明进一步设置为：所述第一翅片与第二翅片的内部结构相同，均包括芯板和位于芯板两面的焊接层。

通过采用上述技术方案，第一翅片与上隔板和中间隔板之间、第二翅片与中间隔板和下隔板之间可以采用整体加热方式焊接，当焊接层熔化时，芯板与各个隔板之间固定在一起，提高生产加工效率。

本发明进一步设置为：所述上隔板、中间隔板与下隔板均为3003铝合金制成的薄板；所述芯板为3003材质的基板，所述焊接层按重量百分数计包括以下成分：9.0-10.5%的Si、0.4-0.6%的Fe、0.1-0.2%的Cu、1.0-1.5%的Mg、0.05-0.08%的Mn、0.1-0.15%的Zn、0.02-0.05%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。

通过采用上述技术方案，3003铝合金的固相线温度约为640℃，焊接层的液相线温度约为580℃，当焊接层熔化时，3003铝合金仍保持固态，使得隔板与芯板保持基本强度支撑，减小整体加热焊接过程中产品变形的可能。

本发明进一步设置为：所述焊接层按重量百分数计包括以下成分：10.0%的Si、0.4%的Fe、0.15%的Cu、1.0%的Mg、0.06%的Mn、0.12%的Zn、0.04%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。

通过采用上述技术方案，焊接层的成分固定，便于液相线的稳定控制，有利于生产工艺参数精确控制。

本发明进一步设置为：所述第一翅片与第二翅片的厚度均为h，芯板的厚度与焊接层的厚度之比为8:1。

通过采用上述技术方案，在保持第一翅片与第二翅片传热性能的情况下，芯板具有足够的支撑强度，焊接层的厚度较薄，熔化时对整体强度影响弱，起到焊接固定作用。

本发明进一步设置为：所述第一翅片与第二翅片的厚度h为0.6-0.8mm。

通过采用上述技术方案，第一翅片与第二翅片厚度薄，一方面能提高传热效率，另一方面加热时能够短时间使得各个部件固定在一起，提高生产效率。

本发明进一步设置为：所述第一翅片与第二翅片的横截面呈S形或梯形。

通过采用上述技术方案，第一翅片与第二翅片的换热效率高。

本发明进一步设置为：所述垫块表面设有焊接层。

通过采用上述技术方案，当翅片与隔板之间加热焊接时，垫块与隔板之间一起焊接。

本发明进一步设置为：所述芯板与焊接层复合成为一体的生产步骤如下：

（1）将与焊接层成分相同的铝合金铸锭在465-480℃加热保温15-20小时，使得铝合金铸锭内外温度一致，然后在465℃下热轧得到15-20mm厚的焊接层板坯；

（2）采用半连续铸造工艺得到3003铸锭，经过均匀化和表面处理后，将步骤（1）中的两块焊接层板坯分别贴合放置在3003铸锭两侧并焊接预固定位置；

（3）将组装好的3003铸锭和焊接层板坯置于加热炉中，加热至465-480℃，保温10-12小时，然后在两辊热轧机上热轧，热轧参数控制如下：开闸温度470℃，前三道次变形量6-8%，第四道次及以后变形量15-20%，热轧至5-8mm；终轧温度≥390℃；

（4）将步骤（3）中的热轧复合板材按照15-20%的变形量连续冷轧至0.6-0.8mm，切边收卷。

通过采用上述技术方案，芯板与焊接层复合性能好，有利于后续生产。

综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

1.横流道可以作为高温流体流道，纵流道可以作为低温流体流道，这样整个一层横流道中的高温流体被相邻上下两层纵流道中的低温流体冷却，横流道与纵流道之间的热交换面积大大增加，提高了单位时间热交换效率；

2.第一翅片与上隔板和中间隔板之间、第二翅片与中间隔板和下隔板之间可以采用整体加热方式焊接，当焊接层熔化时，芯板与各个隔板之间固定在一起，提高生产加工效率；

3.3003铝合金的固相线温度约为640℃，焊接层的液相线温度约为580℃，当焊接层熔化时，3003铝合金仍保持固态，使得隔板与芯板保持基本强度支撑，减小整体加热焊接过程中产品变形的可能。

附图说明

图1为实施例的整体结构示意图；

图2为显示同一换热单元中两层流道的翅片位置结构在图1中A-A向的剖视图；

图3为凸显翅片结构在图2中B部的放大图；

图4为实施例换热单元装配过程示意图；

图5为实施例装配后的状态示意图。

附图标记：1、换热单元；101、芯板；102、焊接层；11、上隔板；12、第一翅片；13、垫块；14、中间隔板；15、第二翅片；16、下隔板；17、横流道；18、纵流道；2、底座；3、定位件；31、加强肋；4、导向柱；41、导向槽；5、下压板；51、通孔；6、上压板；61、穿孔；7、螺杆。

具体实施方式

实施例：一种高效率的板翅式换热器，如图1和图2所示，包括多个堆叠的换热单元1，换热单元1包括由上至下依次固定设置的上隔板11、第一翅片12、中间隔板14、第二翅片15和下隔板16，第一翅片12两侧位于上隔板11与中间隔板14之间、第二翅片15两侧位于中间隔板14与下隔板16之间分别固设有垫块13；第一翅片12的横断面呈S形，第一翅片12将上隔板11与中间隔板14之间的空间分隔成多个平行的横流道17，根据需要第一翅片12也可以是其他形状如梯形；第二翅片15的横断面呈S形，第二翅片15将中间隔板14与下隔板16之间的空间分隔成多个平行的纵流道18，根据需要第二翅片15也可以是其他形状如梯形。横流道17与纵流道18方向垂直交错设置，横流道17沿着上隔板11的长度方向设置，纵流道18沿着上隔板11的宽度方向设置。使用时，横流道17可以作为高温流体流道，纵流道18可以作为低温流体流道，这样整个一层横流道17中的高温流体被相邻上下两层纵流道18中的低温流体冷却，横流道17与纵流道18之间的热交换面积大大增加，提高了单位时间热交换效率。

参考图2和图3，上隔板11、中间隔板14和下隔板16均为矩形的导热板，可以采用2-3mm的不锈钢薄板或者铝合金薄板，此处选用铝合金薄板如3003铝合金板，保持导热性良好的同时降低整体重量，还具有良好的防锈能力，延长使用寿命。

第一翅片12与第二翅片15的内部结构相同，包括芯板101和位于芯板101两面的焊接层102。第一翅片12与第二翅片15的厚度相同，均为h，芯板101厚度为0.8h，焊接层102的厚度为0.1h，此处h可以为0.6-0.8mm。

芯板101此处为3003铝合金薄板，焊接层102按重量百分数计包括以下成分：9.0-10.5%的Si、0.4-0.6%的Fe、0.1-0.2%的Cu、1.0-1.5%的Mg、0.05-0.08%的Mn、0.1-0.15%的Zn、0.02-0.05%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。最优选择为10.0%的Si、0.4%的Fe、0.15%的Cu、1.0%的Mg、0.06%的Mn、0.12%的Zn、0.04%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。焊接层102的固相线温度约为550℃、液相线温度约为580℃。

芯板101与焊接层102复合成为一体的生产步骤如下：

（1） 将与焊接层102成分相同的铝合金铸锭在465-480℃加热保温15-20小时，使得铝合金铸锭内外温度一致，然后在465℃下热轧得到15-20mm厚的焊接层板坯。

（2） 采用半连续铸造工艺得到3003铸锭，经过均匀化和表面处理后，将步骤（1）中的两块焊接层板坯分别贴合放置在3003铸锭两侧并焊接预固定位置。

（3） 将组装好的3003铸锭和焊接层板坯置于加热炉中，加热至465-480℃，保温10-12小时，然后在两辊热轧机上热轧，热轧参数控制如下：开闸温度470℃，前三道次变形量6-8%，第四道次及以后变形量15-20%，热轧至5-8mm；终轧温度≥390℃。

（4） 将步骤（3）中的热轧复合板材按照15-20%的变形量连续冷轧至0.6-0.8mm，切边收卷。

由于上隔板11、中间隔板14和下隔板16采用的3003铝合金板的固相线温度约为640℃，第一翅片12和第二翅片15表面的焊接层102的液相线温度约为580℃，因此第一翅片12与上隔板11和中间隔板14之间、第二翅片15与中间隔板14和下隔板16之间可以采用整体加热方式焊接，加热温度设定为580-600℃，此处选择585℃。当焊接层102熔化时，芯板101与各个隔板之间固定在一起。

参考图2和图3，垫块13与各个隔板之间可以通过焊接层102固定，为了提高垫块13与各隔板接触面间的密封性，垫块13与各隔板接触面间涂敷有热熔胶。根据需要，垫块13也可以采用复合板材制作成内部中空结构，这样当翅片与隔板之间加热焊接时，垫块13与隔板之间一起焊接。

参考图4和图5，板翅式换热器组装及焊接过程如下：

在平板状的底座2两端固设有定位件3，定位件3包括竖板和水平板，定位件3呈L形，定位件3的水平板与底座2之间可以通过螺栓固定。竖板和水平板之间设有加强肋31以增加定位件3的强度。两个定位件3的竖板之间平行设置，在定位件3的竖板相对内侧两端固定有导向柱4，导向柱4与定位件3之间可以通过螺栓固定。导向柱4的内侧设有导向槽41。两个定位件3的竖板之间水平设有下压板5，下压板5抵接于导向柱4底端，下压板5可以通过支撑块（图中未显示）支撑于底座2上方。下压板5的中部边缘设有通孔51。

四个导向柱4的导向槽41形成的轮廓与换热单元1的轮廓相适应。将换热单元1的各个部件按照顺序依次沿着导向槽41叠放到一定层数满足需求后，然后在最上方放置上压板6，上压板6对应通孔51位置设有穿孔61，通孔51和穿孔61中穿设有螺杆7，螺杆7的两端螺纹连接有螺母。使得多个换热单元1的部件通过上压板6与下压板5以及螺杆7固定在一起，上压板6与下压板5共同对多个换热单元1的部件产生一定的压紧力。

然后将组装后的换热器置入真空的加热炉中加热，加热温度为585℃，保温时间为2小时，使得各部件接触位置充分互相扩散形成焊接效果。然后以≤50℃/h速率降温至100℃以下出炉空冷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：包括至少三层堆叠的长方体结构的换热单元(1)，换热单元(1)包括由上至下依次固定设置的上隔板(11)、第一翅片(12)、中间隔板(14)、第二翅片(15)和下隔板(16)，第一翅片(12)两侧位于上隔板(11)与中间隔板(14)之间、第二翅片(15)两侧位于中间隔板(14)与下隔之间分别固设有垫块(13)；第一翅片(12)将上隔板(11)与中间隔板(14)之间的空间分隔成多个平行的横流道(17)，横流道(17)沿着上隔板(11)的长度方向设置；第二翅片(15)将中间隔板(14)与下隔板(16)之间的空间分隔成多个平行的纵流道(18)，纵流道(18)沿着上隔板(11)的宽度方向设置。

2.根据权利要求1所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述第一翅片(12)与第二翅片(15)的内部结构相同，均包括芯板(101)和位于芯板(101)两面的焊接层(102)。

3.根据权利要求2所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述上隔板(11)、中间隔板(14)与下隔板(16)均为3003铝合金制成的薄板；所述芯板(101)为3003材质的基板，所述焊接层(102)按重量百分数计包括以下成分：9.0-10.5%的Si、0.4-0.6%的Fe、0.1-0.2%的Cu、1.0-1.5%的Mg、0.05-0.08%的Mn、0.1-0.15%的Zn、0.02-0.05%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。

4.根据权利要求3所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述焊接层(102)按重量百分数计包括以下成分：10.0%的Si、0.4%的Fe、0.15%的Cu、1.0%的Mg、0.06%的Mn、0.12%的Zn、0.04%的Bi，其余不可避免的杂质含量小于0.1%，余量为Al。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述第一翅片(12)与第二翅片(15)的厚度均为h，芯板(101)的厚度与焊接层(102)的厚度之比为8:1。

6.根据权利要求5所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述第一翅片(12)与第二翅片(15)的厚度h为0.6-0.8mm。

7.根据权利要求5所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述第一翅片(12)与第二翅片(15)的横截面呈S形或梯形。

8.根据权利要求5所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述垫块(13)表面设有焊接层(102)。

9.根据权利要求6所述的一种高效率的板翅式换热器，其特征在于：所述芯板(101)与焊接层(102)复合成为一体的生产步骤如下：

（1）将与焊接层(102)成分相同的铝合金铸锭在465-480℃加热保温15-20小时，使得铝合金铸锭内外温度一致，然后在465℃下热轧得到15-20mm厚的焊接层(102)板坯；

（2）采用半连续铸造工艺得到3003铸锭，经过均匀化和表面处理后，将步骤（1）中的两块焊接层(102)板坯分别贴合放置在3003铸锭两侧并焊接预固定位置；

（3）将组装好的3003铸锭和焊接层(102)板坯置于加热炉中，加热至465-480℃，保温10-12小时，然后在两辊热轧机上热轧，热轧参数控制如下：开闸温度470℃，前三道次变形量6-8%，第四道次及以后变形量15-20%，热轧至5-8mm；终轧温度≥390℃；

（4）将步骤（3）中的热轧复合板材按照15-20%的变形量连续冷轧至0.6-0.8mm，切边收卷。