CN110530174B - 一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器 - Google Patents

一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器 Download PDF

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Abstract

一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，包括换热腔体以及封装在其上部和下部的顶盖和底座，换热腔体包括由内向外套装在一起的内壁、中壁、外壁，三者之间形成内腔室与外腔室，中壁底部均匀设置有内外腔室连通口；内腔室内围绕内壁设置有内腔室传热管，外腔室内围绕中壁设置有外腔室传热管；顶盖上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体入口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体入口管，以及与内腔室相连通的壳程流体入口管，底座上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体出口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体出口管，外壁上部设置有与外腔室相连通的壳程流体出口管；壳程流体入口管内设置有自激振荡腔室。

Description

一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器
技术领域
本发明涉及一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，属于换热器领域。
背景技术
传统脉动强化换热方式是通过外加能源将平稳流动流体形成脉动形式，该形式可以满足对常规换热效率的需求，但当要求换热效率要求较高时，一般的脉动强化换热方式难以达到保持脉动形式的持续性和平稳性。另外，现有的管式换热器一般壳程流体的主速度沿着流体进口与出口方向，导致壳程流体流速过快，壳程流体还未充分接触传热管就离开换热器，换热效率低。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明设计了一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，以解决上述背景技术中提到的局限性问题。通过壳程流体主速度发生换向，并且将主流速转换为其他方向的速度，以使壳程流体能够与传热管内流体充分接触，实现强化传热，提高换热效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，包括换热腔体以及封装在其上部和下部的顶盖和底座，所述换热腔体包括由内向外套装在一起且均为筒形的内壁、中壁、外壁；所述内壁与中壁之间形成内腔室，所述中壁与外壁之间形成外腔室，所述中壁底部均匀设置有若干内外腔室连通口使内腔室和外腔室在底部连通；所述内腔室内围绕内壁设置有内腔室传热管，所述外腔室内围绕中壁设置有外腔室传热管；所述顶盖上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体入口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体入口管，以及与内腔室相连通的壳程流体入口管，所述底座上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体出口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体出口管，所述外壁上部设置有与外腔室相连通的壳程流体出口管；所述壳程流体入口管内设置有自激振荡腔室。
进一步地，所述自激振荡腔室由上流入口流道、自激振荡腔室前碰撞壁、自激振荡腔室后碰撞壁、自激振荡腔管和下流出口流道构成。
进一步地，所述内壁内部靠近上端处设置有锥形封堵，所述内壁上所述锥形封堵周围均为设置有若干内腔室入口。
进一步地，所述壳程流体入口管的入口处位于所述锥形封堵上方。
进一步地，所述锥形封堵上方，所述顶盖上设置有与内壁上端相连通的顶盖泄压管。
进一步地，所述外腔室管程流体出口管上设置有与其连通的外腔室清洁排液管，所述壳程流体出口管上设置有与其连通的壳程流体出口取样管，所述外壁外侧上部设置有与外腔室连通的壳程流体上取样管，下部设置有壳程流体下取样管。
进一步地，所述内壁、中壁、外壁的上端和下端均设置有螺纹凹槽，所述顶盖和底座上均设置有相应的螺纹凸起，所述内壁、中壁、外壁与顶盖和底座通过所述螺纹凹槽和螺纹凸起进行组装。
进一步地，所述螺纹凹槽与螺纹凸起之间安装有密封垫。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、由于流体脉动能够实现强化换热，本发明通过设置自激振荡腔室，产生自激振荡脉动，自激振荡脉动可有效地提高流体的湍流度，形成较好的脉动流形式，其脉动形成无需外部激励，因此既可以实现节约能源，又可持续产生达到高效驱动，且其脉动形式可通过自激振荡腔室结构调整实现，无需重构系统，减小了系统控制难度。
2、在外腔室中，壳程流体受到大气压作用，进入外腔室后壳程流体纵向速度减小，其湍动能逐渐转换为流体环流径向速度(由试验模拟得出)。壳程流体的环流径向速度的增大使得壳程流体在外腔室中能够与外腔室传热管充分接触，与此同时，壳程流体的出口管设置在外壁上方也能够保证壳程流体与外腔室传热管的接触时间。因此，壳程流体在外腔室中的换热效率能够得到有效的提升。
3、利用自激振荡脉动效应和重力势能转化的动能，流体动能加速和脉动式的进入内腔室，使壳程流体具有较大的湍动能，在内腔室中壳程流体形成剧烈扰流，可以实现强化传热。
4、诸多的取样口能够对多个位置的壳程流体进行取样，能够较好的实时监测传热情况。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图；
图2为本发明整体剖面图；
图3为本发明爆炸图；
图4为壳程流体入口管处的自激振荡腔室剖面图；
图5为本发明内部流体流动原理图；
图6为内腔室传热管围绕内壁的结构示意图；
图7为外腔室传热管围绕中壁的结构示意图；
图中：1顶盖，2外腔室管程流体入口管，3内腔室管程流体入口管，4壳程流体入口管，5顶盖泄压管，6外壁，7壳程流体出口管，8外腔室管程流体出口管，9内腔室管程流体出口管，10底座，11外腔室清洁排液管，12壳程流体下取样管，13外腔室，14内腔室，15内外腔室连通口，16内腔室入口，17壳程流体上取样管，18中壁，19内壁，20内腔室传热管，21外腔室传热管，22壳程流体出口取样管，23换热器顶盖固定槽，24自激振荡腔室，241上流入口流道，242下流出口流道,243自激振荡腔室前碰撞壁、244自激振荡腔室后碰撞壁、245自激振荡腔管。
具体实施方式
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。
请参阅图1-6，一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，换热腔体以及封装在其上部和下部的顶盖1和底座10，所述换热腔体包括由内向外套装在一起且均为筒形的内壁19、中壁18、外壁6；所述内壁19与中壁18之间形成内腔室14，所述中壁18与外壁6之间形成外腔室13，所述中壁18底部均匀设置有若干内外腔室连通口15使内腔室14和外腔室13在底部连通。所述内腔室14内围绕内壁19设置有内腔室传热管20，优选地，所述内腔室传热管20呈螺旋形围绕内壁19，所述外腔室13内围绕中壁18设置有外腔室传热管21，优选地，所述外腔室传热管21呈螺旋形围绕中壁18。所述顶盖1上设置有与外腔室传热管21相连通的外腔室管程流体入口管2，与内腔室传热管20相连通的内腔室管程流体入口管3，以及与内腔室14相连通的壳程流体入口管4，其中所述壳程流体入口管4内设置有自激振荡腔室24，所述自激振荡腔室24由上流入口流道241、自激振荡腔室前碰撞壁243、自激振荡腔室后碰撞壁244、自激振荡腔管245和下流出口流道242构成。所述底座10上设置有与外腔室传热管21相连通的外腔室管程流体出口管8，与内腔室传热管20相连通的内腔室管程流体出口管9，其中所述外腔室管程流体出口管8上设置有与其连通的外腔室清洁排液管，以方便对换热装备进行清洁和检修。所述外壁6上部设置有与外腔室相连通的壳程流体出口管7，所述壳程流体出口管7上设置有与之连通的壳程流体出口取样管22，以方便对壳程流体出口处进行取样温度检测。所述外壁外侧上部设置有与外腔室13连通的壳程流体上取样管17，下部设置有壳程流体下取样管12，通过壳程流体上、下取样管可以方便地对外腔室13内部的壳程流程进行取样检测。另外，换热器在组装时需要分别在内腔室管程流体入口管3、外腔室管程流体入口管2、内腔室管程流体出口管9、外腔室管程流体出口8管各处进行严格的密封。所述顶盖1上还设置有换热器顶盖固定槽23，换热器整体可以通过换热器顶盖固定槽23进行固定。
如图2所述内壁19为中空结构，其内部靠近上端处设置有锥形封堵，所述锥形封堵锥尖朝上，底边与内壁19的内面连接对内壁19的中空结构形成封堵。所述内壁19上所述锥形封堵周围均为设置有若干内腔室入口16，优选地，所述锥形封堵的锥尖高于所述内腔室入口16。所述壳程流体入口管4的入口处位于所述锥形封堵上方，当壳程流体从所述壳程流体入口管4进入时通过所述锥形封堵分流由内腔室入口16进入内腔室14。所述锥形封堵上方，所述顶盖1上设置有与内壁19上端相连通的顶盖泄压管5，所述顶盖泄压管5上设置阀门，在不需要泄压时阀门关闭。
进一步地，所述内壁19、中壁18、外壁6的上端和下端均设置有螺纹凹槽，所述顶盖1和底座10上均设置有相应的螺纹凸起，所述内壁19、中壁18、外壁6与顶盖1和底座10通过所述螺纹凹槽和螺纹凸起进行组装。所述螺纹凹槽与螺纹凸起之间安装有密封垫。
需要说明的是，为使附图2、5腔室结构更加清晰，此两幅附图中未画出内腔室传热管和外腔室传热管，这并不表示内腔室和外腔室中没有设置传热管。
工作原理：请参阅图1-6，壳程流体从壳程流体入口管4经过内腔室入口16进入内腔室14，在内腔室14中内腔室传热管20内的内腔室管程流体进行充分的热交换，此过程称为内腔室换热过程。此过程中根据自激振荡脉动效应，由于壳程流体从壳程流体入口管4经过自激振荡腔室24在自激振荡腔室下流道20中产生自激振荡脉动流，脉动流进入腔室后具有较大的湍动能，流体速度紊乱会加强壳程流体与内腔室管程流体的热交换效率。随后，壳程流体通过中壁18底部的内外腔室连通口15进入外腔室13，在外腔室13中与外腔室传热管21中的外腔室管程流体进行环流换热，此过程称为外腔室换热过程。外腔室换热过程与内腔室换热不同，壳程流体由外腔室13底部进入外腔室13后，为了克服自身重力，壳程流体的轴向速度大幅度减小，此时壳程流体会具有较大环流速度，围绕着外腔室传热管21进行径向环流，与外腔室传热管21充分接触，从而强化换热。另外，本发明换热器还设置了多处采样口，可以对工作中的换热器进行采样，检测在换热过程流体的温度，以此进行相应的工况调整。

Claims (8)

1.一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：包括换热腔体以及封装在其上部和下部的顶盖和底座，所述换热腔体包括由内向外套装在一起且均为筒形的内壁、中壁、外壁；所述内壁与中壁之间形成内腔室，所述中壁与外壁之间形成外腔室，所述中壁底部均匀设置有若干内外腔室连通口使内腔室和外腔室在底部连通；
所述内腔室内围绕内壁设置有内腔室传热管，所述外腔室内围绕中壁设置有外腔室传热管；
所述顶盖上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体入口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体入口管，以及与内腔室相连通的壳程流体入口管，所述底座上设置有与外腔室传热管相连通的外腔室管程流体出口管，与内腔室传热管相连通的内腔室管程流体出口管，所述外壁上部设置有与外腔室相连通的壳程流体出口管；
所述壳程流体入口管内设置有自激振荡腔室。
2.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述自激振荡腔室由上流入口流道、自激振荡腔室前碰撞壁、自激振荡腔室后碰撞壁、自激振荡腔管和下流出口流道构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述内壁内部靠近上端处设置有锥形封堵，所述内壁上所述锥形封堵周围均为设置有若干内腔室入口。
4.根据权利要求3所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述壳程流体入口管的入口处位于所述锥形封堵上方。
5.根据权利要求4所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述锥形封堵上方，所述顶盖上设置有与内壁上端相连通的顶盖泄压管。
6.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述外腔室管程流体出口管上设置有与其连通的外腔室清洁排液管，所述壳程流体出口管上设置有与其连通的壳程流体出口取样管，所述外壁外侧上部设置有与外腔室连通的壳程流体上取样管，下部设置有壳程流体下取样管。
7.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述内壁、中壁、外壁的上端和下端均设置有螺纹凹槽，所述顶盖和底座上均设置有相应的螺纹凸起，所述内壁、中壁、外壁与顶盖和底座通过所述螺纹凹槽和螺纹凸起进行组装。
8.根据权利要求7所述的一种基于自激振荡腔室的纵列管式环流换热器，其特征在于：所述螺纹凹槽与螺纹凸起之间安装有密封垫。
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