CN110470166B - 一种基于振动强化换热的换热装置及换热装置组 - Google Patents
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Abstract
一种基于振动强化换热的换热装置，包括箱体和管道，所述箱体底部设有冷水管进口端，顶部设有冷水管出口端，右侧壁上部设有热水管进口端，右侧壁下部设有热水管出口端，箱体内左壁面上通过弹簧连接有浮动质量块，内右壁面中央设有固定块，内前后壁面上对称设有燕尾状凹槽的滑道，滑道中设有与之相配合的位移约束块；所述管道从热水进口端穿入箱体自上而下呈S型环绕至少4层至热水出口端穿出，管道左端折弯段与浮动质量块相连接，右端折弯段与固定块相连接，整根管道上间隔套装有若干共振体，位移约束块套装在第一层管道上。该装置在不增大换热面积前提下提高了换热效率，减少了材料消耗，结构紧凑，安装方便，适用于快速降温、余热回收等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动强化换热装置，通过换热管道的振动来提升换热管道的换热效果，使其具有更好的换热效果，属于换热器技术领域。
背景技术
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。
容积式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体表面，从而进行热量交换的换热器，间壁容积式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器。
换热器的强化换热技术对节能降耗具有重要意义，其中被动强化换热技术由于不需要外界高品质能量而达到强化换热的目的，时当前研究的重要方向。利用激励使换热管道产生振动来强化换热是被动强化换热的一种形式，可将换热器内对流体振动诱导因素的严格防止转换为对振动的有效合理的利用，可大大提升换热装置的效率，并利用振动抑制换热管道表面水垢等杂质的粘结，降低污垢的热阻，实现高效能的复合强化换热。
中国发明专利“浮动盘管-热管两级加热汽水热交换器”(申请号：92106727.5)和“弹性管束汽水热交换机组”(申请号：94110563.6)提出一种平面弹性管束传热元件，利用流体诱导管束振动进行强化换热，这种管束具有两个固定端和一个浮动质量端，是一种平面弹性管束传热元件。中国发明专利“空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置”(申请号：200810015875.3)提出一种空间螺旋弹性强化换热管束，管束分为单螺旋形和双螺旋形，双螺旋形换热管上有浮动质量块。中国发明专利“用于弹性管束换热器强化换热的振动诱导装置”(申请号：200910231170.X)提出一种用于弹性管束换热器强化换热的振动诱导装置，以获得换热管束所需的振型、频率和幅值，以达到提高换热效率的目的。中国发明专利“一种自激脉动强化换热的容积式换热器及其工作方法”(申请号：201810466107.3)提出一种自激脉动强化换热的容积式换热器，通过自激振荡装置和脉动液力传动装置来对管道施加振动激励，以强化换热管道的换热效果。
上述专利结构的缺点是换热器对空间需求较大，需要较大的空间安装，对于较小空间场所不适用，其次当换热器制造安装好后，如果流体介质或流体速度发生变化，一种情况可能因流体诱导换热管道的振动的频率和振幅较小，没有太好的换热效果；再一种情况可能因流体诱导换热管束的频率和振幅较大，换热管束会很快发生疲劳损伤。上述结构中各自通过相应的方法对换热管道施加振动激励，通过管道的振动来强化换热，但并不能约束管道间的相对振动。管道的整体振动可强化换热，管道的相对运动虽对强化换热有一定益处但处理不当会造成管路的疲劳损伤，所以如何能较准确调整管道的振幅、频率，并在一定程度限制管道因振幅过大造成管道疲劳损坏值得深入研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前流体诱导振动弹性管束换热器存在的问题，提出一种基于振动强化换热的换热装置，以提高换热装置的换热效率，同时避免因管道振幅过大而造成管道疲劳破损。
本发明的换热装置包括箱体和换热管道，管道内的高温流体及箱体内的低温流体存在较大的温度差，当低温流体流经管道时，冷热流体通过管壁进行对流换热，管内流体温度降低，管外流体温度升高，从而达到热量交换的目的。本发明通过附加振动强化换热装置，使管道产生轻微振动的同时扰动管道周围液体的流动，使管道换热改为强制对流换热，增大换热系数，来提高换热装置的换热效果。
本发明装置中冷水经冷水管进口端流进换热器，直至换热器内腔充满冷水后经冷水管出口端流出，热水经热水管进口端流进S型换热管道，通过换热管道管壁与换热器内冷媒介质进行对流换热，最后经热水管出口端流出。在换热过程中通过变径管、共振体、浮动质量块等装置来强化管道振动，通过位移约束块、浮动质量块、固定块等装置来保护管道，避免管道因振幅过大而造成损伤。通过上述装置的共同作用，在确保管道安全的前提下强化管道的振动，以此来强化换热装置的换热效果。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于振动强化换热的换热装置，包括箱体11和管道，其中所述箱体11底部设有冷水管进口端13，顶部设有冷水管出口端14，箱体11右侧壁上部设有热水管进口端15，右侧壁下部设有热水管出口端16，箱体11内左壁面上通过弹簧6连接有浮动质量块5，内右壁面中央设有固定块10，内前后壁面上对称竖直设置有燕尾状凹槽的滑道4，滑道4中设置有与之相配合的位移约束块3；所述管道从所述热水进口端15穿入箱体11自上而下呈S型环绕至少4层至所述热水出口端16穿出，管道左端折弯段与浮动质量块5相连接，右端折弯段与所述固定块10相连接，整根管道上间隔套装有若干共振体2，所述位移约束块3套装在第一层管道上。
进一步优选，所述热水管进口端15的管道上连接有变径管1，所述变径管1两端内径与所述管道的外径相同，中间部分内径突变为两端内径的一半，突变长度为变径管1总长的三分之一。
进一步优选，所述共振体2由橡胶管2-1和振子2-2通过弹簧相连组成，其中振子2-2一方面通过和管道的共振来强化换热管道的换热效果，另一方面通过扰动换热管道周围水的流动来强化换热。
进一步优选，所述位移约束块3由金属管3-1和两端的连接杆3-2连接组成，所述连接杆3-2一端与金属管3-1相连，另一端为与滑道4相匹配的燕尾形端头。
进一步优选，所述浮动质量块5和固定块10均由橡胶制成，其中所述浮动质量块5上设有至少2个用于嵌装管道的矩形沉孔5-1；所述固定块10上设有至少1个用于嵌装管道的矩形沉孔。
进一步优选，所述冲击盘7为金属制成的倒圆盘，所述冲击盘7与浮动质量块5通过金属棒相连接，所述金属棒与冲击盘7、浮动质量块5均通过粘贴方式相连接。
进一步优选，每层管道右端连接有连接软管8，连接软管8由橡胶制成；所述管道的进口端连接有节流阀17，出口端连接有橡胶阻振接头9和节流阀17。
进一步优选，所述箱体11的底部设置有两个与地面相连接的隔震器12，以减小振动的传递。
为了达到上述目的，本发明采用另一技术方案予以实现。
一种基于振动强化换热的换热装置组，由N+1个权利要求1-8任一项所述的换热装置串联而成，其中N≥1，分别为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N级换热装置，所述第一级换热装置热水管出口端16通过管道连接到第二级换热装置的热水管进口端15，以此类推，各级换热装置的冷水管进口端13、冷水管出口端14分别并联连接，确保换热器内冷媒介质有较低的温度，可以实现对热水管道内热水的多次降温，直至达到使用要求。
有益效果
本发明为解决在特定情况下因空间大小限制无法增大换热器面积等问题，提出一种基于振动强化换热的换热装置，以期望合理有效的利用管道的振动，并增强管道的振动，以提高该换热装置的换热效率
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
(1)对于某些因空间大小限制无法增大换热面积的问题，该装置通过管道的振动来强化换热管的换热效果，以此来提高换热装置的换热效率。
(2)本发明中对于管道的振动方式提出了新的设计方案，以往的设计中，人们总是希望管道振幅要足够大，频率足够高，以达到增强换热效果的目的，然而事实是当换热管道振幅较大时，管道容易出现疲劳损坏，会大大减少其使用寿命；而对于传统的管道诱导方式如在管道进口端施加脉动强化流，以此来诱导管道的振动，或在管道进口端使用其他激励方式使管道产生振动，但随着管道的延长，振动趋势会逐渐减弱，换热强化效果较为有限。
(3)本发明中采用了复合式的振动机理来激励换热管道：一方面与传统换热管道不同，本发明中换热管道添加了变径管，以此来强化流体的流动状态，引起管道的振动，管道的振动会引起管道上安装的振动体上的振子的共振进而可强化管道的振动，振子通过振动扰动换热管道周围水的流动也可强化换热效果，另一方面本发明中最左端设计有浮动质量快，安装在冷水进口端的正上方，浮动质量块与冲击盘刚性连接。刚性盘可视为一个激振面，冷水管进口端的高速水流不断冲击在冲击盘上，浮动质量块上端通过弹簧与壁面相连，通过其合力作用，以此引起浮动质量块的不断振动，从而使得管道不断产生振动。
(4)本发明专利中对于管道易因振动而造成疲劳损坏也提出了新的解决方案，在换热管道上安装有约束块，并在对应的壁面上安装有滑道，滑道开有凹槽，约束块由与之对应的连接杆，通过滑道对约束块的位移起到限制作用，进而进一步通过约束块对管道的位移起到约束作用，壁面管道产生较大的振幅。同时，在最右端换热管道通过连接软管与弯管相连，弯管通过固定块固定在壁面上，连接软管的存在使得换热管道可以产生一定程度的轴向、径向、角向位移，进而对换热管道产生一定的保护作用，避免换热管出现疲劳损伤。
(5)本发明装置不需提供额外的装置来增强换热管道的振动，仅需调节冷水净出口的调节阀即可在一定程度上调节管道的振幅和频率。
附图说明
图1为本发明的基于振动强化换热的换热装置的主视剖切图。
图2为本发明的基于振动强化换热的换热装置的俯视剖切图。
图3为本发明中共振体的构造示意图。
图4为本发明中位移约束块的构造示意图。
图5为本发明中滑道的构造示意图。
图6为本发明中浮动质量块的构造示意图。
图7为本发明中冲击盘的构造示意图。
图8为本发明的基于振动强化换热的换热装置组结构示意图。
图中：1、变径管；2、共振体；3、位移约束块；4、滑道；5、浮动质量块；6、弹簧；7、冲击盘；8、连接软管；9、橡胶阻振接头；10、固定块；11、箱体；12、隔振器；13、冷水管进口端；14、冷水管出口端；15、热水管进口端；16、热水管出口端；17、节流阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以及结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和方向术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
实施例1
如图1-7所示，为本发明实施例的一种基于振动强化换热的换热装置，包括箱体11和管道，其中所述箱体11底部设有冷水管进口端13，顶部设有冷水管出口端14，箱体11右侧壁上部设有热水管进口端15，右侧壁下部设有热水管出口端16，箱体11内左壁面上通过弹簧6连接有浮动质量块5，内右壁面中央设有固定块10，内前后壁面上对称竖直设置有燕尾状凹槽的滑道4，滑道4中设置有与之相配合的位移约束块3；所述管道从所述热水进口端15穿入箱体11自上而下呈S型环绕至少4层至所述热水出口端16穿出，管道左端折弯段与浮动质量块5相连接，右端折弯段与所述固定块10相连接，整根管道上间隔套装有若干共振体2，所述位移约束块3套装在第一层管道上。
其中，所述热水管进口端15的管道上连接有变径管1，所述变径管1两端内径与所述管道的外径相同，中间部分内径突变为两端内径的一半，突变长度为变径管1总长的三分之一。
所述共振体2由橡胶管2-1和振子2-2通过弹簧相连组成，其中振子2-2一方面通过和管道的共振来强化换热管道的换热效果，另一方面通过扰动换热管道周围水的流动来强化换热。
所述位移约束块3由金属管3-1和两端的连接杆3-2连接组成，所述连接杆3-2一端与金属管3-1相连，另一端为与滑道4相匹配的燕尾形端头。
所述浮动质量块5和固定块10均由橡胶制成，其中所述浮动质量块5上设有至少2个用于嵌装管道的矩形沉孔5-1；所述固定块10上设有至少1个用于嵌装管道的矩形沉孔。
所述冲击盘7为金属制成的倒圆盘，所述冲击盘7与浮动质量块5通过金属棒相连接，所述金属棒与冲击盘7、浮动质量块5均通过粘贴方式相连接。
每层管道右端连接有连接软管8，连接软管8由橡胶制成；所述管道的进口端连接有节流阀17，出口端连接有橡胶阻振接头9和节流阀17。
所述箱体11的底部设置有两个与地面相连接的隔震器12，以减小振动的传递。
实施例2
如图8所示，为本发明实施例的一种基于振动强化换热的换热装置组，由N+1个权利要求1-8任一项所述的换热装置串联而成，其中N≥1，分别为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N级换热装置，所述第一级换热装置热水管出口端16通过管道连接到第二级换热装置的热水管进口端15，以此类推，各级换热装置的冷水管进口端13、冷水管出口端14分别并联连接，确保换热器内冷媒介质有较低的温度，可以实现对热水管道内热水的多次降温，直至达到使用要求。
上述实施例中所述浮动质量块5与弹簧6粘贴相连接，并通过弹簧6与箱体壁面相连接，通过金属棒与冲击盘7粘贴相连接，且该浮动质量块5一侧开有矩形沉孔5-1，矩形沉孔5-1的宽度与换热管的直径距离相等，矩形沉孔5-1的长度L为相邻两排换热管间的距离长度。管道最左侧末端可正好嵌入浮动质量块5的矩形沉孔5-1，浮动质量块5可将所有换热管束从左侧约束为一个整体，管道最右侧末端通过固定块10与箱体壁面相连接，即可起支撑作用，又可以限制该段管道的位移，避免产生滑移。当高速、高压的水流冲击冲击盘7引起浮动质量块5的不断振动时，浮动质量块5可将震动传给所有的换热管道，以增大换热管道的振幅，进而强化换热管束的换热效率。另外换热管束上安装有共振体2，当管道振动时引起共振体2上的振子2-2的共振进而强化换热管道的振动幅度和振动频率，振子2-2的振动又可扰动换热管道周围水的流动进而强化换热效果。由位移约束块3、滑道4、连接软管8、固定块10共同约束换热管道的位移，使其既能产生一定的位移来强化换热，又可限制其位移避免管道因位移过大而造成疲劳损伤。换热管道热水进口端安装有变径管1，液体流经变径管1可强化其流动状态，进而使管道产生振动。
上述实施例中共振体2中间为一圆环型橡胶管2-1，其内径D与换热管道外径大小相同，环型橡胶管管厚约为2-4mm，圆环型橡胶管2-1通过弹簧6与振子2-2相连接，振子2-2为由不锈钢或耐腐蚀的橡胶块制成的质量块。其大小可根据换热管道管道的振幅及频率设计。
上述实施例中位移约束块3中间为一金属管3-1，金属管3-1套在换热管管道上，其内径与换热管道外径大小相同，其两端各连接有一连接杆3-2，连接杆3-2一端与金属管3-1相连，另一端为与滑道4相匹配的燕尾形端头，以便能对换热管道产生位移约束。考虑到位移约束块3不作为受力支点和安装方便，只需在最顶层换热管道安装一个即可。
上述实施例中滑道4对称安装在箱体的内前后两侧壁面，滑道4开有燕尾状凹槽4-1，位移约束块3的连接杆3-2可在凹槽4-1内滑动。通过设计该滑道的长度可限制位移约束块的位移，进而限制换热管道的位移，避免换热管道因振幅过大而造成疲劳损伤。
上述实施例中浮动质量块5整体由橡胶制成，浮动质量块5上设有至少2个用于嵌装管道的矩形沉孔5-1，矩形沉孔5-1高度与相邻换热管道间的距离相等，矩形沉孔5-1宽度与换热管道直径大小相等，当换热管道嵌入矩形沉孔5-1内，浮动质量块5可将换热管道约束为一个整体，以便于将浮动质量块5的振动传给所有的换热管，进而强化换热管道的换热。
上述实施例中冲击盘7为金属制成的倒圆盘，所述冲击盘7与浮动质量块5通过金属棒相连接，所述金属棒与冲击盘7、浮动质量块5均通过粘贴方式相连接。当高速高压的水流冲击冲击盘7时可引起冲击盘7的振动，冲击盘7通过金属棒将振动传递给浮动质量块5进而传递给换热管道以强化其换热效果。
上述实施例中每层换热管道右端连接有连接软管8，连接软管8由橡胶制成。防止换热管道因振幅过大而造成管道损伤，所述管道的进口端连接有节流阀17，出口端连接有橡胶阻振接头9和节流阀17。
上述实施例中固定块10整体由橡胶制成且与内箱体右侧壁面相连接，固定块10一侧开有矩形沉孔，矩形沉孔高度与相邻换热管道间的距离相等，矩形沉孔宽度与换热管道直径大小相等，换热管道最右端弯管可嵌入矩形沉孔内，固定块10即可可支撑管道，也可约束最右端弯管的位移。
上述实施例中所有的热水管进口端15、热水管出口端16均放于箱体的同一侧，冷水管进口端13、冷水管出口端14放置于另一侧，且多组设备的冷水管进、出口端分别并联，上一换热装置的热水管出口端16通过管道与下一换热装置的热水管进口端15相连接，以此类推，以实现较大的能量转换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于振动强化换热的换热装置，包括箱体（11）和管道，其特征在于，所述箱体（11）底部设有冷水管进口端（13），顶部设有冷水管出口端（14），箱体（11）右侧壁上部设有热水管进口端（15），右侧壁下部设有热水管出口端（16），箱体（11）内左壁面上通过弹簧（6）连接有浮动质量块（5），内右壁面中央设有固定块（10），内前后壁面上对称竖直设置有燕尾状凹槽的滑道（4），滑道（4）中设置有与之相配合的位移约束块（3）；所述管道从所述热水管进口端（15）穿入箱体（11）自上而下呈S型环绕至少4层至所述热水管出口端（16）穿出，管道左端折弯段与浮动质量块（5）相连接，右端折弯段与所述固定块（10）相连接，整根管道上间隔套装有若干共振体（2），所述位移约束块（3）套装在第一层管道上；其中，
所述热水管进口端（15）的管道上连接有变径管（1），所述变径管（1）两端内径与所述管道的外径相同，中间部分内径突变为两端内径的一半，突变长度为变径管（1）总长的三分之一；
所述位移约束块（3）由金属管（3-1）和两端的连接杆（3-2）连接组成，所述连接杆（3-2）一端与金属管（3-1）相连，另一端为与滑道（4）相匹配的燕尾形端头；
所述浮动质量块（5）上设有至少2个用于嵌装管道的矩形沉孔（5-1）；所述固定块（10）上设有至少1个用于嵌装管道的矩形沉孔；
冲击盘（7）为金属制成的倒圆盘，所述冲击盘（7）与浮动质量块（5）通过金属棒相连接，所述金属棒与冲击盘（7）、浮动质量块（5）均通过粘贴方式相连接；所述浮动质量块（5）安装在冷水管进口端（13）正上方，浮动质量块（5）与冲击盘（7）刚性连接，冷水管进口端（13）的高速水流不断冲击在冲击盘（7）上；
每层所述管道的右端连接有由橡胶制成的连接软管（8）；所述管道的进口端连接有节流阀（17），出口端连接有橡胶阻振接头（9）和节流阀（17）。
2.根据权利要求1所述基于振动强化换热的换热装置，其特征在于，所述共振体（2）由橡胶管（2-1）和振子（2-2）通过弹簧相连组成，其中振子（2-2）一方面通过和管道的共振来强化换热管道的换热效果，另一方面通过扰动换热管道周围水的流动来强化换热。
3.根据权利要求1所述基于振动强化换热的换热装置，其特征在于，所述浮动质量块（5）和固定块（10）均由橡胶制成。
4.根据权利要求1所述基于振动强化换热的换热装置，其特征在于，所述箱体（11）的底部设置有两个与地面相连接的隔震器（12），以减小振动的传递。
5.一种基于振动强化换热的换热装置组，其特征在于，由N+1个权利要求1-4任一项所述的换热装置串联而成，其中N≥1，分别为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N级换热装置，所述第一级换热装置热水管出口端（16）通过管道连接到第二级换热装置的热水管进口端（15），以此类推，各级换热装置的冷水管进口端（13）、冷水管出口端（14）分别并联连接，确保换热装置内冷媒介质有较低的温度，实现对热水管道内热水的多次降温，直至达到使用要求。
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