CN116518747A - 高压流体毛细管换热器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高压流体毛细管换热器及其制备方法，包括上封板、下封板，上封板、下封板之间设有多层流道层，每层流道层包括垫片，垫片上铺设有多根毛细管，上下相邻两层的流道之间设有隔板；上下相邻两层的毛细管交错排列。本部发明提发换热器具有体积紧凑、功率密度高、承压能力强、耐高温、换热均匀、使用寿命长等优点，加工过程去掉了蚀刻工艺，也无需孔对孔穿管，使其制造工艺流程减少，生产周期缩短。该发明制造的换热器综合了PCHE印刷电路板式换热器和毛细管钎焊式换热器全部优点。
Description
技术领域
本发明提供一种高压流体毛细管换热器及其制备方法，属于换热器技术领域。
背景技术
石油、化工、医药等行业广泛应用的高压流体换热器的主要形式是PCHE(PrintedCircuit Heat Exchanger，印刷电路板式换热器)和毛细管钎焊式换热器。
随着国内各行各业的高速发展，对高压、高功率换热器的需求越来越大。
PCHE印刷电路板式换热器本体主要由流道板片、联腔和管道等几部分构成，生产加工的主要难度在于流道板片的加工，加工工序多、时间长，还会有较多的腐蚀性废液产生。
流道板片需要经过抛光、蚀刻、激光切割等工序，而且对表面的光滑程度要求非常严格，因为流道的原因，板片表面划痕如被手指感触到即判定为不合格品，良品率低。在蚀刻环节要经历涂布、曝光、清洗、蚀刻、裁切等多个工序，尤其中间蚀刻环节需要用到大量腐蚀溶液，腐蚀溶液后续要经过特殊的环保设备处理，才能使其污水达到国家排放要求。
流道板片的加工周期长，生产过程费时费工，成本高，具有一定的污染性，且流动阻力大。因为行业特殊以及生产工艺的极高要求也导致国内成熟的制造商较少，拉高了价格和制造难度，严重影响了高压换热器的市场使用率，进而严重地影响了部分高端设备的设计开发。
毛细管钎焊式换热器是由壳体、毛细管、孔板等组成。在制造过程中需要花费较多的人工来完成穿管工作；使用钎焊工艺，产品良品率不高；承压能力相比扩散焊加工方式要低很多。
现有的PCHE换热器其主要成本和制造难度均集中在蚀刻流道板片的设计和制造上。
蚀刻流道板片有以下四方面缺点：
(1)蚀刻板片需要经过多道工序，通过腐蚀性液体对其蚀刻，形成流道，生产周期长，费用高，而且非常不环保；
(2)上下流道板之间间隔壁厚较厚，热阻较大，降低了换热器的换热系数；
(3)蚀刻的流道之间需要保留一定的焊接面，降低了板片的利用率，减少了介质流体截面积，造成压降升高，换热面积降低；
(4)流道板板片厚度较大导致整体换热器体积偏大。
现有的毛细管有以下四方面缺点：
(1)穿管过程时间长，成本高；
(2)焊接成功率低；
(3)承压能力较低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种高压流体毛细管换热器及其制备方法，换热器具有体积紧凑、功率密度高、承压能力强、耐高温、换热均匀、使用寿命长等优点，加工过程去掉了蚀刻工艺，也无需孔对孔穿管，使其制造工艺流程减少，生产周期缩短。该发明制造的换热器综合了PCHE印刷电路板式换热器和毛细管钎焊式换热器全部优点。
高压流体毛细管换热器，包括上封板、下封板，上封板、下封板之间设有多层流道层，每层流道层包括垫片，垫片上铺设有多根毛细管，上下相邻两层的流道之间设有隔板；上下相邻两层的毛细管交错排列。
每层流道内，相邻两根毛细管外壁与隔板之间形成的区域组成外流道。
毛细管紧密排列。
所述的毛细管的直径不超过2.5mm，管壁厚度0.1～0.2mm之间；
垫片与毛细管外径相同，上下表面为4k～8k平整镜面，宽度10mm～30mm，长度与上封板相应的边长相等；
上封板、下封板的厚度0.1～0.3mm，长宽为100～500mm，上下表面为4k～8k平整镜面。
所有流道层堆叠装配完成后，用压力机将各层压实至四周无缝隙且边角对齐，在四边各选取一条上下方向的线用氩弧焊焊接固定成装配体；
撤除压力机，将装配体送入真空扩散焊炉焊接，采用真空扩散焊工艺在真空、加压、加温条件下焊接为一体，再装配上上封板、下封板经过后处理即可。
本发明采用毛细管替代蚀刻流道板，采用成熟的成品毛细管直接组装，替代了蚀刻流道板，在承受压力和耐高温方面与PCHE换热器无明显区别。但本产品优势明显，缩短了整体约1/3的加工周期；无污染排放；大大降低了因不合格品造成的经济损失；同时因毛细管管壁非常薄，结构更加紧凑，流通截面积增大，流体压力损失明显降低，吸收了毛细管钎焊换热器的换热面积大，流阻小的特点；又因成品毛细管成本相对蚀刻流道板的成本有明显降幅，大大提高了换热器的经济效益。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是图1中局部放大结构示意图；
图3是本发明流道流向示意图；
图4是本发明的装配体结构示意图；
图5是本发明的产品实物图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1和图2所示，本发明所述的高压流体毛细管换热器，包括上封板1、下封板5，上封板1、下封板5之间设有多层流道层，每层流道层包括垫片3，垫片3上铺设有多根毛细管4，上下相邻两层的流道之间设有隔板2；上下相邻两层的毛细管4交错排列。
每层流道内，如图2所示，相邻两根毛细管4外壁与隔板2之间形成的近似三角形的区域组成外流道；
毛细管4紧密排列。
所述的毛细管4的直径不超过2.5mm，管壁厚度0.1～0.2mm之间；
垫片3与毛细管4外径相同，上下表面为4k～8k平整镜面，宽度10mm～30mm，长度与上封板1相应的边长相等；
上封板1、下封板5的厚度0.1～0.3mm，长宽为100～500mm，上下表面为4k～8k平整镜面。
所有流道层堆叠装配完成后，用压力机将各层压实至四周无缝隙且边角对齐，在四边各选取一条上下方向的线用氩弧焊焊接固定成装配体；
撤除压力机，将装配体送入真空扩散焊炉焊接，采用真空扩散焊工艺在真空、加压、加温条件下焊接为一体，再装配上上封板1、下封板5经过后处理即可。
上下层流道为冷热两种工质。流向可根据设计需求设定，如图3所示。每层流道通过毛细管替代蚀刻流道板，毛细管内部型腔完美替代了蚀刻流道，而且相邻两根毛细管与隔板之间形成的三角区域组成新的流道，大大降低了流动阻力，提高了流通截面积，也提高了换热面积。同时毛细管之间相邻排布，缩小了单个流道的流通截面积，解决了单层流道腔体内部承压的问题，而且毛细管管壁内外均有流体，实现了压力平衡，降低了对毛细管壁厚的要求。换热器实物如图5所示。
毛细管大小的选型需要考虑工质的粘度、流速、比热容、热传递系数等物性，结合换热功率，通过严格的换热计算及其仿真测试而定。且毛细管的直径最大不能超过2.5mm，否则就要考虑三角区域内的承压问题，整体承压还要通过受力分析考量隔板的厚度。流道的层数不可以无限叠加，考量换热功率的同时也要结合不同管径毛细管扩散焊加工时受热的变形量以及扩散焊设备的上限焊接高度。
换热器换热的设计可通过以下几个方面调整：
(1)承压要求可通过改变隔板2的厚度和毛细管4的直径与壁厚配合调整，垫片3的厚度与毛细管外径保持一致；
(2)换热效率可以通过改变隔板2的厚度和毛细管4的壁厚来优化；
(3)上封板1和下封板5的厚度可结合联腔因承压能力所需的厚度和安装方式设计；
(4)流道压降可通过选用合适外径的毛细管和调整单层流道排管数量来优化；
(5)换热器总的换热功率通过调整流道层数和毛细管长短来实现。
所有流道层堆叠装配完成后，如图4，用压力机将板片压实至四周无缝隙且边角对齐，在四边各选取一条上下方向的线用氩弧焊焊接固定，撤除压力机，将装配体送入真空扩散焊炉焊接。采用真空扩散焊工艺在真空、加压、加温等特定条件下焊接为一体，再经过后处理即可完成加工制造，最后成品如图5所示的实物图。
后续采用的真空扩散焊工艺与PCHE换热器的焊接工艺相同，因此本发明所述的换热器在承受高温、高压方面的特性完全可与PCHE换热器媲美，甚至更优于PCHE换热器。同时因为无需采用蚀刻工序，直接采用毛细管，无需穿管，又吸取了毛细管钎焊式换热器换热面积大、压降小的优点，提高了换热功率，降低了生产成本和生产周期，换热器综合经济效益有较大提高。
Claims (4)
1.高压流体毛细管换热器，其特征在于，包括上封板(1)、下封板(5)，上封板(1)、下封板(5)之间设有多层流道层，每层流道层包括垫片(3)，垫片(3)上铺设有多根毛细管(4)，上下相邻两层的流道之间设有隔板(2)；上下相邻两层的毛细管(4)交错排列；
每层流道内，相邻两根毛细管(4)外壁与隔板(2)之间形成的区域组成外流道。
2.根据权利要求1所述的高压流体毛细管换热器，其特征在于，每层流道层内所述的毛细管(4)紧密排列。
3.根据权利要求1所述的高压流体毛细管换热器，其特征在于，所述的毛细管(4)的直径不超过2.5mm，管壁厚度0.1～0.2mm之间；
垫片(3)与毛细管(4)外径相同，上下表面为4k～8k平整镜面，宽度10mm～30mm，长度与上封板(1)相应的边长相等；
上封板(1)、下封板(5)的厚度0.1～0.3mm，长宽为100～500mm，上下表面为4k～8k平整镜面。
4.根据权利要求1到3任一项所述的高压流体毛细管换热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
所有流道层堆叠装配完成后，用压力机将各层压实至四周无缝隙且边角对齐，在四边各选取一条上下方向的线用氩弧焊焊接固定成装配体；
撤除压力机，将装配体送入真空扩散焊炉焊接，采用真空扩散焊工艺在真空、加压、加温条件下焊接为一体，再装配上上封板(1)、下封板(5)经过后处理即可。
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Cited By (1)
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2023
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| CN117564431B (zh) * | 2024-01-17 | 2024-04-12 | 北京海德利森科技有限公司 | 一种扩散焊毛细管换热器的焊接方法 |
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