一种微阶梯流道孔筒状紧凑换热器

本发明涉及换热器，尤其涉及一种微阶梯流道孔筒状紧凑换热器。

背景技术：

1、全球能源结构加速向清洁化、低碳化转型，火电深度调峰、核能、氢能、超临界二氧化碳循环、余热回收等新型工业场景对换热设备的紧凑性、换热效率、耐温耐压性能提出更高要求，印刷电路板式换热器（pche）凭借换热面积密度大、换热系数高、结构紧凑、承压耐高温等突出优势，逐步成为高端能源装备领域的核心紧凑换热设备，产业化应用规模持续扩张。

2、现有的主流印刷电路板式换热器成型工艺仍以化学蚀刻为主流加工方案，该工艺在生产过程中会产生大量含重金属、酸性腐蚀剂的蚀刻废液。废液直接排放将严重污染水体与土壤，不符合环保排放管控标准；若配套完整废液中和、重金属沉淀、净化回收处理系统，生产线环保配套设施投入与日常运维成本居高不下。环保治理带来的附加成本直接推高整机制造价格，大幅削弱 pche 相较于管壳式、板式换热器的综合经济性，制约其在大规模民用工业余热、中小型储能换热场景的规模化推广，产品成本与市场竞争力仍存在较大优化空间。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种微阶梯流道孔筒状紧凑换热器。

2、为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

3、一种微阶梯流道孔筒状紧凑换热器，其特征在于：包括芯体、冷侧工质入口模块、冷侧工质出口模块、热侧工质入口模块、热侧工质出口模块；

4、所述芯体由若干圆形的芯体板片堆叠而成，所述芯体板片上沿周向均匀间隔设置有热侧工质流道孔、冷侧工质流道孔，相邻芯体板片之间以芯体板片的圆心为轴沿同一方向旋转角度

α，所述热侧工质流道孔、冷侧工质流道孔在芯体内部分别形成沿芯体轴向螺旋向前的热侧工质微阶梯形螺旋流道和冷侧工质微阶梯形螺旋流道；

5、所述冷侧工质入口模块、热侧工质出口模块设置在芯体的一端，分别连接冷侧工质微阶梯形螺旋流道的入口和热侧工质微阶梯形螺旋流道的出口；

6、所述冷侧工质出口模块、热侧工质入口模块设置在芯体的另一端，分别连接冷侧工质微阶梯形螺旋流道的出口和热侧工质微阶梯形螺旋流道的入口。

7、进一步的，所述热侧工质流道孔和冷侧工质流道孔分别包括沿芯体板片径向排布的若干第一圆孔和第二圆孔，相邻的所述第一圆孔和第二圆孔之间的夹角

θ1≤30°。

8、进一步的，所述第一圆孔和第二圆孔的孔径由内到外逐渐增大，且共同外切于所述芯体板片半径所在的直线。

9、进一步的，所述芯体板片上热侧工质流道孔和冷侧工质流道孔的几何参数通过下列方法确定：

10、给定一个初始的几何参数，包括芯体板片厚度

t、相邻芯体板片之间旋转角度

α、第一圆孔或第二圆孔的直径

d；

11、带入下列公式中，计算微阶梯形螺旋流道壁面摩擦压降梯度d

pf/d

z和对流换热能力

htc，

12、

13、

14、

15、

16、式中，

α0取值1°，

t0取值1mm，

f为范宁摩擦系数，

ρ为工质密度，

u为工质流速，

nu为努赛尔数，

re为工质雷诺数，

k为工质热导率；

17、调整

t、

α、

d的数值带入上述公式进行迭代计算，直至得到的d

pf/d

z和

htc的数值符合预设的期望值满足性能需求，输出最终的

t、

α、

d。

18、进一步的，所述第一圆孔或第二圆孔的最内侧孔的直径

d1为0.5-2.0mm、距离芯体板片内边缘距离

t1为0.5-5.0mm，最外侧孔直径

dn为1.0-5.0mm、距离芯体板片外边缘距离

t2为0.5-5.0mm，径向相邻孔间距

d为0.2-2.0mm，芯体板片厚度

t为0.1-5.0mm；相邻芯体板片旋转角度

α范围为1/100-1/5倍的

θ1。

19、进一步的，所述冷侧工质入口模块包括第一过渡模块、冷侧工质入口集箱，所述第一过渡模块上设置有第一冷侧工质过渡孔、第一热侧工质过渡孔，所述冷侧工质入口集箱上设置有第一冷侧工质径向汇流孔、第一冷侧工质周向汇流孔、冷侧工质入口、第二热侧工质过渡孔，所述冷侧工质微阶梯形螺旋流道的入口、第一冷侧工质过渡孔、第一冷侧工质径向汇流孔、第一冷侧工质周向汇流孔、冷侧工质入口依次连接，所述热侧工质微阶梯形螺旋流道的出口、第一热侧工质过渡孔、第二热侧工质过渡孔、热侧工质出口模块依次连接。

20、进一步的，所述热侧工质出口模块包括依次连接的第一隔离模块、热侧工质出口集箱、顶盖，所述第一隔离模块上设置有第三热侧工质过渡孔，所述热侧工质出口集箱上设置有第一热侧工质径向汇流孔、第一热侧工质周向汇流孔、热侧工质出口，所述第二热侧工质过渡孔、第三热侧工质过渡孔、第一热侧工质径向汇流孔、第一热侧工质周向汇流孔、热侧工质出口依次连接。

21、进一步的，所述冷侧工质出口模块包括第二过渡模块、冷侧工质出口集箱，所述第二过渡模块上设置有第二冷侧工质过渡孔、第四热侧工质过渡孔，所述冷侧工质出口集箱上设置有第二冷侧工质径向汇流孔、第二冷侧工质周向汇流孔、冷侧工质出口、第五热侧工质过渡孔，所述冷侧工质微阶梯形螺旋流道的出口、第二冷侧工质过渡孔、第二冷侧工质径向汇流孔、第二冷侧工质周向汇流孔、冷侧工质出口依次连接，所述热侧工质微阶梯形螺旋流道的入口、第四热侧工质过渡孔、第五热侧工质过渡孔、热侧工质入口模块依次连接。

22、进一步的，所述热侧工质出口模块包括依次连接的第二隔离模块、热侧工质入口集箱、底盖，所述第二隔离模块上设置有第六热侧工质过渡孔，所述热侧工质入口集箱上设置有第二热侧工质径向汇流孔、第二热侧工质周向汇流孔、热侧工质入口，所述第五热侧工质过渡孔、第六热侧工质过渡孔、第二热侧工质径向汇流孔、第二热侧工质周向汇流孔、热侧工质入口依次连接。

23、进一步的，所述第一过渡模块、冷侧工质入口集箱、第一隔离模块、热侧工质出口集箱、第二过渡模块、冷侧工质出口集箱、第二隔离模块、热侧工质入口集箱均采用板片堆叠而成，板片的厚度为0.5-5.0mm。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、芯体板片通过机械或激光切割形成沿径向分布的圆形流道孔阵列，芯体通过芯体板片堆叠而成，相邻芯体板片相对旋转微小角度，从而形成微阶梯流道孔，微阶梯流道孔沿换热器筒体螺旋分布。该设计摒弃了传统通过化学蚀刻形成微流道孔的思路，可大大降低化学蚀刻废液对环境的不良影响，省去传统化学蚀刻废液处理的高昂成本，同时微阶梯流道孔设计可有效促进边界层扰动，从而有效提高换热器传热能力，相当工况下对流传热系数可提高5%-25%，经济性可显著提高，成本约可降低30%-80%。本发明专利设计变量多、设计灵活度大，可满足更广范围内工业应用场景。

26、流道孔由多个独立沿径向排布的圆形通道组成，承压能力高，通常使用场景下工质压力可高达20-30mpa；另外独立的孔道，方便堵管，当某个孔道出问题时，通常可将两端熔焊封堵，不影响其它孔道工作。

27、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。