CN115060108A - 一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器 - Google Patents

一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器 Download PDF

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张旭伟
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Abstract

本发明公开的一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器，属于换热器技术领域。换热板上采用仿生的多级叶脉流道，能够将流体均匀地分配到换热板表面，极大地增大换热面积；同时由于通流面积的增大，流速降低，换热器的阻力特性也得到明显的改善。具有上述的换热板的两种换热器，整体结构紧凑，能够显著提高换热器的比表面积和换热性能，同时保证换热器的阻力保持在较低的水平，具有良好的应用前景。

Description

一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器。
背景技术
紧凑高效是换热器的一个重要发展方向，目前能够同时承受高温高压工作环境、性能较好的紧凑高效型换热器是印刷电路板换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)，它可在20MPa/500℃左右的工作环境中实现约1000m2/m3的比表面积，该换热器的体积约为传统管壳式换热器1/10～1/15。印刷电路板换热器在超临界二氧化碳布雷顿循环发电、舰船、飞行器、车载换热器等对重量尺寸有严格要求的场合具有非常广阔的应用前景。
然而现有的印刷电路板换热器在高温高压条件下仅能实现约1000m2/m3的比表面积，且制造成本较高，许多应用场合需要进一步提高换热器紧凑性和改善换热器的传热效率。以超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统为例，高温回热器、低温回热器和预冷器的换热总量极大，约为主加热器吸热量的2倍以上，若采用印刷电路板换热器则回热器和预冷器的制造成本约占总成本的1/4～1/3，同时换热器的总体积或质量巨大，导致系统成本高且热惯性大。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种仿生叶脉流道结构换热板及具有其的换热器，能够显著提高换热器的比表面积和换热性能，同时保证换热器的阻力保持在较低的水平。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种仿生叶脉流道结构换热板，所述换热板的两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；换热板上布设有若干贯通换热板的通流孔，通流孔与末级叶脉流道连通；换热板的一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的进口流道，换热板的另一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的出口流道。
优选地，所述进口流道和所述出口流道分别设在换热板的两端。
优选地，所述叶脉流道的级数为3～20。
优选地，通流孔的尺寸与末级叶脉流道的尺寸匹配。
优选地，所述进口流道所在的区域为不设置通流孔的进口区域，所述出口流道所在的区域为不设置通流孔的出口区域。
本发明公开的一种换热器，换热器的芯体包括两块封板和在两块封板之间层叠设置的若干上述换热板；每层换热板之间设有导热隔板。
优选地，相邻两块换热板的进口流道和出口流道分别位于不同侧。
本发明公开的一种换热器，换热器的芯体包括两块封板、在两块封板之间层叠设置的若干上述换热板和相邻换热板之间设置的中间换热板；相邻换热板与中间换热板之间设有导热隔板；中间换热板的内部和两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；中间换热板上布设有若干贯通中间换热板的通流孔，通流孔与末级叶脉流道连通；中间换热板的内部设有与内部首级叶脉流道连通的进口流道，中间换热板的两面上均设有与首级叶脉流道连通的出口流道。
优选地，所有换热板的进口流道与中间换热板的出口流道位于同一侧，所有换热板的出口流道与中间换热板的进口流道位于同一侧。
优选地，中间换热板两面上叶脉流道的流量之和与内部叶脉流道的流量匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的仿生叶脉流道结构换热板，换热板上采用仿生的多级叶脉流道，能够将流体均匀地分配到换热板表面，极大地增大换热面积；同时由于通流面积的增大，流速降低，换热器的阻力特性也得到明显的改善。
进一步地，进口流道和出口流道分别设在换热板的两端，能够增加流体的流程，使分布均匀。
进一步地，通流孔的尺寸与末级叶脉流道的尺寸匹配，使通流孔阻力相近。
进一步地，进口流道所在的区域为不设置通流孔的进口区域，出口流道所在的区域为不设置通流孔的出口区域，进出口不设置通流孔的设计可以避免通流孔直接与首级或次级叶脉相连通，造成流动分布不均的情况出现。
本发明公开的具有上述仿生叶脉流道结构换热板的换热器，能够作为两相换热器应用，整体结构紧凑，能够显著提高换热器的比表面积和换热性能，同时保证换热器的阻力保持在较低的水平。
进一步地，相邻两块换热板的进口流道和出口流道分别位于不同侧，流体之间总体为逆流换热，换热效率高。
本发明公开的另一种具有上述仿生叶脉流道结构换热板的换热器，在换热板之间增加了中间换热板，能够作为三相换热器应用，整体结构紧凑，能够显著提高换热器的比表面积和换热性能，同时保证换热器的阻力保持在较低的水平。
进一步地，所有换热板的进口流道与中间换热板的出口流道位于同一侧，所有换热板的出口流道与中间换热板的进口流道位于同一侧，中间换热板中的介质分别与相邻的换热板中的介质逆流换热，换热效率高。
进一步地，中间换热板两面上叶脉流道的流量之和与内部叶脉流道的流量匹配，能够使换热效率最大化。
附图说明
图1为本发明实施例1中第一介质换热板一面的结构示意图；
图2为本发明实施例1中第一介质换热板另一面的结构示意图；
图3为本发明实施例1中第二介质换热板一面的结构示意图；
图4为本发明实施例1中第二介质换热板另一面的结构示意图；
图5为本发明实施例1中换热器芯体的整体外形示意图；
图6为本发明实施例2中换热器芯体的截面示意图。
图中，1-第一进口流道，2-一级叶脉流道，3-二级叶脉流道，4-三级叶脉流道，5-四级叶脉流道，6-通流孔，7-进口区域，8-出口区域，9-第一出口流道，10-第二进口流道，11-第二出口流道，12-封板，13-换热板，14-中间换热板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2，本发明公开的一种仿生叶脉流道结构换热板，换热板13的两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；换热板13上布设有若干贯通换热板13的通流孔6，通流孔6与末级叶脉流道连通；换热板13的一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的进口流道，换热板13的另一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的出口流道。
在本发明的一个较优的实施例中，所述进口流道和所述出口流道分别设在换热板13的两端。
在本发明的一个较优的实施例中，所述叶脉流道的级数为3～20。
在本发明的一个较优的实施例中，通流孔6的尺寸与末级叶脉流道的尺寸匹配。一般的，末级叶脉流道的尺寸可达到几十微米级。
在本发明的一个较优的实施例中，所述进口流道所在的区域为不设置通流孔6的进口区域7，所述出口流道所在的区域为不设置通流孔6的出口区域8。
如图5，本发明公开的一种换热器，换热器的芯体包括两块封板12和在两块封板12之间层叠设置的换热板13；每层换热板13之间设有导热隔板。
在本发明的一个较优的实施例中，相邻两块换热板13的进口流道和出口流道分别位于不同侧。
实施例1
如图1～图4，换热板13的两面上均设有多级叶脉流道，包括流道尺寸逐级减小的一级叶脉流道2、二级叶脉流道3、三级叶脉流道4和四级叶脉流道5，四级叶脉流道5与通流孔6连通且尺寸相当。当换热器为两相换热器时，一个换热板13作为热侧换热板，一个换热板13作为冷侧换热板，这样一个热侧换热板和冷侧换热板作为一级层叠在两个封板12之间，被中间隔板隔开，可根据实际需要增加级数。对于冷侧换热板，由第一进口流道1流入的流体，经多级叶脉流道均匀地分配到各个通流孔6，然后流到另外一面，由另一面的多级叶脉流道汇流到第一出口流道9。同样的，对于热侧换热板，流体由第二进口流道10进入一面的多级叶脉流道，经通流孔6进入另一面的多级叶脉流道，然后汇流到第二出口流道11。整个换热器的结构如图5所示，第一进口流道1和第二出口流道11位于一侧，第一出口流道9和第二进口流道10位于另一侧，两种流体总体呈逆流换热。
本发明公开的一种换热器，换热器的芯体包括两块封板12、在两块封板12之间层叠设置的换热板13和相邻换热板13之间设置的中间换热板14；相邻换热板13与中间换热板14之间设有导热隔板；中间换热板14的内部和两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；中间换热板14上布设有若干贯通中间换热板14的通流孔6，通流孔6与末级叶脉流道连通；中间换热板14的内部设有与内部首级叶脉流道连通的进口流道，中间换热板14的两面上均设有与首级叶脉流道连通的出口流道。
在本发明的一个较优的实施例中，所有换热板13的进口流道与中间换热板14的出口流道位于同一侧，所有换热板13的出口流道与中间换热板14的进口流道位于同一侧。
在本发明的一个较优的实施例中，中间换热板14两面上叶脉流道的流量之和与内部叶脉流道的流量匹配。
实施例2
在本实施例中，换热器的结构基本与实施例1相同，不同之处在于相邻换热板13之间设置有一个中间换热板14，如图6，相邻换热板13与中间换热板14之间设有导热隔板；中间换热板14的内部和两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；中间换热板14上布设有若干贯通中间换热板14的通流孔6，通流孔6与末级叶脉流道连通。换热器可以作为两相换热器，第一介质通过内部的多级叶脉流道，经通流孔6后流入两面上的多级叶脉流道；第二介质流经相邻换热板13的多级叶脉流道实现换热。换热器还可以作为三相换热器，第一介质同样通过内部的多级叶脉流道，经通流孔6后流入两面上的多级叶脉流道；第二介质和第三介质分别流经相邻两个换热板13的多级叶脉流道实现换热。
换热器的结构还包括使所有进口流道汇集的进口集箱、所有出口流道汇集于出口集箱，该结构为常规结构，这里不再赘述。
在制造工艺方面，整个换热器芯体可由3D打印制作。
换热板13和中间换热板14可由光化学蚀刻技术或机械加工的方式生产，换热器芯体结构可用扩散焊接的工艺生产。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生叶脉流道结构换热板，其特征在于，所述换热板(13)的两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；换热板(13)上布设有若干贯通换热板(13)的通流孔(6)，通流孔(6)与末级叶脉流道连通；换热板(13)的一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的进口流道，换热板(13)的另一面上设有与该面上首级叶脉流道连通的出口流道。
2.根据权利要求1所述的仿生叶脉流道结构换热板，其特征在于，所述进口流道和所述出口流道分别设在换热板(13)的两端。
3.根据权利要求1所述的仿生叶脉流道结构换热板，其特征在于，所述叶脉流道的级数为3～20。
4.根据权利要求1所述的仿生叶脉流道结构换热板，其特征在于，通流孔(6)的尺寸与末级叶脉流道的尺寸匹配。
5.根据权利要求1所述的仿生叶脉流道结构换热板，其特征在于，所述进口流道所在的区域为不设置通流孔(6)的进口区域(7)，所述出口流道所在的区域为不设置通流孔(6)的出口区域(8)。
6.一种换热器，其特征在于，换热器的芯体包括两块封板(12)和在两块封板(12)之间层叠设置的若干权利要求1～5任意一项所述的换热板(13)；每层换热板(13)之间设有导热隔板。
7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，相邻两块换热板(13)的进口流道和出口流道分别位于不同侧。
8.一种换热器，其特征在于，换热器的芯体包括两块封板(12)、在两块封板(12)之间层叠设置的若干权利要求1～5任意一项所述的换热板(13)和相邻换热板(13)之间设置的中间换热板(14)；相邻换热板(13)与中间换热板(14)之间设有导热隔板；中间换热板(14)的内部和两面上均设有多级叶脉流道，叶脉流道的尺寸由首级至末级逐级减小；中间换热板(14)上布设有若干贯通中间换热板(14)的通流孔(6)，通流孔(6)与末级叶脉流道连通；中间换热板(14)的内部设有与内部首级叶脉流道连通的进口流道，中间换热板(14)的两面上均设有与首级叶脉流道连通的出口流道。
9.根据权利要求8所述的换热器，其特征在于，所有换热板(13)的进口流道与中间换热板(14)的出口流道位于同一侧，所有换热板(13)的出口流道与中间换热板(14)的进口流道位于同一侧。
10.根据权利要求8所述的换热器，其特征在于，中间换热板(14)两面上叶脉流道的流量之和与内部叶脉流道的流量匹配。
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