CN1851377A - 板－泡式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明板－泡式换热器涉及的是一种可使至少两种介质在不同操作工况下进行热交换的装置，特别是一种新型结构的热交换器。结构具有封头、接管和芯体，封头设在流体通道两侧(流体入口侧和出口侧)。芯体由若干个冷流体通道和热流体通道构成。芯体组装时冷流体通道和热流体通道间隔叠置。流体通道由具有三维立体网状结构的多孔材料层构成，通道由封条密封。根据封条设置方位的不同，可整体实现冷流体和热流体的错流型、逆流型、并流型或组合型流动热交换。在多孔材料流体通道内孔表面涂覆催化剂涂层时，会因其表面上形成的催化剂和其结构本身具有的高效换热效率，提高装置内反应的速率。

Description

板-泡式换热器

技术领域

本发明板-泡式换热器涉及一种可使至少两种介质进行热交换的换热器，尤其涉及一种以新型结构材料为换热器材质，并适合于各种介质、不同操作工况下冷热流体介质不相互接触的新型结构热交换器。

背景技术

为解决传统热交换器的诸多不足，尤其是换热效率低的问题，主要需从其结构设计角度进行考虑，即通过设计不同的结构，增大传热面积，增加流体流动的扰动，减薄层流底层，提高对流传热系数，以提高换热器的热交换效率。基于上述考虑，出现了以板翅式换热器和板式换热器为典型代表的紧凑式换热器。板翅式换热器由一定数量的导热隔板和翅片间隔叠置、钎焊而成，通过不同结构形式的翅片来扩大换热面积。但直接参与热交换的板面积较小，传热效率不高，且对翅片的导热系数、加工精度和焊接技术都要求很高，使得换热器的造价高，从而限制了换热器在节能方面的应用范围。板式换热器由带凹凸波纹的板片叠置构成，各板片上开有供介质流入的角孔，板片周围和通道处使用橡胶或其它材料制成的密封垫片进行密封，在各板片间形成等截面的流道。通过使用波纹结构增加流体的湍动，可进一步提高换热器的传热效率。但不可避免地存在以下一些不足：一，使用橡胶或类似材料制成的密封垫片，使得工作温度和工作压力较低，效率较低；二，因其结构的特点，使板片角孔难于补强，角孔间及板片间的密封槽难于进行对位，对制造精度要求较高，制造难度较大；三，当换热介质间温差和压力差较大时，容易引起板片间不均匀变形，造成装置失效；四，由于密封周边长，在装配和使用时换热介质易泄漏，且胶垫易老化、损坏。目前为了提高使用温度和工作压力也有对该类换热器采用全焊接结构的，但由于整体一次性焊接面积较大，内通道的焊接质量不易检测、返修和补焊，所以成品率较低，经济投资也相对较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的换热装置，该装置可克服现有技术的不足，能同时兼具板片式等多种换热器的优点，能适用于较高压力、较高温度的工作条件，也适用于腐蚀介质间的热交换。另一目的在于设计一种结构简单的换热装置，以简化换热器的加工制造工艺。为实现上述目的，本发明利用多孔材料板作为流体介质的流动通道结构，多孔金属层与实体材料制导热板间隔叠置、焊接而构成这种换热器的主体，其传热面积密度较高，流动阻力较低，换热效率较高，强度高，耐高温，制造工艺简单，性价比较高，存在体积小，重量超轻，空间布置方便，且材质如采用不锈钢或氟塑料时，还能耐腐蚀，比一般的紧凑式换热器在性能上有很大的改进与提高。

板-泡式换热器是采用以下方案实现的：

一种板-泡式换热器，包括芯体(2)，封头(1)、(4)和接管(3)、(5)，芯体(2)外围两两相对分别设置了冷流体或热流体通道的进、出口，在两侧的进、出口上分别设置一对带有接管(3)的封头(1)和另一对带有接管(5)的封头(4)，所述的芯体(2)由至少一对冷流体通道和热流体通道间隔叠置而成，流体通道由上下相邻的两块导热隔板(8)构成，其特征在于，通道内设置有由封条(7)密封的多孔材料层(6)。

所述的换热器的流体通道由其内部的多孔材料层(6)构成三维立体网状流道，并以焊接方式密封。

所述的多孔材料层(6)为开孔型，其开孔率为90％～97％。

所述的多孔材料层(6)采用粉末烧结多孔材料、金属纤维毡、复合金属丝网材料和泡沫金属材料；多孔材料层(6)可采用铜、镍及镍合金、铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、氟塑料加工制作。

所述的冷热流体通道内的多孔材料层(6)的横截面积不等，其横截面积根据介质流量大小调节；不同介质流道截面的平均孔径可以相等也可以不等。

所述流体通道内的多孔材料层(6)内孔表面涂覆催化剂涂层。

所述的换热器最外层的流体通道用多孔材料层布置成空流道或采用隔热纤维填充多孔材料构成热绝缘保温层。

有益效果

与现有技术相比，本发明板-泡式换热器有如下优点：

1、本发明中多孔材料流体通道在周边以焊接方式固定，使其承压能力大大提高，同时也可用于高温介质的换热要求，而且不同的流体介质是在导热隔板两侧流动，因此不会产生不同介质相互泄漏的不足；

2、本发明以多孔材料三维立体网状结构的孔壁(或孔棱)形成流体通道的支撑结构，整个装置的抗承压能力、刚度和强度均明显优于现有技术，其通孔率为90％～97％，因此产品的重量可以比现有技术更轻。根据实际设计计算，本发明板-泡式换热器的重量不到同工况现有技术的十分之一；

3、本发明从某种角度上讲与现有的板翅式换热器高效能换热类同，但本发明用多孔材料结构作为流体通道，使介质流经流道的轨迹更为复杂、湍流更为激烈，因此其热交换可以更为充分地进行。另外，多孔材料的三维立体网状结构可使液体介质中的气体溢出并均匀分布，且在导热隔板表面可更有效地破坏层流底层的热阻，进一步提高了换热器的换热效率。根据理论计算和相关试验证明，本发明的换热面积可比现有技术提高200倍以上；

4、本发明中多孔材料流体通道内孔表面涂覆催化剂涂层时，会因其表面上形成的催化剂和本发明本身具有的高效换热效率，提高装置内反应的速率。

5、本发明采用不等截面的两种流道，使大流量的介质经大截面流道流动，小流量的介质经小截面流道流动，不同介质流道截面的平均孔径可以相等也可以不等，当采用不等孔径时，一般大流量采用大平均孔径，小流量采用小平均孔径，以适用于不同流量的介质进行热交换。

6、本发明中导热隔板、封条、多孔材料流体通道、封头和接管可采用同一种材料制造，因此整个装置可以随热胀冷缩自由运动，自动实现热补偿，而且不会产生现有技术普遍存在的板片与壳体间的应力破坏问题；

7、本发明的热损失小。由于本发明的冷热介质热交换是在芯体内直接完成，而与外界的空气无直接接触，其最外层的流体通道可用多孔材料布置成空流道或采用隔热纤维填充多孔材料构成热绝缘保温层，可最大限度地减少热量损失；

8、利用本发明可以很容易实现同一台装置进行多种不同介质的换热作用；

9、本发明换热介质流量大小取决于流体通道的多少和流道截面尺寸的大小，可通过流体通道的增减、流道截面尺寸的大小来进行大小流量流体介质的热交换(流量＝流动速度×每个通道的流通截面积×通道数)，也可通过芯体的串、并联来实现大温差、超大流量流体介质的热交换。调整流通截面上平均孔径的大小，可改变换热器内流体的阻力损失(相同流速下，平均孔径越大，阻力损失越小)，从而满足各种应用工况下对换热器的设计要求，平均孔径的范围可从几纳米到十几毫米。当平均孔径小到纳米级时，可用作微电子器件(如高速芯体)的微型散热装置；

10、本发明可以适用于各种条件的热交换，例如液-液，或气-气，或液-气等的热交换，当采用不锈钢或氟塑料等抗腐蚀材料时，还可用于腐蚀介质的换热，其工作压力和工作温度范围根据不同材料而不同，但较板翅式换热器和板式换热器有很大提高。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1是板-泡式换热器结构示意图。

图2是板-泡式换热器的介质通道结构示意图。

图3是板-泡式换热器D-D剖面示意图。

图4是逆流型式的板-泡式换热器结构示意图。

图5是逆流型式板-泡式换热器内流体流动示意图。

图6是多股流板-泡式换热器结构示意图。

图7是多流程板-泡式换热器结构示意图。

其中：1、4：封头，2芯体，3、5、9：接管，6：多孔材料层，7：封条，8：导热隔板，10：隔板。

本发明板-泡式换热器包括芯体、封头和接管。芯体由若干个冷热流体通道构成。芯体组装时冷流体通道和热流体通道间隔叠置。流体通道上、下设有导热隔板，两侧设有封条，通道内设置多孔材料(开孔)板。冷、热流体侧封头分别设置在冷、热流体通道进、出口两端，冷、热流体进、出口的接管分别设置在冷、热流体进、出口侧封头上。

封条的设置方式为：1、热流体(冷流体)通道侧封条设置在与热流体(冷流体)进、出口通道平行的两侧，冷流体(热流体)通道侧封条设置在与冷流体(热流体)进、出口通道平行的两侧，实现热流体和冷流体的错流型流动；2、热流体(冷流体)通道侧封条设置在热流体(冷流体)与进、出口通道平行的两侧，冷流体(热流体)通道侧封条设置冷流体通道的两侧，在冷流体(热流体)通道的四周、靠近热流体(冷流体)进、出口处各有使冷流体(热流体)流入(流出)、流出(流入)该面的一段缺口，实现热流体和冷流体的并流或逆流型流动。按实际需要由多个热流体(冷流体)通道与冷流体(热流体)通道间隔叠置。

本发明的各导热隔板的一面流动一种流体介质，而另一面流动另外一种流体介质，而多孔材料流体通道以焊接方式密封，不会产生两种介质的串流现象。多孔材料的孔壁(或孔棱)形成流体通道的支撑结构，可以克服因导热隔板两侧两种流体介质间压力不等所造成的应力。由于本发明中导热隔板、封条、多孔材料流体通道、封头和接管可采用同一种材料制造，因此不会产生现有技术中整体装置在局部热膨胀补偿不等的不足。同时，由于本发明中是用多孔材料构成复杂的三维立体网状流道，介质在其中呈极不规则的流动，这种极不规则的流动加剧了流道内的湍流，因此可以提高热交换的效率。另一方面，由于多孔材料的三维立体网状结构，特别是网的经纬交叉部位可成为液体介质中气泡形成的核心，有利于气泡的形成和溢出，使本发明的热交换效率更高，并可降低设备运行产生的噪音。另外，在导热隔板的表面，焊接的多孔材料的三维立体网状结构相当于使导热隔板表面更为粗糙，可有效破坏沿壁面形成的层流底层的热阻，加大了换热面的面积，同样可以起到提高本发明板-泡式换热器热交换效率的效果。当本发明的多孔材料流体通道内孔表面带有催化剂涂层时，会因其表面上形成的催化剂和本发明本身具有的高效换热效率，提高装置内反应的速率。

本发明中多孔材料流体通道的孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级，其具体的尺寸和材料应当根据所用介质及相关情况选定或试验方式确定。其流体通道的平均孔径可以相等，也可以不相等。这种不等孔径的结构可以适用于两种不同流量的介质进行热交换，使大流量的介质经大孔径流道流动，小流量的介质在小孔径的流道内流动，可以增强换热效果，降低压力损失。

如果在本发明的进、出口封头上各自设置相对应的数个介质流动接管，在相应封头内设置与介质流动接管相对应的将一种介质与某些流道隔绝的隔板，可以用同一台装置进行多种介质间(例如两种以上介质或更多种介质)的热交换。例如，在一对进、出口封头上各设置两个介质流动接管，并在这对进、出口封头内各设一隔板，使经进口封头的一个介质进口接管进入的流体只能进入一部分流道内，并从相应的出口封头介质出口接管排出，而经另一介质进口接管进入的流体只能在所述的隔板作用下进入另一部分流道，并经出口封头的另一出口接管排出，这就可用同一台设备同时对两种以上的多种介质进行加热或冷却。另一方面，所设的隔板还可以做换热介质多流程设计使用。

具体实施方式

结合附图、实施例对本发明做进一步的说明。

参照附图1-3，本发明板-泡式换热器主要结构具有封头1、4，接管3、5和芯体三部分。芯体由若干个冷热流体通道构成。封头1设在冷流体(或热流体)通道进出口两端(A介质入口侧和出口侧)，封头1上设有接管3。封头4设在热流体(或冷流体)通道进出口两端(B介质入口侧和出口侧)，封头4上设有接管5。芯体2由若干个冷流体通道和热流体通道构成。芯体2组装时冷流体通道和热流体通道间隔叠置。流体通道上、下设有导热隔板8，两侧设有封条7，通道内可设置多孔材料(开孔)层6，通道两侧设有封条7，以保证流体通道的密封性，便于充分换热。根据介质流量大小和可释放热量，选择不同平均孔径(不同截面积)的多孔材料(开孔)层。封条7的设置方式为：热流体(冷流体)B介质通道侧封条设置在热流体(冷流体)B介质进、出口通道的两侧，冷流体(热流体)A介质通道侧封条设置在冷流体(热流体)A介质进、出口通道的两侧实现热流体(冷流体)B介质和冷流体(热流体)A介质的错流型流动。芯体2按实际需要设置多个冷流体通道与热流体通道，组装时冷流体通道与热流体通道间隔叠置，整体实现冷流体和热流体的错流型流动。冷流体(热流体)A介质侧封头1设置在冷流体(热流体)A介质通道进、出口两端，热流体(冷流体)B介质侧封头4设置在热流体(冷流体)B介质通道进、出口两端。冷流体(热流体)A介质进、出口接管3设置在冷流体(热流体)A介质进、出口侧封头，热流体(冷流体)B介质进、出口接管5设置在热流体(冷流体)B介质进、出口侧封头。工作时，冷热流体介质之间通过隔热板8直接进行热量交换，多孔材料层6的三维立体网状结构使流体在通道中形成强烈的湍流，使传热边界层不断被破坏，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。

参照附图4、5，热流体(冷流体)B介质通道侧封条设置在热流体(冷流体)B介质进、出口通道的两侧，冷流体(热流体)A介质通道侧封条设置在热流体(冷流体)B介质进、出口侧以及冷流体(热流体)A介质进、出口通道的两侧，在冷流体(热流体)A介质通道的两侧、靠近热流体(冷流体)B介质进、出口处各有使冷流体(热流体)A介质流入(流出)、流出(流入)该面的一段缺口，可实现热流体(冷流体)B介质和冷流体(热流体)A介质的并流或逆流型流动。

参照附图6，在热流体(冷流体)进出口的两端的封头4上各设置两个介质流动接管5、9，在封头4内设置隔板10将介质B与介质C的流道隔绝，可以在同一台板-泡式换热器内进行三种介质A、B、C间的热量交换，实现热流体(冷流体)和冷流体(热流体)的错流或逆流型流动。介质B与介质C的流道数量根据各介质流量和各介质可释放热量的比例进行分配。

参照附图7，在热流体(冷流体)B介质通道一端的封头4上设置两个介质流动接管5、9，在封头4内设置隔板10将热流体(冷流体)B介质的流道平均分隔，可以实现热流体(冷流体)B介质的两回程流动，使热流体(冷流体)B介质和冷流体(热流体)A介质间进行逆、并流组合型流动热交换。

实施例

将板-泡式换热器用作小型冷却器(主要用作某些工况的冷却散热)，整体采用铝合金材料，基于铝合金的高导性泡沫材料(开孔结构，开孔率为90％)用作冷却器的流体通道，其芯体尺寸为20cm(宽)×20cm(长)×13.7cm(高)，采用错流型流动形式，其中冷介质10个通道，热介质5个通道，通道截面多孔材料的平均孔径为1.5mm，整体压降0.5kPa，芯体重量1.5kg，不到板翅式换热器结构型式的1/10，实际换热器面积为881m²，是板翅式换热器结构形式的200多倍。平均孔径的大小，对换热器性能的影响较大，随着平均孔径的增大，换热器进出口间的压力降将减小，对于本实施案例，当采用平均孔径为0.8mm时，整体压降升为2kPa。

Claims (10)

1、一种板-泡式换热器，包括芯体(2)，封头(1)、(4)和接管(3)、(5)，芯体(2)外围两两相对分别设有冷流体或热流体通道的进出口，在两侧的进出口上分别设置一对带有接管(3)的封头(1)和另一对带有接管(5)的封头(4)，所述的芯体(2)由至少一对冷流体通道和热流体通道间隔叠置而成，流体通道由上下相邻的两块导热隔板(8)构成，其特征在于，通道内设置有由封条(7)密封的多孔材料层(6)。

2、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的换热器的流体通道由其内部的多孔材料层(6)构成三维立体网状流道，并以焊接方式密封。

3、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的多孔材料层(6)为开孔型，其开孔率为90％～97％。

4、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的多孔材料层(6)采用粉末烧结多孔材料、金属纤维毡、复合金属丝网材料和泡沫金属材料。

5、如权利要求1或4所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的多孔材料层(6)采用铜、镍及镍合金、铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、氟塑料加工制作。

6、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的冷热流体通道内多孔材料层(6)的横截面积不等，其横截面积根据介质流量大小调节。

7、如权利要求6所述的板-泡式换热器，其特征在于，冷热流体通道采用相同平均孔径的多孔材料层(6)。

8、如权利要求6所述的板-泡式换热器，其特征在于，冷热流体通道采用不同平均孔径的多孔材料层(6)。

9、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述流体通道内的多孔材料层(6)内孔表面涂覆催化剂涂层。

10、如权利要求1所述的板-泡式换热器，其特征在于，所述的换热器最外层的流体通道用多孔材料层布置成空流道或采用隔热纤维填充多孔材料构成热绝缘保温层。

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