一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器
阅读说明：本技术 一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器 (Metal foam base printed circuit board type flue gas heat exchanger ) 是由 舒歌群 张洪飞 田华 石凌峰 王轩 陈天宇 李聿容 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器,包括换热器芯体,换热器芯体为微米级印刷电路板式结构,换热器芯体包括冷流体通道和热流体通道,所述热流体通道采用金属泡沫材料的z字流道,所述冷流体通道和热流体通道在层叠方向上周期性交错组合排布,所述热流体通道的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间；本发明的优点在于：实现小型化和轻量化,通过金属泡沫流通进一步提升换热性能,且由于金属泡沫的可渗透性,金属泡沫材料的z字流道大幅度降低压降,能够应用于车载余热回收系统,对内燃机节能减排,实现内燃机余热回收系统的小型化与集成化有非常重要的意义。(The invention discloses a metal foam base printed circuit board type flue gas heat exchanger, which comprises a heat exchanger core body, wherein the heat exchanger core body is of a micron-sized printed circuit board type structure, the heat exchanger core body comprises a cold fluid channel and a hot fluid channel, the hot fluid channel adopts a zigzag flow channel made of metal foam materials, the cold fluid channel and the hot fluid channel are periodically arranged in a staggered combination manner in the stacking direction, and the range of the linear distance from a starting point to a terminal point of the hot fluid channel is between 2 and 40 mm; the invention has the advantages that: the heat exchange performance is further improved through the circulation of the metal foam, and due to the permeability of the metal foam, the pressure drop of the Z-shaped flow channel made of the metal foam material is greatly reduced, so that the heat exchange device can be applied to a vehicle-mounted waste heat recovery system, has very important significance for saving energy and reducing emission of an internal combustion engine and realizing the miniaturization and integration of the waste heat recovery system of the internal combustion engine.)
技术领域
本发明涉及热能技术领域，更具体涉及一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器。
背景技术
烟气换热器是内燃机余热回收循环系统中的关键部件，其担负着从内燃机烟气中吸收热量的作用。设计一款合适的烟气换热器可以极大地提高余热回收系统效率。而传统换热器以及传统换热强化手段存在着换热效率低的缺点，导致烟气换热器体积和重量过于庞大，体积庞大以及重量大的情况下难以应用于车载余热回收系统。此外内燃机对于烟气压降损失非常敏感，烟气换热器要满足流动阻力小的要求以提高换热效率。
中国专利授权公告号CN208620384U，公开了一种复合板式烟气换热器，包括上盖板、下盖板、立柱及换热片，所述上盖板、下盖板及立柱构成换热器框架，所述换热片设置有多个并间隔分布设置于所述换热器框架内，并且任意两相邻换热片之间对应设置有密封条，任意相邻两换热片上设置的密封条呈90°错位设置，形成多个相邻交错设置的热流体通道和冷流体通道，所述热流体通道和冷流体通道内均对应设置有扰流体，所述换热片为多边形的复合板片。该实用新型抗露点腐蚀，实现长周期稳定运行，不仅能回收烟气低温余热中的显热，还可以回收烟气中水蒸气的潜热，节能效果显著，减排效果显著，强度高，密封性好，提高设备使用寿命，实现长周期运行；压降小易清洗。但是该专利换热强化手段存在着换热效率低的缺点，导致烟气换热器体积和重量过于庞大，仅靠复合板涂层光滑表面使得流体流动阻力小，从而减小流体压降，减小压降的效果不明显，基于其体积庞大以及减小压降的效果不明显导致换热效率不高的问题，该专利不适用于车载余热回收系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术烟气换热器体积和重量过于庞大，减小压降的效果不明显导致换热效率不高，从而难以应用于车载余热回收系统的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器，包括换热器芯体，所述换热器芯体为微米级印刷电路板式结构，所述换热器芯体包括冷流体通道和热流体通道，所述热流体通道采用金属泡沫材料的z字流道，所述冷流体通道和热流体通道在层叠方向上周期性交错组合排布，所述热流体通道的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间。
本发明热流体通道的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间，换热器芯体为微米级印刷电路板式结构，冷流体通道和热流体通道在层叠方向上周期性交错组合排布，极大提高换热器的紧凑度，实现小型化和轻量化，热流体通道采用金属泡沫材料的z字流道可以起到改变流体流动方向和提升湍流程度的作用，同时部分流体通过金属泡沫流通进一步提升换热性能，且由于金属泡沫的可渗透性，金属泡沫材料的z字流道大幅度降低压降，能够应用于车载余热回收系统，对内燃机节能减排，实现内燃机余热回收系统的小型化与集成化有非常重要的意义。
进一步地，所述换热器芯体由至少一层热流体基板和至少一层冷流体基板高温扩散焊接而成，所述冷流体基板和热流体基板在层叠方向上周期性交错组合排布，所述冷流体通道设置在所述冷流体基板内，所述热流体通道设置在所述热流体基板内。
更进一步地，所述热流体通道包括多个第一分隔条，所述第一分隔条的材料为金属泡沫材料，每个第一分隔条为多个连续的第一z形条首尾相连形成的折线形条状结构，每个第一分隔条等间隔设置，相邻两个第一分隔条之间形成一个第一通道，第一通道设置在所述热流体基板内且第一通道的入口和出口分别位于换热器芯体的一相对侧，热流体在所述第一通道内流通。
更进一步地，所述冷流体通道包括多个第二分隔条，所述第二分隔条为金属实体结构，每个第二分隔条为一个直线金属条向右垂直折弯再向下垂直折弯形成的第二Z形条，每个第二分隔条等间隔设置，相邻两个第二分隔条之间形成一个第二通道，第二通道设置在所述冷流体基板内且第二通道的入口和出口分别位于换热器芯体的另一相对侧，冷流体在所述第二通道内流通。
进一步地，所述金属泡沫孔隙率在0.7-0.98之间，所述金属泡沫孔密度在30PPI-90PPI之间。
进一步地，所述金属泡沫由铝、铜、镍或者铝、铜、镍的合金采用烧结法、电镀法、加压铸造法或发泡法制成。
进一步地，所述热流体通道孔径的水力直径为1mm-3mm，冷流体通道孔径的水力直径为0.5mm-3mm。
进一步地，所述金属泡沫材料的z字流道的折弯角为锐角或者锐角倒圆角，所述折弯角角度范围在0-45°之间。
进一步地，所述换热器芯体采用金属泡沫材料或者不锈钢材料。
进一步地，所述换热器芯体中金属泡沫材料的z字流道表面覆有碳烟颗粒起活再生催化剂，所述碳烟颗粒起活再生催化剂为碱金属或贵金属。
本发明的优点在于：
(1)本发明热流体通道的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间，换热器芯体为微米级印刷电路板式结构，冷流体通道和热流体通道在层叠方向上周期性交错组合排布，极大提高换热器的紧凑度，实现小型化和轻量化，热流体通道采用金属泡沫材料的z字流道可以起到改变流体流动方向和提升湍流程度的作用，同时部分流体通过金属泡沫流通进一步提升换热性能，且由于金属泡沫的可渗透性，金属泡沫材料的z字流道大幅度降低压降，能够应用于车载余热回收系统，对内燃机节能减排，实现内燃机余热回收系统的小型化与集成化有非常重要的意义。
(2)本发明部分流体通过金属泡沫流动，显著地减少流动死区，进而冲刷流动死角处的污垢和杂质。
(3)本发明热流体通道采用金属泡沫材料的z字流道，可以减小传统z字流道对流动形式改变的影响，从而可以在强化换热的同时显著降低z字流道的压降。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器的结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器中热流体通道在俯视图方向上的结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器中冷流体通道在俯视图方向上的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种金属泡沫基印刷电路板式烟气换热器，包括换热器芯体5，所述换热器芯体5为微米级印刷电路板式结构，所述换热器芯体5包括冷流体通道2和热流体通道1，所述热流体通道1采用金属泡沫材料的z字流道，所述冷流体通道2和热流体通道1在层叠方向上周期性交错组合排布，所述热流体通道1的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间。
所述换热器芯体5由至少一层热流体基板3和至少一层冷流体基板4高温扩散焊接而成，所述冷流体基板4和热流体基板3在层叠方向上周期性交错组合排布，所述冷流体通道2设置在所述冷流体基板4内，所述热流体通道1设置在所述热流体基板3内。
如图2所示，所述热流体通道1包括多个第一分隔条101，所述第一分隔条101的材料为金属泡沫材料，每个第一分隔条101为多个连续的第一z形条首尾相连形成的折线形条状结构，每个第一分隔条101等间隔设置，相邻两个第一分隔条101之间形成一个第一通道102，第一通道102设置在所述热流体基板3内且第一通道102的入口和出口分别位于换热器芯体5的一相对侧，热流体在所述第一通道102内流通。所述金属泡沫材料的z字流道的折弯角为锐角或者锐角倒圆角，还可以采用其他形式的折弯角，所述折弯角角度范围在0-45°之间也即折线形条状结构的每个折弯处的角度范围在0-45°之间。
如图3所示，所述冷流体通道2包括多个第二分隔条201，所述第二分隔条201为金属实体结构，每个第二分隔条201为一个直线金属条向右垂直折弯再向下垂直折弯形成的第二Z形条，每个第二分隔条201等间隔设置，相邻两个第二分隔条201之间形成一个第二通道202，第二通道202设置在所述冷流体基板4内且第二通道202的入口和出口分别位于换热器芯体5的另一相对侧，冷流体在所述第二通道202内流通。本发明中热流体为汽车尾气中的烟气，冷流体为CO2。
本发明的冷流体通道2在空间上尽量与热流体通道1重合，也即图1所示的烟气进口到烟气出口的整个热流体通道1与冷流体通道2的第二Z形条的两个垂直折弯部的连线恰好在俯视方向上重叠，这样冷流体通道2中冷流体能够与热流体通道1中热流体距离最近，接触面最大，从而尽快带走热流体通道1的热量。
作为进一步改进的方案，所述金属泡沫孔隙率在0.7-0.98之间，所述金属泡沫孔密度在30PPI-90PPI之间，上述金属泡沫孔隙率及孔密度是通过现有建模软件对烟气换热器建模以后不断调整参数，选出的综合性能最优的范围。所述金属泡沫由铝、铜、镍或者铝、铜、镍的合金采用烧结法、电镀法、加压铸造法或发泡法制成。烧结法、电镀法、加压铸造法以及发泡法均为现有技术，在此不做赘述。
作为进一步改进的方案，所述热流体通道1孔径的水力直径为1mm-3mm，冷流体通道2孔径的水力直径为0.5mm-3mm。上述水力直径范围同样是通过现有建模软件对烟气换热器建模以后不断调整参数，根据烟气和二氧化碳的物性差异，经过多目标优化计算给出最优的水力直径范围。
作为进一步改进的方案，所述换热器芯体5采用金属泡沫材料或者不锈钢等耐腐蚀的材料，采用耐腐蚀的材料提高换热器整体的使用寿命。
作为进一步改进的方案，所述换热器芯体5中金属泡沫材料的z字流道表面覆有碳烟颗粒起活再生催化剂，所述碳烟颗粒起活再生催化剂为碱金属或贵金属。这种催化剂具有防止碳烟颗粒沉积在烟气流道的作用，如果有沉积，会让其更容易利用烟气热量发生化学反应，消除碳烟颗粒的影响。
通过以上技术方案，本发明热流体通道1的起点到终点的直线距离范围在2-40mm之间，换热器芯体5为微米级印刷电路板式结构，冷流体通道2和热流体通道1在层叠方向上周期性交错组合排布，极大提高换热器的紧凑度，实现小型化和轻量化，热流体通道1采用金属泡沫材料的z字流道可以起到改变流体流动方向和提升湍流程度的作用，同时部分流体通过金属泡沫流通进一步提升换热性能，且由于金属泡沫的可渗透性，金属泡沫材料的z字流道大幅度降低压降，能够应用于车载余热回收系统，对内燃机节能减排，实现内燃机余热回收系统的小型化与集成化有非常重要的意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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