CN118999210A - 一种高温一次表面换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器领域，公开了一种高温一次表面换热器，包括封头紧固螺栓、端部封头、换热芯体、底板、底板紧固螺栓、侧板、冷热流体进出口；换热芯体为整块金属薄板折叠而成，金属薄板的折叠形成了气体流道，金属薄板折弯形成了自密封；热流体与冷流体被金属薄板隔开，且流动方向相反，呈现逆流的换热方式。本发明使用在高温气气换热的场景下，如高温燃料电池、航空发动机及分布式发电系统等，可以实现高温气体工质的高效换热。该一次表面换热器其换热板都为一次表面，换热板片为轻薄板片一次折叠成型，其换热芯体片在高温区域为自密封无焊点，减少了密封失效的风险，该一次表面换热器具有结构紧凑、成本低、安全高效的特点。

Description

一种高温一次表面换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，特别涉及一种高温一次表面换热器。

背景技术

随着能源技术的不断进步和环保要求的日益严格，高效利用高温能源成为了科学研究与工业应用的重点方向之一。高温气气换热器作为关键设备，在高温燃料电池、航空发动机及分布式发电系统中扮演着至关重要的角色。这些领域对能量的有效回收和系统效率提升有着极高的要求，因此，高效的热能交换是确保系统性能和经济性的基础。

在高温燃料电池系统中，通过使用高温一次表面换热器，可以有效回收电化学反应过程中的废热，提高整体系统的热效率并增加电力输出。对于航空发动机而言，高效的换热器不仅能够实现发动机废气热量的再利用，降低燃料消耗，还能够在一定程度上减轻飞机重量，提升飞行性能。而在分布式发电领域，特别是在利用太阳能、地热等可再生能源的发电系统中，高温换热器用于预热工作介质，显著提高了能源利用率，降低了运营成本。

然而，现有的高温气气换热器在耐高温性能、耐久性、结构紧凑性等方面面临诸多挑战。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高温一次表面换热器，该一次表面换热器其拓展表面都为一次表面，不存在二次表面效率低的问题，提高换热效率和经济性，该一次表面换热器换热芯体片在高温区域为自密封，减少了密封失效的风险，该一次表面换热器换热为轻薄板片一次折叠成型，结构紧凑换热效率高的优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温一次表面换热器，包括封头紧固螺栓1、端部封头2、换热芯体3、底板4、底板紧固螺栓5、侧板6、冷热流体进出口7，高温一次表面换热器沿长度、宽度、高度方向为对称结构；换热芯体3为高温一次表面换热器的主体结构，封装在底板4和侧板6内，高温流体和低温流体在换热芯体3内换热，在换热芯体3的长度方向的端部具有端部封头2，换热芯体3与端部封头2首先通过封头紧固螺栓1进行紧固，使换热芯体3与端部封头2压紧，在压紧的基础上对换热芯体3及端部封头2进行焊接，以实现密封；

换热芯体3为整块金属薄板折叠而成，金属薄板的折叠形成了气体流道，金属薄板折弯12形成了自密封；热流体8从冷热流体进出口7的热流体入口流入换热芯体3，并在换热芯体3中的奇数层流道10中与偶数层流道11中的冷流体9通过金属薄板进行换热，由于侧板6的阻挡，热流体8温度降低后从冷热流体进出口7的热流体出口流出；冷流体9从冷热流体进出口7的冷流体入口流入换热芯体3，并在换热芯体3中的偶数层流道中进行换热，冷流体9温度升高后从冷热流体进出口7的冷流体出口流出；热流体8与冷流体9被金属薄板隔开，且流动方向相反，呈现逆流的换热方式。

组成换热芯体3的金属薄板经过了冲压加工，具有压痕，且上换热板13与下换热板14的压痕相互搭接支撑形成了流体通道；上换热板13的压痕和下换热板14的压痕呈现一定角度，该角度为20°到90°，该角度越大冷热流体的对流换热系数越大，但是冷热流体的流动阻力也越大。

所述端部封头2由端部压板17、短垫板15、长垫板16组成，长垫板16插入层流道中，对换热芯体3中的冷热流体进行密封，短垫板15与长垫板16共同压紧换热芯体3，多层长垫板16与短垫板15叠加后，由上下两层的端部压板17压紧后由封头紧固螺栓1进行紧固。

所述封头紧固螺栓1除了起到使端部压板与长短垫板压紧的作用，还起到定位的作用，在封头紧固螺栓1紧固后，对封头外端面18进行焊接，该焊接方式为激光焊接或者钎焊。

所述端部压板17、短垫板15、长垫板16起到隔绝温度的作用，端板压板17及短垫板15、长垫板16具有一定的宽度，该宽度为100-200mm，高温一次表面换热器核心区温度为800℃，但是由于端部的存在，该温度被隔绝，仅为300-400℃，对于温度的隔绝改善了焊接条件，降低了焊接难度，并且使钎焊在高温一次表面换热器的焊接上能够使用。

所述端部压板17、短垫板15、长垫板16具有一定的厚度，当与换热芯体3进行焊接时，可以保护金属薄板，使金属薄板不会被焊接造成穿孔，降低焊接难度，改善焊接工艺。

所述金属薄板厚度为0.1-0.5mm。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明提供一种高温一次表面换热器，该一次表面换热器其拓展表面都为一次表面，不存在二次表面效率低的问题，提高换热效率和经济性。

2、本发明提供一种高温一次表面换热器，该一次表面换热器换热芯体片在高温区域为自密封，减少了密封失效的风险，提高了安全性。

3、本发明提供一种高温一次表面换热器，该一次表面换热器换热为轻薄板片一次折叠成型，结构紧凑、换热效率高。

附图说明

图1为高温一次表面换热器示意图。

图2为换热器流动换热示意图。

图3为换热芯体示意图。

图4为冲压换热板示意图。

图5为高温一次表面换热器的端部封头示意图。

图中：1-封头紧固螺栓、2-端部封头、3-换热芯体、4-底板、5-底板紧固螺栓、6-侧板、7-气体进出口、8-热流体、9-冷流体、10奇数层流道、11偶数层流道、12金属薄板折弯、13上换热板、14下换热板、15短垫板、16长垫板、17端部压板、18封头外端面

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种高温一次表面换热器包含封头紧固螺栓1、端部封头2、换热芯体3、底板4、底板紧固螺栓5、侧板6、气体进出口7等主要部件，高温一次表面换热器沿长度、宽度、高度方向为对称结构。换热芯体3为高温一次表面换热器的主体结构，封装在底板4和侧板6内，热流体8和冷流体9在换热芯体3内换热，在换热芯体3的长度方向的端部具有端部封头2，换热芯体3与端部封头2首先通过封头紧固螺栓1进行紧固，使换热芯体3与端部封头2压紧，在压紧的基础上对换热芯体3及端部封头2进行焊接，以实现密封。

如图2和图3所示，热流体8从热流体入口流入换热芯体3，并在换热芯体3中的奇数层流道10中与偶数层流道11中的冷流体9进行换热，由于侧板6的阻挡，热流体8温度降低后从热流体出口流出。冷流体9从冷流体入口流入换热芯体3，并在换热芯体3中的偶数层流道中进行换热，冷流体9温度升高后从冷流体出口流出。热流体8与冷流体9被金属薄板隔开，且流动方向相反，呈现逆流的换热方式。

如图3，换热芯体3为整块金属薄板折叠而成，金属薄板厚度为0.1-0.5mm，金属薄板的折叠形成了气体流道，金属薄板折弯12形成了自密封，热流体8在奇数层流道10中流动，冷流体9在偶数层流道11中流动，并通过金属薄板进行换热。

如图4，组成换热芯体3的金属薄板经过了冲压加工，具有压痕，且上换热板13与下换热板14的压痕相互搭接支撑形成了流体通道。上换热板13的压痕和下换热板14的压痕呈现一定角度，该角度为20°到90°，该角度越大冷热流体的对流换热系数越大，但是冷热流体的流动阻力也越大。

如图5，端部封头2由端部压板17、短垫板15、长垫板16等组成，长垫板16插入层流道中，对换热芯体3中的冷热流体进行密封，短垫板15与长垫板16共同压紧换热芯体3，多层长垫板16与短垫板15叠加后，由上下两层的端部压板17压紧后由封头紧固螺栓1进行紧固。封头紧固螺栓1除了起到使端部压板与长短垫板压紧的作用，还起到定位的作用，在封头紧固螺栓1紧固后，对封头外端面18进行焊接，该焊接方式为激光焊接或者钎焊。

端部压板17、短垫板15、长垫板16等起到隔绝温度的作用，端板压板17及短垫板15、长垫板16具有一定的宽度，该宽度为100-200mm，该宽度范围可以有效的隔绝温度，且不会过多占据换热区空间；高温一次表面换热器核心区温度为800℃，但是由于端部的存在，该温度被隔绝，仅为300-400℃，对于温度的隔绝改善了焊接条件，降低了焊接难度，并且使钎焊在高温一次表面换热器的焊接上可以使用。端部压板17、短垫板15、长垫板16具有一定的厚度如厚度为2mm到5mm，当与换热芯体3进行焊接时，可以保护金属薄板，使其不会被焊接造成穿孔，降低焊接难度，改善焊接工艺。

本发明高温一次表面换热器使用在高温气气换热的场景下，如高温燃料电池、航空发动机及分布式发电系统等，可以实现高温气体工质的高效换热。该一次表面换热器其换热板都为一次表面，换热板片为轻薄板片一次折叠成型，其换热芯体片在高温区域为自密封无焊点，减少了密封失效的风险，该一次表面换热器具有结构紧凑、成本低、安全高效的特点。

Claims (7)

1.一种高温一次表面换热器，其特征在于：包括封头紧固螺栓(1)、端部封头(2)、换热芯体(3)、底板(4)、底板紧固螺栓(5)、侧板(6)、冷热流体进出口(7)，高温一次表面换热器沿长度、宽度、高度方向为对称结构；换热芯体(3)为高温一次表面换热器的主体结构，封装在底板(4)和侧板(6)内，高温流体和低温流体在换热芯体(3)内换热，在换热芯体(3)的长度方向的端部具有端部封头(2)，换热芯体(3)与端部封头(2)首先通过封头紧固螺栓(1)进行紧固，使换热芯体(3)与端部封头(2)压紧，在压紧的基础上对换热芯体(3)及端部封头(2)进行焊接，以实现密封；

换热芯体(3)为整块金属薄板折叠而成，金属薄板的折叠形成了气体流道，金属薄板折弯(12)形成了自密封；热流体(8)从冷热流体进出口(7)的热流体入口流入换热芯体(3)，并在换热芯体(3)中的奇数层流道(10)中与偶数层流道(11)中的冷流体(9)通过金属薄板进行换热，由于侧板(6)的阻挡，热流体(8)温度降低后从冷热流体进出口(7)的热流体出口流出；冷流体(9)从冷热流体进出口(7)的冷流体入口流入换热芯体(3)，并在换热芯体(3)中的偶数层流道中进行换热，冷流体(9)温度升高后从冷热流体进出口(7)的冷流体出口流出；热流体(8)与冷流体(9)被金属薄板隔开，且流动方向相反，呈现逆流的换热方式。

2.根据权利要求1所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：组成换热芯体(3)的金属薄板经过了冲压加工，具有压痕，且上换热板(13)与下换热板(14)的压痕相互搭接支撑形成了流体通道；上换热板(13)的压痕和下换热板(14)的压痕呈现一定角度，该角度为20°到90°，该角度越大冷热流体的对流换热系数越大，但是冷热流体的流动阻力也越大。

3.根据权利要求1所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：所述端部封头(2)由端部压板(17)、短垫板(15)、长垫板(16)组成，长垫板(16)插入层流道中，对换热芯体(3)中的冷热流体进行密封，短垫板(15)与长垫板(16)共同压紧换热芯体(3)，多层长垫板(16)与短垫板(15)叠加后，由上下两层的端部压板(17)压紧后由封头紧固螺栓(1)进行紧固。

4.根据权利要求3所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：所述封头紧固螺栓(1)除了起到使端部压板与长短垫板压紧的作用，还起到定位的作用，在封头紧固螺栓(1)紧固后，对封头外端面(18)进行焊接，该焊接方式为激光焊接或者钎焊。

5.根据权利要求3所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：所述端部压板(17)、短垫板(15)、长垫板(16)起到隔绝温度的作用，端板压板(17)及短垫板(15)、长垫板(16)具有一定的宽度，该宽度为100-200mm，高温一次表面换热器核心区温度为800℃，但是由于端部的存在，该温度被隔绝，仅为300-400℃，对于温度的隔绝改善了焊接条件，降低了焊接难度，并且使钎焊在高温一次表面换热器的焊接上能够使用。

6.根据权利要求3所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：所述端部压板(17)、短垫板(15)、长垫板(16)具有一定的厚度，当与换热芯体(3)进行焊接时，可以保护金属薄板，使金属薄板不会被焊接造成穿孔，降低焊接难度，改善焊接工艺。

7.根据权利要求1所述的一种高温一次表面换热器，其特征在于：所述金属薄板厚度为0.1-0.5mm。