CN110793375A - 一种振动强化换热装置及换热装置组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动强化换热装置及换热装置组，该装置采用复合型激励方式给予换热管道一定的激励以引起换热管道的振动，同时扰动换热管道周围流体的流动，提高了换热管道的换热效率；还可以通过对装置两侧的电感线圈组内电流的通电周期、时长、大小的控制来控制换热管道的振动周期大小及振幅大小；同时脉动冲击阀周期性的、快速的将一定量的冷媒介质输送到橡胶管和中间轴的间隙空间内并通过橡胶管周围的透水孔快速流出，不断扰动换热管道周围流体的流动。本发明较其他换热装置而言，在不增大换热面积前提下提高了换热效率，减少了材料消耗，结构紧凑，安装方便，可应用于快速降温、余热回收等方面。

Description

一种振动强化换热装置及换热装置组

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种振动强化换热装置及换热装置组。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。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，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。

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。

换热器的强化换热技术对节能降耗具有重要意义，其中被动强化换热技术由于不需要外界高品质能量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的利用，可大大提升换热装置的效率，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。

中国发明专利“浮动盘管-热管两级加热汽水热交换器”(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。

上述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。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，但并不能约束管道间的相对振动。管道的整体振动可强化换热，管道的相对运动虽对强化换热有一定益处但处理不当会造成管道的疲劳损伤，所以如何能较准确调整管道的振幅、频率，并在一定程度限制管道因振幅过大造成管道疲劳损坏值得深入研究。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种振动强化换热装置及换热装置组，解决了在特定情况下因空间大小限制无法增大换热器面积，从而无法提高换热效率的问题。本发明在不增大换热面积前提下提高了换热效率，同时避免因换热管道振幅过大而造成换热管道疲劳损伤。

技术方案：本发明一种振动强化换热装置，包括箱体，所述箱体的内部正中央固定连接有竖直设置的中间轴，所述中间轴上套设有橡胶管，中间轴与橡胶管之间形成间隙空间，所述橡胶管的底部与箱体的底壁固定连接，橡胶管的顶部设有开口，橡胶管的外侧螺旋缠绕有换热管道且所述换热管道与橡胶管的外侧通过振动支撑机构连接，换热管道的两端均通过伸缩软管和管道分别与热媒进口端和热媒出口端相连接，所述箱体的左侧底部通过管道与冷媒进口端相连接，所述冷媒进口端的支路管路上依次连接有脉动冲击阀和蓄水池，所述蓄水池通过管道与间隙空间相通，箱体的左侧顶部通过管道与冷媒出口端相连接，箱体的内部左右两侧壁上分别对称安装有电感线圈组，所述电感线圈组与外接电源相连接。

进一步的，所述振动支撑机构包括软磁铁、弹簧和橡胶底座，所述橡胶底座固定连接在橡胶管的外侧，所述弹簧的一端与软磁铁固定连接，弹簧的另一端与橡胶底座固定连接，所述软磁铁上设有圆孔，换热管道穿过圆孔与软磁铁相连接。一方面振动支撑机构可对换热管道起到支撑固定作用，另一方面可通过调节电感线圈组对软磁铁间的吸引力来引起换热管道和振动支撑机构的振动，换热管道的振动可增大管道和冷媒介质间的换热系数，振动支撑机构的振动引起橡胶管的振动，使得橡胶管和中间轴间的间隙空间内的冷媒介质通过透水孔流出，扰动了换热管道周围冷媒介质的流动，强化了换热系数，提高了装置的换热效率。

进一步的，所述中间轴由橡胶材料制成，中间轴的两端分别固定安装在箱体的顶壁和底壁，中间轴的直径为橡胶管的直径的0.5～0.8倍。以确保中间轴和橡胶管之间的间隙空间有一定容积；还可避免橡胶管左右振幅过大造成损坏，对其有一定的约束作用。

进一步的，所述橡胶管的外侧管壁上阵列设有透水孔。脉动冲击阀周期性的、快速的将蓄水池中的冷媒介质输送到橡胶管与中间轴间的间隙空间，随着冷媒介质的不断输入，间隙空间内压力不断增大，冷媒介质透过透水孔流出，扰动了换热管道周围流体的流动，进而强化换热装置的换热效率。

进一步的，所述电感线圈组由橡胶块、圆柱形磁铁和导线组成，所述橡胶块固定安装在箱体的内部左右两侧壁上，橡胶块内设有圆柱孔，所述圆柱孔内安装有圆柱形磁铁，圆柱形磁铁上缠绕有多圈导线。可通过调节通过导线的电流来调节圆柱形磁铁的磁性大小，进而调节电感线圈组与软磁铁间的磁力的大小，以引起换热管道的振动。

进一步的，所述热媒进口端的管道、热媒出口端的管道、冷媒出口端的管道以及冷媒进口端的管道上均安装有节流阀，且热媒出口端的管道上还安装有橡胶阻振接头。节流阀可对冷、热媒介质的流动起到调节作用，橡胶阻振接头可减小振动沿管道的传递。

本发明还包括一种振动强化换热装置组，所述换热装置组由N+1个上述任一项所述的换热装置串联而成，其中N≥1，依次为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N+1级换热装置，第一级换热装置的热媒出口端通过管道连接到第二级换热装置的热媒进口端，第二级换热装置的热媒出口端通过管道连接到第三级换热装置的热媒进口端，以此类推，各级换热装置的冷媒进口端、冷媒出口端分别并联连接，确保换热器箱体内冷媒介质有较低的温度，实现对换热管道内高温流体的多次降温，直至达到使用要求。

本发明换热装置中换热管道内的高温流体及箱体内的低温流体存在较大的温度差，当低温流体流经换热管道时，冷热流体通过换热管道管壁进行对流换热，换热管道内高温流体温度降低，换热管道外低温流体温度升高，从而达到热量交换的目的。本发明使换热管道产生轻微振动，同时扰动换热管道周围液体的流动，使换热管道换热改为强制对流换热，增大换热系数，提高换热装置的换热效果。

本发明装置中冷媒介质流经冷媒进口端进入换热器的箱体，直至换热器的箱体内腔充满冷媒介质后从冷媒出口端流出，热媒介质经热媒进口端流进螺旋形换热管道，通过换热管道管壁与换热器的箱体内冷媒介质进行对流换热，最后经热媒出口端流出，在换热过程中通过橡胶管、振动支撑机构、电感线圈组、脉动冲击阀等装置来强化换热管道振动，通过伸缩软管、中间轴来保护换热管道，避免换热管道因振幅过大而造成损伤。通过上述装置的共同作用，在确保换热管道安全的前提下强化换热管道的振动，以此来强化换热装置的换热效果。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明通过换热管道的振动来强化换热管道的换热效果，以此来提高换热装置的换热效率，本发明对于换热管道的振动方式提出了新的设计方案，以往的设计中，人们总是希望管道振幅要足够大，频率足够高，以达到增强换热效果的目的，然而事实是当换热管道振幅较大时，管道容易出现疲劳损坏，会大大减少其使用寿命；而对于传统的换热管道诱导方式如在管道进口端施加脉动强化流，以此来诱导管道的振动，或在管道进口端使用其他激励方式使管道产生振动，但随着管道的延长，振动趋势会逐渐减弱，换热强化效果较为有限；

(2)本发明中采用了复合式的振动机理来激励换热管道：一方面与传统换热管道不同，本发明中采用电磁控制换热管道的振动，通过调节流过电感线圈组中导线的电流周期、大小来引起换热管道的振动，通过电感线圈和振动支撑机构的相互作用来调节换热管道的振幅和振动周期；另一方面脉动冲击阀周期性的、快速的将蓄水池内的冷媒介质输送到中间轴和橡胶管间的间隙空间内，最后经过透水孔流出，以此来扰动换热管道周围流体的流动状态，进而强化装置的换热效果；

(3)本发明中对于换热管道易因振动而造成疲劳损坏也提出了新的解决方案，中间轴对橡胶管的振动有约束作用，避免橡胶管振幅过大进而导致换热管道损坏；另一方面安装的振动支撑机构也抑制了换热管道的大位移振动，有效的保护了换热管道，在热媒进、出口管道与螺旋缠绕的换热管道连接处安装有伸缩软管，对换热管道的振动有一定的调节作用；

(4)本发明装置仅需调节流经电感线圈组导线的电流周期、大小以及控制脉动冲击阀的工作周期即可有效的控制换热管道的振动，进而强化换热装置的换热效果。在不增大换热面积前提下提高了换热效率，减少了材料消耗，结构紧凑，安装方便，可应用于快速降温、余热回收等方面。

附图说明

图1为本发明振动强化换热装置的主视图；

图2为本发明振动强化换热装置的俯视图；

图3为橡胶管示意图；

图4为振动支撑机构示意图；

图5为电感线圈组示意图；

图6为实施例2结构示意图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

实施例1

如图1和图2所示，本发明一种振动强化换热装置，包括箱体1，箱体1的内部正中央固定连接有竖直设置的中间轴2，中间轴2由橡胶材料制成，中间轴2的两端分别固定安装在箱体1的顶壁和底壁，中间轴2上套设有橡胶管3，中间轴2与橡胶管3之间形成间隙空间4，其中中间轴2的直径为橡胶管3的直径的0.5～0.8倍，可确保中间轴2和橡胶管3之间的间隙空间4有一定容积；间隙空间4可避免橡胶管3左右振幅过大造成损坏，对其有一定的约束作用；

如图3所示，橡胶管3的底部与箱体1的底壁固定连接，橡胶管3的顶部设有开口，橡胶管3的外侧管壁上阵列设有透水孔31，橡胶管3的外侧螺旋缠绕有换热管道5且换热管道5与橡胶管3的外侧通过振动支撑机构6连接，换热管道5的两端均通过伸缩软管7和管道分别与热媒进口端8和热媒出口端9相连接，热媒进口端8位于箱体1右侧顶部，热媒出口端9位于箱体1右侧底部，伸缩软管7为橡胶材质，耐腐蚀，沿轴向方向有一定的伸缩性,对换热管道5有保护作用，避免换热管道5因振动而造成疲劳损伤；

箱体1的左侧底部通过管道与冷媒进口端10相连接，冷媒进口端10的支路管路上连接有脉动冲击阀11，沿冷媒流动方向其后连接有蓄水池12，蓄水池12通过管道与间隙空间4相通，脉动冲击阀11周期性的、快速的将蓄水池12内的冷媒介质输送到橡胶管3与中间轴2间的间隙空间4内，随着冷媒介质的不断输入，间隙空间4内压力不断增大，冷媒介质一部分从橡胶管3的顶部开口处流出，冷媒介质另一部分透过透水孔31流出，扰动了换热管路5周围流体的流动，进而强化换热装置的换热效率；

如图5所示，箱体1的左侧顶部通过管道与冷媒出口端13相连接，箱体1的内部左右两侧壁上分别对称安装有电感线圈组14，电感线圈组14与外接电源15相连接。电感线圈组14由橡胶块141、圆柱形磁铁142和导线143组成，橡胶块141固定安装在箱体1的内部左右两侧壁上，橡胶块141内设有圆柱孔，圆柱孔内安装有圆柱形磁铁142，圆柱形磁铁142上缠绕有多圈导线143，可通过调节通过导线143的电流来调节圆柱形磁铁142的磁性大小，进而调节电感线圈组14与软磁铁61间的磁力的大小，以引起换热管道的振动；

如图4所示，振动支撑机构6包括软磁铁61、弹簧62和橡胶底座63，橡胶底座63固定连接在橡胶管3的外侧，弹簧62的一端与软磁铁61固定连接，弹簧62的另一端与橡胶底座63固定连接，软磁铁61上设有圆孔，换热管道5穿过圆孔与软磁铁61相连接。一方面振动支撑机构6可对换热管道5起到支撑固定作用，另一方面可通过调节电感线圈组14对软磁铁61间的吸引力来引起换热管道5和振动支撑机构6的振动，换热管道5的振动可增大换热管道5和冷媒介质间的换热系数，振动支撑机构6的振动引起橡胶管3的振动，使得橡胶管3和中间轴2间的间隙空间4内的冷媒介质通过透水孔31流出，扰动了换热管道5周围冷媒介质的流动，强化了换热系数，提高了装置的换热效率；

同时，热媒进口端8的管道、热媒出口端9的管道、冷媒出口端13的管道以及冷媒进口端10的管道上均安装有节流阀16，节流阀16可对冷、热媒介质的流动起到调节作用，且热媒出口端9的管道上还安装有橡胶阻振接头17，橡胶阻振接头17可减小振动沿管道的传递；

本发明换热装置中换热管道5内的高温流体及箱体1内的低温流体存在较大的温度差，当低温流体流经换热管道5时，冷热流体通过换热管道5管壁进行对流换热，换热管道5内高温流体温度降低，换热管道5外低温流体温度升高，从而达到热量交换的目的。

本发明换热装置中冷媒介质流经冷媒进口端10进入换热器的箱体1，直至换热器的箱体1内腔充满冷媒介质后从冷媒出口端13流出，热媒介质经热媒进口端8流进螺旋形换热管道5，通过换热管道5管壁与换热器的箱体1内冷媒介质进行对流换热，最后经热媒出口端9流出，在换热过程中通过橡胶管3、振动支撑机构6、电感线圈组14、脉动冲击阀11等装置来强化换热管道5振动，通过伸缩软管7、中间轴2来保护换热管道5，避免换热管道5因振幅过大而造成损伤。通过上述装置的共同作用，在确保换热管道5安全的前提下强化换热管道5的振动，以此来强化换热装置的换热效果；

本发明换热装置采用复合型激励方式给予换热管道5一定的激励以引起换热管道5的振动，同时扰动换热管道5周围流体的流动，提高了换热管道5的换热效率；还可以通过对装置两侧的电感线圈组14内电流的通电周期、时长、大小的控制来控制换热管道5的振动周期大小及振幅大小。同时脉动冲击阀11周期性的、快速的将一定量的冷媒介质输送到橡胶管3和中间轴2的间隙空间4内并通过橡胶管3周围的透水孔31快速流出，不断扰动换热管道周围流体的流动，使换热管道5换热改为强制对流换热，增大换热系数，提高换热装置的换热效果。

实施例2

如图6所示，本发明还包括一种振动强化换热装置组，应用于对于换热需求较高，换热量较大的场所，换热装置组由N+1个实施例1中的换热装置串联而成，其中N≥1且N为整数，依次为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N+1级换热装置，本实施例中所有换热装置的热媒出口端9和热媒进口端8均放于箱体1的同一侧，冷媒进口端10、冷媒出口端13放置于箱体1另一侧，第一级换热装置的热媒出口端9通过管道连接到第二级换热装置的热媒进口端8，第二级换热装置的热媒出口端9通过管道连接到第三级换热装置的热媒进口端8，以此类推，上一级换热装置的热媒出口端9通过管道连接到下一级换热装置的热媒进口端8，各级换热装置的冷媒进口端10、冷媒出口端13分别并联连接，确保换热器箱体1内冷媒介质有较低的温度，实现对换热管道5内高温流体的多次降温，直至达到使用要求，振动强化换热装置组可实现较大的能量转换。

Claims (7)

1.一种振动强化换热装置，包括箱体，其特征在于：所述箱体的内部正中央固定连接有竖直设置的中间轴，所述中间轴上套设有橡胶管，中间轴与橡胶管之间形成间隙空间，所述橡胶管的底部与箱体的底壁固定连接，橡胶管的顶部设有开口，橡胶管的外侧螺旋缠绕有换热管道且所述换热管道与橡胶管的外侧通过振动支撑机构连接，换热管道的两端均通过伸缩软管和管道分别与热媒进口端和热媒出口端相连接，所述箱体的左侧底部通过管道与冷媒进口端相连接，所述冷媒进口端的支路管路上依次连接有脉动冲击阀和蓄水池，所述蓄水池通过管道与间隙空间相通，箱体的左侧顶部通过管道与冷媒出口端相连接，箱体的内部左右两侧壁上分别对称安装有电感线圈组，所述电感线圈组与外接电源相连接。

2.根据权利要求1所述的一种振动强化换热装置，其特征在于：所述振动支撑机构包括软磁铁、弹簧和橡胶底座，所述橡胶底座固定连接在橡胶管的外侧，所述弹簧的一端与软磁铁固定连接，弹簧的另一端与橡胶底座固定连接，所述软磁铁上设有圆孔，换热管道穿过圆孔与软磁铁相连接。

3.根据权利要求1所述的一种振动强化换热装置，其特征在于：所述中间轴由橡胶材料制成，中间轴的两端分别固定安装在箱体的顶壁和底壁，中间轴的直径为橡胶管的直径的0.5～0.8倍。

4.根据权利要求1所述的一种振动强化换热装置，其特征在于：所述橡胶管的外侧管壁上阵列设有透水孔。

5.根据权利要求1所述的一种振动强化换热装置，其特征在于：所述电感线圈组由橡胶块、圆柱形磁铁和导线组成，所述橡胶块固定安装在箱体的内部左右两侧壁上，橡胶块内设有圆柱孔，所述圆柱孔内安装有圆柱形磁铁，圆柱形磁铁上缠绕有多圈导线。

6.根据权利要求1所述的一种振动强化换热装置，其特征在于：所述热媒进口端的管道、热媒出口端的管道、冷媒出口端的管道以及冷媒进口端的管道上均安装有节流阀，且热媒出口端的管道上还安装有橡胶阻振接头。

7.一种振动强化换热装置组，其特征在于：所述换热装置组由N+1个权利要求1-6任一项所述的换热装置串联而成，其中N≥1，依次为第一级换热装置、第二级换热装置、……、第N+1级换热装置，第一级换热装置的热媒出口端通过管道连接到第二级换热装置的热媒进口端，第二级换热装置的热媒出口端通过管道连接到第三级换热装置的热媒进口端，以此类推，各级换热装置的冷媒进口端、冷媒出口端分别并联连接，确保换热器箱体内冷媒介质有较低的温度，实现对换热管道内高温流体的多次降温，直至达到使用要求。

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