CN105043144A - 一种双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双侧蚀刻通道高温高压板式换热器，由换热芯体，芯体区分为入口段、核心换热段及出口段三部分，均流段，热流体进口与出口，冷流体进口与出口构成。该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，有利于使换热器内流体分布更加均匀。本发明可以提高换热器的换热效率，有效避免现有通道尖角处热应力损害，增大换热器流通截面积，提高换热器的紧凑度，改善尖角处热应力分布避免应力集中导致的塑性变形，提高换热器内流体均匀性分布，改进换热器的安全性能，延长其使用寿命。

Description

一种双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器

技术领域

本发明涉及一种在石油化工、能源、冶金、制冷、核能等工业中使用的高温高压板式换热器，特别涉及一种双侧蚀刻板组成的高温高压印刷电路板换热器，可以采用光化学蚀刻、激光腐蚀和机加工及扩散焊工艺制备。

背景技术

板式换热器是在石油化工、能源、冶金、制冷、核能等工业领域中广泛使用的一种重要的换热设备。由于制造工艺成熟、紧凑度高、传热效率高等特点，在换热设备占有较大比例。在高温高压板式换热器中，冷热两种流体通过换热板壁面进行热量交换。为满足高压环境下改善换热的目的，通常在不同形式的换热通道以改变流体流动方向，同时增加流体扰流度。

传统板翅式换热器由基板和翅片通过钎焊方式组合在一起，主要应用于600℃以下的温度区域，当其应用在高温高压条件下时存在很多问题，如：①钎焊处为异种材料焊接，高温条件下的热膨胀应力易导致换热器内部变形至失效；②钎焊连接位置的填充钎料容易被腐蚀，导致换热器泄露；③较薄的翅片在高温高压条件下易发生蠕变，进而堵塞部分通道，降低换热效率和安全性。

20世纪80年代，Heatric公司提出了一种印刷电路板换热器，该换热器换热板采用蚀刻方式一体成型，多块换热板采用扩散焊接构成芯体，该方法制造的换热器始终为一种材料，不会产生因不同材料热膨胀系数关系引起的残余应力，承压能力很好。依据流道形式，现有的印刷电路板换热器主要分为两类，一类芯体采用连续通道结构，如直通道结构、之字形结构(US20060090887)；另一类芯体采用分离式翅片结构，如S型翅片结构、翼型翅片结构(US20090294113)等。另一方面，对于印刷电路板换热器进出口结构的设计目前还没有公开的研究，采用蚀刻方法一体成型的结构目前也没有公开发表。

然而，上述连续通道印刷电路板换热器的换热板均为单侧蚀刻加工，流道截面为半圆形，换热器在高温高压条件下运行时，半圆形尖角处会产生相当大的热应力集中，使材料长期处于热疲劳状态，严重时会导致材料塑性变形，影响换热效率，也严重影响使用安全；同时，对于进口流道的不合理布置，会使换热器内流体分布不均匀，导致换热器阻力增大，局部温度升高，从而影响换热器的运行安全。

发明内容

为克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器结构形式，换热板双侧均采用化学蚀刻方法蚀刻出不同流道，这种方式能改善流道中尖角处的热应力集中，能增大流通截面，提升有效换热面积，提高换热效率。在整个芯体上布置有不同的冷、热流体进出口，使流体呈逆流换热布置；同时，采用融合式通道在进口处进行流体分配，使各通道流体分布均匀，可以有效减小换热器阻力，提高换热效率，保证换热器整体换热性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

包括第一换热板，第二换热板，热侧进口、热侧出口，冷侧进口、冷侧出口，均流段，其上置有热侧融合式进口分配流道和冷侧融合式进口分配流道，第一换热板与第二换热板的上侧加工通道截面为半圆形，下侧加工通道截面为半椭圆形，半圆形通道直径与半椭圆形通道长轴长度相等；第一换热板、第二换热板进口分配段、出口段的上侧蚀刻通道与下侧蚀刻通道分别布置于流动方向中心线对称的两侧，换热器整体呈逆流换热，在第一换热板与第二换热板入口段采用融合式流体分配结构，第一换热板与第二换热板交替布置，在进出口位置分别连接扩流段，扩流段外进出口管为法兰连接。

所述的第一换热板和第二换热板上的双侧蚀刻通道，其中心在相同轴线上或交替布置。

第一换热板和第二换热板进口段位置采用融合式流道布置进行流体分配，芯体前段导流通道呈放射式结构，流体分为多股流并行进入芯体中段，且两侧流体进、出口位置关于流动方向中心线对称，使芯体形成逆流结构。

所述扩流段为方圆过度结构，与换热器芯体进出口焊接。

在换热器的芯体中段为流体核心换热区，考虑到蚀刻方法对换热板双侧进行蚀刻方便性，此区域可加工成直通道或之字形通道结构。

本发明相对于现有技术的优点与效果是：

①减小热应力：双侧蚀刻结构使流道两尖端的直角实现平滑过渡，有效减小了热应力，避免了由此可能产生的塑性变形。

②提高流动均匀性：换热器前段与后段的融合式进口通道布置，有效改善了流动均匀性分布。

③降低通道阻力：双侧蚀刻板使流体通过换热器的横截面积增大，使得在相同流量下的流体工质流速减小，有助于降低阻力，节省功耗。

④增大有效传热面积：双侧蚀刻板增大了两侧流体与固体的接触面积，提高换热器紧凑度。

综上所述，本发明具有以下优点：

①本发明可以减少尖角处热应力；

②本发明可以提升换热效率及降低阻力；

③本发明可以使换热器内流体分布更加均匀；

④本发明可以提高换热器的紧凑度，增加有效换热面积利用率。

附图说明

图1是本发明换热器整体结构示意图。

图2(a)是本发明中单板双侧同轴蚀刻结构示意图。

图2(b)是本发明中单板双侧交错蚀刻结构示意图。

图3是本发明中两侧流体芯体流道与进口布置示意图。

图4(a)是本发明中热侧流体进口结构示意图。

图4(b)是本发明中冷侧流体进口结构示意图。

图5(a)是本发明中换热器芯体中段同轴之字形流道示意图。

图5(b)是本发明中换热器芯体中段交错之字形流道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1所示，一种双侧蚀刻高温高压换热器包括：一个芯体1，按蚀刻流道布置将其划分为三部分，芯体前段2为进口导流段，芯体中段3，芯体后段4为出口导流段，热侧进口管6与冷侧出口管8通过扩流段5连接在芯体前段2，热侧出口管7与冷侧进口管9通过扩流段5连接到芯体后段4，从而保证在芯体中段3的核心换热区呈逆流换热。

参照图2(a)所示，第一换热板11与第二换热板12两侧蚀刻通道在同一轴线上。

参照图2(b)所示，第一换热板11与第二换热板12两侧蚀刻通道呈交错式布置。

参照图3所示，热流体与冷流体呈逆流换热，第一换热板11下侧流道与第二换热板12上侧流道拼接形成热侧流体通道，第一换热板11上侧与第二换热板11下侧拼接形成冷侧流体通道。

参照图4(a)所示，第一换热板11前段为融合式进口，上侧蚀刻为半圆形截面热侧融合式进口分配通道15；下侧蚀刻为半椭圆截面冷侧融合式进口分配通道16。两侧通道的放射方向关于竖直平面对称。

参照图4(b)所示，第二换热板12前段为进口放射形结构，上侧蚀刻为冷侧融合式进口分配通道16；下侧蚀刻为热侧融合式进口分配通道15。两侧通道的放射方向关于竖直平面对称，同时第二换热板12与第一换热板11呈镜面对称的结构。

参照图5(a)所示，在芯体中段3，第一换热板11与第二换热板12可蚀刻为同轴之字形通道。

参照图5(b)所示，在芯体中段3，第一换热板11与第二换热板12蚀刻为交错之字形通道，或连续通道的其他结构。

换热器工作的过程为：流体由入口管进入换热器各层换热板，流经入口前段的导流通道，流体分配流入各通道内与两侧换热板间隔的另一侧流体进行充分换热，最后经出口管流出换热器。

Claims (4)

1.一种双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器，包括第一换热板(11)，第二换热板(12)，热侧进口(6)、热侧出口(7)，冷侧进口(8)、冷侧出口(9)，均流段(10)，其上置有热侧融合式进口分配流道(15)和冷侧融合式进口分配流道(16)，其特征在于，第一换热板(11)与第二换热板(12)的上侧加工通道截面为半圆形，下侧加工通道截面为半椭圆形，半圆形通道直径与半椭圆形通道长轴长度相等；第一换热板(11)、第二换热板(12)进口分配段、出口段的上侧蚀刻通道与下侧蚀刻通道分别布置于流动方向中心线对称的两侧，换热器整体呈逆流换热，在第一换热板(11)与第二换热板(12)入口段采用融合式流体分配结构，第一换热板(11)与第二换热板(12)交替布置，在进出口位置分别连接扩流段，扩流段外进出口管为法兰连接。

2.根据权利要求1所述双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器，其特征在于：所述的第一换热板(11)和第二换热板(12)上的双侧蚀刻通道，其中心在相同轴线上或交替布置。

3.根据权利要求1所述双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器，其特征在于：第一换热板(11)和第二换热板(12)进口段位置采用融合式流道布置进行流体分配，芯体前段(2)导流通道呈放射式结构，流体分为多股流并行进入芯体中段(3)，且两侧流体进、出口位置关于流动方向中心线对称，使芯体形成逆流结构。

4.根据权利要求1所述双侧蚀刻高温高压印刷电路板换热器，其特征在于：所述扩流段为方圆过度结构，与换热器芯体进出口焊接。