CN108825402A - 一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置，包括管壳式热端换热器、回热器、管壳式冷端换热器、膨胀气缸和外壳，所述管壳式热端换热器、回热器和管壳式冷端换热器依次设置呈筒状结构，所述膨胀气缸外壁紧靠筒状结构内壁，所述外壳套装在筒状结构外部，所述回热器填充在管壳式热端换热器和管壳式冷端换热器之间，管壳式热端换热器和管壳式冷端换热器分别高温蒸汽管道和冷却水管道连通；本发明气体工质的流经途径为热端换热管、回热器和冷端换热管，流通性好，流阻损失小，管壳式换热器的换热面积大、换热充分效率高，冷热段传热温差小，有效提升了声能发动机的性能，且结构简单，易于制作与装配。

Description

一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置

技术领域

本发明是涉及一种换热装置，具体说，是涉及一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置，属于发动机技术领域。

背景技术

声能发动机又叫热气机，具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点，可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机，对节能减排，保护环境有重要意义。近十几年来，随着能源问题和环境问题日益突出，声能发动机在新能源利用上体现的优势受到了广泛的关注，菲利普公司、通用发动机公司、福特汽车公司等大企业都相继着手研制声能发动机。

声能发动机的关键技术包括性能仿真、热交换器设计与制造、密封和控制等。声能发动机的冷腔处于循环的低温部分，压缩热量由冷却器导至外界，在压缩过程中有相当一部分工质居于冷腔，声能发动机的热腔始终处于循环的高温部分，连续地将外部热源传给工质，在膨胀时相当部分的工质居于热腔，其承受高温和高压，大量的热损失也是由热腔散失的。

换热器是声能发动机的重要组成部分，声能发动机的五部件模型中，换热器就占了加热器，回热器和冷却器三件，加热器、冷却器对流过的工质要有最小的阻力与很好的导热性，回热器要有较大的热容量、最小的阻力与很好的导热性。串联在加热器和冷却器之间的回热器，是循环系统的一个内部换热器，它交替从工质吸热和向工质放热，使工质反复地受到冷却和加热，回热器并不是必需装置，但它对发动机的效率影响极大。但现有技术中回热器能明显提高热效率的同时又增加了工质的阻力和压力损失，工质吸热、散热交替进行，限制了发动机的转速，影响了功率的输出；一端与热腔联接，另一端与回热器联接的加热器有加热源对通过的工质进行加热，使其受热膨胀；与冷腔联接的冷却器有冷却源吸收通过工质的热量，将压缩热传到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩；它们直接影响发动机的性能。然而，换热器上的损失(即回流损失、流阻损失、轴向导热损失等)是声能发动机的主要损失。因此，提供一种高能量转换性能的用于声能发动机的冷热端换热装置，减少能量交换中损失，以提升声能发动机综合性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种用于声能发动机的冷热端换热装置，减少热量转过程中的能量损失，提高能量转换率，以提升声能发动机的综合性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：包括管壳式热端换热器、回热器、管壳式冷端换热器、膨胀气缸和外壳，所述管壳式热端换热器、所述回热器和所述管壳式冷端换热器自上而下依次设置呈一筒状结构，所述膨胀气缸外壁紧靠所述筒状结构的内壁，所述外壳套装在所述筒状结构的外部，所述回热器填充在所述管壳式热端换热器、所述管壳式冷端换热器、所述膨胀气缸外壁和所述外壳内壁形成的腔体内，所述管壳式热端换热器和所述管壳式冷端换热器分别与穿过所述壳体的高温蒸汽管道和冷却水管道连通。

一种实施方案，所述管壳式热端换热器包括热端换热器壳体和热端换热管，所述热端换热管贯穿所述热端换热器壳体的上端面和下端面并通过两端管壁分别与所述热端换热器壳体的上端面和下端面紧密连接，所述热端换热管的内壁形成容工质气体通过的通道，所述热端换热管外壁与所述热端换热器壳体内壁形成容高温蒸汽通过的腔体。

进一步实施方案，所述热端换热器壳体包括热端换热器主壳体和下盖板，所述热端换热器主壳体和所述下盖板密封固定连接，所述热端换热器主壳体侧壁与所述高温蒸汽管道固定连接，所述热端换热器主壳体的上端面上和所述下盖板分别设有与所述热端换热管相适配的通孔。

进一步实施方案，所述热端换热器主壳体和所述下盖板的连接处分别设有相适配的环形凹槽和环形凸台，所述热端换热器主壳体和所述下盖板通过所述环形凹槽和所述环形凸台焊接密封连接。

一种实施方案，所述管壳式冷端换热器包括冷端换热器壳体和冷端换热管，所述冷端换热管贯穿所述冷端换热器壳体的上端面和下端面并通过两端管壁分别与所述冷端换热器壳体的上端面和下端面紧密连接，所述冷端换热管的内壁形成容工质气体通过的通道，所述冷端换热管外壁与所述冷端换热器壳体内壁形成容冷却水通过的腔体。

进一步实施方案，所述冷端换热器壳体包括冷端换热器主壳体和上盖板，所述冷端换热器主壳体和所述下盖板密封固定连接，所述冷端换热器主壳体侧壁与所述冷却水管道固定连接，所述冷端换热器主壳体的上端面上和所述下盖板分别设有与所述冷端换热管相适配的通孔。

进一步实施方案，所述冷端换热器主壳体和所述下盖板的连接处分别设有相适配的环形凹槽和环形凸台，所述冷端换热器主壳体和所述下盖板通过所述环形凹槽和所述环形凸台焊接密连接。

作为优选方案，在靠近所述冷端换热器壳体上下两端的外环面上分别设有与所述外壳内壁紧密贴合的环形凸起结构。

作为进一步优选方案，所述环形凸起结构通过设有的两个密封圈与所述外壳内壁密封连接。设置密封圈的目的在于防止气体经回热器后泄漏，而设置两个密封圈可起到双重防止气体泄漏的作用。

作为进一步优选方案，两个所述密封圈皆为截面为矩形的环状密封圈。

作为优选方案，所述热端换热管和所述冷端换热管均采用逐层圆周均布排列，所述热端换热管和所述冷端换热管均包括多圈换热管层，每圈换热管层包括24个圆周均布的换热管(即为每圈换热管层的换热管以圆心角15°圆周均布)，相邻每圈换热管层间隔4mm设置，相邻每圈换热管层的换热管(以圆心角15°为间隔)交错分布。在这个范围内的换热管分布使换热效果较好。

作为进一步优选方案，所述热端换热管和冷端换热管的内径皆为0.8mm，所述热端换热管和冷端换热管的外径皆为1.6mm。

作为优选方案，所述热端换热器壳体采用铬镍铁合金718制得，所述冷端换热器壳体采用不锈钢316制得，所述回热器采用不锈钢316制得。

作为优选方案，所述热端换热管外壁与所述热端换热器壳体的上端面和下端面之间、所述冷端换热管外壁与所述冷端换热器壳体的上端面和下端面之间通过焊接连接。

作为优选方案，所述回热器为随机堆叠的金属丝网。

作为优选方案，所述膨胀气缸外壁紧靠于所述管壳式热端换热器和所述回热器，所述膨胀气缸下端设有外延凸台，所述外延凸台与所述管壳式冷端换热器的上端固定连接，所述外延凸台嵌设于所述管壳式冷端换热器的上端面，所述外延凸台与所述冷端换热器上盖板共同组成用于支撑回热器填料的支撑面。

作为优选方案，所述膨胀气缸内表面的圆柱度φ为0.005，光洁度为0.8。由于与所述膨胀活塞为间隙配合，所述膨胀气缸内表面对于圆柱度、光洁度要求较高，可减少摩擦的产生。

一种实施方案，所述壳体上部设有环状凸台，所述环状凸台距离所述外壳顶部设置，以使所述管壳式热端换热器上端面与所述壳体上端面间隔设置形成冷端腔体，所述环状凸台用于限定所述冷端换热器的上端；所述管壳式冷端换热器的下端向外延伸设有连接环面，所述连接环面通过设有的数个固定螺钉与所述壳体固定连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述冷热端管壳式换热装置中气体工质的流经途径为热端换热管、回热器和冷端换热管，通路流通性好，回流损失、流阻损失和轴向导热损失小，气体工质的流经途径的设置方式减少了气体工质与外壳的直接接触，进一步减少了换热过程中的导热损失，冷热端换热器采用管壳式换热器，换热面积大、气体工质与导冷导热工质温差大，换热充分、效率高，提高了声能发动机的效率，另外，本发明结构简单，加工制造方便，易于装配，装配完成的冷热端换热器为一整体架构，利于后续安装应用，具有明显进步性和实用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的冷热端管壳式换热装置使用时气体工质的流向示意图；

图3为本发明实施例提供的冷热端管壳式换热装置分解状态结构示意图；

图4为本发明实施例提供的冷端换热管和热端换热管的排列方式示意图；

图5为本发明实施例提供的热端换热器分解状态结构示意图；

图6为本发明实施例提供的冷端换热器分解状态结构示意图；

图7为本发明实施例提供的外壳的剖面结构示意图。

图中标号示意如下：1、管壳式热端换热器；11、热端换热器主壳体；12、高温蒸汽管道；13、热端换热管；14、下盖板；15、环形凸台一；16、环形凹槽一；2、回热器；3、管壳式冷端换热器；31、上盖板；32、冷端换热管；33、冷却水管道；34、冷端换热器主壳体；35、第一密封圈；36、环形凹槽二；37、环形凸台二；38、第二密封圈；4、膨胀气缸；41、外延凸台；5、膨胀活塞；6、外壳；61、高温蒸汽管道口；62、冷却水管道口；63、环状凸台；64、通孔；65、螺纹孔；7、固定螺钉。

具体实施方案

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1至图7所示，本实施例提供的一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置，包括管壳式热端换热器1、回热器2、管壳式冷端换热器3、膨胀气缸4和桶状结构的外壳6，所述管壳式热端换热器1、所述回热器2和所述管壳式冷端换热器3自上而下依次设置呈一筒状结构，所述膨胀气缸4外壁紧靠所述管壳式热端换热器1和所述回热器2的内壁，所述外壳6套装在所述筒状结构的外部；

所述管壳式热端换热器1包括热端换热器壳体和热端换热管13，所述热端换热器壳体包括热端换热器主壳体11和下盖板14，所述热端换热管13贯穿所述热端换热器主壳体11的上端面和所述下盖板14上分别设有的相适配的通孔并通过焊接进行密封固定连接，所述热端换热管13的内壁形成容工质气体通过的通道，所述热端换热管13外壁与所述热端换热器壳体内壁形成容高温蒸汽通过的腔体，所述热端换热器主壳体11和所述下盖板14密封固定连接；

所述管壳式冷端换热器3包括冷端换热器壳体和冷端换热管32，所述冷端换热器壳体包括冷端换热器主壳体34和上盖板31，所述冷端换热管32贯穿所述冷端换热器主壳体34的上端面和所述上盖板31上分别设有的相适配的通孔并通过焊接进行密封固定连接，所述冷端换热管32的内壁形成容工质气体通过的通道，所述冷端换热管32外壁与所述冷端换热器壳体内壁形成容冷却水通过的腔体，所述冷端换热器主壳体34和所述上盖板31密封固定连接；

所述回热器2填充在所述管壳式热端换热器1的下盖板14、所述管壳式冷端换热器3的上盖板31、所述膨胀气缸4外壁和所述外壳6内壁形成的腔体内，所述外壳6上设有高温蒸汽管道口61和冷却水管道口62，分别用于通过所述高温蒸汽管道12和所述冷却水管道33，所述管壳式热端换热器1和所述管壳式冷端换热器3分别与穿过所述外壳6的高温蒸汽管道12和冷却水管道33连通。

考虑到管壳式热端换热器1和管壳式冷端换热器3的密封性，所述热端换热器主壳体11和所述下盖板14的连接处分别设有相适配的环形凹槽一16和环形凸台一15，所述热端换热器主壳体和所述下盖板通过所述环形凹槽一16和所述环形凸台一15焊接密封连接；所述冷端换热器主壳体和所述下盖板的连接处分别设有相适配的环形凹槽二36和环形凸台二37，所述冷端换热器主壳体和所述下盖板通过所述环形凹槽二36和所述环形凸台二37焊接密连接。

在本实施例中，在靠近所述冷端换热器壳体上下两端的外环面上分别设有与所述外壳6内壁紧密贴合的环形凸起结构，所述环形凸起结构分别通过设有的第一密封圈35和第二密封圈38与所述外壳6内壁密封连接，所述第一密封圈35和所述第二密封圈38皆为截面为矩形的环状密封圈。设置密封圈的目的在于防止气体经回热器后泄漏，而设置两个密封圈可起到双重防止气体泄漏的作用。

为了优化管壳式热端换热器1和管壳式冷端换热器3换热性能，所述热端换热管13和所述冷端换热管32均采用逐层圆周均布排列，所述热端换热管13和所述冷端换热管32均包括多圈换热管层，每圈换热管层包括24个圆周均布的换热管(即为每圈换热管层的换热管以圆心角15°圆周均布)，相邻每圈换热管层间隔4mm设置，相邻每圈换热管层的换热管以圆心角15°为间隔交错分布，上述换热管的分布方式使换热效果较好，如图4所示。

下面以如下尺寸的声能发动机整机作为实施例具体说明：

膨胀活塞5的外径为50mm～60mm，管壳式冷端换热器3和管壳式热端换热器1的内径为50mm～60mm，外径为100mm～150mm，轴向长度为20mm～60mm。

为了配合本实施例中整器的尺寸，所述热端换热管13和冷端换热管32的内径皆为0.8mm，所述热端换热管13和冷端换热管32的外径皆为1.6mm，如图4所示。

为了提高热端换热管13、冷端换热管32的连接稳固性，所述热端换热管12外壁与所述热端换热器壳体的上端面和下端面之间、所述冷端换热管32外壁与所述冷端换热器壳体的上端面和下端面之间通过焊接连接。

在本实施例中，所述热端换热器壳体采用铬镍铁合金718制得，所述冷端换热器壳体采用不锈钢316制得。

作为优选方案，在本实施例中，所述回热器为2随机堆叠的金属丝网；作为优选，所述回热器2采用不锈钢316制得。

考虑到膨胀气缸4的连接与固定，所述膨胀气缸4外壁紧靠于所述管壳式热端换热器1和所述回热器2，所述膨胀气缸4下端设有外延凸台41，所述外延凸台4嵌设于所述管壳式冷端换热器3的上端面，所述外延凸台41与所述管壳式冷端换热器3的上盖板31共同组成用于支撑回热器的支撑面，如图1、图2所示。

考虑到膨胀气缸4与膨胀活塞5的配合，所述膨胀气缸4内表面的圆柱度φ为0.005，光洁度为0.8。由于与所述膨胀活塞5为间隙配合，所述膨胀气缸4内表面对于圆柱度、光洁度要求较高，可减少摩擦的产生。

考虑到与外壳6的连接和固定，所述外壳6上部设有环状凸台63，所述环状凸台63与所述外壳6顶部间隔设置，以使所述管壳式热端换热器1上端面与所述外壳6上端面间隔形成冷端腔体，所述环状凸台63用于限定所述管壳式热端换热器1的上端；所述管壳式冷端换热器的下端向外延伸设有连接环面，所述外壳6端口与所述连接环面相对应处设有24个螺纹孔65，所述连接环面通过设有的24个固定螺钉7与所述外壳6固定连接，所述外壳6端口向外延伸设有连接部，所述连接部上设有用于与声能发动机连接固定的通孔64，如图7所示。

本发明所述冷热端管壳式换热装置，在工作时，如图2所示，气体工质在膨胀气缸4与膨胀活塞5形成的膨胀腔中双向流动，一部分进入热端换热管13与高温蒸汽管道12中的高温蒸汽进行换热，气体工质走管程(即气体工质在热端换热管13内部流通)，高温气体走壳程(即高温气体在热端换热管13外壁与热端换热器壳体内壁形成的腔体内流通)，之后，气体工质继续双向流动进入回热器2，大部分气体工质经回热器2流入冷端换热管32，此时的气体工质在冷端换热管32内与冷却水管道33中的冷却水换热，然后气体工质进入压缩腔等待被压缩参与下一次循环；另一小部分气体工质，经回热器2泄漏进外壳6与所述冷端换热器壳体形成的腔体中，后流至第一密封圈35处，由于所述第一密封圈35和第二密封圈38起到了双重防止气体泄漏的作用。

综上所述可见：气体工质的流经途径为热端换热管13、回热器2和冷端换热管32，通路流通性好，回流损失、流阻损失和轴向导热损失小，气体工质的流经途径的设置方式减少了气体工质与外壳6的直接接触，进一步减少了换热过程中的导热损失，冷热端换热器采用管壳式换热器，换热面积大、气体工质与导冷导热工质温差大，换热充分、效率高，提高了声能发动机的效率，另外，本发明结构简单，加工制造方便，易于装配，装配完成的冷热端换热器为一整体架构，利于后续安装应用。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于声能发动机的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：包括管壳式热端换热器、回热器、管壳式冷端换热器、膨胀气缸和外壳，所述管壳式热端换热器、所述回热器和所述管壳式冷端换热器自上而下依次设置呈一筒状结构，所述膨胀气缸外壁紧靠所述筒状结构的内壁，所述外壳套装在所述筒状结构的外部，所述回热器填充在所述管壳式热端换热器、所述管壳式冷端换热器、所述膨胀气缸外壁和所述外壳内壁形成的腔体内，所述管壳式热端换热器和所述管壳式冷端换热器分别与穿过所述外壳的高温蒸汽管道和冷却水管道连通。

2.根据权利要求1所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述管壳式热端换热器包括热端换热器壳体和热端换热管，所述热端换热管贯穿所述热端换热器壳体的上端面和下端面并通过两端管壁分别与所述热端换热器壳体的上端面和下端面紧密连接，所述热端换热管的内壁形成容工质气体通过的通道，所述热端换热管外壁与所述热端换热器壳体内壁形成容高温蒸汽通过的腔体；或者/并且，所述管壳式冷端换热器包括冷端换热器壳体和冷端换热管，所述冷端换热管贯穿所述冷端换热器壳体的上端面和下端面并通过两端管壁分别与所述冷端换热器壳体的上端面和下端面紧密连接，所述冷端换热管的内壁形成容工质气体通过的通道，所述冷端换热管外壁与所述冷端换热器壳体内壁形成容冷却水通过的腔体。

3.根据权利要求2所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述热端换热器壳体包括热端换热器主壳体和下盖板，所述热端换热器主壳体和所述下盖板密封固定连接，所述热端换热器主壳体侧壁与所述高温蒸汽管道固定连接，所述热端换热器主壳体的上端面上和所述下盖板分别设有与所述热端换热管相适配的通孔；或者/并且，所述冷端换热器壳体包括冷端换热器主壳体和上盖板，所述冷端换热器主壳体和所述上盖板密封固定连接，所述冷端换热器主壳体侧壁与所述冷却水管道固定连接，所述冷端换热器主壳体的上端面上和所述上盖板分别设有与所述冷端换热管相适配的通孔。

4.根据权利要求2所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：在靠近所述冷端换热器壳体上下两端的外环面上分别设有与所述外壳内壁紧密贴合的环形凸起结构，所述环形凸起结构通过设有的密封圈与所述外壳内壁密封连接。

5.根据权利要求2-4任一权利要求所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述热端换热管和所述冷端换热管均采用逐层圆周均布排列，所述热端换热管和所述冷端换热管均包括多圈换热管层，每圈所述换热管层包括24个圆周均布的换热管，即为每圈所述换热管层的换热管以圆心角15°圆周均布，相邻每圈所述换热管层间隔4mm设置，相邻每圈所述换热管层的换热管交错分布。

6.根据权利要求5所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述热端换热管和所述冷端换热管的内径皆为0.8mm，所述热端换热管和所述冷端换热管的外径皆为1.6mm。

7.根据权利要求1所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述膨胀气缸外壁紧靠于所述管壳式热端换热器和所述回热器，所述膨胀气缸下端设有外延凸台，所述外延凸台与所述管壳式冷端换热器的上端面固定连接，所述外延凸台与所述管壳式冷端换热器的上端面共同组成用于支撑所述回热器的支撑面。

8.根据权利要求1所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述膨胀气缸内表面的圆柱度φ为0.005，光洁度为0.8。

9.根据权利要求1所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述壳体上部设有环状凸台，所述环状凸台距离所述外壳顶部设置，所述环状凸台用于限定所述管壳式冷端换热器的上端；所述管壳式冷端换热器的下端向外延伸设有连接环面，所述连接环面通过设有的数个固定螺钉与所述外壳固定连接。

10.根据权利要求3所述的冷热端管壳式换热装置，其特征在于：所述回热器为随机堆叠的金属丝网；或者/并且，所述热端换热器壳体采用铬镍铁合金718制得，所述冷端换热器壳体采用不锈钢316制得；或者/并且，所述热端换热器主壳体和所述下盖板通过设有相适配的环形凹槽一和环形凸台一进行焊接密封固定连接；或者/并且，所述冷端换热器主壳体和所述上盖板通过设有相适配的环形凹槽二和环形凸台二进行焊接密封固定连接。