CN117213278A - 一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，涉及换热器技术领域，由沿高度方向交替堆叠布置的若干蚀刻板、翅片板及隔板经扩散焊接而成；蚀刻板上设有供氢气流动的微流道，翅片板左右两侧设有封条，翅片板与上层的蚀刻板、封条及下侧的隔板组成供冷侧流体流动的通道。本发明通过结合两种不同的换热器流道提高了换热器的承压能力以及紧凑度，使用S型和蛇形通道强化了氢气的换热，提升了氢气与冷侧流体的流动均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体。
背景技术
高压加氢站可靠高效的运行是氢燃料动力大规模应用的技术前提。在加氢过程中，车载储氢罐内气体温度会剧烈升高，温度限制值为85℃。高压氢气加注通过预冷可提高加注过程的安全性和可靠性，并增加车辆的续航里程。氢气预冷过程在换热器中实现，需要设计制造70MPa级氢气预冷换热器。
高压氢气预冷的换热器主要包括大型冷却模块和套管式换热器，上述二者占地面积较大，且承压能力较低。紧凑式换热器是安装在加氢机分配器柜内的可行选择，出色的冷却能力和承压能力也使得它成为未来加氢站换热器的首选方案。英国Heatric公司在20世纪80年代提出一种印刷电路板式换热器，该换热器的当量直径为0.1-2mm，传热面积密度高达2500m2/m3，可承受20MPa以上的高压以及673K以上的高温。印刷电路板式换热器作为一种高承压能力、高换热能力的紧凑式换热器，可以应用于高压工况中，是氢气预冷换热器的可靠选择。
70MPa级的氢气为超临界流体，其在冷却过程中密度逐渐增大。若不改变流道尺寸或者形状，则会使得氢气流速降低，弱化传热效果。用于冷却氢气的介质相对压力较低，与氢气的压差非常大(约70MPa)，大多数换热器无此压差工况。换热器中的冷侧流体，特别是两相流体，常出现通道间流量分配的不均匀性的情况，导致换热器容量和性能剧烈衰减。对于两相流体而言，流量分配不均会导致“干蒸”和“供液过多”严重影响换热器性能。同时，传统管壳式等换热器在高压加氢站的预冷系统中无法满足70MPa承压能力的需求。且目前高压加氢站用的预冷换热器占地面积非常大，难以放置于分配柜中，需要单独用地或者使用地下空间。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种高压氢气预冷换热器结构，满足高承压性和高紧凑度的需求，同时强化换热效果并改善流动均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，由沿高度方向交替堆叠布置的若干蚀刻板、翅片板及隔板经扩散焊接而成；蚀刻板上设有供氢气流动的微流道，翅片板左右两侧设有封条，翅片板与上层的蚀刻板、左右两侧的封条及下侧的隔板组成供冷侧流体流动的通道；
蚀刻板上的流道为混合式微流道，混合式微流道结构依次由直通道、S型通道和蛇形通道组成；
翅片板的翅片间设置圆形贯穿孔或者矩形贯穿通道，以调整流体分配的均匀性。
进一步地，蚀刻板由金属薄板经过光化学蚀刻工艺加工而成。
进一步地，隔板为金属平薄板。
进一步地，翅片板由薄金属片经加工而成，加工工序包含打孔、冲压、滚轧、切割中的一种或几种。
进一步地，直通道为连续型流道，直通道等距并列布置，直通道流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种。
进一步地，S型通道为非连续型流道，设有交错式布置的正弦式S型翅片。
进一步地，通道为连续型流道，蛇形通道形状为正弦曲线，蛇形通道的水力直径小于直通道的水力直径。
进一步地，蛇形通道等距并列布置，蛇形通道流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种。
进一步地，翅片板的翅片结构为平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、百叶窗翅片、波纹翅片中的任意一种。
进一步地，蚀刻板上的微通道和翅片板的流道平行布置；换热方式为逆流换热或者顺流换热。
与现有技术方案相比，本发明方案带来的有益效果是：本发明通过结合两种不同的换热器流道提高了换热器的承压能力以及紧凑度，使用S型和蛇形通道强化了氢气的换热，提升了氢气与冷侧流体的流动均匀性。本发明提供了一种由蚀刻板和翅片版交替组合的换热器芯体，蚀刻板的耐高压性强，翅片板的高翅化比结构保证了总体的高紧凑度，这使得本发明在高压氢气换热领域中具有广阔的应用前景；本发明在蚀刻板上使用的S型通道设有交错式布置的正弦式S型翅片，通过增加扰流结构增强传热的入口效应从而减小温度边界层的厚度，尾缘改善了边界层脱流情况并削弱了其对后续扰流结构的影响，从而强化氢气的换热并提升氢气流动的均匀性；本发明在蚀刻板上使用形状为正弦曲线的蛇形通道，该通道的水力直径小于直通道的水力直径，蛇形通道不仅能够增大传热面积，也能降低由超临界氢气在冷却过程中密度逐渐增大带来的流速降低、传热弱化等不利影响；另外，对于压力较低的冷侧流体，本发明的换热结构中在换热通道上设置了通道间贯穿的通道，能更好提升冷侧流体，尤其是两相流体的流动均匀性，并提升换热结构整体的换热性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的换热器芯体的结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的蚀刻板流道的平面示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的翅片板间贯穿孔及贯穿通道示意图；
其中，1-蚀刻板；2-翅片板；3-隔板；4-微流道；5-封条；6-直通道；7-S型通道；8-蛇形通道；9-圆形贯穿孔；10-矩形贯穿通道。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明的一个较佳实施例的换热器芯体的结构示意图，由沿高度方向交替堆叠布置的若干蚀刻板1、翅片板2及隔板3经扩散焊接而成；蚀刻板1由金属薄板经过(光)化学蚀刻工艺加工而成，其上蚀刻有供高压氢气流通的微流道4；隔板3为金属平薄板；翅片板2由薄金属片经打孔、冲压、滚轧、切割等工序加工而成，翅片板左右两侧设有封条5，翅片板2与上层的蚀刻板1、左右两侧的封条5及下侧的隔板3组成了供冷侧流体流动的通道。蚀刻板1上的微通道4和翅片板2的流道平行布置，两种流道其换热方式为逆流换热或者顺流换热。
因用于冷却氢气的介质相对压力较低，与氢气的压差非常大(约70MPa)，大多数换热器无此压差工况，本发明对于两种压力不同的介质，分别使用不同类型的通道结构：高压氢气流经蚀刻板1上的微通道，低压的冷侧流体(制冷剂或者载冷剂)流经翅片板2上的通道；不同类型的通道间使用隔板进行分隔。蚀刻板1与翅片板2均属于微小尺度强化传热元件，蚀刻板2上的微流道尺寸小、耐高温高压；翅片板2结构简单，其结构能够大大增加换热器的紧凑度。只要保证足够的蚀刻板、隔板厚度，该换热器可在大压差(～70MPa)工况下应用。
蚀刻板1的长度、宽度由热力设计计算确定；微流道4内直通道、S型通道和蛇形通道的结构、尺寸由热力设计计算确定，微通道间距由强度校核计算确定，微流道4的长度等于蚀刻板1的长度，其宽度小于蚀刻板1的宽度，其深度小于蚀刻板1的深度；翅片板2的长度等于蚀刻板1的长度，其宽度小于蚀刻板1的宽度，翅片板2上翅片的结构、尺寸由热力设计计算确定；封条5为矩形金属棒材，其长度等于蚀刻板1的长度，其高度等于翅片板2的高度，其宽度由强度校核计算确定；隔板3长度等于蚀刻板1的长度，其宽度等于蚀刻板1的宽度，其厚度由强度校核计算确定。
如图2所示，为本发明的一个较佳实施例的蚀刻板流道的平面示意图。70MPa级的氢气为超临界流体，其在冷却过程中密度逐渐增大。若不改变流道尺寸或者形状，则会使得氢气流速降低，弱化传热效果。蚀刻板1上的微流道4为混合式流道，其流道结构依次为直通道6、S型通道7和蛇形通道8；直通道6为连续型流道，通道等距并列布置，其流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种；S型通道7为非连续型流道，设置正弦式S型翅片，翅片采用交错式布置；蛇形通道8为连续型流道，其形状为正弦曲线，通道的水力直径小于直通道6的水力直径，通道等距并列布置，其流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种。直通道6使得氢气在换热初始过程中流速较大，压降较小；S型通道7通过增加扰流结构增强传热的入口效应从而减小温度边界层的厚度，尾缘改善了边界层脱流情况并削弱了其对后续扰流结构的影响，从而强化氢气的换热过程，且非连续型流道的布置提升了氢气的流动均匀性；蛇形通道8的形状为正弦曲线，通过弯曲的流道结构增大传热面积，并通过缩小通道的水力直径提高氢气流速，从而实现强化换热。
如图3所示，为本发明的一个较佳实施例的翅片板间贯穿孔及贯穿通道示意图。翅片板2的翅片结构为平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、百叶窗翅片、波纹翅片中的任意一种；翅片板2的通道为矩形直通道，翅片间设置圆形贯穿孔9或者矩形贯穿通道10，贯穿结构的尺寸由强度校核计算确定。圆形贯穿孔9或者矩形贯穿通道10可以有效连接各个换热流动通道，但是不破坏通道的整体性和整体强度，该结构可以提高流量分配的均匀性，从而提升换热结构整体的换热性能。
本发明提供的换热板的一种具体实施方式：一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，由2块蚀刻板1、2块翅片板2和3块隔板3自上而下依次排序、紧密贴合、堆叠装配后经扩散焊接而成。
蚀刻板1为120mm×76mm×0.55mm的316L不锈钢板片，其上设置有供高压氢气流通的微流道4。
微流道4采用光化学蚀刻工艺加工而成，在氢气入口段设置80条等间距(0.3mm)平行布置的直通道6，直通道长为40mm，其横截面为直径0.25mm的半圆。
直通道6之后有交错式布置的正弦式S型翅片7，翅片高度为0.25mm。
蛇形通道数量为80条，且等间距(0.4mm)平行布置，其横截面为直径为0.2mm的半圆。
隔板3为120mm×76mm×0.3mm的316L不锈钢金属片。
翅片板2的通道为直通道；翅片类型为平直翅片，高度为2mm，翅距为0.8mm，翅厚为0.2mm，翅片板2长120mm，宽64mm。
封条5为120mm×6mm×2mm的316L不锈钢金属棒。
蚀刻板1和其上方的隔板3围成一个夹层，夹层内形成了供高压氢气流动的微通道。
翅片板2和上层蚀刻板1、左右两侧的封条5以及下侧隔板3围成一个夹层，夹层内形成了冷侧流体流动的矩形直通道。
翅片板2之间设有直径为1mm、间距为5mm的圆形贯穿孔9，该圆孔的孔心设置于翅片的中心高度处。
微流道4和翅片板2的翅片通道相互平行，在微流道4中的氢气与在翅片板2通道中的冷测流体呈逆流换热布置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，由沿高度方向交替堆叠布置的若干蚀刻板、翅片板及隔板经扩散焊接而成；所述蚀刻板上设有供氢气流动的微流道，所述翅片板左右两侧设有封条，所述翅片板与上层的所述蚀刻板、左右两侧的所述封条及下侧的所述隔板组成供冷侧流体流动的通道；
所述蚀刻板上的流道为混合式微流道，所述混合式微流道结构依次由直通道、S型通道和蛇形通道组成；
所述翅片板的翅片间设置圆形贯穿孔或者矩形贯穿通道，以调整流体分配的均匀性。
2.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述蚀刻板由金属薄板经过光化学蚀刻工艺加工而成。
3.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述隔板为金属平薄板。
4.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述翅片板由薄金属片经加工而成，加工工序包含打孔、冲压、滚轧、切割中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述直通道为连续型流道，所述直通道等距并列布置，所述直通道流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种。
6.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述S型通道为非连续型流道，设有交错式布置的正弦式S型翅片。
7.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述蛇形通道为连续型流道，所述蛇形通道形状为正弦曲线，所述蛇形通道的水力直径小于所述直通道的水力直径。
8.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述蛇形通道等距并列布置，所述蛇形通道流道横截面形状为半圆形、圆形、矩形、梯形中的任意一种。
9.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述翅片板的翅片结构为平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、百叶窗翅片、波纹翅片中的任意一种。
10.如权利要求1所述的一种高压氢用混合式印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述蚀刻板上的微通道和翅片板的流道平行布置；换热方式为逆流换热或者顺流换热。
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