CN110579125A - 一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，包括若干换热节、隔板、第一进管、第一出管、第二进管和第二出管，换热节包括节壳和换热板，节壳为两端敞开的环状，节壳两端使用隔板封闭，换热板设置在节壳内并沿内壁滑动换热板将节壳内隔离为热腔和冷腔，第一进管、第一出管分别穿过节壳壁面连接热腔，第二进管和第二出管分别穿过节壳壁面连接冷腔。逆流式波纹预热板换还包括转动部件，换热节还包括气阀，气阀分别设置在第一进管、第一出管、第二进管、第二出管和节壳壁面的连接处，转动部件穿入换热节内并带动换热板进行滑动，转动部件的旋转也驱动气阀进行开合。

Description

一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体是一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换。

背景技术

换热器是一种工业上常用的器件，其对两路组分的介质在不发生介质接触的情况下进行热量交换以便达到特定的工艺条件或热量回收。

板式换热器是一种较为高效的换热器，其换热板两侧的介质经由换热板进行热交换，换热板制得较薄。

现有技术中，换热器基本都是通过增加换热面积等方式进行的效果提升的，由于换热板存在热阻力，其两侧的温差并不好统一，在两侧介质温差较小的情况下，换热功率显著下降，即使增大换热面积，换热效果仍然提升有限。气气换热是工业中常见的余热回收过程，而如何从大量温度稍高的气体中回收热量是节能、资源回收的首要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，包括若干换热节、隔板、第一进管、第一出管、第二进管和第二出管，换热节包括节壳和换热板，节壳为两端敞开的环状，节壳两端使用隔板封闭，换热板设置在节壳内并沿内壁滑动换热板将节壳内隔离为热腔和冷腔，第一进管、第一出管分别穿过节壳壁面连接热腔，第二进管和第二出管分别穿过节壳壁面连接冷腔。

多节换热节为一个个的换热单元，独立地进行换热过程，两路气体中较热的一路通过第一进管、第一出管分别进出热腔，较冷的一路通过第二进管和第二出管分别进出冷腔，换热板是冷热气体的换热面，并且换热板可以沿着节壳内壁滑动，也就是热腔和冷腔的容积能发生变化，在换热周期中，热气体进入热腔，冷气体进入冷腔后，让换热板发生滑动，使得热腔体积减小，发生压缩过程，高温气体温度再次升高，让冷腔体积变大，发生膨胀过程，低温气体温度再次降低，气体在发生换热前或换热周期的前段时间内，两种气体分别进行“预热”与“预冷”，从而在换热时，温差拉大，换热功率变大，换热效果大大提升，之后排出气体时，再分别返回初始体积，从而其压力能够与进出口气路上的压力匹配上，顺利排出换热节外。

进一步的，逆流式波纹预热板换还包括转动部件，换热节还包括气阀，气阀分别设置在第一进管、第一出管、第二进管、第二出管和节壳壁面的连接处，转动部件穿入换热节内并带动换热板进行滑动，转动部件的旋转也驱动气阀进行开合。

换热板需要动力驱动发生往复滑动，并且换热节内的气体由于需要进行预热与预冷时的压缩与膨胀过程，所以不好连续进出，在节壳与四个进出口连接处设置气阀用于协调进出气相位，气阀开闭的时机需要与换热板的滑动同步控制，所以都与转动部件发生联动，让转动部件上的结构特征统一控制换热板的滑动与气阀开闭，换热节为多个时，可以使用同一转动部件进行控制，不过需要注意转动部件穿过隔板、换热板处的密封，可以是密封垫、密封圈等形式，也可以是唇口密封等，转动部件在其动力源与远离动力源的端部设置轴承等部件进行支撑，换热节内处于节省空间的考虑就不再设置轴承了。

进一步的，转动部件包括轴、两个拨套、推球，拨套套设在轴上并使用紧固件锁紧，每个拨套包括第一凸轮板和第二凸轮板，第一凸轮板和第二凸轮板沿轴向错开，推球放置在轴表面上的一个球形槽内，推球位于两个两个拨套之间；

换热板包括轴套部和波纹板，轴套部位于波纹板中心并套设在轴上，轴套部内表面设有首尾相连的弧形环槽，弧形环槽的中心线在轴轴线上的投影具有长度，波纹板隔开热腔、冷腔，推球还位于弧形环槽内；

气阀包括阀芯、座环和弹性体，节壳壁面上设有连接孔，连接孔包括靠近节壳外表面的螺纹孔和靠近内表面的斜面孔，座环旋合在螺纹孔内，阀芯包括依次连接的销杆、阀垫和底柱，阀垫外缘也设有与斜面孔相同斜度的圆锥面，销杆远离阀垫的一端朝向拨套并与第一凸轮板或第二凸轮板径向紧邻，底柱远离阀垫的一端插入座环内，底柱底面与座环之间垫入弹性体；

第一进管、第一出管、第二进管、第二出管均与螺纹孔连接。

换热板的往复滑动是通过推球和弧形环槽实现的，推球嵌在轴表面的一个球形槽内，同时高出轴表面的部分嵌入弧形环槽内，从而在轴发生旋转时，推球也跟着进行转动，转动过程中，在轴线上的投影位置保持不变，而弧形环槽是具有轴向长度的，并不是一个规整的圆，而且换热板也不是圆周对称的（圆形），不能发生转动，所以，推球会推动与其贴合的弧形环槽的内表面，使其进行轴向移动，轴向移动的距离就是弧形环槽在轴轴线上的投影长度，设计时，可以通过设置不同的弧形环槽轴向长度来控制换热板对两侧气体的压缩比。

作为优化，弧形环槽的全长在轴轴线上的投影中，位于两端的部分分别占全长的35%以上。弧形环槽轴线投影的两端是换热板滑动的两端位置，可以在热腔小冷腔大时的极限位置多作一些停留，以便在较高温差下多一些时间进行换热，而这一目的可以通过让弧形环槽在一侧的圆周角大一些来达成，缩短与过渡过程对应的弧形环槽的段落长度。

气阀是热腔、冷腔的开闭阀，斜面孔与阀垫贴合时，换热节与外部的进出管断开，而阀垫被顶起时，换热节与外部进行换气，阀垫朝外的一侧设置的底柱抵靠在位于座环内的弹性体上，在销杆没有顶起力时压住阀垫使其密封，而销杆是阀垫朝内的一侧设置的，销杆的另一端与拨套外表相接触，拨套外圆柱面上有第一凸轮板与第二凸轮板，分别在一定的相位下顶动销杆使其所在的气阀进行开闭。

一个拨套控制一个腔室的进出侧两个气阀，一个换热节有两个腔室、一个换热板，所以转动部件包括轴、两个拨套、推球是一个换热节的配置，有多个换热节时，进行成倍增加。

作为优化，第一进管、第二出管位于节壳正上方，第一出管、第二进管和位于节壳正上方，第一凸轮板和第二凸轮板的凸起处圆周相差180度。

热腔内是热组分气体容腔，在换热后会降温沉降，所以上进下出的方式有较好的导向性，不容易发生换热后的气体排出不完全、新气体无法进入等问题，冷腔同理设置为下进上出。

作为优化，轴套部为轴向切分分体结构，弧形环槽被轴向分割，分体制造的轴套部使用紧固件连接在一起。

推球需要同时嵌入轴套部内和轴内，所以一定会有一个零件需要分体结构以便进行装配，而轴套部进行轴向分体是一个较方便的选择，轴向切分时应当将一部分的弧形环槽包纳在内。

作为优化，换热板还包括外缘环，外缘环设置在波纹板四周，外缘环外表面贴合节壳内表面。

外缘环让换热板更稳定地安装在节壳内，防止换热板滑动时发生倾斜。

作为优化，销杆与拨套相邻的端部设有万向球。万向球类似于轴表面的推球，只起推动作用，消除滑动摩擦。

作为优化，波纹板自身为波浪形的同时，波纹板表面还设有若干条纹状的凸起。波纹板的波浪形与表面条纹增加换热面积。

作为优化，第一进管、第一出管、第二进管、第二出管与螺纹孔通过卡套螺纹接头进行连接；隔板四周伸出连接耳用于锁紧固定。卡套螺纹接头拆装方便，让换热节累叠起来后，将连接耳使用一根螺杆串起来并用螺母锁紧，连接方便可靠。

隔板中央被轴穿过处、轴套部内表面弧形环槽的两端、外缘环与节壳内表面之间、节壳与隔板的接触面上均设置密封圈。密封圈设置方便，尺寸较小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在节壳内设置可滑动的换热板，并在一个换热周期的前期对热气体进行压缩，拉动膨胀冷组分气体，使热气体更热，冷气体更冷，换热温差增大，提升换热效果；弧形环槽与轴表面的推球进行嵌合，轴的转动能转变为换热板的往复滑动，可以方便地通过弧形环槽形状、长度与角度位置控制冷热腔的压缩比以及换热板极限位置的停留时间；顶销式气阀的设置，让转动部件可以通过凸轮板进行开关位置的设置，结构简单紧凑；多级式换热节，独立单元进行换热，通过累加换热器流量并且通过设定转动部件上拨套、每个换热节的弧形环槽的圆周位置等特征，可以综合每个换热节的流量，使得进出流均匀。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的外形示意图；

图3为本发明单个换热节的结构示意图；

图4为本发明转动部件的局部结构示意图；

图5为图4中的视图D-D；

图6为图3中的视图A；

图7为图3中的视图B；

图8为图3中的视图C。

图中：1-转动部件、11-轴、12-拨套、121-第一凸轮板、122-第二凸轮板、13-推球、2-换热节、201-热腔、202-冷腔、21-换热板、211-轴套部、2111-弧形环槽、212-波纹板、213-外缘环、22-节壳、221-螺纹孔、222-斜面孔、23-气阀、231-阀芯、2311-销杆、2312-阀垫、2313-底柱、2314-万向球、232-座环、233-弹性体、3-隔板、41-第一进管、42-第一出管、43-第二进管、44-第二出管、9-密封圈。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，包括若干换热节2、隔板3、第一进管41、第一出管42、第二进管43和第二出管44，换热节2包括节壳22和换热板21，节壳22为两端敞开的环状，节壳22两端使用隔板3封闭，换热板21设置在节壳22内并沿内壁滑动换热板21将节壳22内隔离为热腔201和冷腔202，第一进管41、第一出管42分别穿过节壳22壁面连接热腔201，第二进管43和第二出管44分别穿过节壳22壁面连接冷腔202。

多节换热节2为一个个的换热单元，独立地进行换热过程，两路气体中较热的一路通过第一进管41、第一出管42分别进出热腔201，较冷的一路通过第二进管43和第二出管44分别进出冷腔202，换热板21是冷热气体的换热面，并且换热板21可以沿着节壳22内壁滑动，也就是热腔201和冷腔202的容积能发生变化，在换热周期中，热气体进入热腔201，冷气体进入冷腔202后，让换热板21发生滑动，使得热腔201体积减小，发生压缩过程，高温气体温度再次升高，让冷腔202体积变大，发生膨胀过程，低温气体温度再次降低，气体在发生换热前或换热周期的前段时间内，两种气体分别进行“预热”与“预冷”，从而在换热时，温差拉大，换热功率变大，换热效果大大提升，之后排出气体时，再分别返回初始体积，从而其压力能够与进出口气路上的压力匹配上，顺利排出换热节2外。

如图1、3所示，逆流式波纹预热板换还包括转动部件1，换热节2还包括气阀23，气阀23分别设置在第一进管41、第一出管42、第二进管43、第二出管44和节壳22壁面的连接处，转动部件1穿入换热节2内并带动换热板21进行滑动，转动部件1的旋转也驱动气阀23进行开合。

换热板21需要动力驱动发生往复滑动，并且换热节2内的气体由于需要进行预热与预冷时的压缩与膨胀过程，所以不好连续进出，在节壳22与四个进出口连接处设置气阀23用于协调进出气相位，气阀23开闭的时机需要与换热板21的滑动同步控制，所以都与转动部件1发生联动，让转动部件1上的结构特征统一控制换热板21的滑动与气阀23开闭，换热节2为多个时，可以使用同一转动部件1进行控制，不过需要注意转动部件1穿过隔板3、换热板21处的密封，可以是密封垫、密封圈等形式，也可以是唇口密封等，转动部件1在其动力源与远离动力源的端部设置轴承等部件进行支撑，换热节2内处于节省空间的考虑就不再设置轴承了。

如图3、4、5所示，转动部件1包括轴11、两个拨套12、推球13，拨套12套设在轴11上并使用紧固件锁紧，每个拨套12包括第一凸轮板121和第二凸轮板122，第一凸轮板121和第二凸轮板122沿轴向错开，推球13放置在轴11表面上的一个球形槽内，推球13位于两个两个拨套12之间；

如图3、6所示，换热板21包括轴套部211和波纹板212，轴套部211位于波纹板212中心并套设在轴11上，轴套部211内表面设有首尾相连的弧形环槽2111，图6中只显示了剖面后方的一半弧形环槽2111，另一半弧形环槽2111以剖切面对称，形成首尾相连的槽环，弧形环槽2111的中心线在轴11轴线上的投影具有长度，波纹板212隔开热腔201、冷腔202，推球13还位于弧形环槽2111内；

如图7所示，气阀23包括阀芯231、座环232和弹性体233，节壳22壁面上设有连接孔，连接孔包括靠近节壳22外表面的螺纹孔221和靠近内表面的斜面孔222，座环232旋合在螺纹孔221内，阀芯231包括依次连接的销杆2311、阀垫2312和底柱2313，阀垫2312外缘也设有与斜面孔222相同斜度的圆锥面，如图6、7所示，销杆2311远离阀垫2312的一端朝向拨套12并与第一凸轮板121或第二凸轮板122径向紧邻，底柱2313远离阀垫2312的一端插入座环232内，底柱2313底面与座环232之间垫入弹性体233；

第一进管41、第一出管42、第二进管43、第二出管44均与螺纹孔221连接。

换热板21的往复滑动是通过推球13和弧形环槽2111实现的，推球13嵌在轴11表面的一个球形槽内，同时高出轴11表面的部分嵌入弧形环槽2111内，从而在轴11发生旋转时，推球13也跟着进行转动，转动过程中，在轴线上的投影位置保持不变，而弧形环槽2111是具有轴向长度的，并不是一个规整的圆，而且换热板21也不是圆周对称的（圆形），不能发生转动，所以，推球13会推动与其贴合的弧形环槽2111的内表面，使其进行轴向移动，轴向移动的距离就是弧形环槽2111在轴11轴线上的投影长度，设计时，可以通过设置不同的弧形环槽2111轴向长度来控制换热板21对两侧气体的压缩比。

弧形环槽2111的全长在轴11轴线上的投影中，位于两端的部分分别占全长的35%以上。弧形环槽2111轴线投影的两端是换热板21滑动的两端位置，可以在热腔201小冷腔202大时的极限位置多作一些停留，以便在较高温差下多一些时间进行换热，而这一目的可以通过让弧形环槽2111在一侧的圆周角大一些来达成，缩短与过渡过程对应的弧形环槽2111的段落长度。例如在图6中，波纹板212左侧为热腔201、右侧为冷腔202，让弧形环槽2111右端处划过较大的圆周角。

气阀23是热腔201、冷腔202的开闭阀，斜面孔222与阀垫2312贴合时，换热节2与外部的进出管断开，而阀垫2312被顶起时，换热节2与外部进行换气，阀垫2312朝外的一侧设置的底柱2313抵靠在位于座环232内的弹性体233上，在销杆2311没有顶起力时压住阀垫2312使其密封，而销杆2311是阀垫2312朝内的一侧设置的，销杆2311的另一端与拨套12外表相接触，拨套12外圆柱面上有第一凸轮板121与第二凸轮板122，分别在一定的相位下顶动销杆2311使其所在的气阀23进行开闭。

一个拨套12控制一个腔室的进出侧两个气阀23，一个换热节2有两个腔室、一个换热板21，所以转动部件1包括轴11、两个拨套12、推球13是一个换热节2的配置，有多个换热节2时，进行成倍增加。

如图1、2所示，第一进管41、第二出管44位于节壳22正上方，第一出管42、第二进管43和位于节壳22正上方，第一凸轮板121和第二凸轮板122的凸起处圆周相差180度。

热腔201内是热组分气体容腔，在换热后会降温沉降，所以上进下出的方式有较好的导向性，不容易发生换热后的气体排出不完全、新气体无法进入等问题，冷腔202同理设置为下进上出。

如图6所示，轴套部211为轴向切分分体结构，弧形环槽2111被轴向分割，分体制造的轴套部211使用紧固件连接在一起。

推球13需要同时嵌入轴套部211内和轴11内，所以一定会有一个零件需要分体结构以便进行装配，而轴套部211进行轴向分体是一个较方便的选择，轴向切分时应当将一部分的弧形环槽包纳在内。

如图3、8所示，换热板21还包括外缘环213，外缘环213设置在波纹板212四周，外缘环213外表面贴合节壳22内表面。

外缘环213让换热板21更稳定地安装在节壳22内，防止换热板21滑动时发生倾斜。

如图6所示，销杆2311与拨套12相邻的端部设有万向球2314。万向球2314类似于轴11表面的推球13，只起推动作用，消除滑动摩擦。

波纹板212自身为波浪形的同时，波纹板212表面还设有若干条纹状的凸起。波纹板212的波浪形与表面条纹增加换热面积。

第一进管41、第一出管42、第二进管43、第二出管44与螺纹孔221通过卡套螺纹接头进行连接；

隔板3四周伸出连接耳31用于锁紧固定。

卡套螺纹接头拆装方便，让换热节2累叠起来后，将连接耳31使用一根螺杆串起来并用螺母锁紧，连接方便可靠。

隔板3中央被轴11穿过处、轴套部211内表面弧形环槽2111的两端、外缘环213与节壳22内表面之间、节壳22与隔板3的接触面上均设置密封圈9。密封圈9设置方便，尺寸较小。

本装置的使用原理是：将用于换热的热组分气体接入第一进管41和第一出管42，将冷组分气体接入第二进管43、第二出管44，轴11发生旋转，驱动换热板21在节壳内发生往复滑动，初始进气完成后，换热板21压缩热腔201内的热气进行升温，拉动冷腔202内的冷气膨胀降温，换热在较大温差下进行，换热完成后，拨套12顶动热腔201、冷腔202侧面的四个气阀23进行换气。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述逆流式波纹预热板换包括若干换热节（2）、隔板（3）、第一进管（41）、第一出管（42）、第二进管（43）和第二出管（44），所述换热节（2）包括节壳（22）和换热板（21），节壳（22）为两端敞开的环状，节壳（22）两端使用隔板（3）封闭，所述换热板（21）设置在节壳（22）内并沿内壁滑动换热板（21）将节壳（22）内隔离为热腔（201）和冷腔（202），所述第一进管（41）、第一出管（42）分别穿过节壳（22）壁面连接热腔（201），所述第二进管（43）和第二出管（44）分别穿过节壳（22）壁面连接冷腔（202）。

2.根据权利要求1所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述逆流式波纹预热板换还包括转动部件（1），所述换热节（2）还包括气阀（23），所述气阀（23）分别设置在第一进管（41）、第一出管（42）、第二进管（43）、第二出管（44）和节壳（22）壁面的连接处，所述转动部件（1）穿入换热节（2）内并带动换热板（21）进行滑动，转动部件（1）的旋转也驱动气阀（23）进行开合。

3.根据权利要求2所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述转动部件（1）包括轴（11）、两个拨套（12）、推球（13），所述拨套（12）套设在轴（11）上并使用紧固件锁紧，每个拨套（12）包括第一凸轮板（121）和第二凸轮板（122），所述第一凸轮板（121）和第二凸轮板（122）沿轴向错开，所述推球（13）放置在轴（11）表面上的一个球形槽内，推球（13）位于两个两个拨套（12）之间；

所述换热板（21）包括轴套部（211）和波纹板（212），所述轴套部（211）位于波纹板（212）中心并套设在轴（11）上，轴套部（211）内表面设有首尾相连的弧形环槽（2111），所述弧形环槽（2111）的中心线在轴（11）轴线上的投影具有长度，所述波纹板（212）隔开热腔（201）、冷腔（202），所述推球（13）还位于弧形环槽（2111）内；

所述气阀（23）包括阀芯（231）、座环（232）和弹性体（233），所述节壳（22）壁面上设有连接孔，连接孔包括靠近节壳（22）外表面的螺纹孔（221）和靠近内表面的斜面孔（222），所述座环（232）旋合在螺纹孔（221）内，所述阀芯（231）包括依次连接的销杆（2311）、阀垫（2312）和底柱（2313），所述阀垫（2312）外缘也设有与斜面孔（222）相同斜度的圆锥面，所述销杆（2311）远离阀垫（2312）的一端朝向拨套（12）并与第一凸轮板（121）或第二凸轮板（122）径向紧邻，所述底柱（2313）远离阀垫（2312）的一端插入座环（232）内，底柱（2313）底面与座环（232）之间垫入弹性体（233）；

所述第一进管（41）、第一出管（42）、第二进管（43）、第二出管（44）均与螺纹孔（221）连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述第一进管（41）、第二出管（44）位于节壳（22）正上方，所述第一出管（42）、第二进管（43）和位于节壳（22）正上方，所述第一凸轮板（121）和第二凸轮板（122）的凸起处圆周相差180度。

5.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述轴套部（211）为轴向切分分体结构，所述弧形环槽（2111）被轴向分割，分体制造的轴套部（211）使用紧固件连接在一起。

6.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述换热板（21）还包括外缘环（213），所述外缘环（213）设置在波纹板（212）四周，外缘环（213）外表面贴合节壳（22）内表面。

7.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述销杆（2311）与拨套（12）相邻的端部设有万向球（2314）。

8.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述波纹板（212）自身为波浪形的同时，波纹板（212）表面还设有若干条纹状的凸起。

9.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述第一进管（41）、第一出管（42）、第二进管（43）、第二出管（44）与螺纹孔（221）通过卡套螺纹接头进行连接；

所述隔板（3）四周伸出连接耳（31）用于锁紧固定。

10.根据权利要求3所述的一种用于气气换热的逆流式波纹预热板换，其特征在于：所述弧形环槽（2111）的全长在轴（11）轴线上的投影中，位于两端的部分分别占全长的35%以上。