CN112648868B - 一种全尺度隐式扩散焊板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热器，具体是涉及一种全尺度隐式扩散焊板式换热器。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开设流体板通孔，流体板通孔叠合形成可容纳相应流体的缓冲管箱；冷、热流体板上的流体通道交错与流体板通孔连接并接入缓冲管箱，换热芯体的两端采用端盖进行密封，端盖上开设有供换热芯体中流体进出的流体进出口。本发明通过设置缓冲管箱使得往返流体通道之间通过缓冲管箱过渡连接，克服了最小弯曲半径造成的流体通道布局限制，使换热板片上可全尺度布设流体通道，配合流体管箱使用，使换热器无需设置外部管箱，结构紧凑，承压能力和安全可靠性得到提高。

Description

一种全尺度隐式扩散焊板式换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器，具体是涉及一种全尺度隐式扩散焊板式换热器。

技术背景

核电、化石能源、天然气、太阳能、氢能、余热回收等领域所采用的换热器提高了对高效率、低压力降、高可靠性、紧凑性、耐高温高压的要求。

传统扩散焊板式换热器，需要设置外部大管箱，尤其在高温高压工况下，为了保证安全性，满足管箱的强度计算要求，流体板设计时需预留足够空间安装外部管箱，使流体板上的流体通道布置空间受限，流体板利用率不高，组合换热芯体所需的流体板尺寸增大，层数增多，加之外部管箱结构，使得传统扩散焊板式换热器体积较大，占地空间大。另外，传统扩散焊板式换热器流体板的流体通道多设计为单一的直线形或Z字形，流体流过的路径局限于流体板的长度，流体的总路径较短，单位长度的温度梯度较大，导致流体板的热应力较大，且多以逆流和错流两种方式混合换热为主，即无法实现纯逆流换热，导致换热效率不高。

发明内容

本发明是为了解决上述问题，提供一种全尺度隐式扩散焊板式换热器。

本发明采用了以下技术方案：

一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，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，所述冷流体板和热流体板上设置有流体通道，其特征在于，每片所述冷流体板和热流体板上均开设有流体板通孔，且设置数量和位置相同，所述流体板通孔叠合形成换热芯体上容纳相应流体的缓冲管箱；

与所述冷流体板上的流体通道相连的流体板通孔叠合形成换热芯体上容纳冷流体的冷流体缓冲管箱，与所述热流体板上的流体通道相连的流体板通孔叠合形成换热芯体上容纳热流体的热流体缓冲管箱；

所述端盖设置于所述换热芯体的两端，所述端盖上还开设有供换热芯体中流体进出的冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口；所述冷流体进口、冷流体出口与冷流体板上的流体通道和冷流体缓冲管箱连通形成冷流体流道，所述热流体进口、热流体出口与热流体板上的流体通道和热流体缓冲管箱连通形成热流体流道，冷流体流道和热流体流道彼此独立。

优选的，每片所述冷流体板和热流体板上均相应设置有冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口，所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口在换热芯体内分别叠合形成容纳相应流体的流体管箱，所述冷流体板上的流体通道的两端分别与该板上的冷流体进口、冷流体出口相连并接入冷流体进口管箱和冷流体出口管箱中，所述热流体板上的流体通道的两端分别与该板上的热流体进口、热流体出口相连并接入热流体进口管箱和热流体出口管箱中。

优选的，所述流体板通孔成排分别设置在所述冷流体板和热流体板的上下边侧，所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口分别设置在各排流体板通孔的两侧。

优选的，所述冷流体板和热流体板上的流体通道呈Z字型，每个所述流体通道的Z字形转折部均与一个流体板通孔连接并接入该流体板通孔对应形成的缓冲管箱中；相邻的所述冷流体板和热流体板的流体通道分别交错接入所在板片上开设的流体板通孔。

优选的，所述冷流体进口和热流体进口各连接至少一个流体通道；所述流体通道分为收束段和排布段，所述流体通道通过收束段与对应的流体板通孔连接。

优选的，所述流体通道的排布段以相同设置形式设置，所述排布段沿流动方向呈直线状、Z字形、正弦曲线状设置。

优选的，所述收束段与排布段连接处设置为弧角。

优选的，所述端盖包括前端盖和后端盖，所述前端盖或后端盖上共设置冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口各一个，用于调节流体进出所述换热芯体的方向。

优选的，所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口在所述端盖上四个所在位置的排列可调，以实现换热芯体内冷流体和热流体的顺流或逆流换热。

优选的，所述流体板通孔为圆形，相应的所述缓冲管箱为圆柱形；所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口为半圆形，且所述半圆形底边靠近并平行与换热板片侧边设置，相应的所述流体管箱为半圆柱形。

优选的，所述端盖、冷流体板、热流体板通过真空扩散焊连接。

本发明的有益效果在于：

1)冷流体板和热流体板上开设圆形或非圆形流体进出口形成流体管箱，开设流体板通孔形成换热芯体中的内隐式缓冲管箱，配合两段式流体通道，使得往返流体通道之间通过圆筒状管箱或非圆筒状管箱过渡连接，克服了最小弯曲半径造成的流体通道布局限制，使得冷流体板和热流体板上无需设置流体通道的折弯区，可全尺度布设流体通道进行换热，流体板的利用率大大提高，在达到同等热负荷的工况下，组合换热芯体所需的流体板尺寸较小，所需流体板层数较少，提高了换热器的紧凑性；同时换热芯体也无需设置外部管箱，使换热器结构更加紧凑，承压能力和安全可靠性也得到提高。

2)冷流股、热流股分别在冷流体板和热流体板上沿流体通道形成Z字型折返流动，流体在流体管箱、缓冲管箱中重新混合并分配到下一流股，流体分布均匀，流体往返流动的总路径较长，单位长度的温度梯度下降，实现了小端差即换热器冷侧进口与热侧出口的温度差、大温差即换热器热侧进口与热侧出口的较大温度差或冷侧进口与冷侧出口的较大温度差，降低了换热器的热应力和压力降。

3)通过在前、后端盖上设置冷、热流体进出口，可以控制冷、热流体在换热芯体中的进出方向，方便本换热器在多种场合中的使用；通过调换端盖上冷流体和热流体的进出口位置，可以实现冷流体在冷流体板上的流动方向与热流体在热流体板上的流动方向相反，由于相邻冷、热流体板上的流体通道最大限度重合，因此可以实现冷流体与热流体以纯逆流模式进行换热，进一步提高换热效率。

4)本发明的前端盖、后端盖、冷流体板和热流体板采用奥氏体不锈钢或双相不锈钢或钛合金材质，所述前端盖、换热芯体、后端盖之间采用真空扩散焊技术连接，组合成换热芯体的冷流体板、热流体板之间采用真空扩散焊技术连接，使得换热器具有耐高温、耐高压、耐腐蚀的优势，同时克服了板式换热器容易产生泄漏的技术缺陷。

5)本发明的换热器可适应多种因安装空间、系统参数要求导致的苛刻场景下的使用，如舰船、潜艇超临界二氧化碳布雷顿循环系统回热器，通常情况下要求换热器设计温度为550℃、设计压力20MPa以上，且要求换热器耐高温、耐高压、耐热冲击并具有高换热效率和高紧凑度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明换热器中流体在冷、热流体板上的流动示意图；

图3A为本发明的流体板片和流体通道的设置示意图，图3B为图3A中A-A’的剖面图；

图4为本发明冷、热流体的进出方向在换热芯体中不同侧的设置示意图；

图5为本发明冷、热流体进出方向分别位于换热芯体的一侧的设置示意图；

图1，图2中“31/51”代表“冷流体进口31叠合形成了冷流体进口管箱51”，其余“32/52”、“41/53”、“42/54”表意相似；

图2，图4，图5中不同的箭头代表不同种介质的出入示意。

图中标注符号的含义如下：

10-换热芯体 20-端盖 21-前端盖 22-后端盖 30-冷流体板

31-冷流体进口 32-冷流体出口 40-热流体板 41-热流体进口

42-热流体出口 50-流体管箱 51-冷流体进口管箱 52-冷流体出口管箱

53-热流体进口管箱 54-热流体出口管箱 60-缓冲管箱 61-流体板通孔

70-流体通道 71-收束段 72-排布段

具体实施方式

下面结合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，一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，包括换热芯体10和端盖20，换热芯体10由冷流体板30和热流体板40交替堆叠并使用真空扩散焊技术连接而成，每片冷流体板30和热流体板40上均设置有半圆形冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42且设置位置相同，冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42分别堆叠形成容纳相应流体的流体管箱50。

冷流体板30和热流体板40的单面经蚀刻方法或机加工方法加工出供流体通过的流体通道70，其中，冷流体板30上的流体通道70分别与该板上的冷流体进口31、冷流体出口32相连并接入冷流体进口管箱51和冷流体出口管箱52中，热流体板40上的流体通道70分别与该板上的热流体进口41、热流体出口42相连并接入热流体进口管箱53和热流体出口管箱54中；

冷流体板30和热流体板40上开设有大小相等的圆形流体板通孔61，流体板通孔61成排且等间距分别设置在冷流体板30和热流体板40的上下边侧，流体板通孔61堆叠形成容纳相应流体的缓冲管箱60。

流体通道70沿流动方向的形状呈近似的Z字形，每个流体通道70的Z字形转折部均与一个流体板通孔61连接并接入该流体板通孔61对应形成的缓冲管箱60中；冷流体板30的流体通道70自冷流体进口31开始以Z字形往返连接于冷流体板30上下边侧开设的流体板通孔61中；热流体板40的流体通道70自热流体进口41开始以Z字形往返连接于热流体板40上下边侧开设的流体板通孔61中，则每块冷流体板30或热流体板40同一边侧的流体板通孔61以间隔一个的方式与流体通道70连接，未连接的流体板通孔61与流体通道70保持封闭，由于冷流体进口31和热流体进口41设置在不同位置，则相邻的冷流体板30和热流体板40的流体通道70分别交错接入开设的流体板通孔61，使得换热芯体10中的冷流体和热流体保持分隔又能进行充分换热。

冷流体板30和热流体板40上的流体通道70至少设置一条，为了使流体通道70布满换热板片，流体通道70分为收束段71和排布段72，收束段71用于将流体通道70与对应的流体板通孔61连接，保证其接入缓冲管箱60中，收束段改变流体通道70的方向，收束段流体通道70的宽度依据具体工况保持或改变；排布段72沿流动方向呈直线、Z字形、正弦曲线状设置在换热板片上。流体通道70的截面呈矩形、半圆形或半椭圆形，收束段71和排布段72以圆角连接，保证过流畅通。

端盖20包括前端盖21和后端盖22，设置于换热芯体10的两端用于封闭所述冷流体板30或热流体板40上的流体通道70以及冷流体缓冲管箱和热流体缓冲管箱的端部，端盖20通过真空扩散焊技术与换热芯体10连接，换热芯体10中冷流体板30和热流体板40以及前端盖21、后端盖22均采用奥氏体不锈钢或双相不锈钢或钛合金材质制成。冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42分别设置一个在前端盖21或后端盖22上，同时冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42在端盖上的四个设置位置的排序可调，以用于调节换热芯体10内冷流体和热流体的流向和换热方式。但所有设置形式中，流体板通孔61形成的缓冲管箱60在整个换热器中处于内隐式，仅与流体通道70连接。

本实施例中，前端盖21在换热芯体10一侧的冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42相应的位置设置开口，并以扩散焊技术与换热芯体10连接，形成新的冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42，后端盖22不设置任何开口，使得冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体出口42形成的相应的流体管箱50和流体板通孔61形成的缓冲管箱60的末端封闭。

冷流体自前端盖21上开设的冷流体进口31流入换热芯体，在第一层冷流体板30中沿多道Z字形流体通道70流动，其在流体通道70的第一个转折处进入流体板通孔61过渡转弯，并在该流体板通孔61对应的缓冲管箱60中重新混合，再分配进入流体通道70下一个转折处，最后经冷流体出口32流出到冷流体出口32对应形成的冷出口管箱52中；同时冷流体经冷流体31形成的冷流体进口管箱51中进入第三层、第五层……冷流体板31，并最终流出到由各层冷流体板30的冷流体出口32对应形成的冷出口管箱52中，在压力作用下自前端盖21开设的冷流体出口32流出换热芯体10。热流体的流动方式与冷流体相同，不再赘述。

此实施方式中，换热芯体10中的冷流体和热流体均由前端盖21侧流入，在换热芯体10中换热后，自前端盖21侧流出，形成冷、热流体的进出方向在换热芯体10同侧的换热芯体10。

本实施例中，冷流体进口31与热流体进口41设置在前端盖21的同一竖直位置上，换热芯体10内冷流体与热流体在相邻换热板片上的流体通道70内流动方向相反，为逆流换热，且由于本发明中流体通道70可以全尺度布置在冷流体板30或热流体板40上，其冷、热流体的逆流换热近似于纯逆流换热，纯逆流换热为本换热器中换热效率最高的一种实施方式。

但需要强调，根据本发明的结构，通过更换前端盖21和后端盖22上设置的冷流体进口31、冷流体出口32、热流体进口41、热流体进口42具体位置，还可以实现冷、热流体的进出方向在换热芯体10中不同侧，如图4所示；或冷、热流体进出方向分别在换热芯体10的一侧，如图5所示。

另外，不论换热芯体10中每个换热板片上单排流体板通孔61为偶数个或奇数个，当冷流体进口31与热流体进口41设置在同一竖直位置时，换热芯体10内冷流体与热流体在相邻换热板片上的流体通道70内为逆流换热。当换热方式为确定的逆流或非逆流方式时，换热板片上单排流体板通孔61的奇偶数仅影响冷流体出口32和热流体出口42与冷流体进口31和热流体进口41的位置，而不影响换热效果。

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 (10)

1.一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，包括换热芯体(10)和端盖(20)，所述换热芯体(10)由冷流体板(30)和热流体板(40)交替堆叠而成，所述冷流体板(30)和热流体板(40)上设置有流体通道(70)，其特征在于，每片所述冷流体板(30)和热流体板(40)上均开设有流体板通孔(61)，且流体板通孔(61)的设置数量和位置相同，所述流体板通孔(61)叠合形成换热芯体(10)上容纳相应流体的缓冲管箱(60)；

与所述冷流体板(30)上的流体通道(70)相连的流体板通孔(61)叠合形成换热芯体(10)上容纳冷流体的冷流体缓冲管箱，与所述热流体板(40)上的流体通道(70)相连的流体板通孔(61)叠合形成换热芯体(10)上容纳热流体的热流体缓冲管箱；

所述端盖(20)设置于所述换热芯体(10)的两端，所述端盖上还开设有供换热芯体(10)中流体进出的冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)；所述冷流体进口(31)、冷流体出口(32)与冷流体板(30)上的流体通道(70)和冷流体缓冲管箱连通形成冷流体流道，所述热流体进口(41)、热流体出口(42)与热流体板(40)上的流体通道(70)和热流体缓冲管箱连通形成热流体流道，冷流体流道和热流体流道彼此独立；

每片所述冷流体板(30)和热流体板(40)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)，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)在换热芯体(10)内分别叠合形成容纳相应流体的流体管箱(50)，所述冷流体板(30)上的流体通道(70)的两端分别与该板上的冷流体进口(31)、冷流体出口(32)相连并接入冷流体进口管箱(51)和冷流体出口管箱(52)中，所述热流体板(40)上的流体通道(70)的两端分别与该板上的热流体进口(41)、热流体出口(42)相连并接入热流体进口管箱(53)和热流体出口管箱(54)中。

2.如权利要求1所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述流体板通孔(61)成排分别设置在所述冷流体板(30)和热流体板(40)的上下边侧，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)分别设置在各排流体板通孔(61)的两侧。

3.如权利要求2所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述冷流体板(30)和热流体板(40)上的流体通道呈Z字型，每个所述流体通道(70)的Z字形转折部均与一个流体板通孔(61)连接并接入该流体板通孔(61)对应形成的缓冲管箱(60)中；相邻的所述冷流体板(30)和热流体板(40)的流体通道(70)分别交错接入所在板片上开设的流体板通孔(61)。

4.如权利要求2或3所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述冷流体进口(31)和热流体进口(41)各连接至少一个流体通道(70)；所述流体通道(70)分为收束段(71)和排布段(72)，所述流体通道(70)通过收束段(71)与对应的流体板通孔(61)连接。

5.如权利要求4所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述流体通道(70)的排布段(72)之间以相同设置形式设置，所述排布段(72)沿流动方向呈直线状、Z字形、正弦曲线状设置。

6.如权利要求5所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述收束段(71)与排布段(72)连接处设置为弧角。

7.如权利要求1所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述端盖(20)包括前端盖(21)和后端盖(22)，所述前端盖(21)或后端盖(22)上共设置冷流体进口(31)、冷流体出口(32)、热流体进口(41)、热流体出口(42)各一个，用于调节流体进出所述换热芯体(10)的方向。

8.如权利要求7所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，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)在所述端盖(20)上四个所在位置的排列可调，以实现换热芯体(10)内冷流体和热流体的顺流或逆流换热。

9.如权利要求2所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述流体板通孔(61)为圆形，相应的所述缓冲管箱(60)为圆柱形；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)为半圆形，且所述半圆形底边靠近并平行于换热板片侧边设置，相应的所述流体管箱(50)为半圆柱形。

10.如权利要求1所述的一种全尺度隐式扩散焊板式换热器，其特征在于，所述端盖(20)、冷流体板(30)、热流体板(40)通过真空扩散焊连接。

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