一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体

本发明涉及一种换热器芯体，尤其涉及一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体。

背景技术：

印刷电路板式换热器(printcircuitheatexchanger,pche)属于微通道板式换热器范畴。pche具有结构紧凑，耐高温，耐高压，安全可靠等优点。芯体中微型孔通道为传热介质提供流动通道，而芯体中的基体材料(一般为金属板材)则起到了在高温介质和低温介质之间传递热量的作用。pche芯体的主要加工工艺为：首先利用(光)化学蚀刻技术在金属薄板加工出所需的微型通道，之后利用扩散焊接技术将多层含有微通道的金属板片连接形成整块芯体。

目前技术发展成熟、已投入工程应用的pche芯体微通道结构有两种：直通道和z形通道结构。直通道为沿流动方向的直线形结构，直通道pche的优点是结构简单、阻力损失小，但缺点是传热系数较低、传热能力差。z形通道为沿流动方向的折线形结构，z形通道pche优点是传热系数高、传热能力强，但缺点是阻力损失大。采用刻蚀和扩散焊技术所得微通道难以实现通道径向上的变化，进一步改善通道径向结构强化传热的空间小。该技术所得微通道易堵塞，需采用超高压水力喷射法去除堵塞，使微通道换热器维护成本高。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种阻力小，传热能力强的变截面加丁胞结构微通道换热器芯体。

技术方案：本发明包括芯体，所述的芯体内设有若干组高温介质通道和低温介质通道，所述的高温介质通道和低温介质通道均采用变截面通道，高温介质通道和低温介质通道的顶部均设有多个丁胞。

所述的高温介质通道与低温介质通道相互平行、垂直或错列排布。

所述的高温介质通道与低温介质通道相互平行时，高温介质与低温介质为逆流传热或顺流传热。

所述的高温介质通道与低温介质通道相互垂直时，高温介质与低温介质为交错流动换热。

所述的高温介质通道在水平方向上平行且等距分布。

所述的低温介质通道在水平方向上平行且等距分布。

所述的高温介质通道和低温介质通道的通道截面采用多种截面组合。

所述的丁胞沿高温介质通道或低温介质通道的轴向依次排布。

所述的丁胞采用圆柱体，长方体，半球体，锥体，棱台或流线形体。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)在具体操作时，各高温介质的顶部和低温介质的顶部均设有丁胞，高温介质通道与低温介质通道均为变截面，通过改变截面使流体的速度发生改变，添加丁胞使流体介质受到扰动，在丁胞的作用下形成漩涡，从而增大介质通道壁面附近流体区域的湍流强度，强化流体介质与壁面的传热，经实验，本发明与现有光滑直通道pche芯体相比，芯体传热系数能够增大30％-80％，与现有的正弦通道pche芯体相比，压力损失仅为其20％-50％；

(2)适用范围广：高温介质通道和低温介质通道顺列和错列布置，通道截面可采用各种截面组合如正方形，圆形；半圆，三角形；椭圆，半椭圆；菱形，矩形；及同一种截面渐缩、渐扩中任意一种，直通道或螺旋通道，不同布置形式，截面形状对应的传热热阻有所不同，加工成本不同，可适用于相变换热等不同应用场所；

(3)流体接触形式多样：通过将高温介质通道和低温介质通道相互平行或垂直布置，可实现流体顺流、逆流、交错流或组合形式的接触，满足不同换热过程的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明通道结构的一种丁胞单元示意图；

图3为本发明通道结构的一种丁胞单元示意图；

图4为本发明通道结构的一种丁胞单元示意图；

图5为本发明通道结构的一种丁胞单元示意图；

图6为本发明通道结构的一种芯体单元示意图；

图7为本发明通道结构的一种芯体单元示意图；

图8为本发明通道结构的一种芯体单元示意图；

图9为本发明通道结构的一种芯体单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括芯体1，芯体1利用增材制造技术打印成型，壁面处加工精度可控。芯体1内设置有若干变截面高温介质通道2与若干变截面低温介质通道3，各高温与低温介质通道顶部均设有若干丁胞4。高温介质通道2分为若干组，各组内的各个高温介质通道2在水平方向上平形且等距分布；所有低低介质通道3分为若干组，各组内的各个低温介质通道3在水平方向上平形且等距分布。高温介质通道2与低温介质通道3均为变截面通道结构。高温介质通道2与低温介质通道3内的丁胞4沿轴向依次间隔分布。

如图2至图5所示，介质通道中的丁胞4结构可以是流线形结构、三棱锥结构、棱柱结构、圆柱结构，在实际应用中，可以通过改变丁胞4的形状改变换介质通道中流体流动的状态及传热特性。

高温介质通道2与低温介质通道3之间相互平行、垂直或错列，当高温介质通道2与低温介质通道3相互平行时，高温介质与低温介质为逆流传热或顺流传热；当高温介质通道2与低温介质通道3相互垂直时，高温介质与低温介质为交错流动换热。

如图6至图9所示，高温介质通道2和低温介质通道3的通道截面可采用各种截面组合如正方形，圆形；半圆，三角形；椭圆，半椭圆；菱形，矩形；及同一种截面渐缩、渐扩中任意一种，直通道或螺旋通道。使用时，由于变截面的存在使得流体整体的流动发生变化，当介质流入变截面通道后，使得流体整体的压力、速度、流体的运动方向等发生变化。变截面通道进行大压差、大温差或相变传热时，根据流体物性随传热发生变化，流体密度较大的通道口可布置较小截面，流体密度较小的通道口可布置较大截面，该调控使流速均匀，减小阻力。此外，将流道布置成螺旋形，进一步减小阻力。与丁胞4结合，使得通过丁胞4的流体扰动更为强烈，在丁胞4的作用下，引起流体流动分离，进而在丁胞4的下游形成漩涡，通过漩涡改变流体的流动结构，增加介质通道壁面附近区域流体的湍流强度，进而增强流体介质与壁面的传热，在较小的压损之下，获得更大的换热量。

在实际操作中，可以通过选取不同的截面组合，应用于不同的工况。通过调整丁胞4的大小与丁胞4之间的距离和改变介质通道的截面形状，来改变换热介质通道流体整体的流动和壁面附近区域的湍流强度以及换热通道的传热面积，进而调控pche换热芯体的流动，传热特性，以适应不同应用场合、不同设计工况的要求。

技术特征：

1.一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，包括芯体(1)，所述的芯体(1)内设有若干组高温介质通道(2)和低温介质通道(3)，所述的高温介质通道(2)和低温介质通道(3)均采用变截面通道，高温介质通道(2)和低温介质通道(3)的顶部均设有多个丁胞(4)。

2.根据权利要求1所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的高温介质通道(2)与低温介质通道(3)相互平行、垂直或错列排布。

3.根据权利要求2所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的高温介质通道(2)与低温介质通道(3)相互平行时，高温介质与低温介质为逆流传热或顺流传热。

4.根据权利要求2所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的高温介质通道(2)与低温介质通道(3)相互垂直时，高温介质与低温介质为交错流动换热。

5.根据权利要求1或2所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的高温介质通道(2)在水平方向上平行且等距分布。

6.根据权利要求1或2所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的低温介质通道(3)在水平方向上平行且等距分布。

7.根据权利要求1所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的高温介质通道(2)和低温介质通道(3)的通道截面采用多种截面组合。

8.根据权利要求1所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的丁胞(4)沿高温介质通道(2)或低温介质通道(3)的轴向依次排布。

9.根据权利要求1或8所述的一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，其特征在于，所述的丁胞(4)采用圆柱体，长方体，半球体，锥体，棱台或流线形体。

技术总结
本发明公开了一种变截面加丁胞结构微通道换热器芯体，包括芯体，所述的芯体内设有若干组高温介质通道和低温介质通道，所述的高温介质通道和低温介质通道均采用变截面通道，高温介质通道和低温介质通道的顶部均设有多个丁胞。本发明在具体操作时，各高温介质的顶部和低温介质的顶部均设有丁胞，高温介质通道与低温介质通道均为变截面，通过改变截面使流体的速度发生改变，添加丁胞使流体介质受到扰动，在丁胞的作用下形成漩涡，从而增大介质通道壁面附近流体区域的湍流强度，强化流体介质与壁面的传热，经实验，本发明与现有光滑直通道PCHE芯体相比，芯体传热系数能够增大30％‑80％，与现有的正弦通道PCHE芯体相比，压力损失仅为其20％‑50％。

技术研发人员：沈妍;李爱征;谷家扬;刘锐;许啸;姚江;何晓崐
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2021.01.25
技术公布日：2021.05.28