CN112648867A - 一种强化传热的一体化扩散焊热交换器 - Google Patents

一种强化传热的一体化扩散焊热交换器 Download PDF

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CN112648867A CN202011375547.1A CN202011375547A CN112648867A CN 112648867 A CN112648867 A CN 112648867A CN 202011375547 A CN202011375547 A CN 202011375547A CN 112648867 A CN112648867 A CN 112648867A
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李雪
吴晓红
于改革
夏春杰
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Abstract

本发明属于紧凑式热交换器技术领域，具体是涉及一种强化传热的一体化扩散焊热交换器。包括换热芯体和端盖，换热芯体由冷流体板和热流体板交替堆叠而成，冷流体板和热流体板上均设置有冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口，且其叠合形成容纳相应流体的流体管箱；冷流体板和热流体板上设置有内部设置多孔覆层的流体通道；冷流体板、热流体板和端盖通过扩散焊方式焊接为一个整体。本发明通过适配扩散焊技术的结构解决了钛、铝等有色金属热交换器因焊接接头质量不好导致的设备破坏问题，对于相变蒸发工况，多孔覆层中孔洞可增加流体沸腾传热的汽化核心，显著促进流体蒸发换热。

Description

一种强化传热的一体化扩散焊热交换器
技术领域
本发明属于紧凑式热交换器技术领域，具体是涉及一种强化传热的一体化扩散焊热交换器。
技术背景
印刷电路板式热交换器因结构紧凑，耐压能力强等特点，在浮式天然气液化装置、海洋石油平台、核能、航天等领域具有较好的适用性。目前比较成熟的设备大都采用不锈钢材料制成，而钛、铝等有色金属制热交换器因现有设备结构特点存在管箱与换热芯体，接管与换热芯体之间的非对接焊接接头，这些焊接接头焊接质量不好，在温度、压力等作用下易出现裂纹，导致破坏，降低其使用寿命。且目前印刷电路板热交换器的流道通过化学蚀刻形成半圆形通道，除微尺度强化传热外无其他强化传热措施，尤其对有相变蒸发的工况，其换热优势不明显。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种强化传热的一体化扩散焊热交换器。
本发明采用了以下技术方案：
一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，包括换热芯体和端盖，所述换热芯体由冷流体板和热流体板交替堆叠而成，所述端盖设置在换热芯体端部，包括上端盖和下端盖，其特征在于：所述冷流体板和热流体板上均设置有冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口，所述换热芯体上的冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口各自叠合形成容纳相应流体的流体管箱；所述冷流体板和热流体板上均设置有流体通道，所述流体通道内表面设置有多孔覆层；所述冷流体板、热流体板和端盖通过扩散焊方式焊接为一个整体。
优选的，所述多孔覆层为多孔粗糙覆层，由金属粉末烧结在流体通道全部长度范围内的内表面上，所述内表面包括通道底面和上顶壁，所述上顶壁为贴合封闭该流体通道顶部开口的上一层冷流体板或热流体板或端盖的一部分。
优选的，所述多孔覆层烧结厚度0.05-0.1mm，内部孔隙的孔径为多孔覆层厚度的1/15-1/5，孔隙之间相互连通，且孔隙与多孔覆层粗糙表面的凹穴相互连通，孔隙率40-60％。
优选的，所述金属粉末的材质与冷流体板和热流体板的材质一致。
优选的，所述冷流体板上设置至少一条冷流体通道，所述冷流体通道的两端分别与冷流体进口和冷流体出口相连；所述热流体板上设置至少一条热流体通道，所述热流体通道的两端分别与热流体进口和热流体出口相连。
优选的，所述流体通道在相邻冷流体板和热流体板上的排布方式、排布位置和流体通道的大小均相适配，保证重叠换热。
优选的，所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口为通过扩散焊与流体板片焊接的中空半圆形进出口。
优选的，所述端盖在远离换热芯体的一侧还具有接管短接头，所述接管短接头包括冷流体进口短接头、冷流体出口短接头、热流体进口短接头、热流体出口短接头，且所述接管短接头的位置与所贴合的冷流体板或热流体板上开设的冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口相适配，所述接管短接头用于连接换热芯体中用于热交换的冷、热流体进出管路。
优选的，所述接管短接头为圆柱形，所述接管短接头贯穿所述端盖与流体管箱相连通，当所述接管短接头内径大于所述流体管箱时，本换热器上还设置有用于封闭所述冷流体板或热流体板上未被端盖封闭的流体通道的挡片。
优选的，所述挡片设置在接管短接头内壁，或为形式与所述冷流体板或热流体板相适应的封板；所述挡片通过扩散焊与端盖及冷流体板或热流体板焊接为一体。
优选的，所述上端盖上设置冷流体进口短接头、热流体进口短接头，所述下端盖上设置冷流体出口短接头、热流体出口短接头。
优选的，所述换热芯体及端盖采用铝、钛、铜、不锈钢或镍基合金材质中的一种。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过在冷流体板和热流体板上均设置冷、热流体进出口形成对应流体的流体管箱代替现有技术中的外接管箱，端盖上具有一体成型的与冷、热流体进出口对应的接管短接头，冷流体板、热流体板和端盖通过扩散焊连接为一个整体，形成一体化扩散焊热交换器，代替了现有热交换器中外部设置的管箱与冷、热流体板进行的焊接连接，以及接管与管箱之间的焊接，避免了角焊缝的存在，解决了钛、铝等有色金属热交换器因焊接接头质量不好导致的设备破坏问题。
2)本发明的冷流体进、出口短接头和热流体进、出口短接头分别设置在换热芯体的两个端盖上。这种设置方式可使得同种流体在冷流体板和热流体板上的流体通道中的总流动长度相同，因而流体在各流道内的总流道阻力一致，使得流体在各层各通道中的流量分布均匀，降低了热交换器因流体分布不均匀导致的换热损失，可进一步提高换热效率。
3)本发明通过设置挡片避免了当冷、热流体进出换热芯体时，可能直接冲击在与端盖所贴合的冷流体板或热流体板上未被端盖所封闭的流体通道的情况，避免了流体通道内流体分布不均匀的情况，有利于均匀换热。
4)本发明在冷、热流体通道内表面通过烧结或其他方法，设置有金属粉末多孔覆层，一方面，流体流经多孔覆层的粗糙表面时，流体流动时的层流底层被破坏，边界层内流体的扰动增强，增加流体的湍流效果，可强化流体之间的传热效果；另一方面，对于相变蒸发工况，多孔覆层中孔洞的存在可增加流体沸腾传热时汽化核心的产生，显著促进流体的蒸发，提高换热效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为冷流体板示意图。
图3为热流体板示意图。
图4A为图2中A部分的流体通道剖面示意图，图4B为图2中A部分的流体通道设置多孔覆层示意图；图4C为当图2在换热芯体最下面一层时的多孔覆层示意图。
图5为换热芯体中冷流体板和热流体板叠合后流体通道内设置多孔覆层的示意图。
图6A为上端盖结构示意图，图6B为下端盖结构示意图；
图7为冷流体板或热流体板上的流体通道未被端盖完全封闭的示意图；
图8A、图8B为挡片设置在接管短接头内部的一种设置形式示意；
图9A、图9B为挡片形式与冷流体板及热流体板形式相适应的设置形式。
图中标注符号的含义如下：
10-换热芯体 11-冷流体板 12-热流体板 20-端盖 21-上端盖
22-下端盖 23-挡片 31-冷流体进口 32-冷流体出口 41-热流体进口
42-热流体出口 50-流体通道 51-通道底面 52-上顶壁 60-多孔覆层
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
如图1-3所示，一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，包括换热芯体10和端盖20，换热芯体10由冷流体板11和热流体板12交替堆叠而成，端盖20设置在换热芯体10的端部，包括上端盖21和下端盖22；冷流体板11和热流体板12上均相应设置有冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42，冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42叠合形成容纳相应流体的流体管箱。冷流体板11、热流体板12和端盖20通过扩散焊方式焊接为一个整体，冷流体板11、热流体板12和端盖20采用铝、钛、铜、不锈钢或镍基合金材质。
流体通道50在冷流体板11和热流体板12上沿流动方向呈“几”字型设置，冷流体板11上设置至少一条冷流体通道，冷流体通道的两端分别与冷流体进口31和冷流体出口32相连并接入相应的冷流体进、出口管箱；热流体板12上设置至少一条热流体通道，热流体通道的两端分别与热流体进口41和热流体出口42相连并接入相应的热流体进、出口管箱。所有流体通道50垂直接入流体管箱，除了接入流体管箱的部分因流体管箱位置无法重叠，流体通道50其他部分在相邻的冷流体板11和热流体板12上均重叠换热。
所有流体通道50全部长度范围的内表面均覆盖有多孔覆层60，多孔覆层60为表面粗糙凹凸的多孔结构，由金属粉末以粉末冶金方法烧结而成，或使用电镀、机械加工等方法制备，金属粉末的材质与构成换热芯体10的冷流体板11和热流体板12一致。多孔覆层60的设置厚度为0.05-0.1mm，内部孔隙直径为多孔覆层60厚度的1/15-1/5，孔隙间及其与多孔覆层60粗糙表面的凹穴间相互连通，孔隙率40-60％。
如图4、图5所示，多孔覆层60均匀设置在流体通道50的通道底面51和上顶壁52上，上顶壁52实际为贴合封闭该流体通道50开口的上一层冷流体板11或热流体板12或端盖20。上顶壁52上设置的多孔覆层60宽度为流体通道50扣除两倍的多孔覆层60厚度的值，以使得上顶壁52和流体通道50的通道底面51设置的多孔覆层60可以嵌合，不影响相邻两层冷流体板11和热流体板12的叠合。
多孔覆层60一方面其粗糙的表面可破坏流体流动时的层流底层，增加流体的湍流效果，强化传热；另一方面对于相变蒸发工况，多孔覆层60中孔隙的存在可增加流体沸腾传热的汽化核心，显著促进流体蒸发换热。
端盖20在远离换热芯体10的一侧还具有接管短接头70，接管短接头70与端盖一体成型，接管短接头70包括冷流体进口短接头71、冷流体出口短接头72、热流体进口短接头73、热流体出口短接头74，且位置与所贴合的冷流体板11或热流体板12上开设的冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42相适应，接管短接头70用于连接换热芯体10中用于热交换的冷、热流体进出管路。
本发明中，冷流体板11和热流体板12上的冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42均是由通过扩散焊焊接的中空半圆形进出口构成，该中空半圆形进出口在换热芯体10外侧通过扩散焊形成了可容纳相应流体的半圆形流体进、出口管箱。接管短接头70为圆柱形，接管短接头70贯穿端盖20与半圆形流体进、出口管箱相连通。
如图6A、图6B所示，上端盖21上设置冷流体进口短接头71、热流体进口短接头73，下端盖22上设置冷流体出口短接头72、热流体出口短接头74；上端盖21封闭其所贴合的冷流体板11或热流体板12上设置的冷流体出口32、热流体出口42和流体通道50，下端盖22封闭其所贴合的冷流体板11或热流体板12上设置的冷流体进口31和热流体进口41，使得整个换热芯体10仅有各一个冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42。
本实施例中，如图7所示，由于接管短接头70内部直径与半圆形流体进、出口管箱直径一致，因此半圆形流体进、出口管箱与冷流体板11和热流体板12接触的一侧，其冷流体板11和热流体板12上的部分流体通道50无法被端盖20封闭，会导致进出半圆形流体进、出口管箱的冷、热流体自接管短接头70进入后直接冲击暴露的部分流体通道50，使冷、热流体在流体通道50中不能被均匀分配。因此，本实施例在本交换器上还设置有用于封闭冷流体板11或热流体板12上未被端盖20封闭的流体通道50的挡片23，挡片23通过扩散焊与端盖20及冷流体板11或热流体板12焊接为一体。
挡片具有如下两种设置形式：
1.如图8A、图8B所示，挡片23设置在接管短接头70内壁上，且不影响流体进、出口管箱使用。
2.如图9A、图9B所示，挡片23为形式与冷流体板11或热流体板12相适应的封板，设置在上端盖21、下端盖22与换热芯体10的接触面之间，挡片23封闭贴合的冷流体板11或热流体板12上的全部流体通道，并相应开设冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42以便于冷、热流体通过。
工作时，冷流体自上端盖21上的冷流体进口短接头71流入换热芯体10对应的冷流体进口管箱，然后在冷流体进口管箱中自上而下沿流动方向分流至各层冷流体板11上，再沿着冷流体板11上设置的流体通道50流动，最终汇合至由各冷流体出口32叠合形成的冷流体出口管箱中，并自下端盖22上开设的冷流体出口短接头72流出换热芯体10；热流体自热流体进口短接头73进入换热芯体10中对应的热流体进口管箱，然后在热流体进口管箱中自上至下沿流动方向分流至各层热流体板12上，再沿着热流体板12上设置的流体通道50流动，最终汇合至由各热流体出口42叠合形成的热流体出口管箱中，并自下端盖22上的热流体出口短接头74流出换热芯体10；
冷、热流体在流体通道50中流动换热，可以看出，由于流体管箱的存在，端盖20上的冷流体进口短接头71、冷流体出口短接头72、热流体进口短接头73、热流体出口短接头74位置仅影响冷、热流体接入换热芯体10的位置和流动方向，因此，当冷、热流体间为逆流换热时换热效率最高。
为了最大限度延长流体通道50的流动距离和重叠度，以及实现逆流换热，本实施例中，换热芯体10和端盖均设置为矩形，冷流体进口31和冷流体出口32、热流体进口41和热流体出口42分别均呈对角线布置在换热芯体10两相对边上，且冷流体进口31和热流体出口42在换热芯体10上左右相邻设置，冷流体出口32、热流体进口41在换热芯体10上左右相邻设置，使得冷、热流体在上下相邻的冷流体板11和热流体板12上的流动方向相反，为纯逆流换热。且除去各冷流体板11和热流体板12上的流体通道50接入流体管箱的一段，相邻的冷流体板11和热流体板12上的流体通道50均重叠在一起。
需强调的是，上述实施例仅为本发明的优选实施例，当冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42为开设在冷流体板11和热流体板12上的通孔时，也可以实现本发明的技术目的。
或者当冷流体进口短接头71、冷流体出口短接头72、热流体进口短接头73、热流体出口短接头74在上端盖21及下端盖22上的种类分配或相对位置发生变化时，如将冷流体出口短接头72位置设置在上端盖21，热流体进口短接头73设置在下端盖22，可以改变冷、热流体在换热芯体10上的进出方向；将冷流体进口短接头71和冷流体出口短接头72位置调换，而热热流体进口短接头73、热流体出口短接头74保持不变则使得冷、热流体以顺流方式进行换热，应当理解，这些方案变形也包括在本申请的保护范围之内。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，包括换热芯体(10)和端盖(20)，所述换热芯体(10)由冷流体板(11)和热流体板(12)交替堆叠而成，所述端盖(20)设置在换热芯体(10)端部，包括上端盖(21)和下端盖(22)，其特征在于：所述冷流体板(11)和热流体板(12)上均设置有冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)，所述换热芯体(10)上的冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)各自叠合形成容纳相应流体的流体管箱；所述冷流体板(11)和热流体板(12)上均设置有流体通道(50)，所述流体通道(50)内表面设置有多孔覆层(60)；所述冷流体板(11)、热流体板(12)和端盖(20)通过扩散焊方式焊接为一个整体。
2.如权利要求1所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述多孔覆层(60)为多孔粗糙覆层，由金属粉末烧结在流体通道(50)全部长度范围内的内表面上，所述内表面包括通道底面(51)和上顶壁(52)，所述上顶壁(52)为贴合封闭该流体通道(50)顶部开口的上一层冷流体板(11)或热流体板(12)或端盖(20)的一部分。
3.如权利要求2所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述多孔覆层(60)烧结厚度0.05-0.1mm，内部孔隙的孔径为多孔覆层(60)厚度的1/15-1/5，孔隙之间相互连通，且孔隙与多孔覆层(60)粗糙表面的凹穴相互连通，孔隙率40-60％。
4.如权利要求3所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述金属粉末的材质与冷流体板(11)和热流体板(12)的材质一致。
5.如权利要求1或4所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述冷流体板(11)上设置至少一条冷流体通道，所述冷流体通道的两端分别与冷流体进口(31)和冷流体出口(32)相连；所述热流体板(12)上设置至少一条热流体通道，所述热流体通道的两端分别与热流体进口(41)和热流体出口(42)相连。
6.如权利要求5所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述流体通道(50)在相邻冷流体板(11)和热流体板(12)上的排布方式、排布位置和流体通道(50)的大小均相适配，保证重叠换热。
7.如权利要求6所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)为通过扩散焊与冷流体板(11)或热流体板(12)焊接的中空半圆形进出口。
8.如权利要求6或7所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述端盖(20)在远离换热芯体(10)的一侧还具有接管短接头(70)，所述接管短接头(70)包括冷流体进口短接头(71)、冷流体出口短接头(72)、热流体进口短接头(73)、热流体出口短接头(74)，且接管短接头(70)的位置与所贴合的冷流体板(11)或热流体板(12)上开设的冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)相适配，所述接管短接头(70)用于连接换热芯体(10)中用于热交换的冷、热流体进出管路。
9.如权利要求8所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述接管短接头(70)为圆柱形，所述接管短接头(70)贯穿所述端盖(20)与流体管箱相连通，当所述接管短接头的内截面积大于所述流体管箱的过流面积时，本交换器上还设置有用于封闭所述冷流体板(11)或热流体板(12)上未被端盖(20)封闭的流体通道(50)的挡片(23)。
10.如权利要求9所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述挡片(23)设置在接管短接头(70)内壁，或为形式与所述冷流体板(11)或热流体板(12)相适应的封板；所述挡片(23)通过扩散焊与端盖(20)及冷流体板(11)或热流体板(12)焊接为一体。
11.如权利要求9或10所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述上端盖(21)上设置冷流体进口短接头(71)、热流体进口短接头(73)，所述下端盖(22)上设置冷流体出口短接头(72)、热流体出口短接头(74)。
12.如权利要求1所述的一种强化传热的一体化扩散焊热交换器，其特征在于，所述换热芯体(10)及端盖(20)采用铝、钛、铜、不锈钢或镍基合金材质中的一种。
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