本發(fā)明屬于熱交換設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種異形毛細(xì)流道換熱器，該換熱器用于氣體的液化、加熱、冷卻；液體的氣化、加熱、冷卻、分餾；化學(xué)反應(yīng)等工藝系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

目前上述領(lǐng)域特別是在大型高溫高壓與大溫差換熱工況的裝備系統(tǒng)中，采用管殼式換熱器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展管殼式換熱器技術(shù)趨于成熟，但由于其工藝、結(jié)構(gòu)限制等因素可能導(dǎo)致問(wèn)題，具體表現(xiàn)在：

①、在一些重大工程中，管殼式換熱器傳熱管內(nèi)徑(當(dāng)量直徑)較大如φ19mm，管壁較厚熱阻增大，流體流動(dòng)狀態(tài)(雷諾數(shù)Re)相同傳熱系數(shù)低、換熱流程（傳熱管）長(zhǎng)，其整體與相關(guān)的支撐及緊固裝置結(jié)構(gòu)尺寸與重量都相應(yīng)增大，導(dǎo)致海工裝備、塔類(lèi)及安全殼大，其在各類(lèi)換熱器中單位體積換熱面積最小約100m²/m³。

②、管程與殼程工作溫差大，為適應(yīng)兩結(jié)構(gòu)熱漲冷縮差異可能導(dǎo)致的問(wèn)題，重大工程蒸汽發(fā)生器采用U形管結(jié)構(gòu)，與其部分順流弱化傳熱，其體積與重量又有增加。

③、流體橫向流過(guò)細(xì)長(zhǎng)彈性傳熱管可誘發(fā)振動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)變化（如湍流激發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)、若再遇地震等災(zāi)害），可能導(dǎo)致傳熱管特別是U形管共振、及管間、管與折流板碰撞磨損等，致使傳熱管可能出現(xiàn)疲勞破壞、管與管板連接處開(kāi)裂等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)裝備停運(yùn)檢修的重大事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中在上述技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用管殼式換熱器體積與重量過(guò)大、運(yùn)行中維護(hù)維修困難等帶來(lái)的問(wèn)題，提高承受深冷\高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕與傳熱能力、提高安全性，減小換熱器體積與重量，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件要求換熱器體積與重量很小工況：如船舶、海洋平臺(tái)及燃料電池汽車(chē)加氫站等系統(tǒng)裝置多種工況技術(shù)要求。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該換熱器包括芯體、設(shè)置在芯體上端連接熱流體進(jìn)口的上聯(lián)箱接管法蘭、設(shè)置在芯體下端連接熱流體出口的下聯(lián)箱接管法蘭，設(shè)置在芯體左右兩側(cè)至少一個(gè)連接冷卻介質(zhì)進(jìn)、出口管路的聯(lián)箱接管法蘭，所述的上聯(lián)箱接管法蘭的進(jìn)氣口面積大于下聯(lián)箱接管法蘭出氣口面積。

所述的芯體由多個(gè)傳熱板A和傳熱板B依次交替疊加與端板擴(kuò)散焊接構(gòu)成，所述傳熱板A上采用化學(xué)蝕刻等工藝在其一側(cè)表面加工有第一變截面毛細(xì)流道，所述第一變截面毛細(xì)流道是上大下小的梯形結(jié)構(gòu)形式、由多個(gè)上大下小連續(xù)漸變截面的凹槽均布排列構(gòu)成，其中第一變截面毛細(xì)流道相對(duì)于傳熱板中心線X軸呈對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

所述傳熱板B上采用化學(xué)蝕刻等工藝在其一側(cè)表面加工有第二變截面毛細(xì)流道，所述第二變截面毛細(xì)流道是上大下小的梯形結(jié)構(gòu)形式、由多個(gè)上大下小連續(xù)漸變截面的凹槽均布排列構(gòu)成，其中第二變截面毛細(xì)流道的上下兩端有至少一個(gè)左右方向的進(jìn)出流道，所述第二變截面毛細(xì)流道相對(duì)于傳熱板中心線X′軸呈對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、本發(fā)明換熱板片變截面毛細(xì)流道：設(shè)計(jì)其當(dāng)量直徑接近或小于1mm，換熱表面積比大、傳熱系數(shù)增高、傳熱流程短：換熱器單位體積內(nèi)換熱面積大 800--5000 m²/m³。與在用的管殼式換熱器相比，本換熱器體積重量大為減?。簻p小幅度可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)，與相關(guān)的裝置如安裝平臺(tái)與支撐裝置等的體積與重量都相應(yīng)減小。

2、根據(jù)力學(xué)受力原理，傳熱流體流道結(jié)構(gòu)尺寸越小，在壁面很薄時(shí)可承受傳熱流體工作壓力越高，本換熱器工作壓力最高：100MPa 。

3、本發(fā)明變截面毛細(xì)流道換熱器的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是：內(nèi)部設(shè)置帶有精細(xì)換熱流道網(wǎng)的單一金屬塊，不存在管殼式換熱器在上述運(yùn)行中因熱漲冷縮、流體沖擊振動(dòng)、包括在地震災(zāi)中可能產(chǎn)生事故的結(jié)構(gòu)因素，提高了設(shè)備安全可靠性能，保障安全運(yùn)行。

4、可選擇最高工作溫度950℃或適應(yīng)深低溫（如-200℃）的合金制成：適應(yīng)深低溫/高壓、超高溫/高壓工況，金屬板毛細(xì)流道可用化學(xué)蝕刻、激光熔刻或機(jī)械加工等制成。

5、本發(fā)明在高溫、高壓、真空或純凈惰性氣體條件下，金屬傳熱板片之間的全部接觸面上分子雙向擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)板片接觸面金屬固態(tài)結(jié)合、形成與金屬母體相同晶體結(jié)構(gòu)，其具有與金屬母體同樣的物理與化學(xué)性能。實(shí)際成為內(nèi)部有精密設(shè)計(jì)毛細(xì)流道的換熱金屬模塊，一個(gè)或若干個(gè)換熱模塊組合成滿足傳熱工況要求的換熱器芯體；將兩側(cè)流體進(jìn)出口的聯(lián)箱接管法蘭焊接到換熱器芯體的對(duì)應(yīng)位置，制成完整的異形毛細(xì)流道換熱器。

6、本發(fā)明根據(jù)換熱器工藝側(cè)氣(液)體工況要求，按照流體隨著溫度升高/降低--體積增大/縮小，設(shè)計(jì)梯形變截面毛細(xì)流道，獲得優(yōu)化工藝流體趨近等速穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，在滿足工況要求前提下獲得更高傳熱系數(shù)與單位體積更大換熱面積，進(jìn)一步減小和換熱器體積與重量，設(shè)計(jì)毛細(xì)流道根部圓角結(jié)構(gòu)減少應(yīng)力集中，提高承壓力與可靠性。

7、本發(fā)明在深低溫或高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕與現(xiàn)場(chǎng)要求體積小、重量輕或換熱介質(zhì)昂貴的技術(shù)條件下具有突出優(yōu)異性能與效益。

8、本發(fā)明適用于海洋工程裝備、石油化工、化工、機(jī)械動(dòng)力、燃料電池汽車(chē)、太陽(yáng)熱能、核能與氫能等新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

9、本發(fā)明能大幅度提高單位體積換熱面積、相應(yīng)減小換熱器體積與重量并提高運(yùn)行可靠性，如在海工裝備中天然氣液化與液化天然氣氣化工藝等都是采用管殼式換熱器，用異形毛細(xì)流道擴(kuò)散焊氣體換熱器可大幅度減少換熱器體積與重量、提高運(yùn)行可靠性、獲得顯著效益。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明圖1中芯體部分A-A剖面或圖2中芯體部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明圖1中芯體部分A-A剖面或圖2中芯體部分剖面的另一種實(shí)施方式截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明傳熱板A的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明傳熱板B的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明傳熱板B的另一種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明圖5的C處局部放大剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

由附圖1、2所示：該換熱器包括芯體1、設(shè)置在芯體1上端連接熱流體進(jìn)口管路的上聯(lián)箱接管法蘭2、設(shè)置在芯體1下端連接熱流體出口管路的下聯(lián)箱接管法蘭3，設(shè)置在芯體1左右兩側(cè)至少一個(gè)連接冷卻介質(zhì)進(jìn)出口管路的聯(lián)箱接管法蘭4、5，所述的上聯(lián)箱接管法蘭2的進(jìn)氣口面積大于下聯(lián)箱接管法蘭3出氣口面積。

由附圖2、3、4、5所示：所述的芯體1由多個(gè)傳熱板A和傳熱板B依次交替疊加與頂板擴(kuò)散焊接構(gòu)成，所述傳熱板A上采用化學(xué)蝕刻等工藝在其一側(cè)表面加工有第一變截面毛細(xì)流道6，所述第一變截面毛細(xì)流道6是上大下小的梯形結(jié)構(gòu)形式、由多個(gè)上大下小連續(xù)漸變截面凹槽6-1均布排列構(gòu)成，其中第一變截面毛細(xì)流道6相對(duì)于傳熱板中心線X軸呈對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

所述傳熱板B上采用化學(xué)蝕刻工藝在其一側(cè)表面加工有第二變截面毛細(xì)流道7，所述第二變截面毛細(xì)流道7是上大下小的梯形結(jié)構(gòu)形式、由多個(gè)上大下小連續(xù)漸變截面凹槽7-1均布排列構(gòu)成，其中第二變截面毛細(xì)流道7的上下兩端有至少一個(gè)左右方向的進(jìn)出流道8，所述第二變截面毛細(xì)流道7相對(duì)于傳熱板中心線X′軸呈對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

本發(fā)明采用化學(xué)蝕刻等工藝加工傳熱板A和傳熱板B上的的異形毛細(xì)流道，所述的化學(xué)蝕刻是利用腐蝕性溶劑對(duì)板片毛細(xì)流道里多余金屬體用化學(xué)腐蝕去除的工藝，歷史悠久，現(xiàn)有眾多的化學(xué)蝕刻公司都有成套的化學(xué)蝕刻設(shè)備，針對(duì)流道板不同的金屬材料選擇相應(yīng)的腐蝕溶劑與其濃度，按照工藝需要的溫度與時(shí)間，在蝕刻設(shè)備中對(duì)金屬板進(jìn)行壓力噴射蝕刻制成毛細(xì)流道結(jié)構(gòu)，化學(xué)蝕刻工藝流程：表面清洗 → 噴涂抗蝕油墨 → 烘烤 → 晾干 → 菲林曬版 → 顯影 → 烘烤 → 化學(xué)腐蝕 → 清洗 → 脫墨 → 清洗 → 成品。

本發(fā)明擴(kuò)散焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)換熱芯體（異形毛細(xì)流道板束+頂板）的制備，具體步驟是：首先對(duì)上下端板的表面要嚴(yán)格精整與徹底清潔，然后對(duì)毛細(xì)流道傳熱板A（工藝側(cè)流道板）和傳熱板B（工作側(cè)微流道板）按設(shè)計(jì)要求依次疊放，在封閉容器內(nèi)將帶端板的毛細(xì)流道傳熱板片束準(zhǔn)確定位，按該金屬板材擴(kuò)散焊接工藝條件要求，真空或充惰性氣、加壓（如液壓、氣壓）、加熱（如電熱）按工藝時(shí)間要求進(jìn)行擴(kuò)散焊接，擴(kuò)散焊工藝溫度一般要高于該金屬熔點(diǎn)的60%、與低于其熔點(diǎn)的100℃～200℃的范圍內(nèi)。擴(kuò)散焊工藝壓力要控制在高溫下擴(kuò)散焊加工中：加工件不應(yīng)產(chǎn)生宏觀變形。

工作原理：

1）工藝側(cè)流體冷卻：來(lái)自工藝系統(tǒng)的熱流體（氣體或液體）由上部經(jīng)深色流道向下流動(dòng)放熱流入下端工藝系統(tǒng)；來(lái)自冷卻系統(tǒng)或需要加熱的氣體或液體從工作側(cè)右下接管流入流道向上流動(dòng)吸熱，從左上接管流出流向熱阱或需加熱工藝系統(tǒng)的下端管路。

2）工藝側(cè)流體加熱：來(lái)自于工藝系統(tǒng)的流體（氣體或液體）由下部經(jīng)深色流道向上流動(dòng)吸熱，通過(guò)上部接管流入其工藝系統(tǒng)下端管路。來(lái)自熱源或需要冷卻的工作側(cè)液體或氣體由左上接管流入流道向下流動(dòng)放熱，從左上接管流入流入熱阱或冷卻系統(tǒng)下端管路。