一种自激式多自由度振动强化换热装置及其工作方法 |
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| 申请号 | CN202211127639.7 | 申请日 | 2022-09-16 | 公开(公告)号 | CN115420125A | 公开(公告)日 | 2022-12-02 |
| 申请人 | 中国人民解放军陆军军事交通学院镇江校区; | 发明人 | 石荣; 刘尊程; 王静; 王斌; 沈军; 邓江伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种换热器技术领域的自激式多 自由度 振动强化换热装置及其工作方法，旨在解决 现有技术 中换 热管 道振动的自由度较少，振动剧烈程度低，换热强化效果有限的问题。其包括壳体和盘管，壳体上下均设有热媒口，壳体上至少设有两冷媒口，盘管包括螺旋部和设于螺旋部两端的直管部，两直管部分别通过一热媒口伸出至壳体外侧；直管部上设有弹性机构，弹性机构与热媒口转动连接，螺旋部与壳体的内壁之间设有弹性元件；本发明适用于 船舶 的余热回收、 燃料 加热，能够利用盘管的多自由度不规则振动在不增加换热面积与温差的前提下提高换热效率，且又不会因此而很快产生疲劳损伤，其结构简单、紧凑性好，空间需求较小，易于加工和安装。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自激式多自由度振动强化换热装置，其特征在于，包括：壳体（1）和设于壳体（1）内的盘管（2），所述壳体（1）的上下两端均设有热媒口（11），所述壳体（1）上至少设有两冷媒口（12），所述盘管（2）包括螺旋部（21）和设于螺旋部（21）两端的直管部（22），两所述直管部（22）分别通过一热媒口（11）伸出至壳体（1）外侧且轴线相重合； |
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| 说明书全文 | 一种自激式多自由度振动强化换热装置及其工作方法技术领域[0001] 本发明涉及一种自激式多自由度振动强化换热装置及其工作方法，属于换热器技术领域。 背景技术[0002] 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称自激式多自由度振动强化换热装置。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 工生产中可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。 [0003] 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。 [0004] 换热器的强化换热技术对节能降耗、提高换热效率具有重要意义，其中被动强化换热技术由于不需要外界能量作用而达到强化换热的目的，是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地利用，大大提升自激式多自由度振动强 化换热装置的效率，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。 [0005] 中国发明专利“浮动盘管‑热管两级加热汽水自激式多自由度振动强化换热装置”(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。 [0006] 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；利用亥姆霍 兹共振腔产生脉动流是一种较为有效的方法，但产生的脉动能量较小，对换热效果的强化 有限。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，但管道振动的自由度较少，振动剧烈程度低，换热效果强化有限。管道的整体振动可 强化换热，但较少的振动自由度并不能高效利用振动能量强化换热。 发明内容[0008] 为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：一方面，本发明提供了一种自激式多自由度振动强化换热装置，包括：壳体和设于 壳体内的盘管，所述壳体的上下两端均设有热媒口，所述壳体上至少设有两冷媒口，所述盘 管包括螺旋部和设于螺旋部两端的直管部，两所述直管部分别通过一热媒口伸出至壳体外 侧且轴线相重合； 所述直管部上设有弹性机构，受振动冲击时，盘管发生上下位移并对弹性机构施 加作用力，然后通过弹性机构的反作用力实现复位； 所述弹性机构与热媒口转动连接，所述螺旋部与壳体的内壁之间设有弹性元件。 [0009] 进一步的，所述直管部于壳体外侧设有自激式脉动模块，所述自激式脉动模块用于在盘管内产生脉动流而激发其产生振动。 [0011] 进一步的，所述螺旋部的一侧设有偏心质量块。 [0012] 进一步的，所述偏心质量块为半圆环状，两偏心质量块为一组并能够相互拼装为圆环状，以用于套设在螺旋部上。 [0014] 进一步的，所述冷媒口设有两个，一冷媒口设于壳体一侧的上部，另一冷媒口设于壳体另一侧的下部。 [0016] 进一步的，所述热媒口内设有活动套设于活塞外的轴承，以此实现弹性机构与热媒口的转动连接。 [0017] 进一步的，所述热媒口内于轴承的两侧均设有密封圈。 [0018] 另一方面，本发明提供了一种自激式多自由度振动强化换热装置的工作方法，包括以下步骤： 将热媒由上方的热媒口输入盘管，将冷媒由下方的冷媒口输入壳体内部，热媒通 过盘管管壁将热量传递给冷媒； 热媒由下方的热媒口输出盘管后，进入自激式脉动模块，一路流经主管路的流量 控制阀，另一路流经旁通管路的旁通阀； 当旁通阀的承受压力达到设定数值时，旁通阀打开泄压，使主管路的压力下降，直 至旁通阀的承受压力下降至小于设定数值时关闭，之后主管路内的压力在流量控制阀的作 用下升高，如此周而复始，使盘管内产生压力脉动； 压力脉动对盘管施加作用力，使盘管产生位移，盘管在活塞的导向以及限制弹簧 的限制下进行上下振动，从而扰乱盘管内、外两侧的热、冷媒的流动，破坏流动边界层，提高 换热效率； 盘管在上下振动的同时，还在弹性元件的限制下绕其轴向进行小幅度的往复旋 转，更进一步的扰乱盘管内、外两侧的热、冷媒的流动。 [0019] 进一步的，所述流量控制阀的开度可调，所述旁通阀的打开压力可调，通过调节流量控制阀的开度与旁通阀的打开压力能够获得合适大小的压力脉动。 [0020] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：1、本发明通过使盘管能够上下振动的同时还可绕其轴向进行小幅度的往复旋转 的设置，使得盘管振动的自由度大，不规则振动剧烈程度高，可有效扰乱盘管内、外两侧的 热、冷媒的流动，从而可高效破坏流动边界层，换热效果强化程度高，在不增加换热面积与 温差的前提下提高了换热效率，使用效果佳； 2、本发明的结构紧凑性好，空间需求较小，无需较大的安装空间，适用性好，结构 简单，易于加工和安装，再通过设置弹性机构和弹性元件，既使盘管的振动频率和振幅能够 满足换热增强的需求，又不会使盘管因此而很快产生疲劳损伤； 3、本发明通过设置自激式脉动模块，可稳定且高效的产生压力脉动，以此保障换 热效果强化的持续进行，无需人工控制且不额外消耗能源，实际应用效果佳，并可通过调节 流量控制阀的开度与旁通阀的打开压力，得到符合需求的脉动流，进而可自由控制盘管振 动的剧烈程度，获得满意的换热强化效果。 附图说明 [0021] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 图1是本发明实施例提供的一种自激式多自由度振动强化换热装置的结构示意 图； 图2是图1所示自激式多自由度振动强化换热装置的盘管的结构示意图； 图3是图1所示自激式多自由度振动强化换热装置的自激式脉动模块的结构示意 图； 图4是图1所示自激式多自由度振动强化换热装置的活塞的结构示意图； 图中：1、壳体；11、热媒口；12、冷媒口；2、盘管；21、螺旋部；22、直管部；3、弹性机 构；31、活塞；32、限制弹簧；4、弹性元件；5、自激式脉动模块；51、主管路；52、旁通管路；53、流量控制阀；54、旁通阀；6、偏心质量块；7、轴承。 具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0023] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为 对本发明的限制。 [0024] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0025] 实施例一：如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种自激式多自由度振动强化换热装置， 包括：壳体1和设于壳体1内的盘管2，壳体1的上下两端均设有热媒口11，壳体1上至少设有 两冷媒口12，盘管2包括螺旋部21和设于螺旋部21两端的直管部22，两直管部22分别通过一 热媒口11伸出至壳体1外侧且轴线相重合；直管部22上设有弹性机构3，受振动冲击时，盘管 2发生上下位移并对弹性机构3施加作用力，然后通过弹性机构3的反作用力实现复位；弹性 机构3与热媒口11转动连接，螺旋部21与壳体1的内壁之间设有弹性元件4。 [0026] 使用时，热媒由一直管部22输入盘管2，之后通过螺旋部21的管壁将热量传递给壳体1内的冷媒，最后通过另一直管部22从盘管2中输出；而冷媒由一冷媒口12进入壳体1内 部，然后在吸收热媒传递的热量后，通过另一冷媒口12从壳体1内部输出。 [0027] 在盘管2受到扰动时，由于弹性机构3的作用，使盘管2能够上下振动，同时盘管2在弹性元件4的限制下还可绕其轴向进行小幅度的往复旋转，二者相配合使得盘管2振动的自 由度大，振动剧烈程度高，据此可有效扰乱盘管2内、外两侧的热、冷媒的流动，从而可高效 破坏流动边界层，换热效果强化程度高，在不增加换热面积与温差的前提下提高了换热效 率，使用效果佳。 [0028] 此外，装置的结构紧凑性好，空间需求较小，无需较大的安装空间，适用性好，结构简单，易于加工和安装；其次，通过设置弹性机构3和弹性元件4，既使盘管2的振动频率和振 幅能够满足换热增强的需求，又不会使盘管2因此而很快产生疲劳损伤。 [0029] 需要说明的是，盘管2的材质优选为软铜，其导热系数高，便于换热，刚度低，便于产生变形与振动，从而可提高扰动冷、热媒流动的能力，增强换热效果，为增大换热面积保 证换热效果，螺旋部21自上而下至少环绕5匝，环绕半径为壳体1内径的3/4，为保证盘管2强 度，盘管2厚度为2mm。 [0030] 在本实施例中，一直管部22于壳体1外侧设有自激式脉动模块5，自激式脉动模块5用于在盘管2内产生脉动流而激发其产生振动。 [0031] 具体的，使用时，热媒从直管部22进入自激式脉动模块5中，从而在盘管2中产生压力脉动，在此压力脉动的作用下，盘管2的受力平衡被打破，进而持续地受到扰动，以此确保 装置在工作过程中，可持续地进行换热效果强化，提高了装置的使用效果。 [0032] 优选的，如图3所示，自激式脉动模块5包括与直管部22相连通的主管路51和设于主管路51上的旁通管路52，主管路51上设有流量控制阀53，旁通管路52上设有旁通阀54。 [0033] 使用时，热媒进入自激式脉动模块5后，一路流经主管路51上的流量控制阀53，另一路流经旁通管路52上的旁通阀54，流量控制阀53通过控制阀门开度控制管内流量与压 力，当压力达到设定数值时，旁通阀54打开泄压，主管路51压力下降，而后旁通阀54关闭，主 管路51内压力在旁通管路52的作用下升高，如此周而复始，使得盘管2内持续产生压力脉 动。通过此方式，可稳定且高效的产生压力脉动，无需人工控制，并不额外消耗能源，实际应 用效果佳。 [0034] 需要说明的是，由于热媒的入口流速范围可自行设定，流量控制阀53的开度可调，旁通阀54的打开压力可调，从而在较宽的热媒入口流速范围内均能通过调节流量控制阀53 开度与旁通阀54的打开压力，而获得较为满意的脉动流。 [0035] 在本实施例中，螺旋部21的一侧设有偏心质量块6。通过设置偏心质量块6，能够加大盘管2在侧向的上、下振幅，从而更加有效地破坏流动边界层，进一步提高换热效率。 [0036] 优选的，偏心质量块6为半圆环状，两偏心质量块6为一组并能够相互拼装为圆环状，半径略大于螺旋部21外径，通过螺栓、螺钉或紧固件进行固定，用于套设在螺旋部21上， 可设有多组，具体根据实际应用需求进行调整，这里不做限定；其材质可采用铜质，具有密 度大，导热系数高的特点，能在维持振动效果的同时又能保证换热效果。 [0037] 在本实施例中，弹性元件4各自以相同的拉伸量均匀排布于螺旋部21的外侧，弹性元件4为约束弹簧或弹性拉绳。 [0038] 具体的，约束弹簧优选为低刚度弹簧，从而可限制盘管2的转动幅度，避免因幅度过大而造成破坏，同时又不避免将振动衰减至过小，保证振动的幅度以强化并稳定换热效 果。 [0039] 在本实施例中，冷媒口12设有两个，一冷媒口12设于壳体1一侧的上部，另一冷媒口12设于壳体1另一侧的下部。 [0040] 具体的，如此设置使冷媒在壳体1内流动过程中能够与盘管2进行充分接触，以此保障热交换可充分进行。 [0041] 在本实施例中，弹性机构3包括固定套设于直管部22上的活塞31和支撑于活塞31和壳体1内壁之间的限制弹簧32。 [0042] 具体的，如图4所示，活塞31优选为软橡胶质，并通过粘贴的方式固定套设在直管部22外，对直管部22起导向和密封的作用，使盘管2可较大幅度地上下振动；限制弹簧32可 套设与直管部22的外侧，以一定的预紧力安装在装置内部，用于维持盘管2的上、下振动并 限制整体振幅，防止活塞31位移过大撞击壳体1的同时又能蓄能使盘管2一次受力振动数 次。 [0043] 在本实施例中，热媒口11内设有活动套设于活塞31外的轴承7，以此实现弹性机构3与热媒口11的转动连接。 [0044] 具体的，轴承7优为滚动轴承，用于减小摩擦，便于盘管2的轴向转动，轴承7外径略大于热媒口11处壳体1内径，过盈安装在壳体1内部；活塞31直径略大于轴承7内径，在对壳 体1内部冷媒进行密封的同时又能保证活塞31在受力时可沿轴承7内壁滑动。 [0046] 实施例二：本实施例提供了一种自激式多自由度振动强化换热装置的工作方法，包括以下步 骤： 将热媒由上方的热媒口11输入盘管2，将冷媒由下方的冷媒口12输入壳体1内部， 热媒通过盘管2管壁将热量传递给冷媒； 热媒由下方的热媒口11输出盘管2后，进入自激式脉动模块5，一路流经主管路51 的流量控制阀53，另一路流经旁通管路52的旁通阀54； 当旁通阀54的承受压力达到设定数值时，旁通阀54打开泄压，使主管路51的压力 下降，直至旁通阀54的承受压力下降至小于设定数值时关闭，之后主管路51内的压力在流 量控制阀53的作用下升高，如此周而复始，使盘管2内产生压力脉动； 压力脉动对盘管2施加作用力，使盘管2产生位移，盘管2在活塞31的导向以及限制 弹簧32的限制下进行上下振动，从而扰乱盘管2内、外两侧的热、冷媒的流动，破坏流动边界 层，提高换热效率； 盘管2在上下振动的同时，还在弹性元件4的限制下绕其轴向进行小幅度的往复旋 转，更进一步的扰乱盘管2内、外两侧的热、冷媒的流动。 [0047] 进一步的，所述流量控制阀53的开度可调，所述旁通阀54的打开压力可调，通过调节流量控制阀53的开度与旁通阀54的打开压力能够获得合适大小的压力脉动。 [0048] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应 视为本发明的保护范围。 |
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