通道截面不等式换热元件及换热芯体的制作方法

本实用新型涉及换热器领域，特别是涉及一种通道截面不等式换热元件及换热芯体。

背景技术：

换热器在化工、冶金、环保、采暖等行业得到了广泛的应用，为了能够更好地适应各类工况的使用，换热器也在不断改进。对于介质气化工况的应用，介质由液态气化成气态的蒸发过程中，介质的体积会变大，在传统换热器的通道结构设计中，介质由进口流向出口的过程中，流通截面并未发生相应的变化，从而导致气态介质的流速降低，并造成介质整体流速较低，极大地降低了换热效率。同样，对于介质冷凝工况的应用，介质由气态冷凝成液态后，体积会缩小，也会有流速变化引起传热效率降低问题出现。故对此相变工况，需要对现有的换热器元件做出改进。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种换热效率高的通道截面不等式换热元件。

为实现上述目的，本实用新型提供一种通道截面不等式换热元件，包括换热元件本体，所述换热元件本体中设有内介质通道，所述内介质通道具有第一通道口和第二通道口，所述内介质通道的截面面积由第一通道口至第二通道口逐渐变大。

进一步地，所述换热元件本体包括多个相固接的换热元件分本体，所述换热元件分本体中设有内介质分通道；所述内介质通道包括多个相连通的内介质分通道。

进一步地，所述换热元件分本体包括第一分换热板和第二分换热板，所述第一分换热板包括第一换热主体、两个第一连接部、及两个第一过渡部，两个第一连接部分别通过两个第一过渡部与第一换热主体部的两侧边固接，所述第二分换热板包括第二换热主体部、两个第二连接部、及两个第二过渡部，两个第二连接部分别通过两个第二过渡部与第二换热主体部的两侧边固接，且两个第一连接部分别与两个第二连接部固接，所述内介质分通道位于第一分换热板和第二分换热板之间。

进一步地，所述第一换热主体部上若干处的板壁从内介质分通道的内部向外部凸出，形成第一凸起部；所述第二换热主体部上若干处的板壁从内介质分通道的内部向外部凸出，形成第二凸起部。

进一步地，所述第一凸起部呈条状，且所述第一凸起部沿直线l1延伸，所述第二凸起部呈条状，且所述第二凸起部沿直线l2延伸，所述内介质分通道沿直线l3延伸，所述直线l1与直线l3之间具有夹角β1，且0°＜β1＜90°，所述直线l2与直线l3之间具有夹角β2，且0°＜β2＜90°；所述直线l2与直线l1之间具有夹角β3，且0°＜β3≤90°。

进一步地，所述第一凸起部呈长条状，所述第一凸起部沿直线l1延伸，且所述第一凸起部包括多个沿直线l1间隔分布的第一分凸起部。

进一步地，所述第一凸起部呈人字形。

进一步地，全部第一分换热板构成第一换热板，且所述第一换热板为一体式结构；全部第二分换热板构成第二换热板，且所述第二换热板为一体式结构。

进一步地，所述第一连接部与第二连接部搭接焊接或对接焊接。

进一步地，所述第一连接部与第二连接部通过电阻焊、激光焊或氩弧焊焊接。

如上所述，本实用新型涉及的通道截面不等式换热元件，具有以下有益效果：

本实用新型中通道截面不等式换热元件的工作原理为：在汽化工况下，呈液体状态的介质从第一通道口进入内介质通道，介质在流经内介质通道过程中将发生相变，即液态的介质变化成气态的介质，且在此过程中介质的体积将会变大，最后气态的介质将由第二通道口流出，由于本内介质通道的截面面积由第一通道口至第二通道口逐渐变大，使得气态的介质所流经的内介质通道的截面面积较大，并使得介质在转化成气态后仍能保持较高的流动速度及流量，避免因介质体积增大而导致介质在内介质通道中的流动速度减缓、且流量降低，从而保证介质在内介质通道中的整体流动速度及流量均较高，使得更多的内介质通道中的介质能与内介质通道外的介质发生热交换，进而保证本通道截面不等式换热元件的换热效率更高；在冷凝工况下，气态的介质从第二通道口进入内介质通道，介质在流经内介质通道过程中将发生相变，即气态的介质变化成液态的介质，且气态的介质的体积较大，最后液态的介质将由第一通道口流出，由于本内介质通道的截面面积由第一通道口至第二通道口逐渐变大，使得气态的介质所流经的内介质通道的截面面积较大，从保证气态的介质能保持较高的流动速度及较高的流量，并保证介质在内介质通道中的整体流动速度及流量较高，使得更多的内介质通道中的介质能与内介质通道外的介质发生热交换，进而同样能保证本通道截面不等式换热元件的换热效率更高。

本实用新型要解决的另一个技术问题在于提供一种换热效率高的换热芯体。

为实现上述目的，本实用新型提供一种换热芯体，包括多个所述通道截面不等式换热元件，且全部通道截面不等式换热元件重叠设置，相邻两个通道截面不等式换热元件之间具有外介质通道。

如上所述，本实用新型涉及的换热芯体，具有以下有益效果：

本实用新型换热芯体，在使用时，一种介质从通道截面不等式换热元件的内介质通道中流过，另一种介质从外介质通道中流过，两种介质在流动过程中发生热交换，同时，本实用新型换热芯体，基于上述通道截面不等式换热元件，能保证内介质通道中的介质保持较高的流速及流量，使得更多的内介质通道中的介质能与内介质通道外的介质发生热交换，从而保证本换热芯体的换热效率更高。

附图说明

图1为本实用新型第一种实施例中通道截面不等式换热元件的结构示意图。

图2为本实用新型第一种实施例中第一换热板与第二换热板的连接结构示意图。

图3为图2中a圈放大图。

图4为本实用新型第一种实施例中通道截面不等式换热元件的正视图。

图5为本实用新型第一种实施例中换热芯体的结构示意图。

图6为本实用新型第一种实施例中换热芯体的正视图。

图7为本实用新型第一种实施例中第一分换热板的结构示意图。

图8为本实用新型第一种实施例中第二分换热板的结构示意图。

图9为本实用新型第一种实施例中第一凸起部和第二凸起部的结构示意图。

图10为本实用新型第二种实施例中第一分换热板的结构示意图。

图11为本实用新型第三种实施例中相邻两个换热元件分本体的结构示意图。

图12为本实用新型第四种实施例中第一凸起部的结构示意图。

图13为本实用新型第五种实施例中第一凸起部的结构示意图。

元件标号说明

100换热元件本体215第一对接边

1内介质通道216第一分凸起部

11内介质分通道220第二换热板

2换热元件分本体22第二分换热板

210第一换热板221第二换热主体部

21第一分换热板222第二连接部

211第一换热主体部223第二过渡部

212第一连接部224第二凸起部

213第一过渡部225第二对接边

214第一凸起部3外介质通道

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1至图13所示，本实用新型提供一种通道截面不等式换热元件，包括换热元件本体100，换热元件本体100中设有内介质通道1，内介质通道1具有第一通道口和第二通道口，内介质通道1的截面面积由第一通道口至第二通道口逐渐变大。本实用新型中通道截面不等式换热元件的工作原理为：在汽化工况下，呈液体状态的介质从第一通道口进入内介质通道1，介质在流经内介质通道1过程中将发生相变，即液态的介质变化成气态的介质，且在此过程中介质的体积将会变大，最后气态的介质将由第二通道口流出，由于本内介质通道1的截面面积由第一通道口至第二通道口逐渐变大，使得气态的介质所流经的内介质通道1的截面面积较大，并使得介质在转化成气态后仍能保持较高的流动速度及流量，避免因介质体积增大而导致介质在内介质通道1中的流动速度减缓，从而保证介质在内介质通道1中的整体流动速度较高，进而保证本通道截面不等式换热元件的换热效率更高；在冷凝工况下，气态的介质从第二通道口进入内介质通道1，介质在流经内介质通道1过程中将发生相变，即气态的介质变化成液态的介质，最后液态的介质将由第一通道口流出，使液态的介质也能在内介质通道1内具有较高的流动速度，从而保证介质在流经内介质通道1时的整体流动速度较高，进而保证本通道截面不等式换热元件的换热效率更高。

如图1至图13所示，本实用新型提供一种换热芯体，包括多个上述通道截面不等式换热元件，且全部通道截面不等式换热元件重叠设置，即全部通道截面不等式换热元件由上至下依次分布，相邻两个通道截面不等式换热元件之间具有外介质通道3。本实用新型换热芯体，在使用时，一种介质从通道截面不等式换热元件的内介质通道1中流过，另一种介质从外介质通道3中流过，两种介质在流动过程中发生热交换，同时，本实用新型换热芯体，基于上述通道截面不等式换热元件，能保证内介质通道1中的介质在相变过程中均保持较高的流速，使得内介质通道1中的介质能与外介质通道3中的介质发生热交换，从而保证本换热芯体的换热效率更高。

如图1和图2所示，本实施例中换热元件本体100包括多个相固接的换热元件分本体2，换热元件分本体2中设有内介质分通道11，多个内介质分通道11相连通，并形成上述内介质通道1。同时，如图1所示，本实施例中全部内介质分通道11相互平行。本实施例中全部内介质分通道11均沿前后方向延伸，且全部内介质分通道11沿左右方向间隔分布，并依次连通，相邻两个内介质分通道11的截面面积不相等，且位于最左方的内介质分通道11的截面面积最小，位于最右方的内介质通道1的截面面积最大，各个内介质分通道11的截面面积由左至右逐渐增大。

如图1至图3所示，本实施例中换热元件分本体2包括第一分换热板21和第二分换热板22，第一分换热板21包括第一换热主体部211、两个第一连接部212、及两个第一过渡部213，两个第一连接部212分别通过两个第一过渡部213与第一换热主体部211的两侧边固接，第二分换热板22包括第二换热主体部221、两个第二连接部222、及两个第二过渡部223，两个第二连接部222分别通过两个第二过渡部223与第二换热主体部221的两侧边固接，且两个第一连接部212分别与两个第二连接部222固接，内介质分通道11位于第一分换热板21和第二分换热板22之间，即内介质通道1位于第一换热主体部211、两个第一连接部212、两个第一过渡部213、第二换热主体部221、两个第二连接部222、及两个第二过渡部223之间。同时，如图2和图3所示，本实施例中第一换热主体部211与第一连接部212相平行，第一过渡部213与第一换热主体部211之间具有夹角α1，且90°≤α1＜180°；第二换热主体部221与第二连接部222相平行，第二过渡部223与第二换热主体部221之间具有夹角α2，且90°≤α2＜180°。本实施例中第一换热主体部211、第一连接部212、第二换热主体部221、及第二连接部222均沿水平方向延伸。上述第一过渡部213和第二过渡部223均呈倾斜状态设置。此种结构设计，既保证第一连接部212与第二连接部222间具有较强的连接强度，又保证介质能顺利由内介质通道1流过。本实施例中同一换热元件分本体2的第一分换热板21和第二分换热板22以水平面镜向对称分布，其第一换热主体部211和第二换热主体部221沿左右方向上的宽度相等，且两者沿前后方向上的长度也相等。上述第一过渡部213的上表面与水平面间具有上述夹角α1；同时，上述第二过渡部223的下表面与水平面间具有上述夹角α2。

如图1所示，本实施例中第一换热主体部211上若干处的板壁从内介质分通道11的内部向外部凸出，形成第一凸起部214；第二换热主体部221上若干处的板壁从内介质分通道11的内部向外部凸出，形成第二凸起部224。本实施例中上述第一凸起部214和第二凸起部224的结构设计能分别有效增强第一换热主体部211和第二换热主体部221强度，且能增大上述第一换热主体部211和第二换热主体部221的上下表面的面积，从而增大上述两种介质分别与换热元件分本体2内外表面的接触面积，进而有效提高本通道截面不等式换热元件的换热效率。

如图7至图9所示，本实施例中第一凸起部214呈条状，且第一凸起部214沿直线l1延伸，第二凸起部224呈条状，且第二凸起部224沿直线l2延伸，内介质分通道11沿直线l3延伸，直线l1与直线l3之间具有夹角β1，且0°＜β1＜90°，即第一凸起部214的延伸方向与内介质分通道11中介质的流动方向之间的夹角为锐角；直线l2与直线l3之间具有夹角β2，且0°＜β2＜90°，即第二凸起部224的延伸方向与内介质分通道11中介质的流动方向之间的夹角为锐角。第一凸起部214和第二凸起部224采用上述结构设计，能对内介质分通道11中流动的介质起到引导作用，并使得介质在流过过程中容易形成湍流状态，从而能增强两种介质的传热效果，提高换热效率。同时，如图9所示，本实施例中直线l2与直线l1之间具有夹角β3，且0°＜β3≤90°，即换热元件分本体2上的第一凸起部214和第二凸起部224的延伸方向是交叉的、不平行的；此种结构设计保证介质在内介质分通道11中流动时更易达到湍流状态，保证较好的换热效果；且为了保证两块换热元件组装时，分别位于两个换热元件上的第一凸起部214和第二凸起部224之间能够相抵并形成触点。另外，本实施例中5°≤β1≤85°，5°≤β2≤85°；此范围可保证介质在内介质通道1内达到湍流状态，保证较好的换热效果。

如图1和图2所示，上述全部换热元件分本体2沿左右方向依次分布，且依次相连接。上述全部第一分换热板21沿左右方向依次分布，并依次固接，且由左至右，第一分换热板21的宽度逐渐变大。上述全部第二分换热板22沿左右方向依次分布，并依次固接，且由左至右，第二分换热板22的宽度逐渐变大。同一换热元件分本体2中的第一分换热板21和第二分换热板22沿左右方向上宽度相等。

如图1和图2所示，本实施例中全部第一分换热板21构成第一换热板210，且第一换热板210为一体式结构，即全部第一分换热板21均由一整块板材通过一体成型工艺加工而成；全部第二分换热板22构成第二换热板220，且第二换热板220为一体式结构，即全部第二分换热板22均由一整块板材通过一体成型工艺加工而成。此种结构设计能有效保证全部第一分换热板21间、及全部第二分换热板22间连接强度较高，并方便加工。其第一换热主体部211沿左右方向上的宽度最小的第一分换热板21和其第一换热主体部211沿左右方向上的宽度最大的第一分换热板21分别位于第一换热板210的左右两端。其第二换热主体部221沿左右方向上的宽度最小的第二分换热板22和其第二换热主体部221沿左右方向上的宽度最大的第二分换热板22分别位于第二换热板220的左右两端，且由左至右第一换热主体部211及第二换热主体部221的宽度依次增大。同一换热元件分本体2中，第一换热主体部211和第二换热主体部221的宽度相同。上述第一换热板210和第二换热板220均采用一体成型，是为了保证其加工的精度。

如图1、图7和图8本实施例中上述第一换热主体部211上设有多个上述第一凸起部214，全部第一凸起部214相互平行。上述第二换热主体部221上设有多个上述第二凸起部224，全部第二凸起部224相互平行。同一个换热元件分本体2中的第一分换热板21与第二分换热板22的位置相对，且第一分换热板21位于上方，第二分换热板22位于第一分换热板21的正下方。同时，本实施例中第一换热板210和第二换热板220的位置也相对设置，且第一换热板210位于上方，第二换热板220位于第一换热板210的正下方。同一个换热元件分本体2中第一凸起部214和第二凸起部224的延伸方向不同。上述内介质通道1也称作板内介质通道，上述外介质通道3也称作板间介质通道。上述第一凸起部214与第一换热主体部211的短边之间的夹角为锐角，上述第二凸起部224与第二换热主体部221的短边之间的夹角为锐角。

本实施例中上述同一个换热元件分本体2中的第一连接部212与第二连接部222焊接。且本实施例中同一个换热元件分本体2中的第一连接部212与第二连接部222搭接焊接或对接焊接。本实施例中第一连接部212和第二连接部222的上下表面均为水平设置的平面，两相对换热板连接部，即相对的第一连接部212和第二连接部222间通过搭接焊接进行固接，此连接方式可实现可靠的密封焊接。当上述外介质通道3内流经较高温度的介质时，位于换热元件左右两端部的第一连接部212沿竖直平面向内弯折形成第一对接边215，且位于换热元件左右两端部的第二连接部222沿竖直平面向内弯折形成第二对接边225，位置相对的第一对接边215与第二对接边225间对接焊接，以防止高温介质在焊缝区域内蒸发、浓缩，进而在焊缝处发生缝隙腐蚀，位于中间位置的换热元件分本体2内发生焊缝缝隙腐蚀的几率较小，故位于中间位置的换热元件分本体2的第一连接部212和第二连接部222仍采用搭接焊进行固接。另外，本实施例中同一个换热元件分本体2中的第一连接部212与第二连接部222具体通过电阻焊、激光焊或氩弧焊焊接，以达到较好密封效果。

本实施例中相邻两个通道截面不等式换热元件，其位置相对应的第一换热主体部211的宽度相同，且其位置相对应的第二换热主体部221的宽度相同。其中一个通道截面不等式换热元件的第一凸起部214与另一个通道截面不等式换热元件的第二凸起部224相抵靠，并呈交叉配置，且形成多个触点，相邻两个通道截面不等式换热元件之间形成网状的外介质通道3，介质在外介质通道3内流动时，较易形成湍流状态。

若介质通过第一换热板210和第二换热板220之间的内介质通道1具有较好的传热效果，一般的，在设计过程中，气体在内介质通道1内的流速为3-30m/s左右，液体在内介质通道1内的流速为0.5-5m/s左右，介质由气体冷凝变成液体，或由液体气化变成气体的过程中，介质的体积会发生很大的变化，若两种状态下介质的流通面积相同，则介质在内介质通道1内流速及流量也会发生相同比例的变化，从而影响介质在换热板间的传热效果。本实施例中上述通道截面不等式换热元件，不同宽度的换热主体部的结构设计构成了流通截面积不同的内介质通道1，且换热主体部的宽度变化趋势与介质相变体积的变化趋势相吻合，当介质呈气体状态时，其体积大，需要流通截面积大，使气体通过换热主体部的宽度较大的一端，当介质呈液体状态时，其体积变小，需要流通面积小，使液体通过换热主体部的宽度较小的一端，从而保证两种状态下，介质在内介质通道1内的流速及流量均在较为适宜的大小范围内。

本实施例中通道截面不等式换热元件及换热芯体，解决了介质在换热过程中出现相变时，等截面传热元件难以满足介质相变引起的体积变化带来的介质流速及流量变化的问题。本实施例中上述通道截面不等式换热元件，利用相邻换热元件分本体2中第一换热主体部211的宽度不同，且第二换热主体部221的宽度也不同，构成了内介质通道1的截面面积由左至右逐渐变大，此类型的结构形式，可适应介质在换热过程中发生相变后体积变大的工况，使介质在内介质通道1中始终具有较为适宜的板间流速及流量，以保证介质在换热过程中具有较高的传热效果。上述第一凸起部214和第二凸起部224的设计，一方面可分别提高第一换热板210和第二换热板220的刚性，增强换热板的承压能力；另一方面有助于介质在内介质通道1内易于形成湍流状态，使得两种介质换热更加充分，从而增强了传热效果；且还能降低传热边界层厚度，提高传热效率。两相对设置的第一换热板210和第二换热板220通过上述第一连接部212和第二连接部222的焊接进行固接，可保证两换热板间的内介质通道1的密封性和耐压性。

本实施例中换热芯体内的内介质通道1可通过在传热过程中发生相变的介质，在冷凝工况下，气体状态下的介质从位于最右方的内介质分通道11流入，发生相变后的介质从最左方的内介质分通道11流出；在汽化工况下，液体状态下的介质从位于最左方的内介质分通道11流入，发生相变后，介质从位于右方的内介质分通道11流出。本实施例中位于最左方的内介质分通道11与第一通道口直接连通，位于最右方的内介质通道1与第二通道口直接连通。本实施例借助换热元件中不同截面积的内介质分通道11，保证气体状态以及液体状态下的介质，均可具有较为合理的流速及流量，以保证湍流流动状态下能达到较高的传热效果，从而提高在相变传热工况中的传热效率。

第二种实施例

如图10所示，本实施例在上述第一种实施例的基础上，其第一凸起部214呈人字形，且第二凸起部224呈倒人字形。此种结构设计，能进一步增强介质在内介质分通道11中流动时所形成湍流的程度，从而进一步增强换热效率。同时，本实施例的换热芯体中，相邻两个换热元件的凸起部相抵靠，呈交叉配置，且形成多个触点，并构成呈网状的外介质通道3。介质在外介质通道3内流动时，更易形成湍流状态，传热效果最佳。

第三种实施例

如图11所示，本实施例在上述第一种实施例的基础上，至少有一个换热元件分本体2的第一凸起部214呈人字形，且该换热元件分本体2的第二凸起部224呈倒人字形；同时至少有一个热元件分本体的第一凸起部214和第二凸起部224呈条状。本实施例中相邻两个换热元件分本体2的第一凸起部214的延伸形式不同，且同一个换热元件分本体2上第二凸起部224与第一凸起部214的延伸形式相反。此种结构设计，能进一步增强介质在内介质通道1中流动时所形成湍流的程度，从而进一步增强换热效率。本实施例中相邻两个换热元件分本体2中，对于宽度较窄的换热元件分本体2，即对于其内介质分通道11的截面面积较小的换热元件分本体2，其第一凸起部214和第二凸起部224均采用条状结构，且第一凸起部214和第二凸起部224分别与第一换热主体部211的短边和第二换热主体部221的短边成锐角；而对于另一个宽度较大的换热元件分本体2，即对于其内介质分通道11的截面面积较大的换热元件分本体2，其第一凸起部214呈人字形延伸，且其第二凸起部224呈倒人字形延伸；此种设置方式，可提高介质在流过截面面积较大的内介质通道1时所形成湍流的程度，进一步提高介质的传热效果。

第四种实施例

如图12所示，本实施例在上述第一种实施例的基础上，其第一凸起部214包括多个沿直线l1间隔分布的第一分凸起部216。同时，本实施例中第二凸起部224包括多个沿直线l2间隔分布的第二分凸起部。上述第一凸起部214和第二凸起部224采用间断式的结构设计，能有效增强内介质通道1中的介质与外介质通道3中的介质之间的热交换效率。

第五种实施例

如图13所示，本实施例在上述第一种实施例的基础上，其第一凸起部214呈圆形。

另外，上述第一凸起部214和第二凸起部224的具体结构形式，需根据实际工况中换热的难易程度作为判断的依据，其中人字形的凸起，会在第一分换热板21和第二分换热板22间形成复杂的三维网状的内介质通道1，介质在内介质通道1中流动时最易形成湍流状态，传热效率最高，适用于两侧介质换热驱动力最小，换热最难以实现的工况；上述凸起部呈条状，且凸起部与换热主体部的短边成锐角的结构形式，较之人字形凸起的传热效率低些，适用于较难实现换热的工况，在具体的传热工况中，根据传热工况的实际需求，选择不同的凸起部的结构形式。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。