CN114577041B - 一种微通道换热面板及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道换热面板及换热器，属于热交换技术领域，其中换热面板结构中在流体通道中增加了气液分离段，气液分离段中设计了独特的凸起结构，从换热段的出口端流出的流体与凸起结构碰撞，流体中的液体部分团聚成大颗粒液滴，并逐渐下落进入液体出口并排出；由此实现了气液分离，并将分离出的液体排出。

Description

一种微通道换热面板及换热器

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，特别是涉及一种微通道换热面板及换热器。

背景技术

微通道换热器（简称：MCHE）是换热通道当量直径在10μm～1000μm的换热器，是一种新型高效换热器。与传统换热器相比，微通道换热器具有比表面积大，设备紧凑等突出优点。此外，由于换热器结构紧凑，因此设备抗压性能好，可靠性较高，在制冷空调、能源动力等诸多领域具有广泛应用前景。

微通道换热器主要由换热核芯、封头、接管、法兰组合而成，其中换热核芯是由加工有流体通道的冷、热板片交替放置，并通过扩散焊接固连在一起的封装整体。其中，带有流体通道的冷、热板均是统一构型，流体通道截面的形状有半圆形截面、矩形截面、梯形截面、倒梯形截面、三角形截面、椭圆形截面等多种形式；流体通道常见波形有折线形、波浪形通道等。冷、热板流体通道的这种经典设计能够实现流体换热强化以及较高的比换热表面；但是，在具有相变的换热过程中，尤其是气体向液体转变时，液体会粘附在流体通道表面，进而产生传热恶化、流体通道阻塞的问题发生，从而导致MCHE无法在相变换热中有效利用。

相关现有技术包括公告号为CN112964102A的中国发明专利公开的一种适用于相变换热的微通道换热面板及换热器，公告号为CN111780595B的中国发明专利公开的一种换热板及微通道换热器等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微通道换热面板及换热器，解决液体粘附在流体通道表面，不能和气体分离的问题。

本发明采用的技术方案如下：首先，本发明提供了一种微通道换热面板，所述换热面板正面开设有流体通道，背面为平面板，所述流体通道包括沿水平方向依次连通的流体入口、换热段、气液分离段、气体出口；所述换热段由若干并行设置的通道组成，换热段的一端为流体入口，另一端连通气液分离段；所述气液分离段是换热面板正面加工形成的凹槽结构，所述凹槽结构内设置有多列凸起结构，所述凸起结构向气体出口方向排列延伸，每列凸起结构单体之间间隔设置；所述凹槽结构下方设有液体出口，所述液体出口是换热面板正面开设的凹槽，液体出口与凹槽结构连通；从换热段的出口端流出的流体与凸起结构碰撞，流体中的液体部分团聚成大颗粒液滴，并逐渐下落到凹槽结构的底部，进入液体出口并排出，由此实现了气液分离，并将分离出的液体排出。

进一步，一种优选的实施方式中，所述凸起结构的横截面呈液滴状，具有弧形的头部和尖锐的尾部，头部和尾部之间是两条弧形边；所述头部朝向换热段的出口端。

进一步，一种优选的实施方式中，所述凸起结构的弦长为C，最大宽度t为12%C，最大宽度到头部的最长距离P为40%C。

进一步，一种优选的实施方式中，每列凸起结构单体之间间隔距离与换热段通道的当量直径D相等。

进一步，一种优选的实施方式中，相邻列的凸起结构上下错位设置，且右侧列的凸起结构的头部端与其相邻左侧列凸起结构的尾部端齐平或右侧列的凸起结构的头部端向前伸入其相邻左侧列凸起结构中间。

进一步，一种优选的实施方式中，所述流体入口、气体出口、液体出口延伸并贯通换热面板边缘。

进一步，一种优选的实施方式中，所述液体出口与凹槽结构之间通过不连续的凸起构建格栅，格栅将液体出口与凹槽结构分隔开，格栅之间形成缝隙用于液体流入液体出口并排出换热面板。

本发明进一步提供了一种微通道换热器，包括上述任意一项所述的换热面板，还包括冷板，所述冷板的形状与换热面板的形状相同，其背面是平面板，冷板的正面开设有流体通道，冷板的流体通道方向是纵向开设，冷板的底边开设有流体入口，顶边设有流体出口，流体入口和流体出口之间是换热段；若干冷板和换热面板交替放置，冷板的正面贴合换热面板的背面，换热面板的正面贴合冷板的背面，如此形成整体的换热体；换热体中，换热面板的流体入口所在面用于输入高温气体，经过换热面板的流体通道后，从气体出口所在面输出气体部分，液体出口输出液体。

进一步，一种优选的实施方式中，所述换热体中，冷板的流体入口所在面输入第二种换热工质，第二种换热工质流经冷板的流体通道后从冷板的流体出口所在面排出。

进一步，一种优选的实施方式中，所述换热体安装在一个圆柱形的壳体内，壳体上对应换热面板的流体入口一侧设有用于向壳体内输送高温气体的进气管；壳体上对应换热面板的气体出口一侧设有用于排气的排气管；壳体上对应换热面板的液体出口位置设有液体排出槽，液体排出槽中设有排液口，排液口连接壳体外的排液管道；壳体上对应冷板的流体入口一侧设有用于输送第二种换热工质进入壳体的进入管；壳体上对应冷板的流体出口一侧设有用于输出第二种换热工质的排出管。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种微通道换热面板及换热器，其中换热面板结构中在流体通道中增加了气液分离段，气液分离段中设计了独特的凸起结构，从换热段的出口端流出的流体与凸起结构碰撞，流体中的液体部分团聚成大颗粒液滴，并逐渐下落进入液体出口并排出；由此实现了气液分离，并将分离出的液体排出。

附图说明

图1是本发明换热面板的正面视图。

图2是本发明换热面板的背面视图。

图3是换热段出口处结构展示图。

图4是气液分离段的立体结构展示图。

图5是气液分离段中凸起结构排布展示图。

图6是换热段出口处局部凸起结构的平面结构展示图。

图7是凸起结构的横截面尺寸结构图。

图8是相邻两列凸起结构的位置关系示意图。

图9是本发明提供的一种微通道换热器的外观图。

图10是换热器的壳体的内部结构展示图。

图11是换热器的壳体的内部安装均流板的示意图。

图12是冷板的正面结构展示图。

图13是换热器的壳体的内部冷板、热板的安装结构图一。

图14是换热器的壳体的内部冷板、热板的安装结构图二。

图15是撤掉壳体顶部的弧形凹槽后，冷板和热板排列安装的局部展示图。

图16是壳体内部右侧排气管处结构展示图。

图17是壳体外连接液体排出槽的排液管道的结构展示图。

图中：换热面板1，流体入口2，换热段3，直线形通道301，气液分离段4，凹槽结构401，凸起结构402，头部4021，尾部4022，弧形边4023，气体出口5，液体出口6，格栅7，壳体8，进气管9，排气管10，进入管11，排出管12，安装腔体13，弧形凹槽14，均流板15，冷板16，液体排出槽17，排液口18，排液管道19，液体通孔20。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明实施例1提供了一种微通道换热面板，该换热面板1能运用于微通道换热器，如图1所示是换热面板1的正面视图，该换热面板1作为换热器中的热板使用，用于流通高温气体，高温气体流经换热面板1上的流体通道与冷板16进行热交换，由气体向液体转变，本发明通过结构改进，将液体团聚成大颗粒液滴并排出，以解决液体粘附在流体通道表面的问题。下面结合附图详细介绍本发明换热面板1的具体结构原理。

如图1、图2所示，换热面板1的正面开设有流体通道，背面为平面板；换热面板1的材质通常为金属，换热面板1正面的流体通道不贯穿换热面板1，可以采用激光、化学蚀刻等方法加工形成流体通道。

如图1所示，流体通道结构进一步包括流体入口2、换热段3、气液分离段4、气体出口5、液体出口6；其中换热段3是高温气体释放热量的前半段行程，高温气体在该段行程开始由气相向气液两相转化；如图1中所示，本实施例中换热段3由若干并行设置的直线形通道301组成；如图3中所示，直线形通道301的截面形状为半圆形，本实施例中该半圆形的当量直径为D；如图1中所示，换热段3左侧进口端延伸贯通换热面板1的左侧边，形成流体入口2；换热段3右侧出口端延伸至换热面板1中央位置，换热段3右侧出口端连通气液分离段4。

对于换热段3的具体形状本发明可以不做特殊限定，本实施例中换热段3展示的是沿水平方向延伸的若干并行直线形通道301，换热段3还可以是沿水平方向延伸的波浪形通道、折线形通道等。对于截面的形状本实施例中展示的是半圆形截面，还可以是矩形截面、梯形截面、倒梯形截面、三角形截面、椭圆形截面等多种形式。

如图4所示是气液分离段4的立体结构展示图，结合图1所示，气液分离段4是换热面板1正面加工形成的矩形状凹槽结构401，凹槽结构401与换热段3的整体宽度相同（图1中上下之间的距离为整体宽度）；如图3所示，凹槽结构401的深度与换热段3通道的深度是相同的，高温气体从换热段3通道的出口端顺畅的进入气液分离段4；如图5所示，凹槽结构401内设置有多列（图5中竖向的一行称为一列）凸起结构402，凸起结构402向右侧排列至靠近换热面板1右侧边缘，换热面板1右侧边形成有气体出口5，气体出口5的入口端与凹槽结构401连通，气体出口5的出口端贯通换热面板1右侧边。

如图4所示，本实施例中气体出口5是沿水平方向延伸的若干并行直线形通道，截面形状为半圆形，在本实施例中气体出口5可以认为是换热段3通道的延伸；当然气体出口5的具体形状本发明也可以不做特殊限定，气体出口5还可以是沿水平方向延伸的波浪形通道、折线形通道等。对于截面的形状本实施例中展示的是半圆形截面，还可以是矩形截面、梯形截面、倒梯形截面、三角形截面、椭圆形截面等多种形式。

如图5所示，凹槽结构401的下方形成有液体出口6，本实施例中液体出口6是矩形状的凹槽，液体出口6与凹槽结构401的宽度相同，液体出口6右侧的出口端贯通换热面板1右侧边；如图4中所示，液体出口6与凹槽结构401之间通过不连续的凸起构建格栅7，格栅7将液体出口6与凹槽结构401分隔开，格栅7之间形成缝隙用于液体流入液体出口6并排出换热面板1。

为了实现本发明的目的，即通过结构改进，将高温气体中的液体团聚成大颗粒液滴并排出，以解决液体粘附在流体通道表面的问题。本发明中设计了独特的气液分离段4，其中，气液分离段4的凹槽结构401内设置的多列凸起结构402是核心设计点，下面具体介绍其结构和原理。

首先，图3中展示了换热段3出口处局部凸起结构402的立体结构和其布置位置；图6展示了换热段3出口处局部凸起结构402的平面结构；结合两张图可以看出，本发明中单个凸起结构402的横截面呈液滴状，具有弧形的头部4021和尖锐的尾部4022，头部4021和尾部4022之间是两条弧形边4023。如图6中所示，凸起结构402的头部4021朝向换热段3的出口端，高温气体（气液两相）从换热段3的出口端流出，液体部分会撞击到凸起结构402的头部4021，从而速度降低；气体工质则由于凸起结构402的扰动提高局部换热系数和换热性能，加快液体的析出；此外，速度越低的液体，越容易依靠自身重力沉降（即逐渐下落）。如此，经过后方多列凸起结构402的共同作用，每经过一列凸起结构402，液体速度就会降低一些，且液体由于碰撞、粘滞力作用，会吸附到凸起结构402表面并团聚成大颗粒液滴，并逐渐下落到凹槽结构401的底部，进入液体出口6并排出换热面板1，气体工质则从气体出口5排出。如此，实现了气液分离，并将分离出的液体排出。

如图7所示是凸起结构402的一种优选的横截面尺寸结构示意图，凸起结构402的弦长为C（头部4021到尾部4022的最长距离），优选范围为0.5-15mm，最大宽度t为12%C，最大宽度到头部4021的最长距离P为40%C；其中，最大宽度t小于2D，即一个凸起结构402不能遮挡住两个直线形通道301的出口。经过仿真模拟，该结构尺寸在气体工质流过时，产生的摩擦压降相对其它结构较小，且液体碰撞时不容易飞溅，也有利于液体的团聚。本发明中如果弦长C过长，则不易于液滴的碰撞和团聚；弦长C过短，则液滴容易飞溅，且气体流过时摩擦降压较大。

此外，第一列凸起结构402的头部4021距离换热段3右侧出口端的距离L也有优选范围（图6中展示了L），本发明中L优选为0.3mm~2mm；当L较小时，凸起结构402容易阻挡换热段3出口流体流出，导致局部流速偏高、摩擦压降过大；当L较大时，则换热面板1局部承压性能偏低、强度不足，进而导致面板破裂损坏。

进一步，如图8所示是相邻两列凸起结构的位置关系示意图，以第一列凸起结构和其右侧的第二列凸起结构的位置关系为例进行说明；如图中虚线框中所示，第一列凸起结构右侧的第二列凸起结构与第一列上下错位设置，且第一列凸起结构中上下相邻两个凸起结构后方中央设有一个第二列凸起结构，且该第二列凸起结构的头部4021向前伸入第一列相邻两个凸起结构的尾部4022之间（该距离设定为L2，为0-20%C）；这种布置方式有利于加强气体工质的扰动，强化传热；还有利于析出的液体从左侧一个凸起结构连续的流动到右侧另一个凸起结构上，进而促进液体团聚变大并下落。此外，同一列相邻两个凸起结构402间距与当量直径为D相近，以保证流体流速的相对稳定。

实施例2

本发明进一步提供了一种应用上述微通道换热面板1的换热器，如图9所示是换热器的外观图，换热器包括一个圆柱形的壳体8，壳体8上左侧设有用于向壳体8内输送高温气体的进气管9，右侧设有用于排气的排气管10，底部设有第二种换热工质的进入管11，顶部设有第二种换热工质的排出管12；如图10所示是壳体8的内部结构展示图，壳体8内部中央是一个长方体状的安装腔体13，用于排列安装本发明设计的换热面板1（热板）和冷板16，壳体8内部对应上、下、左、右四根管道设有向外突出的弧形凹槽14；如图11所示，壳体8左侧进气管9对应的弧形凹槽14用均流板15封住，均流板15上均匀开设若干通孔，这样设计的目的是从进气管9进入的高温气体能够分散开，并较为均匀的进入换热面板1，之后分离出的气体从右侧的排气管10排出；同样的，壳体8底部进入管11对应的弧形凹槽14也用均流板15封住，这样设计的目的是从进入管11进入的第二种换热工质能够分散开，并较为均匀的进入冷板16，之后第二种换热工质经过与热板换热，温度提高后从顶部的排出管12排出。

如图12所示是冷板16的正面结构展示图，冷板16的形状与换热面板1的形状相同，呈长方形，其背面是平面板，正面开设有流体通道，与换热面板1不同的是，冷板16的流体通道方向是纵向开设，冷板16的底边开设有流体入口，顶边设有流体出口，流体入口和流体出口之间是换热段；图中展示的换热段3呈折线形。

冷板16、热板（本发明中的换热面板1）片交替放置，并封装在壳体8中央的长方体状的安装腔体13内。如图13、14所示是冷板16和热板拆卸后保留了一部分后的展示图，完整的结构中，冷板16和热板形成的整体呈长方体状，并将壳体8中央的长方体状的安装腔体13填满，冷板16和热板形成的整体呈长方体状的换热体中，所有热板的放置形成如图1所示，热板竖向放置，左侧为流体入口2，右侧为气体出口5，液体出口6位于右下角；所有冷板16的放置形成如图12所示，底边是流体入口，顶边是流体出口；如图13所示，冷板16和热板形成的整体呈长方体状的换热体的左侧面贴合进气管9一侧的均流板15，底面贴合进入管11一侧的均流板15，前、后面贴合壳体8的前后面。如图14所示，冷板16和热板形成的整体呈长方体状的换热体的右侧面与壳体8右侧的弧形凹槽14连通，便于从热板排出的气体顺畅的从排气管10排出；长方体状的换热体的顶面与壳体8顶部的弧形凹槽14连通（未展示），便于从冷板16排出的第二换热工质顺畅的从排出管12排出。

如图15所示，是撤掉壳体8顶部的弧形凹槽14后，冷板16和热板排列安装的局部展示图，如图中所示，一块冷板16的正面贴合一块热板的背面，热板的正面贴合另一块冷板16的背面，如此冷板16和热板（本发明中的换热面板1）片交替放置形成一个长方体状的换热体，换热体的前后面贴合壳体8的前后面，如此，如图11所示，热板的流体流通方向是从左到右，冷板16的流体流通方式是从下至上。

如图16所示，是壳体8内部右侧排气管10处结构展示图，弧形凹槽14底边、对应热板右下方的液体出口6设有液体排出槽17，液体排出槽17中央设有排液口18，如图17所示，排液口18连接壳体8外的排液管道19。所有热板右下方的液体出口6都与液体排出槽17连通，并通过排液管道19排出液体。此外，如图16中所示，液体排出槽17顶部的隔板上设有多个液体通孔20，进入弧形凹槽14内的液体可以进入液体排出槽17并排出，避免排气管10堵塞。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种微通道换热器，其特征是：包括换热面板（1），所述换热面板（1）正面开设有流体通道，背面为平面板，所述流体通道包括沿水平方向依次连通的流体入口（2）、换热段（3）、气液分离段（4）、气体出口（5）；所述换热段（3）由若干并行设置的通道组成，换热段（3）的一端为流体入口（2），另一端连通气液分离段（4）；所述气液分离段（4）是换热面板（1）正面加工形成的凹槽结构（401），所述凹槽结构（401）内设置有多列凸起结构（402），所述凸起结构（402）向气体出口（5）方向排列延伸，每列凸起结构（402）单体之间间隔设置；所述凹槽结构（401）下方设有液体出口（6），所述液体出口（6）是换热面板（1）正面开设的凹槽，液体出口（6）与凹槽结构（401）连通；从换热段（3）的出口端流出的流体与凸起结构（402）碰撞，流体中的液体部分团聚成大颗粒液滴，并逐渐下落到凹槽结构（401）的底部，进入液体出口（6）并排出；所述微通道换热器还包括冷板（16），所述冷板（16）的形状与换热面板（1）的形状相同，其背面是平面板，冷板（16）的正面开设有流体通道，冷板（16）的流体通道方向纵向开设，冷板（16）的底边开设有流体入口，顶边设有流体出口，流体入口和流体出口之间是换热段；若干冷板（16）和换热面板（1）交替放置，冷板（16）的正面贴合换热面板（1）的背面，换热面板（1）的正面贴合冷板（16）的背面，如此形成整体的换热体；换热体中，换热面板（1）的流体入口（2）所在面用于输入高温气体，经过换热面板（1）的流体通道后，从气体出口（5）所在面输出气体部分，液体出口（6）输出液体。

2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：所述凸起结构（402）的横截面呈液滴状，具有弧形的头部（4021）和尖锐的尾部（4022），头部（4021）和尾部（4022）之间是两条弧形边（4023）；所述头部（4021）朝向换热段（3）的出口端。

3.根据权利要求2所述的微通道换热器，其特征是：所述凸起结构（402）的弦长为C，最大宽度t为12%C，最大宽度到头部（4021）的最长距离P为40%C。

4.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：每列凸起结构（402）单体之间间隔距离与换热段（3）通道的当量直径D相等。

5.根据权利要求2所述的微通道换热器，其特征是：相邻列的凸起结构（402）上下错位设置，且右侧列的凸起结构（402）的头部（4021）端与其相邻左侧列凸起结构（402）的尾部（4022）端齐平或右侧列的凸起结构（402）的头部（4021）端向前伸入其相邻左侧列凸起结构（402）中间。

6.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：所述流体入口（2）、气体出口（5）、液体出口（6）延伸并贯通换热面板（1）边缘。

7.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：所述液体出口（6）与凹槽结构（401）之间通过不连续的凸起构建格栅（7），格栅（7）将液体出口（6）与凹槽结构（401）分隔开，格栅（7）之间形成缝隙用于液体流入液体出口（6）并排出换热面板（1）。

8.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：换热体中，冷板（16）的流体入口所在面输入第二种换热工质，第二种换热工质流经冷板（16）的流体通道后从冷板（16）的流体出口所在面排出。

9.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征是：换热体安装在一个圆柱形的壳体（8）内，壳体（8）上对应换热面板（1）的流体入口（2）一侧设有用于向壳体（8）内输送高温气体的进气管（9）；壳体（8）上对应换热面板（1）的气体出口（5）一侧设有用于排气的排气管（10）；壳体（8）上对应换热面板（1）的液体出口（6）位置设有液体排出槽（17），液体排出槽（17）中设有排液口（18），排液口（18）连接壳体（8）外的排液管道（19）；壳体（8）上对应冷板（16）的流体入口一侧设有用于输送第二种换热工质进入壳体（8）的进入管（11）；壳体（8）上对应冷板（16）的流体出口一侧设有用于输出第二种换热工质的排出管（12）。