CN112857092A - 一种微通道换热器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微通道换热器及其加工方法，属于换热器技术领域。为解决现有的微通道换热器的微通道换热效率低且加工时其微通道易变形的问题，本发明提供了一种微通道为带有圆弧过渡的三角形的微通道换热器及其加工方法，方法依次为：通过3D单元建模；根据建立的数字模型使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制；对微通道内壁区域进行表面改性强化；对微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。本发明将微通道单元设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，实现冷热通道接触面积增大，进而实现提高换热效率，且采用了3D打印进行分层增材制造，避免了微通道成型差的问题。

Description

一种微通道换热器及其加工方法
技术领域
本发明属于换热器技术领域，尤其涉及一种微通道换热器及其加工方法。
背景技术
传统的换热器为外壳+内管束结构，管束由管板固定，管端由液压胀管和管端焊接完成连接，结构较复杂且换热效率较低，导致部件体积增加，成本提高。因而目前针对传统型换热器存在的问题，提出新型薄板层间摩擦焊接式微通道换热器,该结构换热效率较传统形式换热器高的多，能够在较小空间内完成高效换热。但此种微通道换热器的加工方式为：在薄板上通过激光刻烛的方式加工多个微通道，再将加工后的多个薄板通过层间摩擦焊的方式组装。但因为在薄板上开了多个孔，容易使得薄板在微通道根部残余应力释放，形成曲面，导致微通道变形；且由于钢板呈卷曲状，在层间摩擦焊接时容易因层间压力不均匀导致摩擦力不均匀，从而导致层间焊缝结合力不均匀，两侧结合较紧密，中间区域结合力较差。且现有的微通道换热器的通道为半圆形，其换热效率低。综上所述，现有的微通道换热器具有加工时其微通道易变形、层间结合力不均匀的问题，影响了微通道换热器的使用寿命，也限制了微通道换热器的应用领域。
发明内容
为解决上述现有的微通道换热器热效率低，且加工时其微通道易变形的问题，本发明提供了一种微通道换热器。
本发明的技术方案：
一种微通道换热器，所述微通道换热器上加工有多个微通道单元，所述微通道单元为带有圆弧过渡的三角形通道，任一两个相邻通道正反交替布置。
优选的，所述微通道单元的三角形外接圆直径为1mm。
为解决上述现有的微通道换热器加工时其微通道易变形、层间结合力不均匀的问题，本发明提供了一种微通道换热器的加工方法。
本发明的技术方案：
一种微通道换热器的加工方法，具体方法为：
步骤一、通过3D单元建模，建立有多个微通道单元的数字模型；
步骤二、根据步骤一建立的数字模型使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造；
步骤三、对步骤二所得到的微通道换热器毛坯的微通道内壁区域进行表面改性强化；
步骤四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。
优选的，在进行步骤二时，使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒作为通道支撑，分层增材制造后抽出。
优选的，将微通道换热器定尺为100mm×100mm×100mm，针对换热量需求较大的领域时，当针对换热量需求大的领域时，采用将所述微通道换热器进行组装的方式实现增加换热器的体积，具体方式为：高度方向采用层间摩擦焊接的方式增加高度、长度方向采用微通道内加三角棱柱芯棒陶瓷芯棒的方式增加长度、端部内壁采用涂覆阻焊剂的方式进行焊接。
优选的，为增加高度而对微通道换热器采用层间摩擦焊接的方式进行组装时，对微通道换热器的网格面进行减材加工。
优选的，所述微通道换热器应用于一次发电的海水工质热通道时，所述步骤三具体为：使用316UG不锈钢进行内壁改性。
优选的，所述微通道换热器应用于二次耦合发电的LNG海上冷能发电时，所述步骤三具体为：使用低温韧性高的06Ni9DR钢进行内壁改性。
优选的，所述微通道换热器应用于火电领域的高温高压蒸汽换热是，所述步骤三具体为：在微通道单元的内壁激光熔覆Incoloy825镍基合金。
本发明的有益效果：
1、本发明将微通道单元设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
2、本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
3、本发明使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒作为通道支撑，制造后抽出。保证3D打印过程微通道的形状和内壁光洁度，确保工质流动顺利。
4、本发明可根据不同领域使用需求，对微通道内壁实现定制式强化处理，对微通道内壁区域进行表面改性强化，对实现一次发电的海水工质热通道使用316UG不锈钢进行内壁改性，对二次耦合发电的LNG海上冷能发电应用，使用低温韧性高的06Ni9DR钢进行内壁改性，从而可实现应用海水/LNG的海上冷能发电应用；同时，对换热后的海水可以随时取用，即时排出，实现船体低成本换热，并提升换热效率。此外，如实现耐高温、高压特性，可在内壁激光熔覆Incoloy825镍基合金，可实现火电领域的高温高压蒸汽换热。在保证基材较低成本的前提下，通过微通道内壁强化，实现不同领域应用，同时实现低成本、高效率换热可行性。
5、本发明通过对微通道内壁表面改性后的逐层数控铣，保证内壁光洁度高，保证工质流通顺畅。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
6、本发明针对该微通道式换热器单元组件的制造，可形成工业定尺标准部件加工(如定尺100mm×100mm×100mm)，针对换热量需求较大的领域，可采用微单元组装方式，实现换热器体积增加。高度方向仍仍采用层间摩擦焊接方式以增加高度，长度方向采用微通道内加陶瓷芯棒、端部内壁涂覆阻焊剂方式进行焊接连接。在保证换热器结构稳定性同时，增加换热器体积，从而增大换热量。
附图说明
图1为微通道换热器的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为逐层打印方式示意图；
图4为三角棱柱芯棒陶瓷芯棒的结构示意图；
图5为内壁改性强化形貌；
图6为对比例一所述微通道换热器的结构示意图；
图7为对比例一所述激光刻蚀后薄板形貌示意图；
图中：1、微通道换热器；1-1、微通道单元；1-2、内壁改性强化形貌；2、三角棱柱芯棒陶瓷芯棒。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例一
本实施例以加工应用于一次发电的海水工质热通道的微通道换热器1为例，所述微通道换热器1的尺寸为100mm×100mm×100mm，其结构示意图如图1、图2所示。
加工方式如下：
一、通过3D单元建模，采用圆弧过渡的三角形微通道单元1-1，三角形外接圆直径为1mm，微通道单元1-1间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大。
二、使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造，逐层打印方式如图3所示；使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2作为通道支撑(制造后抽出)，所述三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2如图4所示，保证3D打印过程微通道的形状和内壁光洁度，确保工质流动顺利。
三、对微通道内壁实现定制式强化处理，对微通道内壁区域用316UG不锈钢进行表面改性强化，内壁改性强化形貌1-2如图5所示，从而可实现应用海水发电应用。
四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
五、针对换热量需求较大的领域时，采用微单元组装方式，实现换热器体积增加。具体方式为：高度方向采用层间摩擦焊接的方式增加高度、长度方向采用微通道内加三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2的方式增加长度、端部内壁采用涂覆阻焊剂的方式进行焊接。
本发明将微通道单元1-1设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
实施例二
本实施例以加工应用于二次耦合发电的LNG海上冷能发电的微通道换热器1为例，所述微通道换热器1的尺寸为100mm×100mm×100mm，其结构示意图如图1、图2所示。
加工方式如下：
一、通过3D单元建模，采用圆弧过渡的三角形微通道单元1-1，三角形外接圆直径为1mm，微通道单元1-1间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大。
二、使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造，逐层打印方式如图3所示；使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2作为通道支撑(制造后抽出)，所述三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2如图4所示，保证3D打印过程微通道的形状和内壁光洁度，确保工质流动顺利。
三、对微通道内壁实现定制式强化处理，对微通道内壁区域使用低温韧性高的06Ni9DR钢进行表面改性强化，内壁改性强化形貌1-2如图5所示，从而可实现应用海水发电应用。
四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
五、针对换热量需求较大的领域时，采用微单元组装方式，实现换热器体积增加。具体方式为：高度方向采用层间摩擦焊接的方式增加高度、长度方向采用微通道内加三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2的方式增加长度、端部内壁采用涂覆阻焊剂的方式进行焊接。
本发明将微通道单元1-1设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
实施例三
本实施例以加工应用于实现火电领域的高温高压蒸汽换热的微通道换热器1为例，所述微通道换热器1的尺寸为100mm×100mm×100mm，其结构示意图如图1、图2所示。
加工方式如下：
一、通过3D单元建模，采用圆弧过渡的三角形微通道单元1-1，三角形外接圆直径为1mm，微通道单元1-1间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大。
二、使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造，逐层打印方式如图3所示；使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2作为通道支撑(制造后抽出)，所述三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2如图4所示，保证3D打印过程微通道的形状和内壁光洁度，确保工质流动顺利。
三、对微通道内壁实现定制式强化处理，在内壁激光熔覆Incoloy825镍基合金，进行表面改性强化，内壁改性强化形貌1-2如图5所示，从而可实现应用海水发电应用。
四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
五、针对换热量需求较大的领域时，采用微单元组装方式，实现换热器体积增加。具体方式为：高度方向采用层间摩擦焊接的方式增加高度、长度方向采用微通道内加三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2的方式增加长度、端部内壁采用涂覆阻焊剂的方式进行焊接。
本发明将微通道单元1-1设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
实施例四
本实施例以加工应用于一次发电的海水工质热通道的微通道换热器1为例，所述微通道换热器1的尺寸为100mm×100mm×100mm，其结构示意图如图1、图2所示。
加工方式如下：
一、通过3D单元建模，采用圆弧过渡的三角形微通道单元1-1，三角形外接圆直径为1mm，微通道单元1-1间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大。
二、使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造，逐层打印方式如图3所示；使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2作为通道支撑(制造后抽出)，所述三角棱柱芯棒陶瓷芯棒2如图4所示，保证3D打印过程微通道的形状和内壁光洁度，确保工质流动顺利。
三、对微通道内壁实现定制式强化处理，对微通道内壁区域用316UG不锈钢进行表面改性强化，内壁改性强化形貌1-2如图5所示，从而可实现应用海水发电应用。
四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
本发明将微通道单元1-1设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
实施例五
本实施例以加工应用于一次发电的海水工质热通道的微通道换热器1为例，所述微通道换热器1的尺寸为100mm×100mm×100mm，其结构示意图如图1、图2所示。
加工方式如下：
一、通过3D单元建模，采用圆弧过渡的三角形微通道单元1-1，三角形外接圆直径为1mm，微通道单元1-1间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大。
二、使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造，逐层打印方式如图3所示。
三、对微通道内壁实现定制式强化处理，对微通道内壁区域用316UG不锈钢进行表面改性强化，内壁改性强化形貌1-2如图5所示，从而可实现应用海水发电应用。
四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器。同时，对微单元对接焊时的网格面进行减材加工，保证对接焊面的粗糙度低，确保焊接效果。
本发明将微通道单元1-1设计成带圆弧过渡的三角形，通道间正反交替，通过三角形的平行边之间传热，实现冷热通道接触面积增大，进而实现换热效率为传统微通道换热器的3倍左右。通过三角形稳定性增加微通道的稳定性和承压型，实现承压特性为传统微通道换热器的1.5-2倍，且圆弧可避免对微通道加工时存在尖角应力集中而导致的承压性能差的问题。
本发明采用了选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造。避免了薄钢板激光刻蚀后因残余应力释放导致的变形，避免了激光功率不稳定导致的刻蚀通道堵塞，同时避免了薄钢板层间摩擦焊接导致的结合不均匀。
对比例一
目前针对传统型换热器存在的问题，提出新型薄板层间摩擦焊接式微通道换热器，该换热器体积约为1-2m3，该结构换热效率较传统形式换热器高的多，能够在较小空间内完成高效换热，其微通道单元为半圆形，其结构如图6所示，存在以下问题：
1、微通道的加工方式：为保证微通道换热器的换热效率，部件采用薄板组装方式，以1m3的换热器为例，薄钢板尺寸约为1000mm×1000mm×3mm，呈大面积、薄片状。薄板经激光刻蚀后形成微通道，使厚度原本较薄的钢板在微通道根部区域再次减薄，导致薄板在微通道根部残余应力释放，形成曲面，导致微通道变形。激光刻蚀后薄板形貌见图7 所示。
2、薄钢板的层间组装方式：针对1中所述残余应力释放后的薄钢板，针对激光刻蚀后的薄钢板进行层间摩擦焊，由于钢板呈卷曲状，在层间摩擦焊接时容易因层间压力不均匀导致摩擦力不均匀，从而导致层间焊缝结合力不均匀，两侧结合较紧密，中间区域结合力较差。
3、微通道性能的不可变性：由于该种方式微通道只能够通过在薄板基体激光刻蚀得到，导致微通道和钢板基体保持同材质，较难实现制造成本和微通道性能提升的平衡性(①、利用316L钢板制造，则工质只能为非海水Cl-腐蚀性介质，如利用316UG制造，虽耐腐蚀，但成本大幅提升；②、利用LNG冷能发电，需保证基体内壁抗低温冲击性能，也大大提高选材成本)。
4、热成本较高：对于船载换热器，传统方式为必须装载淡水容器，换热时使用存储的淡水防止腐蚀，导致船体体积增加，且出航时换热工质量固定且受限。
5、应用领域受限：受制于大面积超薄型钢板的加工制造能力和层间摩擦焊的能力，较难实现较大型设备用换热器的制造。同时，由于其壁厚较薄，为保证不变形、不减薄失效，难以实现高温、高压、冲刷磨损等应用环境。

Claims (9)

1.一种微通道换热器，其特征在于，所述微通道换热器(1)上加工有多个微通道单元(1-1)，所述微通道单元(1-1)为带有圆弧过渡的三角形通道，任一两个相邻通道正反交替布置。
2.根据权利要求1所述一种微通道换热器，其特征在于，所述微通道单元(1-1)的三角形外接圆直径为1mm。
3.一种权利要求1所述微通道换热器的加工方法，其特征在于，具体方法为：
步骤一、通过3D单元建模，建立有多个微通道单元(1-1)的数字模型；
步骤二、根据步骤一建立的数字模型使用选区激光3D打印进行制造，实现分层增材制造；
步骤三、对步骤二所得到的微通道换热器毛坯的微通道内壁区域进行表面改性强化；
步骤四、对步骤三所得到的微通道换热器毛坯逐层数控铣，保证内壁光洁度高，得到微通道换热器(1)。
4.根据权利要求3所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，在进行步骤二时，使用涂覆阻焊剂的三角棱柱芯棒陶瓷芯棒(2)作为通道支撑，分层增材制造后抽出。
5.根据权利要求4所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，将微通道换热器(1)定尺为100mm×100mm×100mm，针对换热量需求较大的领域时，采用将所述微通道换热器(1)进行组装的方式实现增加换热器的体积，具体方式为：高度方向采用层间摩擦焊接的方式增加高度、长度方向采用微通道内加三角棱柱芯棒陶瓷芯棒(2)的方式增加长度、端部内壁采用涂覆阻焊剂的方式进行焊接。
6.根据权利要求5所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，为增加高度而对微通道换热器(1)采用层间摩擦焊接的方式进行组装时，对微通道换热器(1)的网格面进行减材加工。
7.根据权利要求4或6所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，所述微通道换热器(1)应用于一次发电的海水工质热通道时，所述步骤三具体为：使用316UG不锈钢进行内壁改性。
8.根据权利要求4或6所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，所述微通道换热器(1)应用于二次耦合发电的LNG海上冷能发电时，所述步骤三具体为：使用低温韧性高的06Ni9DR钢进行内壁改性。
9.根据权利要求4或6所述一种微通道换热器的加工方法，其特征在于，所述微通道换热器(1)应用于火电领域的高温高压蒸汽换热是，所述步骤三具体为：在微通道单元(1-1)的内壁激光熔覆Incoloy825镍基合金。
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