CN113701531B - 一种立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，属于能源技术领域。以超临界氮和氮气为循环换热工质的立式钛合金微通道板式换热器。换热器可任意堆叠换热板，且因换热器是四块对称的部分组成，四块盘管可按结构任意组合在更小的空间内使用。冷热流体流入具有双层盘管束的换热板中由共轴螺旋叶片导流成内旋涡流，上层和底层盘管同向盘旋，两层盘管中间由盘管层间扭转连接弯管连接改变内部管束排列位置。换热器内部所有零件均为公模扩散焊。该立式钛合金微通道板式换热器拥有更高的功率重量比和耐高压性，比常规板式换热器更低的漏液可能性，结构更牢固稳定，换热性能更强，因其独特的对称拼装结构，可以更灵活的适用于小空间内，且成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，涉及一种板式换热器，尤其涉及一种新型立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器。
背景技术
随着航天、船舶和能源等行业的发展，传统热交换器已经无法满足上述领域对换热器工作温度、压力和功率重量比等方面要求。相比于传统散热器，微通道散热器在能够满足上述要求的同时，还有结构紧凑、单位体积换热面积大和换热效率高等特点。而相对于其他换热器，板式换热器传热系数更高、成本更低、占地面积更小且整体重量更轻，内部可由不同结构类型板片自由组合。超临界氮为微通道换热器内常用工作介质，有安全、资源丰富和临界压力更低等优点。由于超临界流体在拟临界区内物性参数剧烈变化，使其热流场在管内径向成分层分布，使用内螺旋结构可有效增加其换热强度。目前，能源消耗量急剧增加，对于换热器的强化传热研究已经成为热门领域，在节能环保和降低成本等方面发挥出重要价值。
中国专利公告号CN212778792U，公开了一种带导流区和圆角的微通道板式换热器芯体，它包括若干高温介质板片、低温介质板片以及端板沿板厚方向堆叠布置组合而成，所述高温介质板片的上表面设置有高温介质流道和高温介质导流区，所述高温介质导流区内设置有高温介质导流肋片和高温介质汇集凹槽；所述低温介质板片的上表面设置有低温介质流道和低温介质导流区，所述低温介质导流区内设置有低温介质导流肋片和低温介质汇集凹槽。本发明传热能力强、阻力损失较低、流体分布均匀、热效率高。但该微通道板式换热器芯体应用较为受限，只能用于使用工作压力与环境压力相差不大的流体作为内部工质，在使用超临界流体作为换热工质时易漏液，且换热板须两个以上并行使用对于不同空间的适用性不强。
中国专利公告号CN204830955U，公开了一种基于3D打印技术的新型微通道板式换热器，属于一种新型换热装置，其包括冷流体入口通道、热流体入口通道、冷流体出口通道、热流体出口通道、冷流体分流道、冷流体汇流道、热流体分流道、热流体汇流道、上密封板和下密封板。该板式换热器是基于3D打印技术一体成型制备的，具有传热系数高、换热面积大，无焊接界面，密封性好等特点，且有效克服了传统换热器板片对焊接时的变形与拉裂问题，消除了焊接时的变形应力；同时，所成型的微通道换热器的结构性能好，承压能力强，采用镍基合金作为材料，具有很好的耐腐蚀性与耐高温性能。虽然该微通道板式换热器用3D打印技术密封性更好，但是其制作成本高，良品率较低，且整体结构单一，无法适用于多种小空间中。国内镍基合金加工水平整体落后，价格波动较大，相对于钛合金缺少低温韧性和断裂韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以超临界氮为内部传热工质的新型钛合金微通道板式换热器，加强换热器换热效率，提高功率重量比，降低成本和使用面积，使换热器整体结构更加稳固，改善传统板式换热器耐高温高压能力不强和换热板间易外漏现象。
为实现上述技术目的，本发明技术方案如下。
一种立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，包括双头夹紧螺栓穿孔14、出流矩形导管孔6、冷流体入口9和热流体入口10的顶部压板1、底部压板5和所夹的多层换热板4，以及入流套管导管2、冷流体入口导流管16、热流体入口导流管17和双头夹紧螺栓3，所述双头夹紧螺栓穿孔14位于顶部压板1、底部压板5和所有换热板四角处上下连通，所述双头夹紧螺栓3穿过所有双头夹紧螺栓穿孔14固定换热器整体，所述出流矩形导管孔6位于换热板4左右两侧出口导流板12出口两侧，贯穿所有换热板4和顶部压板1，所述冷流体入口9位于入流套管导管2中心，热流体入口10位于入流套管导管2外围，所述入流套管导管2在入口导流板13中间穿过所有换热板4和顶部压板1，所述顶部压板1位于换热器顶部平放，所述底部压板5在换热器底部平放同时充当换热器底座，所述换热板4多层上下平齐叠放夹在顶部压板1和底部压板5中间。
可选地，所述的换热板4由四个对称摆放的双层盘管11、两个左右对称的出口导流板12和两个左右对称的入口导流板13组成，两个入口导流板13和两个出口导流板12分别位于换热板4的前后左右位置对称焊接，拼缝板15夹在双层盘管11和出口导流板12与入口导流板13之间，所述所有板间导管口均为扩散焊一体成型，无垫片。
可选地，所述的入口导流板13上左右两侧有冷流体入口导流管16和热流体入口导流管17成对称矩阵排列，所述入口导流板13中间四根单管为冷流体入口导流管，两侧四根单管为热流体入口导流管17，底层盘管18中所有管路都是盘旋放置。
可选地，所述的出口导流板12中出流口上层四个单管为冷流体出口导流管21，下层四个单管为热流体出口导流管20，底层盘管18和上层盘管19盘旋方向相同。
可选地，所述的换热板4组成部分中的双层盘管11由底层盘管18、上层盘管19和盘管层间扭转连接弯管27拼装焊接组成，底层盘管18由底层盘管管束23和底层盘管90°转角拼装焊接组成，上层盘管19由上层盘管管束25和上层盘管90°转角拼装焊接组成，底层盘管18和上层盘管19由盘管层间扭转连接弯管27拼装焊接相连，所有盘管管束管内皆设有共轴螺旋叶片22并与盘管管束拼装焊接，盘管层间扭转连接弯管27中分有冷管271和热管272。
本实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括。
换热器用钛合金制造可增加功率重量比，换热流体可设为超临界氮和氮气，为氮的两种流体状态，可以在同一回路中作为换热工质，使换热器更加节能。超临界氮具有安全、资源丰富、临界压力更低和临界温度更低等优点。板间通过两种截面形状的进出口导流管固定连接减少板间漏液的可能性、增加换热器耐高压性、替代了常规板式换热器中定位导杆的作用。四个双头夹紧螺栓同时穿过换热板、顶部压板和底部压板，与两种截面形状的进出口导流管同时固定换热器整体结构，使换热器结构更稳定。换热板内四管管束做双层盘管且盘管内直管部分内设共轴螺旋导流结构，增加了流体径向流动和流体的换热面积，增强了换热器的换热性能。底层盘管管束和上层盘管管束采用不同截面形状，既可以增加换热强度、又可以减少压降。换热器可任意堆叠换热板，且因换热器是四块对称的部分组成，四部分可按结构任意组合在更小的空间内使用，增加了换热器对小空间的适用性。换热器由常规水平方向改为立式增加了整体结构稳定性。换热器内部所有零件均为公模拼装焊接，可有效节省成本。所有零件之间的拼装焊接皆为扩散焊一体成型，无垫片，可有效减少工质外漏现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是根据本发明实施例所述的一种立式钛合金微通道板式换热器的结构爆炸示意图。
附图2是根据本发明实施例所述的一种微通道换热板的结构示意图。
附图3是根据本发明实施例所述的一种换热板底层盘管剖视图。
附图4是根据本发明实施例所述的一种换热板上层盘管剖视图。
附图5是根据本发明实施例所述的一种盘管各装配体透视图。
图中：1、顶部压板，2、入流套管导管，3、双头夹紧螺栓，4、换热板，5、底部压板，6、出流矩形导管孔，7、冷流体出口，8、热流出口，9、冷流体入口，10、热流体入口，11、双层盘管，12、出口导流板，13、入口导流板，14、双头夹紧螺栓穿孔，15、拼缝板，16、冷流体入口导流管，17、热流体入口导流管，18、底层盘管，19、上层盘管，20、热流体出口导流管，21、冷流体出口导流管，22、共轴螺旋叶片，23、底层盘管管束，24、底层盘管90°转角，25、上层盘管管束，26、上层盘管90°转角，27、盘管层间扭转连接弯管，271、冷管，272、热管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种立式钛合金微通道板式换热器的结构示意图。如图1所示，换热器设有贯穿顶部压板1和所有换热板4的对称的入流套管导管2，整体四角设有双头夹紧螺栓穿孔14，由双头夹紧螺栓3加固，底部压板5上设有四个贯穿底部压板5和所有换热板4的出流矩形导管孔6，中间夹有多层换热板4，底部压板5四角焊有立脚，可使换热器直立放置。
图2是本发明实施例提供的一种微通道换热板的结构示意图。如图2所示，换热板4由双层盘管11、拼缝板15、出口导流板12和入口导流板13组成，入口导流板13中间设有圆形冷流体入口9和部分圆环型热流体入口10，两侧设有双头夹紧螺栓穿孔14，出口导流板12两侧设有出流矩形导管孔6，所有板间导管口处均为扩散焊一体成型，无垫片，拼缝板15双层盘管在11和出口导流板12与入口导流板13之间填补空隙。
图3是本发明实施例提供的一种热板底层盘管剖视图。如图3所示，冷流体入口导流管16和热流体入口导流管17在换热板4两侧成对称矩阵排列，入口导流板13中间四根单管为冷流体入口导流管，两侧四根单管为热流体入口导流管17，底层盘管18中所有管路都是盘旋放置。
图4是本发明实施例提供的一种换热板上层盘管剖视图。如图4所示，上层盘管19出流口上层四个单管为冷流体出口导流管21，下层四个单管为热流体出口导流管20，底层盘管18和上层盘管19盘旋方向相同。
图5是本发明实施例提供的一种盘管各装配体透视图。如图5所示，底层盘管18由底层盘管管束23和底层盘管90°转角拼装焊接组成，上层盘管19由上层盘管管束25和上层盘管90°转角拼装焊接组成，底层盘管18和上层盘管19由盘管层间扭转连接弯管27拼装焊接相连，所有盘管管束管内皆设有共轴螺旋叶片22并与盘管管束拼装焊接，底层盘管18和底层盘管90°转角24管束底部两管为拱形截面，顶部为椭圆截面，所述上层盘管19两管和上层盘管90°转角26内所有单管均为椭圆截面，所述所有椭圆截面单管的椭圆截面尺寸均为1mm宽1.5mm高，盘管层间扭转连接弯管27中271为冷管，272为热管。
立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器的工作方式与原理。
换热器中，冷流体由入流套管导管2内向的冷流体入口9流入换热器，热流体由入流套管导管2外向的热流体入口10流入换热器，冷热流体经由中间夹层换热板4进行换热，后从出流矩形导管孔6流出，换热器有两个冷流体出口7和两个热流体出口8，换热器整体结构由穿过换热板4、顶部压板1和底部压板5的双头夹紧螺栓3强化固定。
换热板中冷流体由换热板4的入口导流板13上冷流体入口9分流进入换热板4，热流体由热流体入口10分流进入换热板4，在四块对称的双层盘管11内进行热交换后从出口导流板12上的矩形出口由出流矩形导管孔6流出，在入口导流板13上设有双头夹紧螺栓穿孔14用以穿过双头夹紧螺栓3固定换热板4，换热板4内设有拼缝板15用以在换热板4内进行固定连接。
换热板底层中冷流体由冷流体入口导流管16流入底层盘管18，热流由热流体入口导流管17流入底层盘管18。
换热板上层中冷流体由冷流体出口导流管21流出底层盘管18，热流由热流体出口导流管20流出底层盘管18，冷流体出口导流管21和热流体出口导流管20在换热板两侧成对称矩阵排列。
层间扭转连接弯管27在连接底层盘管18和上层盘管19的同时，会使底层盘管管束23和上层盘管管束25中冷热管的排列顺序改变，所有盘管管束管内皆设有共轴螺旋叶片22并与盘管管束拼装焊接，使流体流经管束时能加强换热。
盘管可四块组合使用，也可以少于四块按空间需求拼装使用，盘管层间扭转连接弯管27改变了底层盘管18通向上层盘管19的冷热管排列布局，其中271为冷管，272为热管，换热器内所有拼装焊接均为扩散焊一体成型，换热器内无任何垫片，用以保证超临界流体在换热器内不会漏液。
Claims (5)
1.一种立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，其特征在于，包括双头夹紧螺栓穿孔(14)、出流矩形导管孔(6)、冷流体入口(9)和热流体入口(10)的顶部压板(1)、底部压板(5)和所夹的多层换热板(4)，以及入流套管导管(2)、冷流体入口导流管(16)、热流体入口导流管(17)和双头夹紧螺栓(3)，所述双头夹紧螺栓穿孔(14)位于顶部压板(1)、底部压板(5)和所有换热板四角处，每个角处的所述螺栓穿孔(14)上下连通，所述双头夹紧螺栓(3)穿过所有双头夹紧螺栓穿孔(14)固定换热器整体，所述出流矩形导管孔(6)位于换热板(4)左右两侧出口导流板(12)出口两侧，贯穿所有换热板(4)和顶部压板(1)，所述冷流体入口(9)位于入流套管导管(2)中心，热流体入口(10)位于入流套管导管(2)外围，所述入流套管导管(2)在入口导流板(13)中间穿过所有换热板(4)和顶部压板(1)，所述顶部压板(1)位于换热器顶部平放，所述底部压板(5)在换热器底部平放同时充当换热器底座，所述换热板(4)多层上下平齐叠放夹在顶部压板(1)和底部压板(5)中间。
2.根据权利要求1所述的立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，其特征在于，所述的换热板(4)由四个对称摆放的双层盘管(11)、拼缝板(15)、两个左右对称的出口导流板(12)和两个左右对称的入口导流板(13)组成，两个入口导流板(13)和两个出口导流板(12)分别位于换热板(4)的前后左右位置对称焊接，拼缝板(15)夹在双层盘管(11)和出口导流板(12)与入口导流板(13)之间，入口导流板(13)中间设有圆形冷流体入口(9)和部分圆环型热流体入口(10)，两侧设有双头夹紧螺栓穿孔(14)，出口导流板(12)两侧设有出流矩形导管孔(6)，所述所有板间导管孔(6)均为扩散焊一体成型，无垫片。
3.根据权利要求1所述的立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，其特征在于，所述的换热板(4)组成部分中的双层盘管(11)由底层盘管(18)、上层盘管(19)和盘管层间扭转连接弯管(27)拼装焊接组成，底层盘管(18)由底层盘管管束(23)和底层盘管90°转角拼装焊接组成，上层盘管(19)由上层盘管管束(25)和上层盘管90°转角拼装焊接组成，底层盘管(18)和上层盘管(19)由盘管层间扭转连接弯管(27)拼装焊接相连，所有盘管管束管内皆设有共轴螺旋叶片(22)并与盘管管束拼装焊接，盘管层间扭转连接弯管(27)中分有冷管(271)和热管(272)。
4.根据权利要求3所述的立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，其特征在于，所述的入口导流板(13)上左右两侧有冷流体入口导流管(16)和热流体入口导流管(17)成对称矩阵排列，所述入口导流板(13)中间四根单管为冷流体入口导流管，两侧四根单管为热流体入口导流管(17)，底层盘管(18)中所有管路都是盘旋放置。
5.根据权利要求3所述的立式钛合金微通道内螺旋管板式换热器，其特征在于，所述的出口导流板(12)中出流口上层四个单管为冷流体出口导流管(21)，下层四个单管为热流体出口导流管(20)，底层盘管(18)和上层盘管(19)盘旋方向相同。
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