CN217585450U - 一种应用于sofc系统中的板翅式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及换热器技术领域，具体公开了一种应用于SOFC系统中的板翅式换热器，包括多个自上而下依次排布的隔板，相邻所述隔板的左右两侧通过封条连接；相邻所述隔板之间设置有容纳腔，所述容纳腔内安装有翅片；所述容纳腔的前后两侧设置有端面键条，同一所述隔板上的前后端面键条错位设置，相邻所述隔板上的上下端面键条错位设置。本实用新型的换热器体积紧凑，有较高的耐受性，防止产生变形失效，且提高燃料电池系统效率。

Description

一种应用于SOFC系统中的板翅式换热器

技术领域

本实用新型涉及换热器技术领域，特别是涉及一种应用于SOFC系统中的板翅式换热器。

背景技术

中高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的运行温度通常为650－1000℃，需要将通入燃料电池的反应物进行预热，减小反应物与最佳运行温度之间的温度差，提高工作效率，同时，燃料电池运行排放的尾气温度极高含有大量高品位的热能，因此，在固体氧化物燃料电池系统中通常采用换热器回收烟气的热能并对反应物进行预热的目的。

目前高温工况下，大多采用换热效率较低的管壳式换热器来达到换热的目的，管壳式换热器的传热效率较低，温度梯度不集中，热应力引起的换热器变形不明显，但是该换热器内部管道布置不紧凑，流体流道的尺寸较大，传热不充分，因此单位体积容纳的换热面积偏小，实现特定的换热负荷所需的体积巨大，紧凑度较低，通常低于50m²/m³，若用于SOFC系统中，需要占用非常大的体积，出于紧凑度的考虑，很少应用于SOFC系统中。较为常见的紧凑型换热器一般采用板翅式形式，传热元件较薄且比较集中，单位体积容纳的换热面积大，其紧凑度可以达到700m²/m³以上，可以实现较大的热量传递，但是现有板翅式换热器材料大多采用金属铝或者钛，适用的温度均低于600℃，不能够满足SOFC系统高温换热的需求。另一种可选的换热器为采用不锈钢蚀刻和扩散焊制造的微通道换热器，此类换热器也具有较高的紧凑度，适用于高温工况，但是受限于蚀刻加工工艺，这类的换热器流道间隔较厚，使得换热器整体的重量偏重，同样流量下换热器的流阻较高，且换热器成本偏高。

另外，SOFC系统中空气进口温度通常是常温，燃烧后的尾气温度可能高达 850℃，采用逆流形式换热的换热器两端的温差可能会达到825℃，由于本换热器本身紧凑度高，流体流动方向单位长度的温度变化剧烈，因此换热器还需要考虑避免温差带来的热变形失效。且现有的板翅式换热器，流体入口相邻两层采用交错布置的端面键条实现冷热流体隔离，其翅片与端面键条之间需设计导流翅片，来实现通入换热器的流体的流量均匀分配，一定程度上也会导致换热器的尺寸偏大，且导流区流动形式复杂，换热器流阻较高。

例如中国专利201921461743.3提供了一种板翅式换热器，采用在换热器芯体的顶点附近的区域增加封条宽度的方式，增大封条与隔板间的钎焊面积，但该结构增加封条的宽度，挤占了翅片的面积，造成一部分的体积没有有效利用，降低了换热器的单位体积容纳的换热面积，紧凑度下降，且采用错流流动方式，换热效率较低。

例如中国专利201510324622.4提供了一种印刷电路板换热器，利用光化学蚀刻、激光刻蚀和机加工等方式对一定厚度的换热板双侧加工流道，第一换热板与第二换热板间隔布置，进口分配段采用融合式通道的新型结构，但该结构加工成本较高，通常使用在高压场合，且该结构的隔板会较厚，使得换热器整体重量增加，增加了整体的成本，此外该类型的微通道换热器在相同的流量时流动阻力会比板翅式换热器高，增加了压力损失，从而将会降低系统的发电效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种应用于SOFC系统中的板翅式换热器，该板翅式换热器紧凑性高，具有较高的结构强度，换热效果好，可以提高燃料电池系统能量利用效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种板翅式换热器，包括多个自上而下依次排布的隔板，相邻所述隔板的左右两侧通过封条连接；相邻所述隔板之间设置有容纳腔，所述容纳腔内安装有翅片；所述容纳腔的前后两侧设置有端面键条，同一所述隔板上的端面键条错位设置，相邻所述隔板上的端面键条错位设置。

优选地，同一所述隔板上，所述端面键条的至少一端与所述封条相连接。

优选地，所述端面键条的至少一端与所述封条之间开设有流体进口与流体出口，所述流体进口包括冷端流体进口与热端流体进口，所述流体出口包括冷端流体出口与热端流体出口。

优选地，所述流体进口与所述流体出口的宽度为换热器的宽度的10％～90％。更优选地，所述流体进口与所述流体出口的宽度可以是一致的，也可以是不一致的。

优选地，所述冷端流体进口与所述热端流体出口位于所述容纳腔的一侧，所述冷端流体出口与所述热端流体进口位于所述容纳腔的另一侧。

优选地，所述容纳腔内还可以包括一导流条。更优选地，所述导流条可以与所述端面键条相连接，也可以独立设置在所述端面键条与所述翅片之间的空隙处。更优选地，所述导流条可以设置为平行于流体流动方向，也可以与流体流动方向存在一定角度。

优选地，所述翅片与所述隔板之间形成流体流道。

优选地，所述隔板、封条和端面键条均为耐高温金属制备而成。

优选地，所述翅片占所述换热器的长度的40％～90％。

优选地，同一所述隔板上，所述端面键条到所述翅片的最小间距为换热器长度的5％～20％。

其中，所述换热器长度方向为冷热流体通过翅片进行输送的方向。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型所述换热器使用板翅式的设计，具有高紧凑度，可降低SOFC 系统热盒部件的体积，进而降低整个系统的体积，满足分布式发电的需求；

(2)相比其他形式单位体积的换热器，本实用新型所述换热器使用板翅式设计，增加了翅片部分的二次换热面积，翅片所增加的面积都可作为传热面使用，因此本实用新型所述换热面积更高，可以减少电池运行过程中烟气带走的热损失，在高燃料利用率下维持电堆高效模式，进而提高发电效率；

(3)本实用新型所述换热器采用高温合金制成，可在高温下长期稳定运行；且换热器整体的换热效率高，换热器设计工况可以将常温气体加热到超过600℃，并能在该工况下确保换热器的温度梯度分布合理，进一步保证换热器在高温下无应力集中现象，从而保证换热器长期可靠的运行。

(4)相比其他板翅式换热器，本实用新型所述换热器热侧流体和冷侧流体在进口处、换热器内以及出口处的流动方向与换热器长度方向相同，热侧流体和冷侧流体均无直角转弯，流体的进出口与流动方向平行的情况下，流体分配效果和压降的平衡性更佳，在需要达到相同流量均匀分配的情况下，本实用新型所述换热器流向平行开口比流向垂直开口的压降减小约40％～60％，换热器内流动局部压损小，所以换热器内流体流动的单位压损小。SOFC系统内流体流动由风机提供动能，风机的电耗来自系统的发电，如果流体在系统中的压损过大，则风机所需提供的动能也较大，系统输出的效率会相应的降低。本实用新型具有较低的热端和冷端压损，可以避免消耗额外的能量，提高燃料电池系统效率；

(5)在布置翅片的同时维持换热器整体压损在合理范围，通过键条和进出口位置分流取代板翅换热器的导流片，进一步降低换热器的流阻，同时保证换热器具有较高的结构强度。

(6)由于由(4)所述的冷、热侧流体在换热器内流动无转弯的特性，致使换热器两端的封头可以在换热器两端并排布置；而传统板翅式换热器，其中一侧流体的封头安装在换热器的左右两侧，故本实用新型所述换热器所需的安装空间更小，更有利于SOFC系统整体尺寸的缩小；更进一步地，由于流体在进口处、换热器内以及出口处的流动方向与换热器长度方向相同，使本实用新型所述换热器不需要在容纳腔内增加额外导流翅片的布置，降低加工成本和制造难度的同时，更有利于换热器压降的降低，从而减小SOFC系统自身能耗。

(7)与现有的错流式换热器相比，本实用新型的换热器为逆流式换热。由于换热器目标是达到一定的换热热负荷Q(W)，换热热负荷Q的计算公式如下：

Q＝hA△T

其中，Q为热负荷(W)；h为对流换热系数(W/(m²＊K))；A为换热面积 (m²)；△T为传热平均温差(K)。

从传热角度大量的实验经验可知，逆流式换热器比错流式换热器拥有更高的传热温差，错流式换热器的△T为逆流式换热器△T的0.6～0.95倍，因此，在保证Q不变的情况下，由于错流式换热器的△T较小，相比逆流式换热器，其换热面积A需要相应地增加。实用新型人通过大量实验计算得出，要达到相同换热效果的情况下，错流式换热器比逆流式换热器的换热面积需增加10％～50％。因此，本实用新型的换热器，相比错流式换热器，可以用更小的换热面积达到与目标相同的换热效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的板翅式换热器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的板翅式换热器的内部结构图；

附图标记：1、隔板；2、封条；3、端面键条；4、翅片；5、容纳腔；6、导流条。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1～2，本实用新型优选实施例提供一种板翅式换热器，包括多个自上而下依次排布的隔板1，相邻所述隔板1的左右两侧通过封条2连接；相邻所述隔板1之间设置有容纳腔5，所述容纳腔5内安装有翅片4；所述容纳腔5的前后两侧设置有端面键条3，同一所述隔板1上的端面键条3错位设置，相邻所述隔板1上的端面键条3错位设置。

基于上述方案，本实用新型优选实施例的板翅式换热器的工作原理：同一隔板1上，冷端流体从容纳腔5的一侧进入，且通过翅片4，将翅片4的热量吸收后，从容纳腔5的另一侧流出；而相邻隔板1上，热端流体的流动方向与冷端流体相反，经过翅片4，将热量传递给翅片4；这样就完成了换热。

作为优选方案，同一所述隔板上，所述端面键条3的至少一端与所述隔板1 上的所述封条相连接。

作为优选方案，所述端面键条3的至少一端与所述隔板1上的所述封条2之间开设有流体进口与流体出口，所述流体进口包括冷端流体进口与热端流体进口，所述流体出口包括冷端流体出口与热端流体出口。所述冷端流体进口与所述热端流体出口位于所述容纳腔的一侧，所述冷端流体出口与所述热端流体进口位于所述容纳腔的另一侧。所述翅片4与所述隔板1之间形成流体流道。所述端面键条在相邻所述隔板上为错位设置，可以防止相邻所述隔板的冷热流体交叉泄露。

作为优选方案，所述流体进口与所述流体出口的宽度为换热器的宽度的 10％～90％。更优选地，所述流体进口与所述流体出口的宽度可以是一致的，也可以是不一致的。例如所述流体进口的宽度为所述换热器的宽度的10％，所述流体出口的宽度为所述换热器宽度的90％，也可以达到换热的目的。

作为优选方案，所述容纳腔内还可以包括一导流条6。所述导流条6可以与所述端面键条协作，对换热器内的流体进行均匀分配，从而使换热面得到充分利用。更优选地，所述导流条6可以与所述端面键条相连接，也可以独立设置在所述端面键条与所述翅片之间的空隙处。更优选地，所述导流条6可以设置为平行于流体流动方向，也可以与流体流动方向存在一定角度。

作为优选方案，所述隔板1、封条2和端面键条3均为耐高温金属制备而成。

作为更进一步的优选方案，所述耐高温金属包括铁基合金、镍基合金或其他具有高温抗氧化的金属合金，如SUS310s、SUS316s、SUS444、SUS420、inconel600、 inconel625和GH3030等。具体的，使用耐高温金属材料制备板翅式换热器，适用于SOFC的高温运行工况，使得板翅式换热器具有较高的屈服强度，对传热单元的温差所产生的热应力有较高的耐受性，防止产生变形失效。

作为优选方案，所述翅片4占所述换热器的长度的40％～90％。所述换热器长度方向为冷热流体通过翅片进行输送的方向。具体的，翅片4的长度过大换热器分配差异较大，且换热器压损显著增加，系统发电效率降低，翅片4的长度过小换热器的紧凑度降低，所需的换热器体积增大。

作为优选方案，同一所述隔板1上，所述端面键条3到所述翅片4的最小间距为换热器长度的5％～20％。具体的，如果间距小于5％，容易造成流体流量的分配不均，如果间距大于20％，也容易造成钎焊过程中隔板1的坍塌。换热器均匀分配主要通过入口处和出口处键条的长度以及翅片4前端与键条之间的距离来实现，本实用新型中换热器进口和出口在几何上错开，翅片4前端与键条的距离一定，通过调节进出口键条的长度以就可以实现流体流过翅片4各个通道的流量偏差在希望的范围内。

本实用新型的工作原理为：同一隔板1上，冷端流体从容纳腔5的一侧进入，且通过翅片，将翅片4的热量吸收后，从容纳腔5的另一侧流出；而相邻隔板1 上，热端流体的流动方向与冷端流体相反，经过翅片4，将热量传递给翅片4；这样就完成了换热。

综上，本实用新型优选实施例提供一种板翅式换热器，其与现有技术相比：

(1)本实用新型所述换热器使用板翅式的设计，具有高紧凑度，可降低SOFC 系统热盒部件的体积，进而降低整个系统的体积，满足分布式发电的需求；

(2)相比其他形式单位体积的换热器，本实用新型所述换热器使用板翅式设计，增加了翅片部分的二次换热面积，翅片所增加的面积都可作为传热面使用，因此本实用新型所述换热面积更高，可以减少电池运行过程中烟气带走的热损失，在高燃料利用率下维持电堆高效模式，进而提高发电效率；

(3)本实用新型所述换热器采用高温合金制成，可在高温下长期稳定运行；且换热器整体的换热效率高，换热器设计工况可以将常温气体加热到超过600℃，并能在该工况下确保换热器的温度梯度分布合理，进一步保证换热器在高温下无应力集中现象，从而保证换热器长期可靠的运行。

(4)相比其他板翅式换热器，本实用新型所述换热器热侧流体和冷侧流体在进口处、换热器内以及出口处的流动方向与换热器长度方向相同，热侧流体和冷侧流体均无直角转弯，流体的进出口与流动方向平行的情况下，流体分配效果和压降的平衡性更佳，在需要达到相同流量均匀分配的情况下，本实用新型所述换热器流向平行开口比流向垂直开口的压降减小约40％～60％，换热器内流动局部压损小，所以换热器内流体流动的单位压损小。SOFC系统内流体流动由风机提供动能，风机的电耗来自系统的发电，如果流体在系统中的压损过大，则风机所需提供的动能也较大，系统输出的效率会相应的降低。本实用新型具有较低的热端和冷端压损，可以避免消耗额外的能量，提高燃料电池系统效率；

(5)在布置翅片的同时维持换热器整体压损在合理范围，通过键条和进出口位置分流取代板翅换热器的导流片，进一步降低换热器的流阻，同时保证换热器具有较高的结构强度。

(6)由于由(4)所述的冷、热侧流体在换热器内流动无转弯的特性，致使换热器两端的封头可以在换热器两端并排布置；而传统板翅式换热器，其中一侧流体的封头安装在换热器的左右两侧，故本实用新型所述换热器所需的安装空间更小，更有利于SOFC系统整体尺寸的缩小；更进一步地，由于流体在进口处、换热器内以及出口处的流动方向与换热器长度方向相同，使本实用新型所述换热器不需要在容纳腔内增加额外导流翅片的布置，降低加工成本和制造难度的同时，更有利于换热器压降的降低，从而减小SOFC系统自身能耗。

(7)与现有的错流式换热器相比，本实用新型的换热器为逆流式换热。由于换热器目标是达到一定的换热热负荷Q(W)，换热热负荷Q的计算公式如下：

Q＝hA△T

其中，Q为热负荷(W)；h为对流换热系数(W/(m²＊K))；A为换热面积(m²)；△T为传热平均温差(K)。

从传热角度大量的实验经验可知，逆流式换热器比错流式换热器拥有更高的传热温差，错流式换热器的△T为逆流式换热器△T的0.6～0.95倍，因此，在保证Q不变的情况下，由于错流式换热器的△T较小，相比逆流式换热器，其换热面积A需要相应地增加。实用新型人通过大量实验计算得出，要达到相同换热效果的情况下，错流式换热器比逆流式换热器的换热面积需增加10％～50％。因此，本实用新型的换热器，相比错流式换热器，可以用更小的换热面积达到与目标相同的换热效果。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，包括多个自上而下依次排布的隔板，相邻所述隔板的左右两侧通过封条连接；相邻所述隔板之间设置有容纳腔，所述容纳腔内安装有翅片；所述容纳腔的前后两侧设置有端面键条，同一所述隔板上的端面键条错位设置，相邻所述隔板上的端面键条错位设置。

2.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，同一所述隔板上，所述端面键条的至少一端与所述封条相连接。

3.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述端面键条的至少一端与所述封条之间开设有流体进口与流体出口。

4.如权利要求3所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述流体进口包括冷端流体进口与热端流体进口，所述流体出口包括冷端流体出口与热端流体出口。

5.如权利要求4所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述冷端流体进口与所述热端流体出口位于所述容纳腔的一侧，所述冷端流体出口与所述热端流体进口位于所述容纳腔的另一侧。

6.如权利要求3所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述流体进口与所述流体出口的宽度为换热器的宽度的10％～90％。

7.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述容纳腔内还可以包括一导流条。

8.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述隔板、封条和端面键条均为耐高温金属制备而成。

9.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，所述翅片占所述换热器的长度的40％～90％。

10.如权利要求1所述的应用于SOFC系统中的板翅式换热器，其特征在于，同一所述隔板上，所述端面键条到所述翅片的最小间距为换热器长度的5％～20％。

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