CN115468442A - 一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，该换热器由换热芯体、集箱、接头构成。换热器芯体由交替布置的高温换热板和低温换热板通过扩散焊工艺加工而成。高温换热板和低温换热板由多个含有拉法尔喷管强化传热结构的直流道组成。每个拉法尔喷管强化传热结构的直流道制造时可通过光化学蚀刻将拉法尔喷管强化传热结构并列布置或交错布置，高度方向上高低温换热板的拉法尔喷管强化传热结构也可按照实际需求统一布置在在轴线方向上或交错布置。相较传统的直流道印刷电路板式换热器，该发明具有强化传热、压降小的特点，可有效提高直流道印刷电路板式换热器的效能。
Description
技术领域
本发明涉及换热装置技术领域，尤其涉及一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器。
背景技术
印刷电路板式换热器是一种紧凑式换热器，具有耐高温高压的特性，在第四代核能系统、新型动力循环、制冷、石化等领域具有广泛的应用前景。以电力系统中新一代超临界二氧化碳布雷顿循环为例，该循环的最高温度可达800K以上，压力高达20MPa，同时二氧化碳工质传热能力较液态工质差，印刷电路板式换热器是该循环中回热器和冷却器的重要候选对象之一。超临界二氧化碳物性在拟临界区域比热、密度等物性变化剧烈，不同的换热器流道结构对于超临界二氧化碳流动时的换热和压降特性有显著的影响，先进的流道结构能有效提升换热器的综合热工水力性能。
印刷电路板式换热器的流道结构主要包括直流道、折线流道等连续型结构和S型、翼型等非连续性结构。非连续性结构制造难度较大、经济性差，主要用于科学研究，实际商业应用较少；直流道、折线流道等连续型结构的制造工艺较为成熟、其经济性也较高，通过光化学蚀刻可以将其快速制造，是目前印刷电路板式换热器实际应用的首选结构。折线流道结构相较于直流道结构其换热效率更高，但是流体在换热器内流动方向多次发生改变，换热器内流体存在众多的回流区，会造成很大的流动压降。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，包括换热芯体、集箱、接头，所述换热芯体与所述集箱连接，所述接头设置在集箱上，其特征在于：所述换热芯体包括从上至下依次交替叠加布置的若干高温换热板和低温换热板，所述高温换热板和低温换热板上分别蚀刻有若干条并列平行布置的直流道，所述直流道上设置有若干拉法尔喷管。
进一步的，所述拉法尔喷管包括稳定段、收缩段和扩张段，所述稳定段、收缩段和扩张段依次沿着所述直流道内换热介质的流动方向设置，所述稳定段两侧壁面的距离保持恒定不变，所述收缩段两侧壁面的距离逐渐减小，所述扩张段两侧壁面的距离逐渐增大，收缩段和扩张段的连接处形成喉部，所述喉部两侧壁面之间的距离最小。
进一步的，所述收缩段的壁面形状由Witoszynski曲线方程确定，曲线方程为
所述扩张段的壁面形状由Foelsch法确定，该方法的曲线方程为
其中，r为距入口截面距离为x处的截面半径，rcr为喉部半径，r0为收缩段入口半径，l为设计的收缩段长度，x和y分别为曲线上点的横纵坐标，xB和yB分别为转折点B的横坐标和纵坐标；βB为选取的扩张段气体膨胀角，y*为喷管喉部直径。
进一步的，所述直流道的截面形状为半圆形，直径为1.5-5mm，所述拉法尔喷管的长度为 8-15mm，所述喉部直径为0.15-0.5mm。
进一步的，在同一块高温换热板或低温换热板上，相邻直流道上的拉法尔喷管并列布置或交错布置。
进一步的，所述接头包括高温流体入口端、高温流体出口端、低温流体入口端和低温流体出口端，所述高温流体入口端和高温流体出口端分别连接高温换热板上直流道的入口和出口，所述低温流体入口端和低温流体出口端分别连接低温换热板上直流道的入口和出口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明设计了一种全新的印刷电路板式换热器，该换热器的高低温换热板由多个带有拉法尔喷管强化传热结构的直流道组成。每个直流道包含若干拉法尔喷管强化传热结构，该结构的存在一方面可以提高换热器5％-10％的传热能力，另一方面在传热能力增强的同时该过程中仅增加了5％-15％的压降损失。
(2)当流体流经拉法尔喷管时，由于其收缩段和扩张段两部分的存在，工质流速增大，湍流脉动增强，并产生纵向涡，使得主流区与换热面之间传热传质过程得到强化，从而有效提高对流换热系数，达到强化传热的目的。
(3)拉法尔喷管结构由Witoszynski曲线和Foelsch法确定，具有流线型外形特征，该结构可有效保证流场的均匀性、可有效抑制已有折线流道的传统结构中存在的大比例回流区、降低不可逆过程引起的熵增，从而大幅降低压力损失。相较于折线型等流道，本发明流体流动方向始终未发生改变，沿程阻力大幅下降。
(4)通过光化学蚀刻工艺在换热板内部形成若干拉法尔喷管流道结构，可提高流道的自清洁能力、有效抑制壁面污垢沉积。
(5)相邻拉法尔喷管间距可以根据实际应用情况合理选择，可按照超临界二氧化碳物性随温度变化的不同区域设置不同疏密程度的拉法尔喷管。
(6)各块换热板通过扩散焊工艺堆叠，高低温换热板的拉法尔喷管在高度方向可以在同一轴线布置或交错布置以满足不同工况的实际需求。
(7)拉法尔喷管流道结构应用于超临界二氧化碳为工质的换热中，保证工质的传热效果，显著提高换热器综合热工水力性能、降低制造运维成本。
附图说明
图1为本发明实施例一整体结构示意图；
图2为本发明实施例一爆炸结构示意图；
图3为本发明实施例一换热板结构示意图；
图4为本发明实施例一拉法尔喷管立体结构示意图；
图5为本发明实施例一拉法尔喷管俯视结构图；
图6为本发明实施例一换热芯体截面示意图；
图7为本发明实施例二换热板结构示意图。
其中：1-换热芯体，2-集箱，3-高温换热板，4-低温换热板，5-直流道，6-拉法尔喷管，7- 高温流体入口端，8-高温流体出口端，9-低温流体入口端，10-低温流体出口端，61-稳定段， 62-收缩段，63-扩张段，64-喉部，
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一：
图1-6示出了本发明一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器的实施例一，如图1、2所示，包括换热芯体1、集箱2、接头，换热芯体1与集箱2连接，包括从上至下依次交替叠加布置的若干高温换热板3和低温换热板4且使用扩散焊技术将各块换热板焊接成一体，高温换热板3和低温换热板4上分别光化学蚀刻有若干条并列平行布置的直流道5，直流道5上设置有若干拉法尔喷管6。接头设置在集箱2上，包括高温流体入口端7、高温流体出口端8、低温流体入口端9，低温流体出口端10，高温流体入口端7和高温流体出口端8分别连接高温换热板3上直流道5的入口和出口，低温流体入口端9和低温流体出口端10分别连接低温换热板4上直流道5的入口和出口。
按照通道中流动的工质或流量等操作情况的不同，在实际制造高低温换热板的过程中可以将同一块换热板上相邻两直流道5的拉法尔喷管6并列布置或交错布置，同时在堆叠高温换热板3和低温换热板4时两板的拉法尔喷管6可在同一轴线布置或交错布置以满足不同工况的实际需求。如图3所示，本实施例每块高温换热板3或低温换热板4中相邻直流道5的拉法尔喷管6采用并列布置。如图6所示，在高度方向上，本实施例中不同高低温换热板的拉法尔喷管 6结构在同一轴线上布置，直流道5的截面形状为半圆形。
如图4、5所示，拉法尔喷管6包括稳定段61、收缩段62和扩张段63，稳定段61、收缩段62和扩张段63依次沿着直流道5内换热介质的流动方向设置，稳定段61两侧壁面的距离保持恒定不变，收缩段62两侧壁面的距离逐渐减小，扩张段63两侧壁面的距离逐渐增大，收缩段62和扩张段63的连接处形成喉部64，喉部64两侧壁面之间的距离最小。
稳定段61由该段直径D0和长度L0确定、收缩段62由长度L1和Witoszynski曲线确定，曲线方程如式(1)所示、扩张段63曲线由长度L2和Foelsch法确定，该方法采用一条经验曲线，其曲率单调变化且在初始型线后存在一转折点B，该点处满足面积比公式的要求，曲线方程如式(2)、(3)所示。在实际应用过程中，可以通过调整上述参数改变拉法尔喷管6结构和拉法尔喷管6的分布密度，从而适应不同操作条件。
其中，r为距入口截面距离为x处的截面半径，rcr为喉部64半径，r0为收缩段62入口半径，l 为设计的收缩段62长度，x和y分别为曲线上点的横纵坐标，xB和yB分别为转折点B的横坐标和纵坐标；βB为选取的扩张段63气体膨胀角，y*为喷管喉部64直径。
在本实施例中，每个拉法尔喷管6强化传热结构的稳定段61直径D0为2mm、长度L0为5mm；收缩段62长度L1为1.75mm、喉部64直径Dcr为0.5mm；扩张段63长度L2为4.75mm。根据计算结果，相较于直流道5，其换热能力可以提高6.7％，压降升高5.8％。
上述实施例一的工作原理和工作流程是：在换热器充当回热器时，不同工况条件下的超临界二氧化碳分别进入高温换热3和低温换热板4中，进而实现热量传递。流体通过换热板中的拉法尔喷管6强化传热结构时，流体主流区和壁面的传质过程和湍流程度均会增强，从而达到增强换热的目的，而且流体在流动过程中流动方向未发生改变，因此所产生的压力损失相较于传统强化换热过程中使用的折线型流道更小。在换热器充当冷却器时，超临界二氧化碳和冷却水分别在高低温换热板中流动，达到热量交换的目的。
实施例二：
图7示出了本发明实施例二的换热板结构示意图，本实施例每块高温换热板3或低温换热板4中相邻直流道5的拉法尔喷管6采用交错布置，其余结构设计和参数均同实施例一，此种布置方式相较于实施例一，同一块换热板上相邻两流道传热效果在拉法尔喷管6部分更好，相邻直流道5整体传热更均匀。根据计算结果，相较于直流道5其换热能力可以提高8.9％，压降升高5.8％。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，包括换热芯体(1)、集箱(2)、接头，所述换热芯体(1)与所述集箱(2)连接，所述接头设置在集箱(2)上，其特征在于：所述换热芯体(1)包括从上至下依次交替叠加布置的若干高温换热板(3)和低温换热板(4)，所述高温换热板(3)和低温换热板(4)上分别蚀刻有若干条并列平行布置的直流道(5)，所述直流道(5)上设置有若干拉法尔喷管(6)。
2.根据权利要求1所述一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，其特征在于：所述拉法尔喷管(6)包括稳定段(61)、收缩段(62)和扩张段(63)，所述稳定段(61)、收缩段(62)和扩张段(63)依次沿着所述直流道(5)内换热介质的流动方向设置，所述稳定段(61)两侧壁面的距离保持恒定不变，所述收缩段(62)两侧壁面的距离逐渐减小，所述扩张段(63)两侧壁面的距离逐渐增大，收缩段(62)和扩张段(63)的连接处形成喉部(64)，所述喉部(64)两侧壁面之间的距离最小。
3.根据权利要求2所述一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，其特征在于：所述收缩段(62)的壁面形状由Witoszynski曲线方程确定，曲线方程为
所述扩张段(63)的壁面形状由Foelsch法确定，该方法的曲线方程为
其中，r为距入口截面距离为x处的截面半径，rcr为喉部(64)半径，r0为收缩段(62)入口半径，l为设计的收缩段(62)长度，x和y分别为曲线上点的横纵坐标，xB和yB分别为转折点B的横坐标和纵坐标；βB为选取的扩张段(63)气体膨胀角，y*为喷管喉部(64)直径。
4.根据权利要求3所述一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，其特征在于：所述直流道(5)的截面形状为半圆形，直径为1.5-5mm，所述拉法尔喷管(6)的长度为8-15mm，所述喉部直径为0.15-0.5mm。
5.根据权利要求4所述一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，其特征在于：在同一块高温换热板(3)或低温换热板(4)上，相邻直流道(5)上的拉法尔喷管(6)并列布置或交错布置。
6.根据权利要求5所述一种具有拉法尔喷管强化传热结构的印刷电路板式换热器，其特征在于：所述接头包括高温流体入口端(7)、高温流体出口端(8)、低温流体入口端(9)和低温流体出口端(10)，所述高温流体入口端(7)和高温流体出口端(8)分别连接高温换热板(3)上直流道(5)的入口和出口，所述低温流体入口(9)和低温流体出口端(10)分别连接低温换热板(4)上直流道(5)的出口和入口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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