[发明专利]一种基于中空泡沫材料的微通道换热装置及其应用

说明书

本发明涉及热量交换与热量管理领域，具体为一种基于中空泡沫材料的微通道换热装置及其应用。该微通道换热装置的主要功能区含有中空泡沫材料，该材料的结构在宏观上由三维连通的支撑骨架网络构建而成，支撑骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道。采用本发明所述的基于中空泡沫材料的微通道换热装置，其主要功能区的宏观三维连通开孔尺寸、三维连通的中空微通道内腔尺寸、微通道管壁厚度均可调控。该微通道换热装置的宏观三维连通开孔网络内进行高效的物质对流和热量传递，中空微通道的管壁本体能够将换热过程中的冷热两相进行有效隔离，热量跨过中空微通道管壁本体进行传递和交换，单位体积的换热功能区具有较大的换热面积。

技术领域

本发明涉及热量交换与热量管理领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微通道换热装置及其应用。

背景技术

换热装置是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热装置行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。尤其是微通道换热装置，因其具有体积小、换热系数大、换热效率高、可节约材料降低成本、可持续发展等诸多优点，已受到国内外学术界和工业界的广泛关注，在化学工业、石油化工、微电子工业、生物工程、环境工程、食品、发酵和制药等领域具有重要的研究价值和应用前景。

目前，微通道换热装置的发展主要面临着两个需要改进的关键技术问题：(1)其核心换热功能区的结构多采用微通道平行流管形式，高温流体或者低温流体在热量交换过程中，流动状态和换热效率受到平行流管形式的限制而无法大范围调控；(2)其核心换热功能件主要是采用微机械加工方法制备而得，受加工制备方法限制，其构成材质多采用金属类材料，致使换热装置在应用过程中不可避免地面临金属材料的化学腐蚀问题。因此，针对微通道换热装置的深入研究与推广应用应主要围绕如何解决上述两个技术问题展开。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于中空泡沫材料的微通道换热装置及其应用，解决现有技术中有效换热面积较低、耐腐蚀性差、制备工艺复杂等问题。

本发明的技术方案：

一种基于中空泡沫材料的微通道换热装置，该微通道换热装置以具有致密管壁的中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微换热单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微换热单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微换热单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微换热功能区构成；作为该微通道换热装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，其中空微通道管壁将热量交换过程中的高温流体与低温流体分隔开。

所述的基于中空泡沫材料的微通道换热装置，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微换热功能区，形成基于中空泡沫材料的微通道换热装置的微换热单元组件；微换热单元组件中设置两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微换热功能区，中空泡沫微换热功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔。

所述的基于中空泡沫材料的微通道换热装置，微换热单元组件采用如下结构之一：

(1)微换热单元组件为圆柱式的微换热单元组件的结构设计，微换热流体引接口采用管状微换热流体引接口，微换热单元组件中设置一个圆底面式集流空腔和一个圆柱外侧壳式集流空腔，另设置一个圆柱中心轴向微通道流体分流密封层和一个圆柱外侧壳式微通道流体分流密封层，形成微通道流体径向流动，宏观网孔内流体轴向流动的圆柱式微换热单元组件；