CN201973962U

CN201973962U - 一种微通道换热器

Info

Publication number: CN201973962U
Application number: CN2011200326493U
Authority: CN
Inventors: 王凱建
Original assignee: HANGZHOU SHENSHI HEAT EXCHANGER CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU SHENSHI ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-01-30

Abstract

本实用新型公开了一种微通道换热器，属于传热、换热技术领域。包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口和制冷工质出口；另一端成型有工作流体流出口和制冷工质入口，所述流体通道内设有换热段，所述换热段由制冷工质层与工作流体层交替叠置，所述制冷工质层与所述工作流体层通过隔板层隔离，所述制冷工质层、隔板层、工作流体层之间均质结合；所述制冷工质层和工作流体层上分别设有多个平行的微通道，所述换热单元之间为均质结构，所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15。本实用新型传热效率高于现在在用换热产品。

Description

一种微通道换热器

技术领域

本实用新型属于传热、换热技术领域，尤其涉及一种微通道换热器。

背景技术

空气源热泵，热泵热水器，热泵锅炉以及地源热泵等热泵系统的使用都离不开换热器。目前，换热器有管式换热器、板式换热器、微通道换热器等几大类。其中管式换热器存在着体积大，耗材多，换热效率低等缺点；板式换热器在同样换热能力下，与管式换热器比较，重量体积大约可以减少一半以上，但板式换热器还存在着强制对流换热系数小，通道中增强传热用翅片引起流动阻力增大，各个通道中流体分配不均匀等问题。作为板式换热器的发展，微通道换热器的体积、重量相对于板式换热器可以再减少一半以上，能够满足紧凑式换热器的要求，是当今换热器研究开发的新方向。

但是现存的用于热泵系统的微通道换热器，几乎都是用扁平铝管型材加上制冷工质和工作流体的进出口来实现，仅限于制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器。如专利申请号200510012007.6，200810115272.0以及200510079932.0中阐述的用于热泵的微通道换热器，均在扁平铝管型材的基础上加上实用新型人的想法或者构成实物的实用新型。但上述三个实用新型存在着以下几个问题：1. 换热扁平管为铝管型材，型材的尺寸为定值。对于微通道的水力学直径选择有限制，很难选到结构优化设计以后的铝管型材。还有，目前受生产铝管型材技术的限制，微通道之间的壁厚不能做到传热要求的尺寸（很薄），这样使用扁平管为铝管型材设计的微通道换热器就不能成为微通道换热器技术的方向。2. 制冷工质通过的微通道和空气通过的翅片之间由于采用的是钎焊，由此产生的热阻问题没有解决。3.上述三个申请仅限于制冷工质和空气之间热交换用的岔流型换热器。空气通过翅片和工作流体（比如水，不冻液，纳米流体等）通过微通道，由于强制对流换热系数的不同，所需要的传热面积就不同，换热器的结构就完全不一样。空气的强制对流换热系数比制冷工质要小2个数量级，所以制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器需要把空气侧的传热面积设计得很大，因而换热器的体积也就比较大。而水的强制对流换热系数和制冷工质相比小一个数量级左右，所以换热器就可以设计得紧凑，提高换热效率，节省材料。

为解决上述问题，中国专利申请200910025810.1公开了一种紧凑型微通道换热器，其可以用于制冷工质和工作流体之间的热交换，可以用于热泵热水器，热泵锅炉以及地源热泵等热泵系统。同时，其制冷工质通道与流体通道以及两者之间的隔层通过原子扩散的方法结合，其没有焊接产生的热阻，单位体积中的传热面积大于七百。但是，该申请中，影响换热器换热效率的制冷工质和工作液体的微通道的水力学直径只限定为微米级，实际根据理论推理以及实际试验表明，当水侧水力学直径过大或过小时，水侧的强制对流换热系数或将没有多少提高，或将压力损失的增加，换热器的换热效果不理想。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是明确提供一种具有良好换热效果的微通道换热器。

为实现上述目的，本实用新型提供了包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口和制冷工质出口；另一端成型有工作流体流出口和制冷工质入口，所述流体通道内设有换热段，所述换热段由制冷工质层与工作流体层交替叠置，所述制冷工质层与所述工作流体层通过隔板层隔离，所述制冷工质层、隔板层、工作流体层之间均质结合；所述制冷工质层和工作流体层上分别设有多个平行的微通道；所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15。

所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：2。

所述微通道的截面为方形、圆形或椭圆形中的一种，也可以为其他任何能够成型加工的形状。

所述微通道的截面为方形，所述工作流体层的微通道的侧面同相邻的所述制冷工质层的微通道的侧面相平齐。

所述制冷工质层的微通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；

所述工作流体层的微通道的水力学直径为0.125-1mm。

所述制冷工质层的微通道的水力学直径为0.25mm；

所述工作流体层的微通道的水力学直径为0.5mm。

所述制冷工质层、隔板层和工作流体层所采用的材质相同，也可以不同，并通过固体原子扩散方法将所述制冷工质层、隔板层和工作流体层结合为整体。

所述制冷工质层、隔板层和工作流体层所采用的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。

制备本实用新型换热器的微通道换热部的方法，包括以下步骤：

a、将制冷工质层、工作流体层以及隔板层分别成型，使所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15；

b、将所述制冷工质层、工作流体层及隔板进行表面预处理，使其表面氧化皮膜消失，尽快发生固体原子扩散；

c、制冷工质层与工作流体层交替叠置，所述制冷工质层与所述工作流体层通过隔板层隔离；

d、将叠加后的微通道换热体放入真空度为6.7×10^-2Pa的腔体内加温加压，其加热温度为组成所述制冷工质层、工作流体层及隔板的材料的熔点的0.5～0.8倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.8～0.95倍，制冷工质层、工作流体层和隔板层的表面产生原子扩散，相互结合为均质结构的整体。

步骤a所述的成型步骤包括原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查工序；

步骤b所述的表面预处理方法为离子冲击和加压摩擦方法。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型涉及一种制冷工质（HFC类制冷工质，自然物质类制冷工质等制冷工质）与工作流体（例如：水，不冻液，纳米流体等工作流体）间热能交换的微通道换热器。本实用新型的申请人根据热泵系统的使用条件，对制冷工质侧微通道与工作流体侧微通道的水力学直径进行设计计算，通常换热器以强制对流换热系数小的一侧流体为基准进行计算，因此本实用新型的换热器按工作流体侧流体的传热和流动特性进行计算。

图4-1,图4-2为水作为工作流体的微通道水力学直径与强制对流换热系数和压力损失的变化曲线。其中图4-1的横坐标De为工作流体侧微通道的水力学直径;纵坐标α/α₀为以套管式换热器为基准的强制对流换热系数；实线为微通道中的流体为层流时的计算结果，虚线为微通道中的流体为紊流时的计算结果；图4-2的的横坐标De为工作流体侧微通道的水力学直径;纵坐标△P/P₀为以套管式换热器为基准的压力损失；实线为微通道中的流体为层流时的计算结果，虚线为微通道中的流体为紊流时的计算结果。

根据图4-1，图4-2可以看出，当水侧的水力学直径为0.125mm-1mm时，其强制对流换热系数对于套管式换热器的强制对流换热系数提高了约1.0-6.5倍，而这时压力损失并没有急速上升，因此这一个设计值是一个可选的设计值。以工作流体侧的水力学直径为长度尺度，经过反复试验，制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15时能兼顾到传热，流动特性以及制造选材的合理性。

而工作流体侧微通道的水力学直径为0.5mm，制冷工质侧微通道的水力学直径为0.25mm时，在制造选材时又是一个容易实现的数值，作为本实用新型的一个优选方案。应用了该组制冷工质和工作液体微通道的水力学直径的换热器，相比于现在使用的同轴套管式换热器，在同样换热能力和能效比的条件下，其性能对比如表1所示，通过表1的结果表明，本实用新型的传热面密度高于同类产品，即传热效果好。

进一步的，本实用新型的制冷工质层、隔板层、工作流体层的材质相同，三部分叠加后处于真空状态的腔体内加温加压，一段时间后制冷工质层、隔板层、工作流体层的表面产生原子扩散，相互结合为和母材金属结晶结构一样的整体。这种方式可以消除现有换热器焊接产生的热阻，提高了换热器的传热性能。同时，使用了固体原子扩散结合的制造方法，金属之间的结合面经过固体原子扩散，形成界面结晶体，其强度和母材一样，因此制成的三维空间只要结构设计正确就能够承受高压；不像其它焊接加工方法那样受焊接强度制约，不容易在比较小的材料结合面上承受大的压力。

优选的，本实用新型选用强度、刚度以及导热性良好的不锈钢材料作为制冷工质层、隔板层、工作流体层的成型材料，其不仅能满足固体原子扩散结合的加工工艺要求，也具备良好的热传导率，同时具有可靠的耐蚀性，保证了换热器长期使用的可靠性。

附图说明

图1为本微通道换热器的结构示意图；

图2为换热段的截面放大图；

图3为形成微通道的换热单元；

图4-1为水侧的微通道水力学直径与强制对流换热系数变化曲线；

图4-2为水侧的微通道水力学直径与压力损失的变化曲线；

图5为微通道换热器的流动和传热模式；

图6为冷冻循环过程中制冷工质在各个部件入口出口温度变化的测试结果；

图7为冷冻循环过程中水在微通道换热器（冷凝器）中的温度变化。

图中附图标记表示为：

1-换热段 2-工作流体入口 3-工作流体入口支撑整流部 4-工作流体出口支撑整流部 5-工作流体流出口 6-制冷工质入口 7-制冷工质入口支撑整流部 8-制冷工质出口支撑整流部 9-制冷工质出口 11-制冷工质层 12-隔板层13-工作流体层。

具体实施方式

以下将结合附图，使用以下实施例对本实用新型进行进一步阐述。

实施例1

本实用新型的微通道换热器的结构如图1，图2所示，其包括换热段1，所述换热段1由若干单元层相互叠加而成，每个单元层依次为制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13，如图3所示；所述制冷工质层11与所述工作流体层13上分布有若干个微通道。每个所述微通道的横截面为方形，所述工作流体层的微孔通道的侧面同相邻的所述制冷工质层的微通道的侧面相平齐。所述制冷工质层11的微通道的水力学直径与所述工作流体层13的微通道的水力学直径之比为1：2。

该微通道换热器还包括工作流体入口2，工作流体入口支撑整流部3，工作流体出口支撑整流部4，工作流体流出口5，制冷工质入口6，制冷工质入口支撑整流部7，制冷工质出口支撑整流部8，制冷工质出口9。

换热器的工作过程为：工作流体从入口2流入，流经支撑整流部3，进入换热段1，与从入口6流入，流经支撑整流部7进入换热部3的制冷工质，在流体通道的换热段1以相反的方向流动。该微通道换热器的流动和传热模式如图5所示，其中T_c,in为工作流体流入温度；T_c,out为工作流体流出温度；T_h,in为制冷工质流入温度；T_h,out为制冷工质流出温度；W_h为制冷工质的质量流量；W_c为工作流体的质量流量；T_h为计算微元制冷工质流入温度；T_h+dT_h为计算微元制冷工质温度变化；T_c为计算微元工作流体流入温度；T_h+dT_h为计算微元工作流体温度变化；dA为计算微元制冷工质与工作流体之间的传热面积；dQ为计算微元制冷工质与工作流体之间的换热量；dx为计算微元在流动方向的微小长度；T_h,C_h为从T_h,in变为T_h,out过程中制冷工质的代表温度，代表定压比热；T_c,C_c为从T_c,in变为T_c,out过程中工作流体的代表温度，代表定压比热；△t为制冷工质和工作流体之间的温度差；由于制冷工质和工作流体之间存在温度差△t如图5所示，在流体通道的换热段1通过隔层12产生热移动，从而实现制冷工质和工作流体之间的传热、换热。

所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.25mm。

所述工作流体层11的微通道的水力学直径为0.5mm。

当工作流体侧微通道的水力学直径为0.5mm时，其强制对流换热系数对于套管式换热器的强制对流换热系数提高了约2倍，而这时压力损失并没有急速上升，因此这一个设计值是一个可选的设计值。而0.5这一数值在制造选材时又是一个容易实现的数值。制冷工质侧微通道的水力学直径以水侧的水力学直径为一个代表尺度，经过反复试验，为水侧的水力学直径的一半时能兼顾到传热，流动特性以及制造选材的合理性。

所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质均为不锈钢，三部分通过固体原子扩散方法结合为整体。

制造该换热器的微通道换热段1的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为矩形的微通道；

b、经检验合格后，将所述制冷工质层11、工作流体层13、隔板12进行加压摩擦表面预处理，使其表面氧化皮膜消失，使结合面接触同时相对移动，破坏接合面上的氧化皮膜，尽快发生固体原子扩散，其中加压为5.6kg/mm²，移动距离为2mm；

c、将所述制冷工质层11微通道和工作流体层13微通道通过隔板层12隔离叠加后形成若干个微通道单元；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至1050^oC，加压至30Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

图6，7为本实施例的换热器冷冻循环过程在表2测试条件下制冷工质在各个部件入口出口温度变化的测试结果和工作流体在微通道换热器（冷凝器）中的温度变化。图6的冷冻循环为制冷工质蒸汽压缩式冷冻循环，由压缩机，冷凝器，膨胀阀以及蒸发器组成。现在使用中的热泵热水器或者热泵锅炉都由该冷冻循环构成，其中冷凝器多使用套管式换热器对水加温。其中图6中的x坐标轴1，2为压缩机入出口温度；3，4为冷凝器入出口温度；5，6为膨胀阀入出口温度；7，8蒸发器入出口温度。图7中的x坐标轴中1为工作流体入口；5为工作流体流出口；2，3，4为从入口到出口之间等间隔的中间点位置。表3为两种条件下的测试结果。由表2的测试条件可以知道，条件一为低温水升温的实验条件，条件二为中温水升温的实验条件。同时低温水流量小于中温水流量。水侧从制冷工质侧得到的热量为水的流量乘以水的定压比热乘以换热器入出口的温度差，表3中给出的在上述两种条件下的测试结果与理论结果基本一致，对于套管式换热器的单位体积换热能力0.43W/cm³，提高到41.0W/cm³。

实施例2

本实施例的微通道换热器的结构与实施例1所述的大致相同，区别在于：每个所述微通道的横截面为圆形，所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.0675mm。所述工作流体层11的微通道的水力学直径为1.0125mm。所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质为铜。应用以上材质及尺寸的换热器在传热方面性能会略有降低，可是能改善工作流体的流动特性，制造选材方面会有所不便，根据热泵系统所使用制冷工质和工作流体的物性，整体性能还在一个合理的范围内。

制造该换热器的微通道换热段1的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为圆形的微通道；

b、经检验合格后，将所述制冷工质层11、工作流体层13、隔板12使用氩气作为离子源对金属表面进行照射，对氩气印加的电压从低到高（1-5kV）使氩离子带有的能量上升，对金属表面产生微小的磨削，使其露出新生面使其表面氧化皮膜消失，尽快发生固体原子扩散；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至630^oC，加压至20Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

实施例3

本实施例的微通道换热器的结构与实施例1所述的大致相同，区别在于：每个所述微通道的横截面为椭圆形，所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.5mm。所述工作流体层11的微通道的水力学直径为0.125mm。所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质为铝。应用以上材质及尺寸的换热器在传热方面性能会有所提高，工作流体的流动压力损失将增大，制造选材方面则选择方便，根据热泵系统所使用制冷工质和工作流体的特性，整体性能还在一个合理的范围内。

制造该换热器的微通道换热段1的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为椭圆形的微通道，；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至500^oC，加压至15Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

虽然本实用新型已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本实用新型所要保护的范围。

Claims

1.一种微通道换热器，包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口（2）和制冷工质出口（9）；另一端成型有工作流体流出口（5）和制冷工质入口（6），所述流体通道内设有换热段（1），所述换热段（1）由制冷工质层（11）与工作流体层（13）交替叠置，所述制冷工质层（11）与所述工作流体层（13）通过隔板层（12）隔离，所述制冷工质层（11）、隔板层（12）、工作流体层（13）之间均质结合；所述制冷工质层（11）和工作流体层（13）上分别设有多个平行的微通道，其特征在于：

所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径与所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15。

2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径与所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径之比为1：2。

3.根据权利要求1或2所述的微通道换热器，其特征在于：

所述微通道的截面为方形、圆形或椭圆形中的一种。

4.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于：

所述微通道的截面为方形，所述工作流体层的微孔通道的侧面同相邻的所述制冷工质层的微通道的侧面相平齐。

5.根据权利要求1或2所述的微通道换热器，其特征在于：

所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；

所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径为0.125-1mm。

6.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于：

所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径为0.25mm；

所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径为0.5mm。

7.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：

所述制冷工质层（11）、隔板层（12）和工作流体层（13）所采用的材质相同，并通过固体原子扩散方法将所述制冷工质层（11）、隔板层（12）和工作流体层（13）结合为整体。

8.根据权利要求7所述的微通道换热器，其特征在于：

所述制冷工质层（11）、隔板层（12）和工作流体层（13）所采用的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。