一种换热通道交叉布置的紧凑型换热器结构的制作方法

本发明涉及换热器领域，具体涉及一种换热通道交叉布置的紧凑型换热器结构。

背景技术：

印刷电路板式换热器的冷热侧流道是分别采用带有不同几何结构微通道槽的金属薄板，通过冷热侧换热板交替叠加并采用扩散连接的方式，形成冷热侧流道分层交替布置的紧凑型并联微通道换热器。印刷电路板式换热器具有结构紧凑，单位体积换热面积大，承压能力强，工作温度范围宽等特点。其换热板的微通道结构特别适合于低粘性的气体，超临界流体换热。为了优化流体换热性能，降低流动阻力，国内外相继提出了不同的换热板微通道结构。其中，最为典型的是z型微通道、s型微通道和翼片型微通道。微通道结构增强了流体扰流，强化了流体传热，并且s型和翼片型微通道对应的通道阻力还有明显降低。

目前印刷电路板式换热器大多采用冷侧和热侧换热板交替层叠布置，在冷热侧流体各自的流层内形成顺流或对流的换热流程。上述布置方式可以保证冷热侧流体具有较大的换热面积，但是冷热侧的微通道结构给两侧流体均带来明显的摩擦阻力提升。

在流体粘性系数较高时，微通道内的流动阻力和压降将显著增大，极大限制了该紧凑结构换热器的适用范围。同时由于微通道对流体的清洁度也有非常高的要求，使得双侧微通道的紧凑式换热器无法直接用于工业废气，垃圾焚烧烟气等夹带颗粒杂质的流体换热领域。在应用到流体换热领域时，为了扩大应用范围，需要克服印刷电路板式换热器采用冷热侧微通道板交替层叠布置方式带来的沿程流动阻力大、流体清洁度要求严苛等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的紧凑式换热器无法直接用于工业废气，垃圾焚烧烟气等夹带颗粒杂质的流体换热领域的问题，目的在于提供一种换热通道交叉布置的紧凑型换热器结构，其通过合理的结构设计能够有效适用于传热系数低、换热面积需求大的低粘度流体与粘度高或存在颗粒夹带流体间的高效换热，有效直接应用在工业废气、垃圾焚烧烟气等夹带颗粒杂质的流体换热领域。

本发明通过下述技术方案实现：

一种换热通道交叉布置的紧凑型换热器结构，包括换热芯体模块；

所述换热芯体模块包括芯本体，设置在芯本体上的常规尺寸通道，以及设置在芯本体上的微尺寸通道；

所述常规尺寸通道为一个以上，沿着相同方向交错布置在芯本体上；所述微尺寸通道由从芯本体一侧穿过平行交错布置的常规尺寸通道之间的间隙达到芯本体另一侧的孔隙构成；所述微尺寸通道沿着常规尺寸通道的轴向层叠布置。

本发明将微通道与常规尺寸通道交叉布置，其中传热和粘性均高的液相或者夹带杂质的气相在常规尺寸通道侧流动，在降低流动阻力的同时避免通道堵塞；传热能力差粘性低的流体进入微尺寸通道侧，本发明中沿常规尺寸通道轴向层叠布置的微尺寸通道，相当于常规尺寸通道管壁外侧的肋片，其设置方式既保证微通道侧的紧凑布置，又增大了微尺寸通道侧的换热面积。并且，本发明常规尺寸通道中的流体沿程阻力显著低于在微尺寸通道中的沿程阻力，因而可降低常规尺寸通道内流阻并克服流体夹带杂质的影响；而且，常规尺寸通道还具有流体沉积少，易清洁等优点，可用于夹带杂质的烟气、废气等多相流体的换热。同时，微尺寸通道对流动的导向作用避免了管壳式横掠管束换热中的管束后端涡流耗散以及管束振动问题，效果十分显著。

进一步，常规尺寸通道的截面呈圆形、椭圆形、六角形、菱形、长方形或三角形。

进一步，所述微尺寸通道与常规尺寸通道之间垂直设置；所述常规尺寸通道之间平行设置。

进一步，所述微尺寸通道的尺寸为10^-5～10^-2m量级。

进一步，所述常规尺寸通道的内壁上设置有翅片。所述翅片在常规尺寸通道内壁上可以保持统一的周向分布，或以恒定角度偏移，还可以在每两个通道板交错布置翅片，经真空扩散焊接后，在常规尺寸通道内壁上形成直肋、螺旋肋或者交错翅片，对常进而规尺寸通道侧换热进行强化。

进一步，所述芯本体的数量为多个，芯本体中的微尺寸通道的首尾顺次连接，相邻两个芯本体中的常规尺寸通道通过通道联箱呈s型连通，常规尺寸通道和微尺寸通道的进出口位置处均设置有集液分配箱。

本发明中将微尺寸通道进行首尾相接串联，常规尺寸通道以s型流程进行串联。即，本发明的水平通道采用微尺寸通道，进而增大该侧流体换热面积，本发明的竖直通道采用常规尺寸通道，进而降低该侧流体的流动阻力。同时，通过通道联箱结构实现换热芯体模块的组合，实现总换热功率的匹配。本发明的各芯本体之间采用可拆卸的方式连接，方便换热器功率匹配及清理通道内污垢。

进一步，所述通道联箱为半圆弧形或拱桥型通道。

进一步，所述集液分配箱包括通过密封圈与通道进出口连接的集液方箱、通过另一个密封圈与集液方箱连接的转接头。

进一步，所述微尺寸通道的进口位置处的集液分配箱中设置有过滤装置；所述过滤装置安装在集液方箱与转接头之间的位置处。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实现换热器换热界面两侧不同尺寸量级通道的紧凑布置，在微尺寸通道一侧保留了微通道结构的高度紧凑性和优良承压能力，同时增大了微尺寸通道侧的换热面积，并且具有降低常规尺寸通道内流阻并克服流体夹带杂质的影响；

2、本发明中的微尺寸通道对流动的导向作用避免了管壳式横掠管束换热中的管束后端涡流耗散以及管束振动问题；

3、本发明具有方便拆卸，方便对常规尺寸通道进行清洗的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的外部结构示意图。

图2为本发明中换热芯体模块的结构示意图。

图3为本发明中换热芯体模块内部的结构示意图。

图4为本发明中集液分配箱的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-芯本体，2-常规尺寸通道，3-微尺寸通道，4-翅片，5-通道联箱，6-集液分配箱；

61-集液方箱，62-密封圈，63-转接头，64-过滤装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种换热通道交叉布置的紧凑型换热器结构，包括换热芯体模块，该换热芯体模块包括芯本体1、常规尺寸通道2和微尺寸通道3，如图2所示。

所述常规尺寸通道2和微尺寸通道3均为一个以上，具体结构如图2所示。

本发明中，换热芯体模块由分层流道板叠加构成，所述流道板可选用耐腐蚀的金属薄板，所述流道板布置平行交错排列的六角形、菱形、圆形等常规尺寸的通孔；所述流道板的一侧壁面上布置有微尺寸的通道槽；所述微尺寸通道槽从流道板入口侧穿过交错排列通孔的间隙通往流道板出口侧；所述流道板一致按流道槽的方向分层叠加，进行真空扩散焊接形成换热芯体模块。所述流道板上的通孔结构及布置位置一一对应，扩散焊接后形成横贯换热芯体模块的常规尺寸流道2；所述微尺寸通道槽与相邻流道板的底侧经扩散焊接后形成与常规尺寸流道2交叉布置的微尺寸通道3。所述常规尺寸通道2和所述微尺寸通道3，其结构及尺寸可根据各自换热侧流体的流动传热特性独立设计，本实施例中微尺寸通道3和常规尺寸通道2的间距需能够承受两侧通道间的压差，且所述微尺寸通道3的尺寸可在10^-5～10^-2m量级调整，常规尺寸通道2尺寸可以比对应微尺寸通道3尺寸大1～3个量级，明显降低了该侧的流动阻力。

本发明换热芯体模块的加工过程中，所述换热芯体模块还可采用增材制造的方式直接形成上述流道交叉布置的结构。即本发明采用增材制造方法或者分层扩散焊接的方式将微尺寸通道槽与常规尺寸通道2隔离，形成与常规尺寸通道2交叉布置的微尺寸通道3。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中优化了换热芯体模块的结构，具体设置如下：

常规尺寸通道2的截面可设置为交错排列的六角形、菱形、圆形等结构形式，如图2和图3所示，本实施例中优选为六角形的结构。同时，换热芯体模块中的微尺寸通道3与常规尺寸通道2之间垂直设置；所述常规尺寸通道2之间平行设置，如图2所示。

本发明为保证高压工况的适用，扩散焊接中可在流道板最外侧加载同种材质的金属厚板形成承压壳，如图1和图2所示，所述承压壳开有与流道板相同结构和布置的常规流道通孔；所述流道板上常规尺寸通孔的内侧壁面可以为光滑壁面，也可以沿管壁周向布置翅片。

在每层通道板上，所述翅片在常规尺寸通道2的内壁上，可以保持统一的周向分布，或以恒定角度偏移，还可以在每两个通道板交错布置的翅片，即，经真空扩散焊接后，在常规尺寸通道内壁上形成直肋、螺旋肋或者交错翅片，进而对常规尺寸通道2侧的换热进行强化。

即，常规尺寸通道2内壁的翅片在每层通道板可以保持统一的周向布置，采用增材制造或者扩散焊连接的方式后，形成常规尺寸通道内的直肋；常规尺寸通道2内壁的翅片在每层通道板可以沿周向以恒定角度偏移，采用增材制造或者扩散焊连接的方式后，形成常规尺寸通道2内的螺旋肋；常规尺寸通道2内壁的翅片在每层通道板沿周向交错布置，采用增材制造或者扩散焊连接的方式后，形成常规尺寸通道2内交错分布的翅片。

实施例3

本实施例与实施例1或2的区别在于，本实施例中提供了一种完整的换热器结构，其包括多个换热芯体模块，以及将多个换热芯体模块组装到一起的结构，具体如图1所示。

本发明的换热器结构安装时，先根据用户需求及单个换热芯体模块的功率参数，计算出换热芯体模块的需求数量。

将所需数量的换热芯体模块按照微尺寸通道3串联连接的方式进行组装，换热芯体模块之间的接触面使用密封垫圈进行密封并使用螺栓压紧。

第一个换热芯体模块的微尺寸通道3入口连接一个集液分配箱6，最后一个换热芯体模块的微尺寸通道3出口也连接一个集液分配箱6，集液分配箱6与相应换热芯体模块之间的接触面使用密封垫圈进行密封并使用螺栓压紧。

相邻换热芯体模块同侧的常规尺寸通道2之间使用通道联箱5进行连接，通道联箱5与相应换热芯体模块之间的接触面使用密封垫圈进行密封并使用螺栓压紧。本实施例中通道联箱5为半圆弧形或拱桥型通道，其前后接口通过螺栓方式与换热芯体模块的通道接口连接；通道联箱5依次将前一换热芯体模块的通道出口连接到后一换热芯体模块同侧的通道入口，使得各换热芯体模块中的常规尺寸通道串联成s型，往复贯穿对侧通道。

第一个换热芯体模块的常规尺寸通道2入口连接一个集液分配箱6，最后一个换热芯体模块的常规尺寸通道2出口也连接一个集液分配箱6，常规尺寸通道2的进出口上连接的集液分配箱6与相应换热芯体模块之间的接触面使用密封垫圈进行密封并使用焊接或者螺栓方式压紧。集液分配箱6的一端接口的内腔需能包容换热芯体模块对应接口处的所有并联通道，通过圆弧或者斜角方式在另一端收缩成与连接管道相匹配的标准通道接口，即转接头63。本发明中的密封方式可以采用橡胶环、金属o环等密封垫圈方式进行密封。

在换热器进口端，外侧管道流入的冷热侧流体各自经集液分配箱6平均分配至冷热侧对应的并联管道；在换热器出口端，经换热充分后的冷热侧流体从并联通道内流出，各自在对应集液分配箱6内交汇，流至外侧管道；在换热器微尺寸通道入口的集液分配箱的前端布置过滤装置，防止流体夹带的杂质引起微尺寸通道堵塞。

实施例4

本实施例与实施例3的区别在于，本实施例中给出了具体的换热芯体模块的数量和连接方式，具体设置如下：

根据用户需求及单个换热芯体模块的功率参数，计算出需要3个换热芯体模块。

首先按照微尺寸通道3串联连接的方式将3个换热芯体模块进行组装；微尺寸通道3入口的集液分配箱6与第一个换热芯体模块的微尺寸通道3入口连接；微尺寸通道3出口的集液分配箱6与第三个换热芯体模块的微尺寸通道3出口连接；常规尺寸通道2入口的集液分配箱6与第一个换热芯体模块的常规尺寸通道2入口连接；常规尺寸通道2出口的集液分配箱6与第三个换热芯体模块的常规尺寸通道2出口连接；使用通道联箱5将第一和第二个换热芯体模块的常规尺寸通道2以及第二和第三个换热芯体模块的常规尺寸通道2进行连接；上述所有接触面使用密封垫圈进行密封并使用螺栓压紧，如图1所示。且集液分配箱6包括通过密封圈62与通道进出口连接的集液方箱61、通过另一个密封圈62与集液方箱61连接的转接头63。该微尺寸通道3入口的集液分配箱6中设置有过滤装置64；所述过滤装置64安装在集液方箱61与转接头63之间的位置处。

运行过程中，传热系数较低需要较大换热面积的低粘度流体由微尺寸通道3入口的集液分配箱6进入，依次流经各换热芯体模块的微尺寸通道3，由微尺寸通道3出口的集液分配箱6流出；粘度及换热系数均比较高的液相流体或者夹带颗粒杂质的气相流体由常规尺寸通道2入口的集液分配箱6进入，依次流经各换热芯体模块的常规尺寸通道2以及相应的通道联箱5，由常规尺寸通道2出口的集液分配箱6流出。两种流体在换热芯体模块内完成高效的热量交换。

经过工业系统中使用，证明本发明可以实现换热器换热界面两侧不同尺寸量级通道的紧凑布置。在微尺寸通道一侧保留了微通道结构的高度紧凑性和优良承压能力，实现了微通道结构换热强化。在常规尺寸通道一侧，采用大的通道当量管径，保证常规尺寸通道内流体沿程阻力显著低于在微尺寸通道中的沿程阻力；常规尺寸通道还具有流体沉积少，易清洁等优点，可用于夹带杂质的烟气、废气等多相流体的换热；同时可以通过增加翅片的方式强化常规尺寸通道侧换热。因此，本发明特别适合于超临界二氧化碳、空气等低粘度高压力流体(布置在微尺寸通道侧)与工业废气、锅炉烟气、铅铋合金、钠等低压气相液相流体(布置在常规尺寸通道侧)之间的换热。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。