CN103090700B - 折流高效热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折流高效热交换器，其包括：波纹折流热交换器壳体，换热介质在热交换器壳体内为折流流动；超声装置，其包括互相连接的超声波发生机构和超声波传递振动机构，其中超声波传递振动机构设于波纹折流热交换器壳体内，此外，还优选包括换热效率实时监测控制系统，用于监测换热器出/入口处的温度和压力，并计算得到换热效率，根据该换热效率调节热交换器的流量，使热交换器保持在最佳的换热状态。本发明将折流结构热交换器和超声波技术结合，能达到防垢除垢、防止金属壳体腐蚀并增加换热效率的目的；换热效率实时监测控制系统能实时记录和显示，为生产运行提供可靠数据，并提高了换热效率、降低了能耗，且更加环保。

Description

折流高效热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器技术领域，特别涉及一种结合超声波技术的折流高效热交换器。

背景技术

热交换器作为热传导和交换的基本设备已经广泛应用于现代工业和机械设备中，由于水质、使用环境等原因，目前多数热交换器都存在结垢问题，结垢过程即污垢沉积物在传热表面上形成的过程，对直接接触式热交换器，则是相界面附着物的积累的过程。通常结垢分为6种类型：（1）析出结垢：CaCO₃、CaSO₄和MgSiO₃等负溶解性盐溶液因热表面溶解度降低而随盐类析出沉积；（2）微粒结垢：悬浮于液体中的固体微粒因重力作用而沉积；（3）化学反应结垢：高温下某些有机物或无机物发生反应、聚合或焦化而产生的固体沉积；（4）腐蚀结垢：热交换器本身起化学变化，其产物作为污垢而附于表面上；（5）生物结垢：未经处理的海水、河水或湖水，其中的藻类等产生的沉积；（6）凝固结垢：某种纯液体或液体混合物中某一组分因换热面过冷而固化沉积。事实上结垢过程可能是上述几种类型的综合作用。由于污垢具有较高的热阻，使总传热效率降低，并且还因其减小了流通截面而使泵功率增加，对强化传热的场合，若不能有效控制其形成，许多强化传热措施将变得毫无意义。

因结垢造成的能源浪费和经济损失是相当严重的。污垢随着时间而逐渐沉积，会带来的消耗有：（1）因结垢而降低了传热速率，若用增加传热面积的办法来解决，无疑将增大设备尺寸；另外，对某些要求连续生产的场合，还需配备相同型号热交换器备用；（2）对腐蚀性介质，需用钛、不锈钢等贵重材料；（3）因结垢严重而停运，可能会造成产品质量下降或停运期间的生产损失；（4）结垢清洗需要各种清洗设备，同时还有化学药剂的消耗；（5）结垢后增加了传热阻力，若用提高温差来增加传热推动力，必然又增加了能力消耗，此外还缩小了流通截面积，使压降增加，泵功率增大；（6）定期维修带来设备和劳力等方面的耗费。总之，热交换器结垢是一个相当复杂的问题，其机理涉及到多门学科，迄今仍是一个尚未彻底解决的问题。

发明内容

为有效解决热交换器的结垢问题，本发明打破常规热交换器的构型设计，设计出一种折流结构热交换器，并将其与超声波除垢技术结合，能达到防止污垢、泥沙、铁锈附着在热交换器换热面上的目的；进一步优化地，本发明还增加了实时监测热交换器运行的监测系统，实时记录和显示换热效率及运行情况，为生产运行提供可靠运行数据，进一步提高了换热效率、降低了能耗，更加环保。

本发明的技术方案如下：

一种折流高效热交换器，其包括：

波纹折流热交换器壳体，其保证换热介质在所述热交换器壳体内为折流流动；

超声装置，用于产生和传递超声波，其包括互相连接的超声波发生机构和超声波传递振动机构，所述超声波传递振动机构设于所述波纹折流热交换器壳体内。

优选地，所述超声波发生机构包括超声波控制器和换能器，所述超声波控制器与所述换能器连接，所述换能器与所述超声波传递振动机构连接。其中，所述换能器优选为磁致伸缩换能器。这是由于该换能器能长时间连续工作，使超声波持续产生空化效应和涡流，抑制水垢、泥沙、铁锈在热交换器表面上的附着。

鉴于通常换热介质中大多存在大颗粒杂质，优选该热交换器进一步包括设于热交换器入口的用于过滤大颗粒物质的入口过滤器。当然，在换热介质没有大颗粒杂质时，也可以不设置入口过滤器。

为了实现本发明热交换器的自动控制，优选该热交换器进一步包括换热效率实时监测控制系统，其监测换热器入口和出口处的温度和压力数据，并计算得到换热效率，根据所述换热效率调节所述热交换器的流量，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。具体地，所述换热效率实时监测控制系统包括设于换热介质入口和出口处的温度传感器和压力传感器、控制器和设于所述波纹折流热交换器壳体的电动控制阀体，所述控制器与所述温度传感器和压力传感器、电动控制阀体分别连接，所述温度传感器和压力传感器实时或定期采集入口处的温度和压力数据，所述控制器收集所述温度和压力数据，计算并实时显示出换热效率值，并根据需要自动调节所述电动控制阀体，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。处于系统操作安全的考虑，所述控制器还设有用于实现密码或密令控制的密令模块，所述密令模块集成于所述控制器上。

优选地，所述超声波控制器与所述换热效率实时监测控制系统的控制器连接，从而更利于实现该热交换器的整体控制。

在本发明的优选实施方式中，所述波纹折流热交换器壳体为圆形，其主要由圆形波纹折流换热片和圆形隔离环组成，所述圆形隔离环设在圆形波纹折流换热片的内外两侧，其中，所述圆形波纹折流换热片设有用于换热介质在所述换热片间的流动的换热片通道。其中优选，所述圆形隔离环包括圆形内环隔离环、圆形外环隔离环，所述圆形外环隔离环进一步包括圆形外环隔离薄环和圆形外环隔离厚环。此外，所述波纹折流热交换器壳体还包括设置在所述波纹折流热交换器壳体两端的侧端板，所述侧端板上设有气/液进出口。除圆形外，上述波纹折流热交换器壳体及其零部件还可以为任何其他合适的形状。此处所列举仅为波纹折流热交换器壳体的一个具体实施方式，本发明还囊括在能实现换热介质在热交换器内的折流流动的所有热交换器实现形式。

在本发明的优选实施方式中，所述超声波传递振动机构包括超声波传递振动波纹翅和超声波传递轴，所述超声波传递振动波纹翅分层环绕设于所述超声波传递轴上并插入所述波纹折流换热片。这种结构设置，尤其是超声波传递振动波纹翅的设置保证了超声波在整个热交换器内的有效传递。

优选地，其进一步包括吸音隔音降噪壳，所述吸音隔音降噪壳设于所述波纹折流热交换器壳体和超声装置外围。这是由于超声波在运行时会发出很强的尖锐刺耳声音，该吸音隔音降噪壳可以将声音吸收并隔离在降噪壳内。

通常，处于运输安全和安装便利的考虑，该热交换器进一步包括用于运输保护的外护壳，所述外护壳设于所有其它零部件的外围。

本发明还提供一种折流高效热交换器组，其由多个上述的折流高效热交换器组合而成，并且当其设有换热效率实时监测控制系统时，其控制器为多个分别设置的控制器或者集成的一个用于控制所有热交换器的大控制器。

本发明进一步提供一种波纹折流热交换器壳体，其主要由波纹折流换热片和隔离环组成，所述隔离环设在波纹折流换热片的内外两侧，其中，所述波纹折流换热片设有用于换热介质在所述换热片间的流动的换热片通道。优选地，波纹折流换热片和隔离环为圆形，此外它们还可以为任何其他合适的形状。

优选地，所述波纹折流热交换器壳体还包括设置在该热交换器两端的侧端板，所述侧端板上设有气/液进出口。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一．本发明热交换器采用折流结构设计，其优点是可使换热介质在热交换器内停留时间长、换热面增大、折流流动充分，提高换热效率；

第二．本发明的热交换器采用了超声装置，超声波具有防垢除垢、放置金属壳体氧化和强化传热效果的作用，从而不仅解决了热交换器的结垢问题，还提高了换热效率；

第三．本发明的热交换器还设置有换热效率实时监测控制系统，该系统可以实时反映热交换器的工作状态，并通过热交换器的工作状态进行调节，达到更好的换热效率，为企业节能减排创造更好的效益；

第四．将本发明的多个单体热交换器组合成热交换器组，不仅可以实现大规模换热功能，同时又具有逐个检修功能，为企业不停产检修创造了更多效益。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的折流高效热交换器的结构示意图；

图2为本发明实施例1的折流高效热交换器另一视角的结构示意图；

图3为本发明实施例1的热交换器壳体的结构示意图；

图4为本发明实施例1的换热片的结构示意图；

图5为本发明实施例1的超声波传递振动波纹翅和超声波传递轴的结构示意图。

具体实施方式

本发明将超声技术应用于热交换器中，用于防垢除垢、提交换热效率、防止金属壳体腐蚀，其中：

超声波防除垢技术是利用超声高频脉冲振荡波在热交换器金属面与内部物料液体液面产生的一系列作用而达到防垢除垢目的，而且可以起到强化传热的效果。其具体机理是：超声振荡波垂直作用在热交换器金属表面，使其在金属中快速传播，受到振动的金属壁面与相邻液面产生了推斥力，使液体远离壁面，而后恢复原位，此过程中产生了一个时间差，出现一个狭小的真空区域，周围液体会迅速填充，产生了微涡，周而复始，就产生了这种高速微涡效应，这种高速微涡效应阻断了液体中垢质成分附着在金属管壁的条件，从而达到了防垢效果。而高速微涡使液体不断冲刷着金属壁面上的软垢，使软垢随液体流走，从而解决软垢问题，同样高速微涡可以带走金属周边的气泡，达到防止金属氧化的目的。

对于已附着在金属壁上的硬垢质，在高频振动的作用下，由于金属和垢质的弹性阻抗不同，频率响应也不一致，使两者间产生不同振动，硬垢比金属的弹性阻抗差很多，会在内部形成多方向性的微冲性剪切力，使垢质疲劳、裂纹、疏松、脱落。而在产生裂缝的同时，就会有毛细作用的出现，液体通过裂缝迅速进入到垢层当中，接触高温金属管时受热体积急速膨胀，加速垢质的脱离，这就达到了除垢的效果。

此外，超声波能量通过传递轴传递到波纹翅，通过波纹翅将超声波能量传递到整个热交换器，通过介质产生空化效应，加速传热和涡流，从而达到强化传热效果，提高热交换器传热效率。

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。但下述实施例并不用于限定本发明的保护范围。

实施例1

参见图1和图2，本实施例提供的折流高效热交换器，其包括：

波纹折流热交换器壳体1，该壳体1为保证换热介质在所述热交换器壳体内为折流流动；参见图3，具体地，本实施例在此处提供的一种热交换器壳体1为圆形波纹折流热交换器壳体，其主要由圆形波纹折流换热片11和圆形隔离环组成，圆形隔离环设在圆形波纹折流换热片11的内外两侧，其具体包括圆形内环隔离环12、圆形外环隔离环，所述圆形外环隔离环进一步包括圆形外环隔离薄环13和圆形外环隔离厚环14，其中，圆形内环隔离环12设置在圆形波纹折流换热片11的内侧，圆形外环隔离薄环13和圆形外环隔离厚环14均设置在圆形波纹折流换热片11的外侧。其中，圆形波纹折流换热片11设有换热片通道111，参见图4，该通道用于换热介质在换热片11间的流动。其中，图4中所示的换热片通道大小与换热片的大小比例仅为举例说明，而不用于限定，本发明中，换热片通道和换热片的相对大小可以在合适的范围内任意选用。此外，该热交换器壳体还包括设置在其两端的侧端板15，侧端板15上设有气/液进出口16。在本发明此处的优选实施例中，热交换器壳体及其相应零部件均设置为圆形，以便于加工和组装，但本发明并不限制热交换器壳体及其零部件仅为圆形，在本发明的其它实施方式中，它们可以采用其它任何适宜的形状，此处不做限定。

超声装置，用于产生和传递超声波，包括互相连接的超声波发生机构和和超声波传递振动机构，所述超声波传递振动机构设于所述波纹折流热交换器壳体内。具体在本实施例中，超声波发生机构包括超声波控制器2和换能器3，超声波控制器2与换能器3连接，换能器3与超声波传递振动机构连接。换能器3选择采用磁致伸缩换能器，采用磁致伸缩换能器能充分发挥该换能器能长时间连续工作的优点，使超声波持续产生空化效应和涡流，抑制了水垢、泥沙、铁锈在热交换器表面上的附着。所述超声波传递振动机构包括超声波传递振动波纹翅41和超声波传递轴42，参见图5，其中超声波传递振动波纹翅41分层环绕设于超声波传递轴42上并插入换热片11间隙，参见图1和图2。这样，超声波能量通过超声波传递轴42传递到超声波传递振动波纹翅41，通过超声波传递振动波纹翅41将超声波能量传递到整个热交换器，并通过介质产生空化效应，加速传热和涡流，从而达到强化传热效果，提高热交换器传热效率，并同时达到防垢除垢的目的。此外，由于超声波在运行时会发出很强的尖锐刺耳声音，所以优选在本实施例中，波纹折流热交换器壳体1外围设有吸音隔音降噪壳5，并优选该吸音隔音降噪壳5为泡沫铝吸音隔音材料做成的外壳，将它安装在圆形波纹折流热交换器壳体和超声装置外面，将声音吸收并隔离在该降噪壳5内。当然，吸音隔音降噪壳的材料不限于泡沫铝，其可以选用任何适合的材料。

优选的在本实施例中，该折流高效热交换器进一步包括设于该热交换器入口的用于过滤大颗粒物质的入口过滤器。

在本实施例的优选方式中，进一步包括换热效率实时监测控制系统，其监测换热器入口和出口处的温度和压力数据，并计算得到换热效率，根据所述换热效率调节所述热交换器的流量，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。具体地，参见图1，此处提供的换热效率实时监测控制系统包括设于换热介质入口和出口处的温度传感器6和压力传感器7、控制器8和设于所述波纹折流热交换器壳体的电动控制阀体，控制器8与温度传感器6和压力传感器7、电动控制阀体分别连接，温度传感器6和压力传感器7实时或定期采集入口处的温度和压力数据，控制器8收集所述温度和压力数据，计算并实时显示出换热效率值，并根据需要自动调节所述电动控制阀体，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。其中，图中显示的温度传感器6和压力传感器7的排布方式仅为举例，本发明还可以用其它任何合适的排布方式，此处不做限定。此外，还可根据需要，将控制器8上设置一用于实现密码或密令控制的密令模块，该密令模块可集成于控制器8上。设置密令模块可以保证该控制系统运行的安全性，防止操作人员之外的其他人员随意操控。此外，优选超声波控制器2与上述换热效率实时监测控制系统的控制器8连接，便于该热交换器的整体控制。

在本实施例的优选方式中，该热交换器进一步包括用于运输保护的外护壳9，该外护壳9的形状通常与热交换器壳体的形状一致，但也可以不一致，此处该外护壳9为圆柱形，并设于所有其它零部件的外围，以形成一个整体，便于运输和安装。

实施例2

本实施例提供一种折流高效热交换器组，其由实施例1中的折流高效热交换器组合而成，并且换热效率实时监测控制系统的控制器为对应于每个热交换器的多个分别设置的控制器或者集成的一个用于控制所有热交换器的大控制器。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (17)

1.一种折流高效热交换器，其特征在于，其包括：

波纹折流热交换器壳体，其保证换热介质在所述热交换器壳体内为折流流动；其中，所述波纹折流热交换器壳体的折流通道为主要由多个波纹折流换热片和多个隔离环组成的能实现双介质逐层隔离换热的双介质折流通道，其中所述隔离环设在波纹折流换热片的内外两侧，所述波纹折流换热片设有用于换热介质在所述换热片间的流动的换热片通道；

超声装置，用于产生和传递超声波，其包括互相连接的超声波发生机构和超声波传递振动机构，所述超声波传递振动机构包括超声波传递振动波纹翅和超声波传递轴，所述超声波传递振动波纹翅分层环绕设于所述超声波传递轴上并插入所述波纹折流换热片。

2.如权利要求1所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述超声波发生机构包括超声波控制器和换能器，所述超声波控制器与所述换能器连接，所述换能器与所述超声波传递振动机构连接。

3.如权利要求2所述的折流高效热交换器，其特征在于，进一步包括换热效率实时监测控制系统，其监测换热器入口和出口处的温度和压力数据，并计算得到换热效率，根据所述换热效率调节所述热交换器的流量，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。

4.如权利要求3所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述换热效率实时监测控制系统包括设于换热介质入口和出口处的温度传感器和压力传感器、控制器和设于所述波纹折流热交换器壳体的电动控制阀体，所述控制器与所述温度传感器和压力传感器、电动控制阀体分别连接，所述温度传感器和压力传感器实时或定期采集入口处的温度和压力数据，所述控制器收集所述温度和压力数据，计算并实时显示出换热效率值，并根据需要自动调节所述电动控制阀体，使所述热交换器保持在最佳的换热状态。

5.如权利要求4所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述控制器还设有用于实现密令控制的密令模块，所述密令模块集成于所述控制器上。

6.如权利要求4或5所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述超声波控制器与所述换热效率实时监测控制系统的控制器连接。

7.如权利要求1所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述隔离环包括内环隔离环、外环隔离环，所述外环隔离环进一步包括外环隔离薄环和外环隔离厚环。

8.如权利要求7所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述波纹折流热交换器壳体、波纹折流换热片、内环隔离环、外环隔离薄环和外环隔离厚环均为圆形。

9.如权利要求1或7或8所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述波纹折流热交换器壳体还包括设置在所述波纹折流热交换器壳体两端的侧端板，所述侧端板上设有气/液进出口。

10.如权利要求1所述的折流高效热交换器，其特征在于，其进一步包括吸音隔音降噪壳，所述吸音隔音降噪壳设于所述波纹折流热交换器壳体和所述超声装置外围。

11.如权利要求1或4或10所述的折流高效热交换器，其特征在于，其进一步包括用于运输保护的外护壳，所述外护壳设于所有其它零部件的外围。

12.如权利要求1所述的折流高效热交换器，其特征在于，进一步包括设于所述热交换器入口的用于过滤大颗粒物质的入口过滤器。

13.如权利要求2所述的折流高效热交换器，其特征在于，所述换能器为磁致伸缩换能器。

14.一种折流高效热交换器组，其特征在于，由多个权利要求1-13中任一项所述的折流高效热交换器组合而成。

15. 如权利要求14所述的折流高效热交换器组，其特征在于，设有换热效率实时监测控制系统，所述换热效率实时监测控制系统包括控制器，所述控制器为多个分别设置的控制器或者集成的一个用于控制所有热交换器的大控制器。

16.一种用于权利要求1-13之一的一种折流高效热交换器的波纹折流热交换器壳体，其特征在于，所述波纹折流热交换器壳体的折流通道为主要由多个波纹折流换热片和多个隔离环组成的能实现双介质逐层隔离换热的双介质折流通道，其中所述隔离环设在波纹折流换热片的内外两侧，所述波纹折流换热片设有用于换热介质在所述换热片间的流动的换热片通道。

17.如权利要求16所述的波纹折流热交换器壳体，其特征在于，所述波纹折流热交换器壳体还包括设置在该热交换器两端的侧端板，所述侧端板上设有气/液进出口。