CN117685804B - 一种多集管分流的环形印刷电路板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多集管分流的环形印刷电路板换热器，涉及换热器技术领域，包括：前置封头，用于实现冷流体的同侧进出；芯体，一端与所述前置封头连接，用于实现冷流体进出的分流；热流体进口腔体，设置在芯体中部，用于实现热流体的进入；壳体，套设于所述芯体外，且所述壳体的一端与所述前置封头连接，所述壳体与芯体设置有用于收集热流体的空隙；下盖板，与所述芯体远离所述前置封头的一端连接，用于封堵所述热流体进口腔体。本发明能够提高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量。

Description

一种多集管分流的环形印刷电路板换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种多集管分流的环形印刷电路板换热器。

背景技术

超临界二氧化碳发电是实现燃煤清洁高效利用的关键技术，其系统运行压力高于二氧化碳临界压力（7.38MPa），具有无相变、结构简单、有助于机组调峰调频等优点，在450-650℃范围内超临界二氧化碳布雷顿循环系统效率高于现有水蒸气朗肯循环发电系统，因而在煤炭、核能等领域具有广阔的应用前景；换热器是超临界二氧化碳发电系统中数量最多、体积最大的设备，其成本约占整个系统成本的45%以上，其流动换热性能是影响整个循环效率的关键设备之一；印刷电路板换热器广泛采用化学蚀刻加工冷热换热通道，其直径一般为0.5-2mm，采用真空扩散焊技术将冷热换热板片交替堆叠焊接形成芯体；由于该制造工艺的特点，印刷电路板换热器具有优异的传热和耐高温高压性能，可在温度≥900℃、压力≥90MPa环境下运行，紧凑度（即表面积/体积的比值）可达2500m²/m³，相同热负荷条件下，其体积可减小至管壳式换热器的1/5，因此，近年来国内外相关机构对印刷电路板换热器开展了大量研究工作。

现有的印刷电路板换热器芯体由大量微细通道组成（可达几十万个微细通道），换热工质的流量分配不均匀可能造成换热器金属壁面超温、热应力集中和压损增大，需要设置板片和管箱封头分流结构以实现换热工质能够均匀进入微细通道。

然而，现有印刷电路板换热器普遍采用常温常压微细通道换热器的分流结构，常常面临换热芯体小、分流结构大的设计难题，导致换热器整体紧凑度降低，体积和重量显著增加。

发明内容

本发明提供一种多集管分流的环形印刷电路板换热器，能够克服现有设计中印刷电路板换热器分流结构占用空间大的问题，可有效提高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明的实施例提供一种多集管分流的环形印刷电路板换热器，包括：

前置封头，用于实现冷流体的同侧进出；

芯体，一端与所述前置封头连接，所述芯体包括轴向交错排列堆叠的若干冷流体板片和热流体板片，所述冷流体板片和热流体板片上均设有多个冷流体进口集管和冷流体出口集管，所述冷流体进口集管和冷流体出口集管均沿周向周期排布，且所述冷流体进口集管和冷流体出口集管间隔排布；

所述冷流体板片上设有沿周向周期排布的若干弯曲冷流道，且位于所述冷流体进口集管和冷流体出口集管之间；所述弯曲冷流道包括冷流体入口分流段、冷流体核心换热段和冷流体出口汇流段；所述热流体板片上设有沿周向周期排布的若干弯曲热流道，且位于所述冷流体进口集管和冷流体出口集管之间；所述弯曲热流道包括热流体入口分流段、热流体核心换热段和热流体出口汇流段；所述冷流体核心换热段与热流体核心换热段沿径向对齐；

热流体进口腔体，设置在冷流体板片和热流体板片轴向交错排列堆叠形成的中部，用于实现热流体的进入；

壳体，套设于所述芯体外，且所述壳体的一端与所述前置封头连接，所述壳体与芯体设置有用于收集热流体的空隙；

下盖板，与所述芯体远离所述前置封头的一端连接，用于封堵所述热流体进口腔体；

后置封头，与所述壳体远离于所述前置封头的一端连接，用于实现热流体的流出。

进一步的，所述前置封头包括：

热流体进口中通集管，设置在所述前置封头中部，且与所述前置封头中部空腔连通；

隔板，设置在所述前置封头内壁，且所述前置封头通过所述隔板将外部空腔分成进出两部分。

进一步的，所述前置封头还包括：

冷流体进口外环集管，设置在所述前置封头上，且与所述隔板分出的外圈空腔连通；

冷流体出口内环集管，设置在所述前置封头上，且与所述隔板分出的内圈空腔连通。

进一步的，所述前置封头内嵌设有上盖板；

所述上盖板上设有多个外环冷流体进口和内环冷流体出口；

所述外环冷流体进口与所述冷流体进口外环集管连通，且所述外环冷流体进口沿周向周期排布；

所述内环冷流体出口与所述冷流体出口内环集管连通，且所述内环冷流体出口沿周向周期排布；

所述外环冷流体进口和内环冷流体出口间隔排列。

进一步的，所述壳体内设有若干肋，所述壳体通过所述肋与所述芯体无弯曲热流道的外壁连接。

进一步的，所述芯体远离前置封头的一端与所述下盖板连接，所述芯体通过所述下盖板封堵所述热流体进口腔体。

进一步的，所述后置封头上设有多个热流体出口集管。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明所述的多集管分流的环形印刷电路板换热器具有多个进出口集管设计，隔板置于前置封头内，可将空腔分成两部分以实现冷流体的同侧进出；环形换热板片沿周向周期布置有若干弯曲热流道或弯曲冷流道，且板层流道中的冷流道核心换热段与热流道核心换热段沿径向对齐；中通圆柱腔体作为热流体进口，有助于增大换热器的芯体迎风面积，降低阻力损失；同时，采用多进出口的方式进行分流，将数量众多的换热通道有规律的分开，每一组对应通道数量减少使得分流效果更佳；此外，环形换热器为多个换热模块单元体沿周向串联的集合，单元体的体积小，更有利于换热器自身承受高压；多个流体进出口集管分流的设计解决了现有印刷电路板换热器分流结构占用空间大的问题，可有效提高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量。

附图说明

图1为多集管分流的环形印刷电路板换热器的换热器整体结构示意图；

图2为多集管分流的环形印刷电路板换热器的冷流体板片结构示意图；

图3为多集管分流的环形印刷电路板换热器的热流体板片结构示意图；

图4为多集管分流的环形印刷电路板换热器的冷流体流动方式示意图；

图5为多集管分流的环形印刷电路板换热器的热流体流动方式示意图；

图6为多集管分流的环形印刷电路板换热器的芯体结构示意图；

图7为多集管分流的环形印刷电路板换热器的前置封头结构示意图；

图8为多集管分流的环形印刷电路板换热器的上盖板结构示意图；

图9为多集管分流的环形印刷电路板换热器的壳体结构示意图；

图10为多集管分流的环形印刷电路板换热器的下盖板结构示意图；

图11为多集管分流的环形印刷电路板换热器的后置封头结构示意图；

图12为热力设计得到的本发明相对现有印刷电路板换热器的性能对比图。

附图标记说明：1、前置封头；2、热流体进口腔体；3、芯体；4、壳体；5、下盖板；6、后置封头；12、上盖板；31、冷流体板片；32、热流体板片；33、冷流体出口集管；34、冷流体进口集管；41、肋；61、热流体出口集管；111、冷流体进口外环集管；112、冷流体出口内环集管；113、热流体进口中通集管；114、隔板；121、外环冷流体进口；122、内环冷流体出口；311、冷流体入口分流段；312、冷流体核心换热段；313、冷流体出口汇流段；321、热流体入口分流段；322、热流体核心换热段；323、热流体出口汇流段。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1至图12所示，本发明的实施例提供一种多集管分流的环形印刷电路板换热器，包括：

前置封头1，用于实现冷流体的同侧进出；

芯体3，一端与所述前置封头1连接，所述芯体3包括轴向交错排列堆叠的若干冷流体板片31和热流体板片32，所述冷流体板片31和热流体板片32上均设有多个冷流体进口集管34和冷流体出口集管33，所述冷流体进口集管34和冷流体出口集管33均沿周向周期排布，且所述冷流体进口集管34和冷流体出口集管33间隔排布；

所述冷流体板片31上设有沿周向周期排布的若干弯曲冷流道，且位于所述冷流体进口集管34和冷流体出口集管33之间；所述弯曲冷流道包括冷流体入口分流段311、冷流体核心换热段312和冷流体出口汇流段313；所述热流体板片32上设有沿周向周期排布的若干弯曲热流道，且位于所述冷流体进口集管34和冷流体出口集管33之间；所述弯曲热流道包括热流体入口分流段321、热流体核心换热段322和热流体出口汇流段323；所述冷流体核心换热段312与热流体核心换热段322沿径向对齐；

热流体进口腔体2，设置在冷流体板片31和热流体板片32轴向交错排列堆叠形成的中部，用于实现热流体的进入；

壳体4，套设于所述芯体3外，且所述壳体4的一端与所述前置封头1连接，所述壳体4与芯体3设置有用于收集热流体的空隙；

下盖板5，与所述芯体3远离所述前置封头1的一端连接，用于封堵所述热流体进口腔体2；

后置封头6，与所述壳体4远离于所述前置封头1的一端连接，用于实现热流体的流出。

在本发明实施例中，前置封头1、后置封头6和芯体3具有多个进出口集管设计，前置封头内的空腔被分成两部分，以实现冷流体的同侧进出；芯体3内沿周向周期布置有若干弯曲热流道或弯曲冷流道，且板层流道中的冷流体核心换热段312与热流体核心换热段322沿径向对齐；同时，采用多进出口的方式进行分流，将数量众多的换热通道有规律的分开，每一组对应通道数量减少使得分流效果更佳；此外，环形换热器为多个换热模块单元体沿周向串联的集合，单元体的体积小，更有利于换热器自身承受高压；多个流体进出口集管分流的设计解决了现有印刷电路板换热器分流结构占用空间大的问题，可有效提高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量；冷流体通过环形换热器的芯体3中贯穿的多个冷流体进口集管34进入，流量均匀分配至各个冷流体板片31上，进而对称进入沿周向周期排布的冷流体换热通道，最后由环形换热器的芯体3中贯穿的多个冷流体出口集管33流出；热流体通过环形换热器的芯体3内部中通的圆柱形腔体进入，流量均匀分配至各个热流体板片32上，进而进入热流体换热通道进行换热，参与换热后的热流体从芯体3外侧流出，最后通过后置封头6流出；整个换热过程包括冷热流体在分流和汇流段的叉流换热以及在核心换热段的逆流换热。

在本发明实施例中，冷流体板片31和热流体板片32堆叠方式可以为“一冷一热”交错式堆叠或者“两冷一热”和“两热一冷”的夹层式堆叠，所述自前至后轴向交错排列堆叠的若干冷流体板片31和热流体板片32可以采用真空扩散焊、钎焊等方式焊接，换热器前端通过一冷流体板片31与上盖板12连接，换热器后端通过另一冷流体板片31与下盖板5连接；冷流体板片31和热流体板片32分别有周向周期排布的若干弯曲冷流道和弯曲热流道，板片内侧边缘和外侧边缘均留有一定距离，以便在换热器前端和后端分别布置上盖板12和下盖板5，同时有助于换热器芯体3冷热板片之间的焊接；所述冷流体板片31和热流体板片32堆叠形成中通的热流体进口腔体2，能够充分利用空间从而减小换热器体积，提高紧凑度，增大迎风面积，降低阻力损失。

在本发明实施例中，参考图2和图4，所述多个冷流体进口集管34和冷流体出口集 管33沿周向周期集成排布，将环形换热器单元体内通道数量的减少能够提高工质流量分配 均匀性，保证换热器轴向沿程各冷流体通道进口与出口压差的一致性；同时单元体的体积 小，有助于增强换热器自身承压能力；可以克服现有设计中分流结构占用空间大的问题，提 高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量；冷流体进口集管34横截面为边线带有一定 曲率的三角形，冷流体出口集管33横截面为椭圆形，所述边线带有一定曲率的三角形冷流 体进口集管34横截面的面积A _i 和椭圆形冷流体出口集管33横截面的面积A _e 比值恒定，可根 据计算，其中ρ _i 是进口集管处冷流体密度，ρ _e 是出口集管处冷流体密度，在该 比值下换热器轴向沿程各冷流体通道进口与出口压差的一致性最佳；冷流体板片31上布置 有沿周向周期排布的若干冷流体换热通道，所述冷流体换热通道从进口至出口分别由冷流 体入口分流段311、冷流体核心换热段312和冷流体出口汇流段313三部分组成，冷流体换热 通道呈Z字型，且均为弯曲流道，以一个换热单元为例，冷流体首先通过冷流体进口集管34 分配至各冷流体换热板片上，经对流传热方式吸收来自热流体换热通道的热量，进而通过 冷流体出口集管33流出；外环冷流体进口121和内环冷流体出口122的轮廓分别与三角形冷 流体进口集管34和椭圆形冷流体出口集管33对齐，该结构可利用冷流体进口分流段和冷流 体出口汇流段313在冷流体板片31上不同的布置方式实现冷流体的同侧进出；弯曲冷流道 和弯曲热流道分别在冷流体板片31和热流体板片32上沿周向间隔一定距离布置，相邻的两 组冷流道或热流道之间关于冷流体进口或出口呈对称分布，所述冷流体换热段与热流体换 热段为弯曲连续流道或非连续流道；所述冷流道与热流道可以采用化学蚀刻、机加工、增材 制造等方式加工。

如图1至图12所示，所述前置封头1包括：

热流体进口中通集管113，设置在所述前置封头1中部，且与所述前置封头1中部空腔连通；

隔板114，设置在所述前置封头1内壁，且所述前置封头1通过所述隔板114将外部空腔分成进出两部分；

所述前置封头1还包括：

冷流体进口外环集管111，设置在所述前置封头1上，且与所述隔板114分出的外圈空腔连通；

冷流体出口内环集管112，设置在所述前置封头1上，且与所述隔板114分出的内圈空腔连通。

在本发明实施例中，参考图7和图8，所述前置封头1由热流体进口中通集管113、冷流体出口内环集管112、冷流体进口外环集管111、隔板114和上盖板12组成；前置封头1呈半球形易于耐高压，所述隔板114置于前置封头1内，可将空腔分成两部分以实现冷流体的同侧进出，避免出现工质混流；多个冷流体进口外环集管111和冷流体出口内环集管112沿周向分别距隔板114内外侧呈周期布置。

如图1至图12所示，所述前置封头1内嵌设有上盖板12；所述上盖板12上设有多个外环冷流体进口121和内环冷流体出口122；所述外环冷流体进口121与所述冷流体进口外环集管111连通，且所述外环冷流体进口121沿周向周期排布；所述内环冷流体出口122与所述冷流体出口内环集管112连通，且所述内环冷流体出口122沿周向周期排布；所述外环冷流体进口121和内环冷流体出口122间隔排列。

在本发明实施例中，所述上盖板12布置有多个外环冷流体进口121和内环冷流体出口122，外环冷流体进口121与冷流体进口外环集管111连接，内环冷流体出口122与冷流体出口内环集管112连接；隔板114厚度取决于上盖板12中外环冷流体进口121和内环冷流体出口122的内侧边缘间距。

如图1至图12所示，所述壳体4内设有若干肋41，所述壳体4通过所述肋41与所述芯体3无弯曲热流道的外壁连接。

在本发明实施例中，参考图9，所述壳体4整体为圆筒状，外套于芯体3外围，与芯体3间隔一定空隙用于热流体的收集，壳体4内侧布置有若干肋41以便同芯体3无流道部位进行焊接，同时可将热流体进行分区收集。

如图1至图12所示，所述芯体3远离前置封头1的一端与所述下盖板5连接，所述芯体3通过所述下盖板5封堵所述热流体进口腔体2。

在本发明实施例中，参考图10，所述下盖板5横截面为圆形，可用以封堵热流体进口腔体2，防止工质泄漏，且配合后置封头6形成热流体出口空腔从而收集来自芯体3外侧流出的热流体。

如图1至图12所示，所述后置封头6上设有多个热流体出口集管61。

在本发明实施例中，参考图11，所述后置封头6呈半球形，多个热流体出口集管61周向周期布置，参与换热后的热流体从芯体3外侧流出后进入热流体空腔，再经热流体出口集管61流出。

工作原理是，冷流体通过环形换热器的芯体3中贯穿的多个冷流体进口集管34进入，流量均匀分配至各个冷流体板片31上，进而对称进入沿周向周期排布的冷流体换热通道，依次通过冷流体入口分流段311、冷流体核心换热段312和冷流体出口汇流段313，最后由环形换热器的芯体3中贯穿的多个冷流体出口集管33流出；热流体通过环形换热器的芯体3内部中通的圆柱形腔体进入，流量均匀分配至各个热流体板片32上，依次通过热流体入口分流段321、热流体核心换热段322和热流体出口汇流段323，然后进入壳体4与芯体3间隔的空隙内，进而进入下盖板5与后置封头6形成的热流体出口空腔内，最后经热流体出口集管61流出；整个换热过程包括冷热流体在分流和汇流段的叉流换热以及在核心换热段的逆流换热。

现有印刷电路板换热器冷热侧各包含一对进出口和封头设计，而本发明提供的环形印刷电路板换热器可实现冷流体同侧进出，芯体采用中通圆柱腔体作为热流体进口且集成有多个冷流体进出口，中通圆柱腔体有助于增大换热器芯体迎风面积，降低阻力损失；同时，采用多进出口的方式进行分流，将数量众多的换热通道有规律的分开，每一组对应通道数量减少使得分流效果更佳；此外，环形换热器单元体的体积小，更有利于换热器自身承受高压；多个流体进出口集管分流的设计解决了现有印刷电路板换热器分流结构占用空间大的问题，可有效提高换热器紧凑度和功率密度，减小体积和重量。

如图12所示，采用热力设计方法对比了现有印刷电路板换热器与本发明提供的多进出口集成的环形印刷电路板换热器，在设计过程中，冷热侧采用的工质均为超临界二氧化碳，流量均为0.3kg/s，热侧进口温度425℃，压力8.4MPa；冷侧进口温度80℃，压力20MPa，热负荷为120kW，热力设计结果表明，相比于现有印刷电路板换热器，本发明提供的多进出口集成的环形印刷电路板换热器的体积和重量显著减小，紧凑度、功率密度和质量功率都有较大程度的提升。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多集管分流的环形印刷电路板换热器，其特征在于，包括：

前置封头（1），用于实现冷流体的同侧进出；

芯体（3），一端与所述前置封头（1）连接，所述芯体（3）包括轴向交错排列堆叠的若干冷流体板片（31）和热流体板片（32），所述冷流体板片（31）和热流体板片（32）上均设有多个冷流体进口集管（34）和冷流体出口集管（33），所述冷流体进口集管（34）和冷流体出口集管（33）均沿周向周期排布，且所述冷流体进口集管（34）和冷流体出口集管（33）间隔排布；

所述冷流体板片（31）上设有沿周向周期排布的若干弯曲冷流道，且位于所述冷流体进口集管（34）和冷流体出口集管（33）之间；所述弯曲冷流道包括冷流体入口分流段（311）、冷流体核心换热段（312）和冷流体出口汇流段（313）；所述热流体板片（32）上设有沿周向周期排布的若干弯曲热流道，且位于所述冷流体进口集管（34）和冷流体出口集管（33）之间；所述弯曲热流道包括热流体入口分流段（321）、热流体核心换热段（322）和热流体出口汇流段（323）；所述冷流体核心换热段（312）与热流体核心换热段（322）沿径向对齐；

热流体进口腔体（2），设置在冷流体板片（31）和热流体板片（32）轴向交错排列堆叠形成的中部，用于实现热流体的进入；

壳体（4），套设于所述芯体（3）外，且所述壳体（4）的一端与所述前置封头（1）连接，所述壳体（4）与芯体（3）设置有用于收集热流体的空隙；

下盖板（5），与所述芯体（3）远离所述前置封头（1）的一端连接，用于封堵所述热流体进口腔体（2）；

后置封头（6），与所述壳体（4）远离于所述前置封头（1）的一端连接，用于实现热流体的流出；所述前置封头（1）包括：

热流体进口中通集管（113），设置在所述前置封头（1）中部，且与所述前置封头（1）中部空腔连通；

隔板（114），设置在所述前置封头（1）内壁，且所述前置封头（1）通过所述隔板（114）将外部空腔分成进出两部分；所述前置封头（1）还包括：

冷流体进口外环集管（111），设置在所述前置封头（1）上，且与所述隔板（114）分出的外圈空腔连通；

冷流体出口内环集管（112），设置在所述前置封头（1）上，且与所述隔板（114）分出的内圈空腔连通；所述前置封头（1）内嵌设有上盖板（12）；

所述上盖板（12）上设有多个外环冷流体进口（121）和内环冷流体出口（122）；

所述外环冷流体进口（121）与所述冷流体进口外环集管（111）连通，且所述外环冷流体进口（121）沿周向周期排布；

所述内环冷流体出口（122）与所述冷流体出口内环集管（112）连通，且所述内环冷流体出口（122）沿周向周期排布；

所述外环冷流体进口（121）和内环冷流体出口（122）间隔排列。

2.根据权利要求1所述的多集管分流的环形印刷电路板换热器，其特征在于，所述壳体（4）内设有若干肋（41），所述壳体（4）通过所述肋（41）与所述芯体（3）无弯曲热流道的外壁连接。

3.根据权利要求2所述的多集管分流的环形印刷电路板换热器，其特征在于，所述芯体（3）远离前置封头（1）的一端与所述下盖板（5）连接，所述芯体（3）通过所述下盖板（5）封堵所述热流体进口腔体（2）。

4.根据权利要求3所述的多集管分流的环形印刷电路板换热器，其特征在于，所述后置封头（6）上设有多个热流体出口集管（61）。