CN112595152A - 基于泡沫金属的微通道板式换热器 - Google Patents

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宋永臣
刘卫国
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孙明瑞
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张伦祥
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    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

Abstract

本发明公开了基于泡沫金属的微通道板式换热器，包括换热器的芯体、壳体及流体进出口的封头；所述换热器的芯体包括微通道换热板和泡沫金属层，微通道换热板与泡沫金属层交替设置；泡沫金属层与壳体之间设置挡板；微通道换热板中通过隔板隔出微通道。由于换热器的总体尺寸较小，这种布置方式能使第一种流体在微通道中流动时的换热时间加长，第二种流体在入口处进行分流之后，进入到泡沫金属当中，高孔隙率泡沫金属中的孔隙能增大二次换热面积，对流体具有一定的扰动作用。两种设计的综合作用，使换热器的换热效率增强，传热效果较传统的板式换热器更好。

Description

基于泡沫金属的微通道板式换热器
技术领域
本发明属于换热器领域，涉及一种基于泡沫金属的板式换热器，具体涉及基于泡沫金属的微通道板式换热器。
背景技术
采用高效紧凑的换热器可有效解决航空发动机的热管理问题，对其起着至关重要的作用。降低进气温度有利于降低发动机的推重，可使进入的气体有足够的膨胀比；随着飞行速度的提升，发动机的进气量会大大减小，从而无法满足燃料充分燃烧的需求，这是当前飞机面临的很重要的两个热管理问题。
在传统翅片式板式换热器的技术前提下，在换热器中加入泡沫金属，利用高孔隙率的泡沫金属，增大空气的扰动作用，以此来开发一种紧凑、高效的多孔介质泡沫金属换热器，应用在航空航天领域。这样的泡沫金属换热器不仅能显著提高换热效率，还不会对飞机的负重造成太大影响，与此同时，还能减小进气温度，提高进气量。
发明内容
本发明内容为了解决航空发动机的进气温度高和进气量大的热管理问题，进而提出了一种高效紧凑的基于泡沫金属的微通道板式换热器。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种基于泡沫金属的微通道板式换热器，包括换热器的芯体、壳体及流体进出口的封头；所述换热器的芯体包括微通道换热板和泡沫金属层，微通道换热板与泡沫金属层交替设置；泡沫金属层与壳体之间设置挡板；微通道换热板中通过隔板隔出微通道。
所述的第一种流体为水或油等液体，在换热板的微通道内流动换热，工作条件为温度20-95℃，压力1.6MPa；第二种流体为常温常压的气体，如空气，在入口处进行分流，进入到泡沫金属中进行换热，在出口处排出换热器。
所述换热器的法兰与封头均为国家标准件，封头的材料是304不锈钢，与壳体有弧度的连接，法兰的标准是HG20592，松套法兰，法兰外径105mm，内径75mm，厚度16mm，螺栓孔14mm，外接管的型号是DN20。
所述换热器的壳体材料也是304不锈钢与换热器芯体采用钎焊焊接的方式进行固定连接。
所述换热器换热板中每一个微通道的宽度为3.8mm，两个微通道间的间隔是1mm，两侧与空气进行接触的隔板尺寸设计为0.5mm，材料是304不锈钢钢板。
所述换热器的多孔介质泡沫金属的材质是镍铬合金，孔隙率为45％-90％，孔密度为20-85PPI，采用3D打印的制作方式来制作要求的泡沫金属材料。
泡沫金属与微通道之间的挡板材质是304不锈钢，厚度1mm。
与两侧壳体接触的挡板材质是304不锈钢，厚度1mm。
两侧封头与壳体连接的方式是弧度连接，不采用直线连接。
壳体与换热芯体二者之间的固定方式，进出口处的封头与的壳体固定方式，法兰与封头的连接方式，均采用钎焊焊接。
微通道换热板有5层，每一层的换热板有12个大小相同的微通道作为流体的流道。
采用上述方案的高效紧凑的基于泡沫金属的微通道板式换热器，最大的优点在于采用高孔隙率的泡沫金属作为换热器冷侧结构，不仅具有比重轻，比表面积大，孔隙率高，孔密度大等优点；还具有很强的扰动作用，能够促使流经其中的流体进行充分的掺混。流体的微通道为1mm，可以增强换热流体在换热板内的停留时间，增大换热时间；交叉流的流动方式能够使两种流体进行充分的换热，进一步增强换热效率。上述的换热器体型小，结构紧凑，可以实现高效强化换热，提高航空发动机的热管理，减轻飞机的负重问题。
附图说明
图1是本发明基于泡沫金属的微通道板式换热器的正视图(剖面结构图)；
图2是本发明基于泡沫金属的微通道板式换热器的左视图(剖面结构图)；
图3是本发明基于泡沫金属的微通道板式换热器的俯视图；
图4是本发明基于泡沫金属的微通道板式换热器的三维剖面图；
图5是本发明基于泡沫金属的微通道板式换热器的接口法兰。
图中：1法兰；2封头；3泡沫金属与壳体间的挡板；4壳体；5多孔介质泡沫金属；6微通道与泡沫金属间的挡板；7各个微通道间的隔板；8流体的微通道。
具体实施方式
下面根据本发明的结构图进行更细致的阐述。
如图1图2所示，本发明中，S型泡沫金属结构交叉流式管壳换热器，包括包括换热器的法兰1，封头2，泡沫金属与壳体间的挡板3，壳体4，多孔介质泡沫金属5，微通道与泡沫金属间的挡板6，各个微通道间的隔板7，流体的微通道8。换热器的芯体固定在壳体内，新体共有5层多孔介质泡沫金属和微通道换热板的组合体，二者相交垂直布置，每一种流体进出口的两端连接有封头和法兰。
换热器的尺寸较小，长宽高为67.6*48.4*45mm，法兰的型号是HG20592，松套法兰，法兰外径105mm，内径75mm，厚度16mm，螺栓孔14mm，外接管的型号是DN20。法兰与封头的连接，封头与壳体的连接，均采用钎焊焊接的形式，泡沫金属使用真空焊或钎焊的方法固定在换热钢板上，尽量不要有空隙，减少接触热阻，增强换热。泡沫金属的材质是镍铬合金，孔隙率为45％，孔密度为85PPI。
第一种流体在微通道内流动，为水或油等液体，温度20-95℃，压力1.6MPa；第二种换热流体在入口处进行分流，然后在壳体中的多孔介质泡沫金属内流动，常温常压的空气，对换热流体进行冷却换热。当流体在多孔介质泡沫金属内的空隙中流动时，增强了扰动，充分掺混；第一种流体进入各个微通道中，尺寸微小的通道可以使第一种流体在换热板的停留时间加大，换热时间更长。换热板中的微通道与多孔介质泡沫金属增强二次换热面积的综合作用，会使换热器的换热效率较传统的板式换热器换热效率显著提高，增强换热。经实验结果与板式：针肋替代泡沫金属的换热器进行对比分析，本发明的换热器换热效率增强70％-80％。泡沫金属的质量轻，换热器的尺寸较小，可以减小发动机的负重，高效紧凑结构的换热器进而能帮助解决航空发动机的热管理问题：减小进气温度，增大进气量。

Claims (9)

1.基于泡沫金属的微通道板式换热器，包括换热器的芯体、壳体及流体进出口的封头；其特征在于，所述换热器的芯体包括微通道换热板和泡沫金属层，微通道换热板与泡沫金属层交替设置；泡沫金属层与壳体之间设置挡板；微通道换热板中通过隔板隔出微通道。
2.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，第一种流体为液体在微通道中流动，第二种流体为气体在泡沫金属层中流动；两种流体为交叉流的流动方式。
3.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，每层换热板中的微通道使用304不锈钢钢板间隔开，每个隔板厚1mm；每一个微通道的宽度为3.8mm，两侧与空气接触的隔板，厚度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，所述泡沫金属层的孔隙率为45％-90％，孔密度为20-85PPI，泡沫金属的制作方式是3D打印，材料是镍铬合金。
5.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，泡沫金属与微通道之间的挡板材质是304不锈钢，厚度1mm。
6.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，与两侧壳体接触的挡板材质是304不锈钢，厚度1mm。
7.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，两侧封头与壳体连接的方式是弧度连接。
8.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，壳体与换热芯体二者之间的固定方式，进出口处的封头与的壳体固定方式，法兰与封头的连接方式，均采用钎焊焊接。
9.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的微通道板式换热器，其特征在于，微通道换热板有5层，每一层的换热板有12个大小相同的微通道作为流体的流道。
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