CN113405392A - 一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构 - Google Patents

Abstract

一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：采用增材制造技术一次性打印而成，包括实心的换热主体段（12），该换热主体段（12）中设有供第一介质流过的直流通道（4）和供第二介质流过的侧流通道（9），直流通道（4）和侧流通道（9）交汇处形成换热单元（3），直流通道（4）的下端与直流下封头（2）相贯通，上端与直流上封头（5）相贯通；侧流通道（9）的下端与侧流下封头（8）贯通，上端与侧流上封头（10）贯通。本发明结构简单，换热效率高，与同外径管壳式相比，提高换热效率1倍以上，且不会产生渗漏现象。

Description

一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构

技术领域

本发明涉及一种核电、火电、化工、冶金、能源等领域使用的传热设备，尤其是一种增材制备传热设备技术，具体地说是一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构。

背景技术

核电蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备，也是核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。

高温气冷堆核电站选用螺旋盘管式蒸发器。蒸汽发生器是联结并隔离一回路和二回路的核心换热设备，主要功能是将核反应堆堆芯产生的热量由一回路传输二回路，产生过热蒸汽推动汽轮机做功并通过发电机发电。高温气冷堆蒸发器采用了立式、直流逆流组件式设计结构，与反应堆压力容器成肩并肩式布置，与主氦风机一起放置在蒸发器承压壳体内。因此，高温气冷堆蒸汽发生器中的换热器结构至关重要。

管壳式换热器作为最典型的间壁式换热器，在工业应用上有着悠久的历史，至今仍在换热器上占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。但是管壳式换热器存在换热效率低，焊接节点多等缺点。

现在市场提出采用增材制造来制造换热器，其具有传统制造技术不具备的优势。但目前对于增材制造成型的换热器的结构设计很多都不合理，尤其是目前设计的侧流折流、引流结构的不明确，不合理，占用的截面面积很大，等同于换热单元的截面积，造成成本增加，制造周期增加的问题。

针对以上问题，急需设计一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构。该结构的换热器具有紧凑型、高效性、整体模块化的特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的增材制造的换热器存在侧流折流、引流结构不明确，不合理，占用的截面面积很大，等同于换热单元的截面积，造成成本增加，制造周期增加的问题，设计一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构。

本发明的技术方案是：

一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：采用增材制造技术一次性打印而成，包括实心的换热主体段12，该换热主体段12中设有供第一介质流过的直流通道4和供第二介质流过的侧流通道9，直流通道4和侧流通道9交汇处形成换热单元3，直流通道4的下端与直流下封头2相贯通，直流下封头2上设有直流入管道1，直流通道4的上端与直流上封头5相贯通，直接上封头5上设有直流出管道6；侧流通道9的下端圆弧连接有下水平折流通道13，下水平折流通道13与侧流下封头8贯通，侧流下封头8上设有侧流入管道7、侧流通道9的上端圆弧连接有上水平折流通道14，上水平折流通道14与侧流上封头10贯通，侧流上封头10上设有侧流出管道11。侧流上封头10、侧流出管道11；换热单元3的长度根据设备的要求和换热的行程而决定；换热单元3的作用是将直流通道4和侧流通道9相隔离，利用自身高效热传导的特点，完成第一介质和第二介质的换热。

所述的直流通道4和侧流通道9间隔布置。

所述的直流通道4和侧流通道9的截面为圆形、椭圆形或腰形。

所述的下水平折流通道13和上水平折流通道14的空间夹角为0度、90度或180度。

所述的下水平折流通道13和上水平折流通道14的空间夹角为180度。

所述的侧流下封头8和侧流上封头10均设有一个引流凸台15，以保证上、下水平折流管的进、出口端超出换热单元3的外围。

本发明的有益效果：

本发明实现了由传统管束转换为通道的结构形式，以金属材料作为传热材料，换热单元内部各层通道间进行热量交换，保证高温、高压等恶劣工况下安全稳定的进行传热，保证设备安全运行。具有成本低，制造速度快的优点。

本发明的两种介质分别从各自的椭圆形封头集合流入各自通道进行换热，换热结束后，分别从另一端椭圆形封头集合流出。结构采用增材制造整体成型，微观组织结构一致，性能均匀。通过列管式思路来设计侧流折流区域，保证换热效率及结构合理性的同时，满足侧流介质集流和分流的要求，并实现了换热器多角度的整体模块化。

本发明结构简单，换热效率高，与同外径管壳式相比，提高换热效率至少1倍以上，且不会产生渗漏现象。

附图说明

图1是本发明的整体构造图。

图2是本发明介质通道布置示意图。

图3是本发明第一介质流体工作示意图。

图4是本发明第二介质流体工作示意图。

图5是本发明侧流通道布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，它采用增材制造技术一次性打印而成，其外形如图1所示，包括实心的换热主体段12，该换热主体段12中设有供第一介质流过的直流通道4和供第二介质流过的侧流通道9，所述的直流通道4和侧流通道9间隔布置，如图2所示。直流通道4和侧流通道9的截面可为图2所示的圆形，还可为椭圆形或腰形。直流通道4和侧流通道9交汇处形成换热单元3，直流通道4的下端与直流下封头2相贯通，直流下封头2上设有直流入管道1，直流通道4的上端与直流上封头5相贯通，直接上封头5上设有直流出管道6，如图3所示；侧流通道9的下端圆弧连接有下水平折流通道13，下水平折流通道13与侧流下封头8贯通，侧流下封头8上设有侧流入管道7、侧流通道9的上端圆弧连接有上水平折流通道14，上水平折流通道14与侧流上封头10贯通，侧流上封头10上设有侧流出管道11。侧流上封头10、侧流出管道11，如图4所示，；所述图2为换热单元3的截面，其上第一介质和第二介质的通道位置布置、数量的选择及直径的大小等根据设计压力和设计温度计算承压强度和分析热流体传热效率而得出不仅仅限于图2所示图，换热单元3的长度根据设备的要求和换热的行程而决定；换热单元3的作用是将直流通道4和侧流通道9相隔离,利用自身高效热传导的特点,完成第一介质和第二介质的换热。各封头的作用主要是在承压的基础上，集合各通道中的介质，从而集合流入/出。第一介质从直流入管道1流入直流下封头2，与此同时，第二介质从侧流入管道7流入测流下封头8，两介质各自集合进入各自通道中，并在换热单元3中完成换热散热，第一介质直流入直流上封头5，并从直流出管道6流出，而第二介质折流入侧流上封头10，并从侧流出管道11流出，整个设备完成换热散热，并以此循环。所述的下水平折流通道13和上水平折流通道14的空间夹角为0度、90度或180度，最佳为180度。所述的侧流下封头8和侧流上封头10均设有一个引流凸台15，以保证上、下水平折流管的进、出口端超出换热单元3的外围。

详述如下：

本发明的换热器是基于增材制造成型，为通道式的传热方式，与管壳式换热器不同，其传热方式在换热单元3内通过金属热传导传热，无需受到类似管壳式换热器两端管板的限制，可以实现多层传热通道的密集性的排布，从而极大增加了传热面积，提高换热效率。 且管壳式换热器通过传热管进行换热散热，受其整体结构限制导致传热面积不足、传热效率低的基础上，结构的安全性也不足。管壳式换热器设备由于管束和管板的焊接，焊接结构过多，且设备运行的过程中，由于高温高压的恶劣工况，且壳程流体产生的诱导振动引发管束不断振动，可能造成管板连接处的泄漏、渗漏，传热管及管头受到流体的不断冲刷，管体易发生破坏，从而造成严重的破管失水事故。而基于增材制造成型的通道式换热器，整体成型，无需拼凑，最大程度上减小每个通道的流阻，无需考虑每个换热单元通过焊接成型带来的通道的形位公差、位置关系的问题，整体微观组织结构一致，保证设备整体性能、应力的均匀性，有效避免了设备在高温高压的恶劣工况下的事故发生。

图4中侧流折流区域（X区域）的设计。侧流折流区域（X区域）的设计整体呈圆周列管式排布，如图5。在保证安全的情况下，最大程度保证第一介质通道和第二介质通道之间的有效导热金属体积及第一介质和第二介质之间的导热面积。第二介质各通道内流体通过侧流上封头10集合流出。且折流弯处呈圆角，有效的减小了流体对于管道的冲蚀。

侧流下封头8和侧流上封头10位置的设计，两者呈上下180°，此位置的设计通过侧流折流区域（X区域）而实现。其设计可以将换热器进行组合，两台换热器可通过侧流下封头8或侧流上封头10进行组合，随着科技的发展和设计的需求，由单台换热器随时结合为多台换热器，形成组合式换热器。根据多台换热器组合的要求，通过各层通道的合理排列，侧流下封头8和侧流上封头10的位置可设计为0°、90°和180°，灵活巧妙 ，升级便捷，可持续发展度高，实现换热器的整体模块化。

基于增材制造的整体成型，避免了一个设备多种材料造成的种种问题，比如各换热单元由于材料不一致带来异种钢焊接问题及局部焊接带来微观组织中心不一致的问题。多材料在高温高压下体现的性能的不均匀，热膨胀的不一致导致通道的错位，从而增加流阻甚至各模块错位，导致流体泄露事故等等。

图2介质通道布置示意图上通道的形状，根据设计的要求，可以为图示的圆形，亦可为椭圆形、长圆形，甚至基于增材制造成型的优势可以设计为各种截面为异形的通道，以此增大换热面积，提高传热效率。

侧流折流区域（X区域）引流凸台的结构设计，让折流引流的区域超出换热单元3一定的距离。保持与直流结构一直的同时，增加的折流引流通道区域可以抵抗介质流体的冲蚀，保证直流通道的有效换热，起到一定的稳流作用。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：采用增材制造技术一次性打印而成，包括实心的换热主体段（12），该换热主体段（12）中设有供第一介质流过的直流通道（4）和供第二介质流过的侧流通道（9），直流通道（4）和侧流通道（9）交汇处形成换热单元（3），直流通道（4）的下端与直流下封头（2）相贯通，直流下封头（2）上设有直流入管道（1），直流通道（4）的上端与直流上封头（5）相贯通，直接上封头（5）上设有直流出管道（6）；侧流通道（9）的下端圆弧连接有下水平折流通道（13），下水平折流通道（13）与侧流下封头（8）贯通，侧流下封头（8）上设有侧流入管道（7）、侧流通道（9）的上端圆弧连接有上水平折流通道（14），上水平折流通道（14）与侧流上封头（10）贯通，侧流上封头（10）上设有侧流出管道（11）。侧流上封头（10）、侧流出管道（11）；换热单元（3）的长度根据设备的要求和换热的行程而决定；换热单元（3）的作用是将直流通道（4）和侧流通道（9）相隔离，利用自身高效热传导的特点，完成第一介质和第二介质的换热。

2.根据权利要求1所述的基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：所述的直流通道（4）和侧流通道（9）间隔布置。

3.根据权利要求1所述的基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：所述的直流通道（4）和侧流通道（9）的截面为圆形、椭圆形或腰形。

4.根据权利要求1所述的基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：所述的下水平折流通道（13）和上水平折流通道（14）的空间夹角为0度、90度或180度。

5.根据权利要求4所述的基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：所述的下水平折流通道（13）和上水平折流通道（14）的空间夹角为180度。

6.根据权利要求1所述的基于增材制造成型的整体模块化通道式换热器结构，其特征是：所述的侧流下封头（8）和侧流上封头（10）均设有一个引流凸台（15），以保证上、下水平折流管的进、出口端超出换热单元（3）的外围。

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