CN114993078A - 一种适用于高粘油类工质的微通道换热器 - Google Patents

Abstract

一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，属于微通道换热器领域。为了解决传统的微通道换热器无法满足高粘油类工质在高温高压条件下的换热量需求的问题。本发明中的热芯板和冷芯板纵向设置并形成热流换热通道与冷流换热通道；热芯板的四个顶角处开有圆形开口一，冷芯板的四个顶角处开有圆形开口二，上盖板的四个顶角处开有圆形开口三，圆形开口三、圆形开口一与圆形开口二一一对应设置并堆叠成四个通道，热流换热通道的两端与处于其中一对对角处的两个通道分别相通，冷流换热通道的两端与处于另一对对角处的两个通道分别相通；所述四个连接接头的一端分别连接在上盖板的四个圆形开口三上并与四个通道相通。本发明主要用于油类工质的换热。

Description

一种适用于高粘油类工质的微通道换热器

技术领域

本发明属于微通道换热器领域，尤其涉及一种适用于高粘油类工质的微通道换热器。

背景技术

微通道换热器以其传热效率高、结构紧凑、适应性强等特点，已在能源动力、化工、电力、机械、航空与航天等领域得到广泛应用。在实际应用中，微小通道换热器换热效率除了会受到换热工质物性的影响、实际应用场景的限制以外，微通道换热器自身的结构参数同样是重要影响因素。其中，微小通道流道作为微通道换热器的主体，其结构设计将极大影响换热量、换热器重量、换热工质进出口温度、换热器紧凑度、压降等技术指标。传统的微通道换热器流道为直流道和半圆形截面的构型，且多数适用于水和气体等这样黏度较低的工质，无法满足用于飞行器的在高温高压条件下的燃油/滑油的换热量需求以及苛刻的压降限制。因此，适用于高粘度油工质的高效、低阻、轻量化的新型微通道换热器结构有待发展。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：传统的微通道换热器的设计方式更加适用于水和气体等粘度系数较低的换热工质，而无法满足高粘油类工质(燃油/滑油)在高温高压条件下的换热量需求、流动的压降限制以及换热器轻量化的需求；进而提供一种适用于高粘油类工质的微通道换热器。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，包括由上至下依次设置的四个连接接头、上盖板、对流换热板组和下底板，所述的对流换热板组包括多片热芯板和多片冷芯板，所述多片热芯板和多片冷芯板纵向依次交替设置，上盖板、多片热芯板和多片冷芯板之间形成热流换热通道与冷流换热通道；所述的热芯板的四个顶角处分别开有一个圆形开口一，所述的冷芯板的四个顶角处分别开有一个圆形开口二，所述上盖板的四个顶角处分别开有一个圆形开口三，所述上盖板上的四个圆形开口三、热芯板上的四个圆形开口一与冷芯板上的四个圆形开口二一一对应设置，并分别堆叠成四个圆筒状的通道，热流换热通道的两端与处于其中一对对角处的两个通道分别相通，冷流换热通道的两端与处于另一对对角处的两个通道分别相通；所述四个连接接头的一端分别连接在上盖板的四个圆形开口三上并与四个通道相通。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明中的换热段采用折线型流道，折线形流道可以强化高粘度油类工质在流动过程中的扰动能力，从而提高换热工质的换热系数，进而提高换热器的热力学性能，满足高温高压燃油/滑油换热需求；同时对折线型流道的折角做圆角处理，克服折线形流道固有的高流动阻力缺点，降低高粘油类工质在流过折角时的压力损失；

2、本发明的流道截面采用矩形截面的设计，在同等流道宽度和高度下，矩形截面拥有更大的壁面积，也就是说在同样体积的换热工质的流动下，本发明的换热器体积更小，提高了微通道换热器的紧凑度，降低微通道换热器的重量，实现换热器的轻量化。

3、本发明结构简单便于制造，可以经济的测得该构型微通道换热器极限热负荷，并为以后微通道换热器芯体结构设计提供数据参考。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的轴侧图；

图2为上盖板、对流换热板组和下底板堆叠在一起的结构示意图；

图3为本发明的爆炸图；

图4为本发明的俯视图；

图5为热芯板的结构示意图；

图6为冷芯板的结构示意图；

图7为冷流微槽道的结构示意图；

图8为冷流微槽道组与热流微槽道组重叠部分示意图；

图9为图5中A-A处的剖视图；

图10为下底板的结构示意图；

图11为上盖板的结构示意图；

图12为图11中C-C处的剖视图；

图13为连接接头的结构示意图。

图中：1-连接接头；1-1-法兰；2-上盖板；2-1-圆形开口三；3-下底板；4-热芯板；4-1- 圆形开口一；4-2-热流微槽道；4-3-连接部二；5-冷芯板；5-1-圆形开口二；5-2-冷流微槽道； 5-3-连接部一；6-通道；7-进口段；8-换热段；9-出口段；10-间壁。

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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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”、“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。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。

参见图1至图13所示，本申请实施例提供一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，包括由上至下依次设置的四个连接接头1、上盖板2、对流换热板组和下底板3，所述的对流换热板组包括多片热芯板4和多片冷芯板5，所述多片热芯板4和多片冷芯板5纵向依次交替设置，上盖板2、多片热芯板4和多片冷芯板5之间形成热流换热通道与冷流换热通道；所述的热芯板4的四个顶角处分别开有一个圆形开口一4-1，所述的冷芯板5的四个顶角处分别开有一个圆形开口二5-1，所述上盖板2的四个顶角处分别开有一个圆形开口三2-1，所述上盖板2上的四个圆形开口三2-1、热芯板4上的四个圆形开口一4-1 与冷芯板5上的四个圆形开口二5-1一一对应设置，并分别堆叠成四个圆筒状的通道6；热流换热通道的两端与处于其中一对对角处的两个通道6分别相通，冷流换热通道的两端与处于另一对对角处的两个通道6分别相通；所述四个连接接头1的一端分别连接在上盖板2的四个圆形开口三2-1上并与四个通道6相通。

本实施例中，所述的上盖板2和下底板3为两块相对较厚的金属板片，上盖板2和下底板3的厚度会随着运行压力的增加而增加，本申请中的印刷板式微通道换热器的设计压力为4MPa。将上盖板2和下底板3布置在热芯板4和冷芯板5共同组成的对流换热板组的上面和下面，目的是为印刷板式微通道换热器PCHE的换热核芯提供强度支撑，实现印刷板式微通道换热器在一定压力环境下工作的稳定性和强度，因此本申请中的印刷板式微通道换热器(PCHE)可以应用到高压对流换热环境中，实现了紧凑型的设计，有效改善了换热器的应用环境，同时实现了高效换热目的。

本实施例中，如图1至图4所示，所述的通道6是由上盖板2、热芯板4和冷芯板5 上的圆形开口堆叠而成；每个通道6与一个连接接头1形成热流换热通道或者冷流换热通道的入口或出口；同时通道6还实现了换热工质进入换热通道中的流量均匀分配的目的。

本实施例中，所述的连接接头1和通道6分为两组，其中一组连接接头1和通道6 对应冷流换热通道，用于冷流换热通道分别与低温工质的进入管道和输出管道的连接，另一组连接接头1和通道6对应热流换热通道，用于热流换热通道分别与高温工质的进入管道和输出管道的连接；由于每组中的两个连接接头1和通道6采用斜对角的方式进行设置，因此冷流换热通道中的低温工质与热流换热通道中的高温工质在流动的过程中产生重叠并实现换热目的。如图2所示，低温工质与高温工质具体换热过程如下：低温工质从换热器的一个连接接头1的入口处进入，经由通道6的均匀分配进入冷流换热通道中，并从对角处的另一个通道6和连接接头1中流出；同理，高温工质从另一对对角处的连接接头1 的入口处进入，经由通道6的均匀分配进入热流换热通道中，并从所述另一对对角处的连接接头1的出口处流出，低温工质与高温工质在中间的对流换热板组中实现热量的交换，通过图2可以看出该换热器内部流动为逆流对流换热，换热完成之后，换热工质从各自的出口流出；采用逆流换热的方式，这样有利于提高换热的总换热量，并且实现了换热器整体温度分布的均衡性。

本实施例中，所述的热芯板4和冷芯板5采用交替的形式进行布置，保证换热的均匀度和效率。

在一种可能的实施例中，如图5所示，每片热芯板4的上表面开有多条并排设置的热流微槽道4-2并形成热流微槽道组，所述热流微槽道4-2的两端分别与处于其中一对对角处的两个圆形开口一4-1相通，每片热芯板4上的热流微槽道组与其上方的冷芯板5或上盖板2之间形成一条热流换热通道；如图6所示，每片冷芯板5的上表面开有多条并排设置的冷流微槽道5-2并形成冷流微槽道组，所述的冷流微槽道5-2的两端分别与处于其中一对对角处的两个圆形开口二5-1相通，每片冷芯板5上的冷流微槽道组与其上方的热芯板4之间形成一条冷流换热通道。

本实施例中，所述的热芯板4与冷芯板5的数量可以相同。

在一种可能的实施例中，如图5和图6所示，所述的上盖板2、下底板3、热芯板4 和冷芯板5的形状与尺寸相同，均为对称的骨棒形；所述热芯板4上的热流微槽道4-2与冷芯板5上的冷流微槽道5-2呈中心对称布置。

本实施例中的热芯板4和冷芯板5设计成轴对称的结构形式，保证了冷流换热通道与热流换热通道的对称布置以及两侧的封头结构的对称布置，使冷流换热通道与热流换热通道具有相同的流动性能；由于热芯板4和冷芯板5的两端结构较宽，保证了封头结构的尺寸要求。

本实施例中，如图5、图6和图8所示，所述的热流微槽道4-2与冷流微槽道5-2呈中心对称的方式进行布置，可以使得热芯板4和冷芯板5的换热部分完全重叠，以达到最大的换热效率，提高换热器的换热性能。

在一种可能的实施例中，如图5和图6所示，所述的热流微槽道4-2或冷流微槽道5-2均为Z字形的槽道，包括依次连接的进口段7、换热段8和出口段9，所述的进口段7 与换热段8之间和换热段8与出口段9之间均呈钝角设置。

在一种可能的实施例中，如图5至图8所示，所述的进口段7和出口段9为直线形流道，所述的换热段8为折线形流道，换热段8的每个流道转折角处做圆形倒角处理。

本实施例中，换热段8采用折线型流道，折线形流道可以强化高粘度油类工质在流动过程中的扰动能力，从而提高换热工质的换热系数，进而提高换热器的热力学性能，满足高温高压燃油/滑油换热需求；同时对折线型流道的折角做圆角处理，克服折线形流道固有的高流动阻力缺点，降低高粘油类工质在流过折角时的压力损失。

在一种可能的实施例中，所述热芯板4上的热流微槽道4-2与冷芯板5上的冷流微槽道5-2通过蚀刻或机加工的方式获得。

在一种可能的实施例中，如图9所示，所述的热流微槽道4-2或冷流微槽道5-2的槽道截面为矩形。

本实施例中，矩形的流道截面相比于类半圆形流道拥有更高的传热因子以及更低的摩擦系数，综合性能高于半圆形流道；而在同等流道宽度和高度下，矩形截面拥有更大的壁面积，也就是说在同样体积的换热工质的流动下，本发明的换热器体积更小，提高了微通道换热器的紧凑度，降低微通道换热器的重量，实现换热器的轻量化。

在一种可能的实施例中，如图5和图6所示，每片冷芯板5上的冷流微槽道组的边缘与冷芯板5的侧壁之间留有连接部一5-3，所述的冷芯板5通过连接部一5-3与其上方的热芯板2通过真空扩散焊连接在一起；处于最下方的冷芯板5与其下方的下底板3通过真空扩散焊连接在一起；每片热芯板4上的热流微槽道组的边缘与热芯板4的侧壁之间留有连接部二4-3，所述的热芯板4通过两侧的连接部二4-3与其上方的冷芯板5通过真空扩散焊连接在一起；处于最上方的热芯板4通过两侧的连接部二4-3与其上方的上盖板2通过真空扩散焊连接在一起。

在一种可能的实施例中，如图9所示，相邻的两个热流微槽道4-2或相邻的两个冷流微槽道5-2之间留有间壁10，所述连接部一5-3或连接部二4-3的厚度至少为间壁10的 10倍。

本实施例中，10倍厚度是加工需求，可以同时满足焊接强度的要求，以防止换热器内高压流体泄露。

在一种可能的实施例中，所述的连接接头1为一端带有法兰1-1的L形管道，所述连接接头1通过法兰1-1与介质进入管道或者介质流出管道相通。

本实施例中，所述的连接接头1与上盖板2之间通过全焊透的方式焊接成为整体；所述的法兰1-1为带颈对焊法兰，具体型号为WNDN32-PN40 RF。

实施例1：下面给出本申请的其中一种结构尺寸形式，具体为：

所述的热芯板4与冷芯板5的板长为283mm，最宽处的宽度为73.4mm，板厚为1.5mm，热流微槽道4-2和冷流微槽道5-2的流道宽度为1.3mm，流道深度为1mm，间壁宽为0.4mm；所述换热段8的长度为146mm，宽度为67mm；所述换热段8中相邻的两个转折角之间流道长度为10mm，转折角为120°，转折处有半径为2mm的圆形倒角；所述通道6的半径为 18mm，横向两个通道6之间的间距为44mm，连接接头1的内径为32mm，换热器的设计压力为4MPa，芯体结构材料为S30408奥氏体不锈钢，必要时可以更换为钛合金降低换热器质量从而进一步提高换热器功重比。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：包括由上至下依次设置的四个连接接头(1)、上盖板(2)、对流换热板组和下底板(3)，所述的对流换热板组包括多片热芯板(4)和多片冷芯板(5)，所述多片热芯板(4)和多片冷芯板(5)纵向依次交替设置，上盖板(2)、多片热芯板(4)和多片冷芯板(5)之间形成热流换热通道与冷流换热通道；所述的热芯板(4)的四个顶角处分别开有一个圆形开口一(4-1)，所述的冷芯板(5)的四个顶角处分别开有一个圆形开口二(5-1)，所述上盖板(2)的四个顶角处分别开有一个圆形开口三(2-1)，所述上盖板(2)上的四个圆形开口三(2-1)、热芯板(4)上的四个圆形开口一(4-1)与冷芯板(5)上的四个圆形开口二(5-1)一一对应设置，并分别堆叠成四个圆筒状的通道(6)，热流换热通道的两端与处于其中一对对角处的两个通道(6)分别相通，冷流换热通道的两端与处于另一对对角处的两个通道(6)分别相通；所述四个连接接头(1)的一端分别连接在上盖板(2)的四个圆形开口三(2-1)上并与四个通道(6)相通。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：每片热芯板(4)的上表面开有多条并排设置的热流微槽道(4-2)并形成热流微槽道组，所述热流微槽道(4-2)的两端分别与处于其中一对对角处的两个圆形开口一(4-1)相通，每片热芯板(4)上的热流微槽道组与其上方的冷芯板(5)或上盖板(2)之间形成一条热流换热通道；每片冷芯板(5)的上表面开有多条并排设置的冷流微槽道(5-2)并形成冷流微槽道组，所述的冷流微槽道(5-2)的两端分别与处于其中一对对角处的两个圆形开口二(5-1)相通，每片冷芯板(5)上的冷流微槽道组与其上方的热芯板(4)之间形成一条冷流换热通道。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述的上盖板(2)、下底板(3)、热芯板(4)和冷芯板(5)的形状与尺寸相同，均为骨棒形；所述热芯板(4)上的热流微槽道(4-2)与冷芯板(5)上的冷流微槽道(5-2)呈中心对称布置。

4.根据权利要求3所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述的热流微槽道(4-2)或冷流微槽道(5-2)均为Z字形的槽道，包括依次连接的进口段(7)、换热段(8)和出口段(9)，所述的进口段(7)与换热段(8)之间和换热段(8)与出口段(9)之间均呈钝角设置。

5.根据权利要求4所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述的进口段(7)和出口段(9)为直线形流道，所述的换热段(8)为折线形流道，换热段(8)的每个流道转折角处做圆形倒角处理。

6.根据权利要求5所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述热芯板(4)上的热流微槽道(4-2)与冷芯板(5)上的冷流微槽道(5-2)通过蚀刻或机加工的方式获得。

7.根据权利要求6所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述的热流微槽道(4-2)或冷流微槽道(5-2)的槽道截面为矩形。

8.根据权利要求7所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：每片冷芯板(5)上的冷流微槽道组的边缘与冷芯板(5)的侧壁之间留有连接部一(5-3)，所述的冷芯板(5)通过连接部一(5-3)与其上方的热芯板(2)通过真空扩散焊连接在一起；处于最下方的冷芯板(5)与其下方的下底板(3)通过真空扩散焊连接在一起；每片热芯板(4)上的热流微槽道组的边缘与热芯板(4)的侧壁之间留有连接部二(4-3)，所述的热芯板(4)通过两侧的连接部二(4-3)与其上方的冷芯板(5)通过真空扩散焊连接在一起；处于最上方的热芯板(4)通过两侧的连接部二(4-3)与其上方的上盖板(2)通过真空扩散焊连接在一起。

9.根据权利要求8所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：相邻的两个热流微槽道(4-2)或相邻的两个冷流微槽道(5-2)之间留有间壁(10)，所述连接部一(5-3)或连接部二(4-3)的厚度至少为间壁(10)的10倍。

10.根据权利要求9所述的一种适用于高粘油类工质的微通道换热器，其特征在于：所述的连接接头(1)为一端带有法兰(1-1)的L形管道，所述连接接头(1)通过法兰(1-1)与介质进入管道或者介质流出管道相通。

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