CN108362162A

CN108362162A - 一种热交换设备

Info

Publication number: CN108362162A
Application number: CN201810225005.2A
Authority: CN
Inventors: 沈国清; 张树晓; 张世平; 安连锁
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2018-08-03

Abstract

本发明公开了一种热交换设备，包括：换热器、超声阵子及连接件，所述超声阵子包括超声换能器及超声变幅杆，所述超声变幅杆的一端设置有所述超声换能器，所述超声变幅杆的另一端通过所述连接件与所述换热器连通。实施本发明可提高换热系数，还可以通过施加的超声波使流体交替的受到膨胀和压缩，以增加脉动而强化换热。

Description

一种热交换设备

技术领域

本发明涉及换热器设备技术领域，并且特别涉及一种热交换设备。

背景技术

热交换设备在化工、石油、航空航天和能源等工业领域中的应用极为普遍，而如何提高换热器换热能力和效率，己经成为整个行业与学术界共同努力的目标。人们采取了一系列技术措施增强传热：由于扩展传热面积、加大传热温差常常受到一定的条件限制，所以在如何提高对流传热系数方面需要进一步的深入研究。对于热交换设备，改变流体的流动，可以加入***物，但是会产生流动阻力增加、通道易堵塞与结垢等生产上的问题；增加流速，但又必须注意增加流速也要受到各种因素的限制；加旋转流动装置，但是这需要一些专门生产旋转流动的元件和装置，费用较高，使得强化换热的性价比大大降低。

因此亟待提出一种兼顾成本和换热效率的新型热交换设备。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种热交换设备，以解决现有强化热交换设备换热技术中的不足，提升换热效率。

具体而言，本发明的热交换设备，包括：换热器，所述热交换设备还包括超声阵子及连接件，所述超声阵子包括超声换能器及超声变幅杆，所述超声变幅杆的一端设置有所述超声换能器，所述超声变幅杆的另一端通过所述连接件与所述换热器连通。

进一步地，所述超声变幅杆的过渡段节点位置x与该节点位置D的直径之间的对应关系满足第一公式约束，所述第一公式为：

其中，N为变幅杆的输入端与输出端的面积比，I₂为所述超声变幅杆的过渡段的长度，D₁为变幅杆的输入端直径。

进一步地，所述变幅杆的输入端直径比所述换热器直径大20％—30％。

进一步地，所述变幅杆的输入端直径比所述换热器的直径大20％，且所述换热器的直径为47mm，所述变幅杆的输入端直径为56.4mm。

进一步地，所述过渡段的长度I₂通过第二公式计算获得，所述第二公式为：

其中，H₁为半波谐振长度系数，λ为变幅杆中的波长，所述变幅杆中的波长为129mm，所述半波谐振长度系数为0.843754。

进一步地，所述变幅杆的形状因数ψ通过第三公式计算获得，所述第三公式为：

其中，v为所述变幅杆的均匀杆中的最大质点速度，v_2max为所述变幅杆的质点振动最大速度，所述变幅杆的形状因数ψ为1.47。

进一步地，所述变幅杆放大倍数M通过第四公式计算获得，所述第四公式为：

其中，α₂为所述变幅杆的输出端振幅，α₁为所述变幅杆的输入端振幅，所述变幅杆的形状因数ψ为17.5。

进一步地，所述超声阵子产生的气泡射流和所述换热器的冷源流向相同。

进一步地，所述连接件为连接导管，所述换热器的本体上设置有通孔，所述连接导管设置在所述通孔处，并与所述超声阵子可拆卸连接；所述通孔的开孔方向满足所述超声阵子产生的气泡射流和所述换热器的冷源流向相同。

进一步地，所述超声阵子的数量包括多个，各所述超声阵子分别一一对应设置在所述换热器的冷端进口与折流板之间、所述换热器的折流板之间以及所述换热器的折流板与冷端出口之间。

进一步地，所述超声阵子在所述换热器本体的两侧依次交错分布。

本发明的热交换设备，通过利用超声阵子形成的空化气泡束，不仅可以形成射流冲击，直接冲击到换热器的管壁面，增加流体在传热界面的湍流程度，可提高换热系数，还可以通过施加的超声波使流体交替的受到膨胀和压缩，以增加脉动而强化换热。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种热交换设备的结构示意图；

图2为图1所示热交换设备的剖视图；

图3为图1所示热交换设备中超声阵子的结构示意图；以及

图4为图1所示热交换设备中变幅杆的结构示意图。

其中，1、2、3、4超声阵子，5、冷端进口，6、冷端出口，7、热端出口，8、热端进口，9、10管箱法兰，11、管壳式换热器，12、折流板，13、连接导管，14、换热管，15、超声空化气泡束，16、超声换能器，17、超声变幅杆，18、连接螺杆，19、外螺纹。

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中的附图，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做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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

下面结合附图详细说明本发明实施涉及的热交换设备。

如图1及图2所示，热交换设备包括：换热器11、超声阵子1、2、3、4及连接导管13。超声阵子包括超声换能器16及超声变幅杆17。超声变幅杆17的一端设置有超声换能器16。超声变幅杆17的另一端通过连接导管13与换热器11连通。其中，换热器11可以采用小型<1-2>管壳式换热器，其包括冷端进口5、冷端出口6、热端出口7、热端进口8、管箱法兰9、10，壳体11以及折流板12。

优选地，超声阵子1、2、3、4产生的气泡射流和换热器的冷源流向相同，以增强冲击效果。具体操作时，换热器11的本体上两侧设置有通孔，通孔的开孔方向满足超声阵子产生的气泡射流和换热器的冷源流向相同。连接导管13设置在通孔处，并与超声阵子1、2、3、4可拆卸连接。具体地，连接导管13有内螺纹，超声阵子1、2、3、4有外螺纹19，两者通过螺纹连接，可以更好地将超声阵子1、2、3、4安装到换热器11，超声阵子1、2、3、4拆卸后，通孔可以起到***口的作用，停用时可以采用螺杆将孔封闭。

优选地，换热器11的本体两侧通孔位置为冷端进出口5、6与折流板12的中间位置，其余打孔位置为两个折流板12中间位置，通孔大小根据超声阵子底部直径大小确定；超声阵子在换热器11本体的两侧依次交错分布。在打孔位置可以通过无缝焊接的方式焊接连接导管13，连接导管13的长度可以以满足超声阵子不接触换热器内部换热管为基准。由此，超声阵子1、2、3、4可以有效的***冷源液体中，使其聚集更高的超声能量，产生更多的超声空化泡15和更高的振动幅值。

如图3所示，具体操作时，超声换能器16和超声变幅杆17可以通过连接螺杆18和AB胶双重连接。

上述热交换设备的工作原理简述如下：在激励超声阵子1、2、3、4之前，使换热器11正常运行一段时间，带其稳定运行后，激励超声阵子1、2、3、4，会在超声作用区域形成局部的暂时的负压区，在液体中产生空穴或者气泡，这些充有蒸气或者空气的气泡处于非稳定状态，当它们突然闭合时会产生激波，因而在其作用区域产生很强的压力，从而把聚集起来的声场能在液体中的极小空间内迅速释放出来，形成高压以及强冲击波和射流等极端条件，从而出现超声空化气泡束15，不断冲刷换热器11的换热管14，增加流体在传热界面的湍流程度，减小传热边界厚度，从而增加传热系数。与此同时，施加超声波这一外来能量的作用，会使冷源流体交替的受到压缩和膨胀，以增加脉动从而强化传热。

可以理解的是，超声阵子的数量可以根据换热器11内的折流板12的个数确定，本实施例中超声阵子的数量为4个，为举例说明，不应做限定性理解。

本发明所述的超声变幅杆是针对超声空化效应所设计的，以超声换能器参数为基准，可直接***冷源液体中，使其聚集更高的超声能量，产生更多的超声空化泡和更高的振动幅值。此复合变幅杆为指数型，其型号可根据超声换能器的原始频率、初始振幅和所需振幅计算确定。

变幅杆的材料可以选用45号钢，这种材料的共振能耗系数比较小，声弹性好，且价格便宜，可加工性好，其性能参数为：密度ρ＝7.9g/cm³，弹性模量E＝20920kg/mm²，声速c＝5.16×10³m/s，抗拉强度σ＝61kg/mm²，取其疲劳应力F＝0.4σ＝0.4×61＝24.4kg/mm²。

换能器的谐振频率为f＝20kHz，直径φ＝47mm，输入端振幅α₁＝4μm，变幅杆的输出端振幅为α₂＝70μm。该变幅杆输出端质点振动速度较大,应由形状因数ψ和放大倍数M两方面考虑选择变幅杆类型。该材料均匀杆中所能达到的最大质点速度v及变幅杆中的波长λ分别为：

变幅杆质点振动最大速度v_2max为：

变幅杆形状因数变幅杆放大倍数

参照，通过查表，其中以N＝7带指数型过渡段的阶梯复合变幅杆能同时满足阮世勋用计算机编制的设计用表上述设计要求，由计算表查得：半波谐振长度系数H₁＝0.843754，位移节点长度系数G₁＝0.189397，变幅杆放大倍数M₁＝17.53419，变幅杆形状因数ψ＝1.53977。

过渡段长度

两圆柱段长度

变幅杆的总长度I＝I₁+I₂+I₃＝29.03+108.84+29.03＝166.90mm；

节点位置

一般情况下，变幅杆输入端直径应比换能器直径大20％—30％，可取20％，则变幅杆的输入端直径D1为：

D₁＝(1+20％)×47＝56.4mm；

则

其中，N表示的是变幅杆的输入端与输出端的面积比，此值可查阮世勋用计算机编制的设计用表获得，此处N取值7。要求变幅杆的长度级及节点位置等均符合安装要求，输出端截面尺寸符合要求，则按照计算过渡段任意点直径，表1示出了其中10点的计算值。

表1

由以上数据，画出超声空化强化换热所需要的超声复合变幅杆，如附图4所示。

本实施例在射流冲击和依靠外来能量的作用原理基础上，通过连接导管13将超声阵子连接到热交换设备内部，与冷源直接接触，有效的解决了将超声振动传送至换热器内部的问题。并且超声波还可以实现对换热器内部及传热管束内部沉淀物的清洗，具有防垢与除垢的作用，减少传热热阻，提高传热效率。热交换设备体积小，成本低，换热系数高，较没有作用超声空化时，可提高换热系数高达50％以上。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或者部分步骤/单元/模块可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例各单元中对应的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热交换设备，包括：换热器(11)，其特征在于，所述热交换设备还包括超声阵子(1)及连接件，所述超声阵子包括超声换能器(16)及超声变幅杆(17)，所述超声变幅杆(17)的一端设置有所述超声换能器(16)，所述超声变幅杆(17)的另一端通过所述连接件与所述换热器(11)连通。

2.如权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述超声变幅杆(17)的过渡段节点位置x与该节点位置D的直径之间的对应关系满足第一公式约束，所述第一公式为：

其中，N为变幅杆的输入端与输出端的面积比，I₂为所述超声变幅杆(17)的过渡段的长度，D₁为变幅杆的输入端直径。

3.如权利要求2所述的热交换设备，其特征在于，所述变幅杆的输入端直径比所述换热器直径大20％—30％。

4.如权利要求3所述的热交换设备，其特征在于，所述变幅杆的输入端直径比所述换热器的直径大20％，且所述换热器的直径为47mm，所述变幅杆的输入端直径为56.4mm。

5.如权利要求4所述的热交换设备，其特征在于，所述过渡段的长度I₂通过第二公式计算获得，所述第二公式为：

6.如权利要求5所述的热交换设备，其特征在于，所述变幅杆的形状因数ψ通过第三公式计算获得，所述第三公式为：

7.如权利要求6所述的热交换设备，其特征在于，所述变幅杆放大倍数M通过第四公式计算获得，所述第四公式为：

8.如权利要求1-7中任一项所述的热交换设备，其特征在于，所述超声阵子产生的气泡射流和所述换热器的冷源流向相同。

9.如权利要求8所述的热交换设备，其特征在于，所述连接件为连接导管(13)，所述换热器的本体上设置有通孔，所述连接导管(13)设置在所述通孔处，并与所述超声阵子可拆卸连接；所述通孔的开孔方向满足所述超声阵子产生的气泡射流和所述换热器的冷源流向相同。

10.如权利要求9所述的热交换设备，其特征在于，所述超声阵子的数量包括多个，各所述超声阵子分别一一对应设置在所述换热器(11)的冷端进口与折流板之间、所述换热器(11)的折流板之间以及所述换热器(11)的折流板与冷端出口之间；

其中，所述超声阵子在所述换热器(11)本体的两侧依次交错分布。