一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法，其结构紧凑可靠、耐高温高压且能够有效改善现有换热器热应力集中问题。该换热器包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；导热芯体填充至换热器壳体内，支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙，N根第一衬管和N根第二衬管在换热器壳体内沿S字形排列或U字形排列，从而形成冷、热过流通道，实现换热目的。

【技术实现步骤摘要】
一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法
本专利技术属于热交换领域，具体涉及一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法。
技术介绍
超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型、高效、安全的能量循环系统，适用于高温气冷堆核电站、太阳能光热电站等领域。换热器是超临界二氧化碳布雷顿循环中最为重要的部件之一，整个循环50％以上的热量需要通过换热器加以利用，其热工水力性能对整个循环的效率和系统尺寸有着重要的影响。目前核电站系统中用于高温高压工况的换热器主要为管壳式换热器，现有的各类管壳式换热器普遍存在换热面积密度低、体积重量大、换热效率低等缺点。而且在超临界二氧化碳布雷顿循环高温气冷堆中，换热时最大工况通常在20MPa、500℃以上，制造能承受如此高温高压的管壳式换热器的难度是非常高的。目前，印刷电路板式换热器(PCHE)作为一种高效、紧凑、新型的耐高温高压换热设备，被普遍认为是超临界二氧化碳布雷顿循环中最为适用的换热器。PCHE的流体通道是在金属板上采用化学刻蚀工艺形成的，传统的通道截面形状为直径1～2mm的半圆，不同的板块之间通过扩散焊层叠连接在一起组装成换热器芯体。在相同换热量的条件下，PCHE的尺寸只有传统管壳式换热器尺寸的1/5～1/10。但PCHE固有的化学蚀刻、扩散焊接等加工方法存在着加工难度大、成本高的缺点。此外，传统的半圆通道在高温下运行时，半圆尖角处会产生很大的热应力集中，使材料产生热疲劳，造成材料蠕变，影响换热效率与运行安全性。综上所述，超临界二氧化碳布雷顿循环中需要一种紧凑高效、安全可靠、易于加工、耐高温高压的换热设备。目前，在热交换领域还提出了管道式微细管换热器：中国专利，专利公开号CN101033922提出了一种管道式微细管换热器。冷热流体微细管束穿过两侧内管板分别延伸固定于外管板。在换热器壳侧内与冷、热流体管束外侧及两侧内管板组成的空间内填充导热液。冷热流体经外管板及微细管束进入换热器，分别从换热器两侧的集结箱排出，而且冷、热流体进入换热器的路径可以相互置换。但是该专利公开的换热器存在以下不足：换热器导热介质为导热油，存在高温下结焦的缺点，不耐高温高压；微细管束的管外径为0.1～1.0mm，管板与毛细管的连接存在很大难度。中国专利，专利公开号CN102200399A提出了一种非金属微细管束换热器。其中，冷流体管束与热流体管束穿过总管板并通过总管板与换热器壳体固定。冷、热流体管束的两端与分管板连接固定，分管板与管板接头固定，换热器壳体装有导热液补充接口。冷、热流体管束为非金属材料制成的软管，在换热器壳体总管板外呈现软连接，管束汇聚到分管板连接头后在与系统连接。具有很高的换热面积与体积比，具有超强的抗腐蚀性，可用于各种严重腐蚀条件下的换热需要。微细管束接头灵活，不受空间的限制，柔韧性好。但是该专利公开的换热器存在以下不足：非换热区域管束直接裸露，微细管束易被损伤，造成泄漏；非金属材质不耐高温高压，无法满足超临界二氧化碳布雷顿循环的换热需求。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中的问题，满足超临界二氧化碳布雷顿循环中换热需求，本专利技术提供了一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法。该换热器的结构紧凑可靠、耐高温高压且能够有效改善现有换热器热应力集中问题。另外该换热器的制造方法，通过铸造工艺填充金属作为导热介质，能够在有效地降低加工难度与成本的同时增强换热器换热效果。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种铸造式微通道紧凑式换热器，包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；其中直管或第一Y字形管或第二Y字形管的管壁上设置有铸造通道；第一Y字形管的一个管口与直管的一个管口连通，第一Y字形管的另外两个管口安装分别第一管板和第二管板；第二Y字形管的一个管口与直管的另一个管口连通，第二Y字形管的另外两个管口安装第三管板和第四管板；支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管、第二衬管的外径相适配；N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个S字形过流通道；N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个S字形过流通道；导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；所述导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；所述换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。进一步地，导热芯体材质优选黄铜合金或银铜合金。进一步地，为了增大换热面积提高换热效率，除直管外，所述N根第一衬管、N根第二衬管位于两块支撑管板中间部分弯折形式还可以是Z字形、梯形、正弦形或螺旋缠绕式，其中Z字形管、梯形管、正弦形管可在水平与垂直之间旋转任意角度。进一步地，上述第一衬管、第二衬管均为不锈钢毛细圆管，外径为1～5mm，壁厚为0.1～1mm。进一步地，上述支撑管板上的小孔阵列有2N/4个小孔组构成，每个小孔组包括四个小孔，四个小孔的中心连线为矩形或平行四边形。进一步地，上述支撑管板材质为不锈钢，厚度为1～3mm。进一步地，上述换热器壳体材质为不锈钢，壳体厚度为1～3mm，直管、第一Y字形管以及第二Y字形管垂直于换热介质流动方向的截面为矩形或正多边形或圆形。进一步地，上述第一管板、第二管板、第三管板、第四管板材质均为不锈钢。基于上述对换热器结构的描述，现对该换热器的制作方法进行说明，该方法包括以下步骤：【1】装配【1.1】分别将N根第一衬管和N根第二衬管插装过两个支撑管板；将两个支撑管板连同衬管平行安装于换热器壳体直管内部；【1.2】将第一管板和第二管板安装在第一Y字形管的两个管口上，将第三管板和第四管板安装在第二Y字形管的两个管口上；【1.3】将N根第一衬管的一端均与第一管板固定，N根第一衬管的另一端均与第三管板或第四管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；再将N根第二衬管的一端均与第一管板固定，N根第二衬管的另一端均与第四管板或第三管板固定，形成N个U形或S形的过流通道；【1.4】将第一Y字形管和第二Y字形管固定连接在直管两端；【2】导热芯体的填充；【2.1】将导热合金粉末通过所述铸造通道充满第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板与换热器壳体形成的空隙内；【2.2】填充完导热合金粉末后将整体放置到真空加热炉中，加热至导热合金粉末熔点后保持直至导热合金粉末完全融化成为液体状态，并且使其充满所述空隙；【3】降温至液体导热金属完全凝固后与换热器壳体、N根第一衬管、N根第二衬管以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；其中直管或第一Y字形管或第二Y字形管的管壁上设置有铸造通道；第一Y字形管的一个管口与直管的一个管口连通，第一Y字形管的另外两个管口安装分别第一管板和第二管板；第二Y字形管的一个管口与直管的另一个管口连通，第二Y字形管的另外两个管口安装第三管板和第四管板；支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管、第二衬管的外径相适配；N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个S字形过流通道；N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个S字形过流通道；导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；所述导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；所述换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。...

【技术特征摘要】
1.一种铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：包括换热器壳体、第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管、支撑管板以及导热芯体；换热器壳体包括直管、第一Y字形管以及第二Y字形管；其中直管或第一Y字形管或第二Y字形管的管壁上设置有铸造通道；第一Y字形管的一个管口与直管的一个管口连通，第一Y字形管的另外两个管口安装分别第一管板和第二管板；第二Y字形管的一个管口与直管的另一个管口连通，第二Y字形管的另外两个管口安装第三管板和第四管板；支撑管板为两个且平行安装在直管内，且支撑管板的边缘与直管内壁之间具有间隙；每一个支撑管板上均设置有小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量为2N个且小孔的外径和第一衬管、第二衬管的外径相适配；N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第一衬管的一端均固定在第一管板上，N根第一衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个S字形过流通道；N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第四管板从而形成N个U字形过流通道，或者N根第二衬管的一端均固定在第二管板上，N根第二衬管的另一端均依次穿过两个支撑管板后固定在第三管板从而形成N个S字形过流通道；导热芯体填充在换热器壳体内且位于第一管板、第二管板、第三管板、第四管板、N根第一衬管、N根第二衬管以及两个支撑管板形成的空隙内；所述导热芯体为导热合金粉末或导热合金溶液制成；所述换热器壳体、第一衬管、第二衬管以及支撑管板所采用材质的熔点均高于导热芯体材质的熔点。2.根据权利要求1所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述导热芯体材质优选黄铜合金或银铜合金。3.根据权利要求2所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述N根第一衬管、N根第二衬管位于两块支撑管板中间部分形式为直管、Z字形管、梯形管、正弦形管或螺旋缠绕管。4.根据权利要求3所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述第一衬管、第二衬管均为不锈钢毛细圆管，外径为1～5mm，壁厚为0.1～1mm。5.根据权利要求4所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述小孔阵列由2N/4个小孔组构成，每个小孔组包括四个小孔，四个小孔的中心连线为矩形或平行四边形。6.根据权利要求5所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：所述换热器壳体材质为不锈钢，壳体厚度为1～3mm，直管、第一Y字形管以及第二Y字形管垂直于换热介质流动方向的截面为矩形或正多边形或圆形。7.根据权利要求6所述的铸造式微通道紧凑式换热器，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青青，宋子琛，郑宇龙，脱晓冰，王海军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61