专利名称：一体式自增强紧凑式一次表面换热板及其构成的流道结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及适用于军事装备、石油、化工、制冷、冶金、能源等行业的各种类型
的热交换设备和加热设备的一次自增强紧凑式换热板。
背景技术：
节能、减排、降耗是我国的基本国策，当前在军事装备、低排放动力电厂、石油炼 制、工业炉、加热炉、煤化工、化纤、水泥工业热量回收领域面临的挑战是改善设备和工艺流 程的高效性、成本的经济性，使能源效率最大化。近年来发展迅速，在工业中的应用日益广 泛。目前在各种板式热交换设备和加热设备中，主要有钎焊板式换热器、复合波纹板束换热 器、外通道和焊接结构的板式换热器、整体钎焊结构的板式换热器、折流板换热器、板翅式 换热器、圆点式宽流道全焊式换热板、螺旋板式换热器等，换热板之间大都需要支撑结构支 撑、且板面上的强化传热部件大都采用焊接工艺。防积灰、防冲击、同时具有高的稳定传热 特性，一直是存在的问题；板式换热器由于具有紧凑度高、压降小、抗振性能优越等优点，国 内外的专利情况及相关文献资料表明，在较低流速下使板间流体具有较大的扰动，以及板 间的自增强结构换热器的研究显然还远不够充分。 由于体积结构的限制等多方面的原因，板式换热器的结构一般都很薄，采用套装 和镶嵌工艺为主，致命缺点是强化传热部件和基板表面结合的牢固程度不能保证，板间的 接触不好，热阻大，影响传热。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一体式自增强紧凑式 一次表面换热板及其构成的流道结构，本实用新型可以广泛应用于板式换热器中。本实用 新型通过如下技术方案实现 本实用新型的一体式自增强紧凑式一次表面换热板包括板边、缘凸台、固定区、通 孔区、导流区和换热区，所述换热区具有多个凸壳和多个凹壳，该多个凸壳和多个凹壳与基 板一体形成，多个凸壳分成多排分布在基板的一侧，多个凹壳分成多排分布在基板的另一 侧，由凸壳形成的排与由凹壳形成的排均相互平行，所有的凸壳与凹壳呈行列式分布在基 板上，行数即为所述排的数目。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，板边缘凸台、固定区、通孔区、导 流区和换热区之间均为一体形成，不是通过焊接形成的。通孔区和导流区之间设有半圆形 凸台，在矩形换热板四个角处设有通孔区，在矩形换热板中部设有换热区，换热区和通孔区 之间设有导流区。换热区的结构是换热区为矩形，分布有呈锥形球顶的凹壳和凸壳，凸壳 和凹壳分别成排分布形成多个平行于矩形短边的凸壳排和凹壳排，凸壳排和凹壳排交替分 布在基板上，每一个凸壳和每一个凹壳在基板所在的平面上均对应一个圆孔，且这些圆孔 的中心分布在与矩形换热板长边平行的直线上，即所有的凸壳与凹壳呈行列分布。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，所述凸壳外形为锥形球顶形状，即凸壳顶部为球形的一部分，与顶部圆滑过渡的凸壳的另一部分为圆锥形去除锥顶所剩的 部分；凸壳与凹壳的外形一致。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，所述换热区为矩形，凸壳和凹壳 分别成排分布形成多个平行于矩形短边的凸壳排和凹壳排，凸壳排和凹壳排交替分布在基 板上；每一个凸壳和每一个凹壳在基板所在的平面上均对应一个圆孔，且这些圆孔的中心 分布在与矩形长边平行的直线，即所有的凸壳与凹壳呈行列分布，凸壳与凹壳的分布关于 矩形两短边中心的连线对称。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，在与矩形长边平行的方向上，相 邻两个圆孔的圆心之间的距离为4 120mm;在矩形短边平行的方向上，相邻两个圆孔的圆 心之间的距离为4 140mm。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，所述圆锥形的母线与基板表面夹 角为45° 75° ，所述球形的半径为2. 5 22mm，凸壳或凹壳高度为2 16mm，壳厚为 0. 5 6mm。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，基板厚度和凹凸壳的厚度一致。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，所述板边缘凸台高度比凹壳或凸 壳高度低，板边缘凸台高度为1 15mm，厚度为20 40mm;所述矩形长边和短边的比为
2 : i 4 : i。 上述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板中，所述凹壳和凸壳由基板经双面冲
压形成。 由上述的换热板构成的流道结构，其由至少两块所述换热板叠加而成，相邻两块 换热板的换热区上的凹壳和凸壳排成的行列数中，行数一致，而列数相差一列，且所有换热 板的换热区上的凹凸壳列数最多相差一列。 上述的流道结构中，上层换热板的凹壳顶部与下层换热板基板接触，下层换热板 的凸壳顶部与上层换热板基板接触。 一体式自增强紧凑一次表面换热板的制作方法是所 述换热板采用不锈钢板、镁合金板、镍板、钛板等，通过双面冲压或其它压铸方法在基板上 制造出凹凸壳、导流槽、板边缘凸台和半圆形密封通孔凸台，通过钻头制造出通孔和固定 孔。 本实用新型的换热板的基板与凸壳和凹壳部分是一个整体，既具有紧凑的凹凸结 构、大的凹凸面积，又能明显的提高传热速度和增大传热系数，工作时换热板相互点接触， 起到刚性增强和自支撑作用，同时凹凸结构在较低雷诺数下可以形成紊流有利于强化传 热，能够较好的满足强化传热和高压力工况下工作的要求。与现有技术相比，本实用新型具 有如下优点和有益效果 (1)凹凸壳紧凑度高，扩展了一次传热表面积，凹凸壳沿板面均匀成排分布，凹凸
部分与基板一体，形成特殊流道，在较低雷诺数下可以形成紊流有利于强化传热； (2)从结构上做了流型改变，既实现小流道水力直径的同时，又降低了机械损耗； (3)本实用新型换热板上凹凸壳形状的设计，使流体流过壳内外表面时，在扰动程
度加剧的同时，流过壳内表面的流体在壳内也不形成死区，从而达到减薄边界层，起到强化
传热的作用。
(4)由于换热板凹凸部分是靠双面冲压加工而成，凹凸部分与换热板自成一体，因
4此在凹凸壳和基板之间不存在接触热阻，从而消除加工热阻，使得总的热阻大大减小； (5)工作时换热板相互点接触，板与板之间通过凹凸部分实现相互支撑，起到刚性
增强和自支撑作用，在承受强度应力方面有较强的优越性；， (6)坡度的设计可防止纵流过程灰尘积聚，检修时便于灰尘清理。
(7)本实用新型通过凹凸壳的合理设计及布置，传热面积大大增加，整体式凹凸换
热板具有很大的比表面积，大大强化了对流传热性能，可以在能源化工、制冷、电子散热等
领域应用。
图1为本具体实施方式
中一种换热板的结构正面示意图，图中，106U07为换热板 对称轴。 图2为本具体实施方式
中另一种换热板的结构正面示意图，图中，206、207为换热
板对称轴。 图3为图1所示换热板的换热区局部放大示意图，其中凹凸壳的分布关于对称轴 106、 107对称。 图4为图2所示换热板的换热区局部放大示意图，其中凹凸壳的分布关于对称轴 206 、207对称。 图5为实施方式中换热板换热区凹凸壳局部B-B剖视放大示意图。 图6为实施方式中换热板换热区凹凸壳局部A-A剖视放大示意图。 图中，1半圆形凸台，2固定孔，3导流槽，4凸壳，5凹壳，6冷流体通孔，7热流体通
孔，8基板，101通孔区，102边缘凸台，103换热区，104固定区，105导流区。
具体实施方式
以下结合附图和实施对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的实施方式 不限于此。 如图l所示，一种一体式自增强紧凑式一次表面换热板，其结构是通孔区101、边 缘凸台102、换热区103、固定区104和导流区105。矩形换热板边缘设有边缘凸台102，厚 度20 40mm，高度为1 15mm ;在矩形换热板的四个角处设有通孔区IOI，通孔直径与矩形 板短边之比为1 : 3 1 : 5 ;与通孔区101相邻处设有导流区105，通孔6和通孔7与导 流区之间设有半圆形凸台l，半圆形凸台l的外边缘半径与矩形换热板短边之比为l : 2 1 : 4，厚度为20 40mm，高度为0.5mm 14mm;导流区105设有交叉的导流槽3，导流槽3 关于矩形换热板短边中点的连线对称，导流槽3深度为0. 2 2mm ;矩形换热板板上部和下 部设有固定孔IOI，孔径大小5cm 8cm。所述矩形换热板边缘凸台102比凸壳4和凹壳5 低，半圆形凸台1比矩形板的边缘凸台102稍低。 如图2所示，矩形换热板两侧分别分布着平行排列的凸壳4和凹壳5，凸壳4和凹 壳5在基板8上对应圆孔的半径为2 16mm，基板8上两圆心之间的距离行距4 120mm， 列距4 140mm ;所述换热区103分布的凸壳4和凹壳5排列方式，其特征为凸壳4和凹 壳5分别成排分布形成多个平行于矩形短边的凸壳排和凹壳排，凸壳排和凹壳排交替分布 在基板8上；每一个凸壳4和每一个凹壳5在基板8所在的平面上均对应一个圆孔，且这些圆孔的中心分布在与矩形长边平行的直线上，即所有的凸壳4与凹壳5呈行列分布，凸壳4 与凹壳5的分布关于矩形两短边中心的连线对称。 如图3，基板8厚为0. 5 6mm，凸壳4和凹壳5高度为2 16mm，所述凸壳4和凹 壳5外形为锥形球顶形状，即凸壳4顶部为球形的一部分，与顶部圆滑过渡的凸壳4的另一 部分为圆锥形去除锥顶所剩的部分；凸壳4与凹壳5的外形一致；所述圆锥形的母线与基 板8表面夹角为45。 75° ;所有凹凸壳厚度一致。 由多个图1和图2所示的换热板可以制成的换热器流道。本实施方式中采用三块 换热板组成流道。其结构是三片换热板间隔叠加，相邻两块换热板的换热区103上的凸壳 4和凹壳5排成的行列数中，行数一致，而列数相差一列，且所有换热板的换热区103上的 凹凸壳列数最多相差一列；冷流体通孔6呈对角分布，其余两对角分布有热流体通孔7 ;矩 形换热板边缘凸台102上加密封垫圈；对于两换热板之间有冷流体的板面上，冷流体通孔6 处的半圆形凸台1不设密封垫圈，热流体通孔7处的半圆形凸台l上设有密封垫圈；对于两 换热板之间有热流体的板面上，热流体通孔7处的半圆形凸台1上不设密封垫圈，冷流体通 孔6处的半圆形凸台l上设密封垫圈。 将多个所述的一体式自增强紧凑式一次表面换热板叠加，两端设有压板，通过固 定杆固定并用紧固螺栓固定，可制成换热器，其流道结构是上层一体式自增强紧凑式换热 板的凹壳5的顶部与下层一体式自增强紧凑式一次表面换热板的基板8接触，下层一体式 自增强紧凑式一次表面换热板凸壳4的顶部与上层的基板8接触，流道的高度为凸壳4和 凹壳5的高度，因此增强了换热板之间的自增强作用，且减小了体积节省了空间。凸壳4和 凹壳5增加了流道的换热面积，相邻换热板之间的凸壳4和凹壳5交错排列方式，增大了流 体的扰动程度，在流速较低的情况下形成高速湍流，从而提高了一体式自增强紧凑式一次 表面换热板的换热效率。
权利要求一体式自增强紧凑式一次表面换热板，包括板边缘凸台、固定区、通孔区、导流区和换热区，其特征在于所述换热区具有多个凸壳和多个凹壳，该多个凸壳和多个凹壳与基板一体形成，多个凸壳分成多排分布在基板的一侧，多个凹壳分成多排分布在基板的另一侧，由凸壳形成的排与由凹壳形成的排均相互平行，所有的凸壳与凹壳呈行列式分布在基板上，行数即为所述排的数目。
2. 根据权利要求1所述的换热板，其特征在于所述凸壳外形为锥形球顶形状，即凸壳 顶部为球形的一部分，与顶部圆滑过渡的凸壳的另一部分为圆锥形去除锥顶所剩的部分； 凸壳与凹壳的外形一致。
3. 根据权利要求2所述的换热板，其特征在于所述换热区为矩形，凸壳和凹壳分别成 排分布形成多个平行于矩形短边的凸壳排和凹壳排，凸壳排和凹壳排交替分布在基板上； 每一个凸壳和每一个凹壳在基板所在的平面上均对应一个圆孔，且这些圆孔的中心分布在 与矩形长边平行的直线上，即所有的凸壳与凹壳呈行列分布，凸壳与凹壳的分布关于矩形 两短边中心的连线对称。
4. 根据权利要求3所述的换热板，其特征在于在与矩形长边平行的方向上，相邻两个 圆孔的圆心之间的距离为4 120mm;在矩形短边平行的方向上，相邻两个圆孔的圆心之间 的距离为4 140mm。
5. 根据权利要求4所述的换热板，其特征在于所述圆锥形的母线与基板平面夹角为 45° 75° ，所述球形的半径为2. 5 22mm，凸壳或凹壳高度为2 16mm，壳厚为0. 5 6mm。
6. 根据权利5要求所述的换热板，其特征在于基板厚度和凹凸壳的厚度一致。
7. 根据权利6要求所述的换热板，其特征在于所述板边缘凸台高度比凹壳或凸壳高度 低，板边缘凸台高度为l 15mm，厚度为20 40mm;所述矩形长边和短边的比为2 : l 4 : 1。
8. 根据权利1 7任一项所述的换热板，其特征在于所述凹壳和凸壳由基板经双面冲 压形成。
9. 由权利要求1所述的换热板构成的流道结构，其特征在于由至少两块所述换热板叠 加而成，相邻两块换热板的换热区上的凹壳和凸壳排成的行列数中，行数一致，而列数相差 一列，且所有换热板的换热区上的凹凸壳列数最多相差一列。
10. 根据权利9要求所述的流道结构，其特征在于上层换热板的凹壳顶部与下层换热 板基板接触，下层换热板的凸壳顶部与上层换热板基板接触。
专利摘要本实用新型公开了一体式自增强紧凑式一次表面换热板及其构成的流道结构，换热板包括通孔区、固定区、导流区、边缘凸台、换热区；换热区为矩形，分布有呈锥形球顶的凹壳和凸壳，凸壳和凹壳分别成排分布形成多个平行于矩形短边的凸壳排和凹壳排，凸壳排和凹壳排交替分布在基板上，每一个凸壳和每一个凹壳在基板所在的平面上均对应一个圆孔，且这些圆孔的中心分布在与矩形长边平行的直线上，即所有的凸壳与凹壳呈行列分布。流道结构由至少两块所述换热板叠加而成。本实用新型紧凑度高，节省金属耗材，空间体积小，传热系数大大提高，在结构上呈流线型，既实现小水利直径的同时，又降低了机械损耗。
文档编号F28F13/02GK201540057SQ20092005933
公开日2010年8月4日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者刘建勇, 李静, 郎雪梅 申请人:华南理工大学