CN114838605A - 一种控制内部壁面温度均衡的板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制内部壁面温度均衡的板式换热器，所述换热器包括第一部分和第二部分，中间部分与周围部分可以独立控制加热，从而独立控制中间部分与周围部分的加热功率；控制器控制中间部分和周围部分的功率间歇式变化，从而使得中间部分和周围部分加热功率交替式的替换。本发明通过上述间歇式的功率变化，使得第二部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得第一部分内部上升段和下降段交替变化，保证第二部分下壁面以及第一部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。

Description

一种控制内部壁面温度均衡的板式换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器技术，尤其涉及一种平板式换热器。

背景技术

平板式换热器是目前各类换热器中换热效率最高的一种换热器，它具有占用空间小，安装拆卸方便的优点。其由冲压成形的凹凸不锈钢板组成，两相临板片之间的凹凸纹路成180度相对组合，因此板式热交换器两板片之间的凹凸脊线形成了交错的接触点，将接触点以真空焊接方式结合后，就形成了板式热交换器的耐高压交错流通结构，这些交错的流通结构使得板式热交换器内的冷热流体产生强烈紊流而达到高换热效果。

扁平管近些年被广泛应用于汽车空调单元以及住宅或商业空调换热器。此种扁平管内部设置多个小的通道，在使用时，换热流体流过扁平管内的多个通道。因为扁平管换热面积大，因此能够大大提高换热效果。

平板式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

在间接液体冷却方案中，采用水冷板换热器进行换热。水冷板是一个内有流道结构的金属换热器件，通常由铜或铝制成。将换热流体与水冷板基板底面直接接触，传热的热量传导至水冷板，然后水冷板与内部的冷媒进行对流换热将热量带走。整个液冷系统利用泵为工质的循环提供动力，相对于风冷系统，液冷系统结构更加紧凑。而且所使用的冷媒多为与冷板材料兼容的去离子水、指定百分比的乙二醇-去离子水、纳米流体等介质，它们具有比空气更高的比热容和导热系数，在散热效果上优于风冷。此外，相比于风冷系统，间接液冷系统噪音水平明显降低。

近年来，为满足换热需求，已展开对间接液冷系统的研究，涉及冷板结构、冷媒选取、管道布置等诸多方面，发现水冷板结构对液冷系统换热和功耗的影响尤为显著。水冷板一般可分为基板、流道、盖板三部分。盖板及软管接头并无统一的标准，不同厂商有不同的结构形式，基板和流道可按照设备和热设计功耗进行各种不同的配置，这也是影响水冷板散热性能的主要因素。

研究和工程应用都表明，平板式换热器和热管都各自有着优异的换热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在换热领域得到广泛应用。

本发明提供了一种新式平板式换热器，通过下部的热源的毛细力以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的扁平管第二部分，使得热管和平板式换热器进行充分结合，实现热源的高效、均衡以及精准散热。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的板式换热器。

本发明技术方案如下：一种维持内部壁面温度均衡的板式换热器，所述换热器包括第一部分，所述第一部分包括上板和下板，下板的上表面上设置向上延伸的热源，所述热源是第一柱体，所述热源构成第一柱体阵列，所述上板和下板形成封闭的第一部分，其特征在于，第一柱体分为中间部分和周围部分两部分，中间部分与周围部分可以独立控制加热，从而独立控制中间部分与周围部分的加热功率；控制器控制中间部分和周围部分的功率间歇式变化，从而使得中间部分和周围部分加热功率交替式的替换。

作为优选，在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1；其中T2＞T1。

作为优选，在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2；其中T2＞T1。

作为优选，T2是T1的2-3倍。

作为优选，所述上板的下表面上设置向下延伸的支撑柱，第一柱体阵列和支撑柱共同构成第一部分的回液部分，支撑柱之间的间隙大于第一柱体之间的间隙，在第一柱体之间产生毛细驱动力。

作为优选，所述第二部分包括箱体和位于箱体上部的端盖，所述箱体包括从箱体底壁向上延伸的第二柱体；所述端盖上设置入口和出口。

作为优选，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。

作为优选，所述第二柱体的高度要大于第二部分的高度。

作为优选，所述第二柱体是弹性部件，沿着换热器内的流体流动方向，第二柱体的弹性越来越大。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过上述间歇式的功率变化，使得第二部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得第一部分内部上升段和下降段交替变化，保证第二部分下壁面以及第一部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。

2)本发明提供了一种新的板式换热器，通过设置第一部分和第二部分，第一部分具有热管属性，第二部分具有板式换热器属性，使得热管和平板式换热器进行充分结合，实现热源的高效、均衡以及精准散热。

3)本发明通过第二部分设置支撑柱以及下板设置的圆柱热源，支撑柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到下板，通过热源之间的毛细力将液体抽吸到下板底部，进行加热，并通过热源加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。

4)本发明提供了一种新式的板式换热器，第二部分内部设置第二柱体，流体在柱体之间流动吸热，进一步提高了换热效率。

5)本发明通过第一部分下部的圆柱热源阵列以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的第二部分的第二柱体，实现热源的高效、均衡以及精准散热。

6)本发明通过第一柱体毛细力的布局变化，可以使得可流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。

7)本发明通过沿着流体流动方向加热功率不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总加热功率保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。

8)本发明通过加热功率不同，可以实现内部流体的快速循环。例如功率高的位置蒸汽上升，功率低的位置液体下降，从而形成类似锅炉上升管和下降管，加大流体内部的循环速度。

附图说明

图1是本发明板式换热器的结构示意图；

图2为本发明的换热器第一部分上板下部结构示意图；

图3为本发明的换热器第一部分下板上部结构示意图；

图4为本发明的换热器第二部分端盖结构示意图；

图5为本发明的均第二部分箱体部分结构示意图；

具体实施方式

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补充说明。

图1-5展示了本发明的板式换热器结构示意图。如图1所示，一种板式换热器，所述换热器包括第一部分1和第二部分2，第二部分2位于第一部分1上部，所述第一部分1包括上板11和下板12。如图2、3所示，所述上板11的下表面上设置向下延伸的支撑柱111，下板12的上表面上设置向上延伸的热源121，所述热源121是第一柱体121，所述热源121构成第一柱体阵列，所述上板11和下板12形成封闭的第一部分1，第一柱体与支撑柱连接；第一柱体阵列和支撑柱111共同构成第一部分的回液部分，支撑柱之间的间隙大于第一柱体之间的间隙，在第一柱体之间产生毛细驱动力；所述第二部分2包括箱体21和位于箱体上部的端盖22，所述箱体21包括从箱体21底壁向上延伸的第二柱体211；所述端盖22上设置入口221和出口222。

本发明提供了一种新的板式换热器，通过设置第一部分和第二部分，第一部分具有热管属性，第二部分具有板式换热器属性，使得热管和平板式换热器进行充分结合，实现热源的高效、均衡以及精准散热。

作为优选，上板内布置的支撑柱111之间的间隙大于下板第一柱体之间的间隙，第一柱体的直径和第一柱体之间的间距以产生毛细驱动力。第一柱体阵列具有较小的直径和间距以增大毛细驱动力，目的是为了提高第一部分别内冷凝液体回流的动力，防止局部的高热流密度将其局部瞬间蒸干。并且，第一柱体作为热源可以加快内部液体工质蒸发相变，减少传热热阻。

本发明提供了一种新的板式换热器，通过上板设置支撑柱，下板设置第一柱体，支撑柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到下板，通过第一柱体之间的毛细力将液体抽吸到下板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。下部设置第一柱体，通过第一柱体的毛细力也能够使得整体的流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。所述的第一柱体也是热源，同时加热附近周围的流体，使其快速蒸发，支撑柱都同时起到翅片作用，起到强化传热作用。

作为优选，所述入口和出口设置在端盖的两个对角位置。

作为优选，支撑柱是正方形，第一柱体和第二柱体是圆形。

作为优选，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。

作为优选，所述第二柱体的高度要大于第二部分的高度。

作为优选，第二柱体的高度是300-400mm，第二柱体中心之间的间距是30-70μm，第二柱体的直径是80-100μm。

支撑柱之间设置间隙，支撑柱111下部对应的第一柱体的毛细力小于支撑柱间隙对应的第一柱体的毛细力。通过上述设置，可以使得流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。

作为优选，两个支撑柱111之间的间隙下部对应的第一柱体的毛细力，从一个支撑柱到另一个支撑柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。通过上述设置，可以进一步使得通过毛细力抽吸到间隙中去，可以使得流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。

作为优选，毛细力先是逐渐变大的幅度越来越大，逐渐变小的幅度越来越大。上述设置可以进一步提高均匀程度。

作为优选，逐渐变大到逐渐变小的临界点是间隙的中部，即从一个支撑柱到间隙中部，毛细力先是逐渐变大，然后从间隙中部到另一个支撑柱毛细力逐渐变小。

作为优选，随着间隙距离的增加，间隙下部对应的第一柱体毛细力与支撑柱下部对应的毛细力之间的差距也越来越大。通过如此设置，能够使得更加换热均衡，避免换热不均。

作为优选，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。

作为优选，所述入口和出口设置在壳体的对角位置。

作为优选，热源是电加热器。优选是第一柱体是电阻加热器。

第一部分的下板12主要针对增强毛细驱动力进行设计，使单位时间内流过第一柱体121间当第一柱体高度h与间距s的比值为4.8-5.2，优选是5的流量最大，以最大程度提高其换热效果。

作为优选，当中心间距s与支撑柱边长d以及高度h与支撑柱边长d的比值为分别是1.9-2.1，优选是2时，其渗透率K最大，液体工质在上板上的流动阻力最小。

作为优选，所述第二柱体是弹性部件，通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷第二柱体，第二柱体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。

作为优选，第二柱体可以是弹簧。

作为优选，沿着第二部分内的流体流动方向，第二柱体的弹性越来越大。因为随着研究发现，随着流体进行换热，流体温度越来越高，更加容易积垢，而且沿着流体流动方向结垢程度越来越严重，因此通过设置弹性程度不断增加，已达到进一步除垢强化传热目的，减少大弹性的导热体，降低成本。

进一步优选，沿着第二部分内的流体流动方向，第二柱体的弹性越来越大的幅度不断增加。上述的变化也是根据研究发现的，符合结垢的规律，能够进一步降低成本，提高换热效率，降低结垢。

本发明基于第一部分的热管性能，将热源布置在第一部分1内部，其下板12设置的热源以减少接触热阻，第一部分1上板11上方布置第二部分，内部通入需要加热的流体。系统工作时，热源产生的高热量通引起第一部分下表面局部温度升高，其内部工质开始蒸发相变吸热，产生蒸汽在重力的作用下到达第一部分1的上板11处，开始冷凝放热并将热量传递给上板11，此时冷凝后的液体工质通过第一部分内的回液部分9回到下板12继续蒸发，利用第一部分内部工质的相变循环达到极高的等效导热系数。此时上板11温度升高且温度分布较为均匀，提升了第二部分的传热性能，冷却工质从微通道换热器内的微通道内流过，热量被冷却工质吸收流出整个散热结构。

本发明通过热管下部的毛细第一柱体阵列以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的第二部分，实现热源的高效、均衡以及精准散热。

作为一个改进，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的加热功率逐渐增加。通过加热功率不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总加热功率保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。

进一步优选，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的加热功率逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。

作为一个改进，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的电阻逐渐增加。通过电阻不断增加，加热功率也逐渐增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总加热功率保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。

进一步优选，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的电阻逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。

作为一个改进，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的分布密度逐渐增加。通过分布密度不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总加热功率保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。

进一步优选，沿着第二部分内的流体流动方向，第一柱体的分布密度逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。

作为优选，第一柱体的中间部分与周围部分的加热功率不同。通过加热功率不同，可以实现内部流体的快速循环。例如功率高的位置蒸汽上升，功率低的位置液体下降，从而形成类似锅炉上升管和下降管，加大流体内部的循环速度。

作为优选，第一柱体的中间部分与周围部分可以独立控制加热，从而独立控制中间部分与周围部分的加热功率。

作为优选，第一柱体的中间部分的加热功率高于周围部分的加热功率。优选是周围部分加热功率的2-3倍。

作为优选，第一柱体的中间部分与周围部分的热阻不同。通过热阻不同实现加热功率的不同。

作为优选，第一柱体的中间部分的热阻高于周围部分的热阻。优选是周围部分热阻的1.4-1.7倍。

作为优选，第一柱体的中间部分的分布密度高于周围部分的分布密度。优选是周围部分分布密度的2-3倍。

通过上述设置，使得第一部分内的流体在中间部分蒸发，然后再周围冷凝下降，在加热功率一定情况下形成了快速循环，提高了加热效率。

作为优选，为了避免加热功率不同造成第二部分下壁面以及第一部分上壁面的温度差异，造成局部过热，本申请进行了如下改进：

第一柱体分为中间部分和周围部分两部分，中间部分与周围部分可以独立控制加热，从而独立控制中间部分与周围部分的加热功率。

控制器控制中间部分和周围部分的功率间歇式变化，从而使得中间部分和周围部分加热功率交替式的替换。

在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1；其中T2＞T1；

作为一个选择，在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2；其中T2＞T1；

作为优选，T2是T1的2-3倍。

通过上述间歇式的功率变化，使得第二部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得第一部分内部上升段和下降段交替变化，保证第二部分下壁面以及第一部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制内部壁面温度均衡的板式换热器，所述换热器包括第一部分，所述第一部分包括上板和下板，下板的上表面上设置向上延伸的热源，所述热源是第一柱体，所述热源构成第一柱体阵列，所述上板和下板形成封闭的第一部分，其特征在于，第一柱体分为中间部分和周围部分两部分，中间部分与周围部分可以独立控制加热，从而独立控制中间部分与周围部分的加热功率；控制器控制中间部分和周围部分的功率间歇式变化，从而使得中间部分和周围部分加热功率交替式的替换。

2.权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1；其中T2＞T1。

3.权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，在一个周期T内，0-T/2的半个周期时间内，周围部分加热功率是T2，中间部分的加热功率是T1，T/2-T的半个周期时间内，周围部分加热功率是T1，中间部分的加热功率是T2；其中T2＞T1。

4.权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，T2是T1的2-3倍。

5.权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，所述上板的下表面上设置向下延伸的支撑柱，第一柱体阵列和支撑柱共同构成第一部分的回液部分，支撑柱之间的间隙大于第一柱体之间的间隙，在第一柱体之间产生毛细驱动力。

6.权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，包括第二部分，第二部分位于第一部分上部，所述第二部分包括箱体和位于箱体上部的端盖，所述箱体包括从箱体底壁向上延伸的第二柱体；所述端盖上设置入口和出口。

7.如权利要求1所述的板式换热器，其特征在于，所述热源是电加热器。

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