CN112414166B - 一种上下分区的自适应流量调节冷却装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，属于管壳式换热器技术领域，包括：管壳式换热器，其设有通入第一流体的第一流体入口和流出第一流体的第一流体出口，第一流体入口与第一流体出口之间设有多个上下分区的冷却腔室，多个冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管；自适应流量调节单元，其包括翼面，翼面位于管壳式换热器内，翼面受到管壳式换热器内第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个冷却腔室通入第一流体的流通面积。本申请的管壳式换热器的多个上下分区的冷却腔室可实现对多个用户、多种介质的冷却和温度控制，节省单独为各用户设置换热器、泵和管路附件等的空间浪费和冗余投资。

Description

一种上下分区的自适应流量调节冷却装置

技术领域

本申请涉及管壳式换热器技术领域，特别涉及一种上下分区的自适应流量调节冷却装置。

背景技术

管壳式换热器是目前工业应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流板等部件组成，可采用不锈钢、普通碳钢、紫铜或其它有色金属作为材料。操作时，一种流体由一端封头接管进入，经过换热管，从另一端封头的接管流出，称之为管程；另一种流体由壳体的一个接管进入，从壳体上的另一接管流出，称之为壳程。换热管作为冷热流体传热的关键部件，其结构和型式不断优化。

随着新型高效换热管的不断出现，管壳式换热器的应用范围不断扩大。在热力发电、石油化工、海洋平台和船舶动力等领域广泛采用各种管壳式换热器。热源介质包括蒸汽、高温烟气、高温淡水、润滑油等。冷源通常根据应用环境就地取材，常用的冷源介质有空气、河水、海水等。以海洋船舶动力系统为例，其中三种典型的热交换设备有冷凝器、润滑油冷却器、淡水冷却器，其热源介质分别为蒸汽、润滑油和淡水，且热源介质温度各不相同，这三种热交换设备的冷源均可采用海水。

相关技术中，传统的船舶动力系统通常根据用户和介质不同分别设置专用换热器，如对汽轮用户机组设置冷凝器，对润滑冷却装置设置润滑油冷却器，对电源机柜等设置海水-淡水换热器。为保证各换热器正常工作，还应分别配置海水泵、阀门和相应的管路系统。如此一来，导致换热器设备众多、管路系统复杂，不利于减轻船舶整体重量，且占用船舶大量空间。由于换热器设备重量直接影响船舶排水量、航速和操纵性能，而提高换热器空间利用率对于船舶舱室布置尤其重要。

发明内容

本申请实施例提供一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，以解决相关技术中船舶上使用的换热器设备众多、管路系统复杂，不利于减轻船舶整体重量，且占用船舶大量空间的问题。

本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，包括：

管壳式换热器，其设有通入第一流体的第一流体入口和流出第一流体的第一流体出口，所述第一流体入口与第一流体出口之间设有多个上下分区的冷却腔室，多个所述冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管；

自适应流量调节单元，其包括若干翼面，若干所述翼面位于所述第一流体入口内，所述翼面受到管壳式换热器内第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个所述冷却腔室通入第一流体的流通面积。

在一些实施例中：所述管壳式换热器的侧壁上设有分别向多个所述冷却腔室内通入第二流体的第二流体入口和流出第二流体的第二流体出口，多个所述冷却腔室在所述管壳式换热器内相互密封。

在一些实施例中：所述管壳式换热器为圆形或矩形筒体结构，所述翼面设有一个或多个，所述翼面两端的翼型截面均设有旋转轴，相邻的两个翼面之间及翼面与管壳式换热器内壁之间通过旋转轴转动连接，所述翼面两端的旋转轴在同一水平线上。

在一些实施例中：所述旋转轴上设有将所述翼面悬空在所述管壳式换热器内的支撑杆，所述支撑杆的一端与旋转轴固定连接，支撑杆的另一端与管壳式换热器的内壁固定连接。

在一些实施例中：所述旋转轴垂直于所述翼面两端的翼型截面，且所述旋转轴位于使得所述翼面所受到的流体作用力和重力关于旋转轴的转动力矩方向相反的位置。

在一些实施例中：所述翼面的前缘接近所述第一流体入口的入口侧，所述翼面的后缘远离所述第一流体入口的入口侧。

在一些实施例中：多个所述翼面中相邻的两个所述翼面之间预留有转动间隙。

在一些实施例中：所述翼面的吸力面朝向所述管壳式换热器的上壁，所述翼面的压力面朝向所述管壳式换热器的下壁，或所述翼面的吸力面朝向所述流体通道的下壁，所述翼面的压力面朝向所述流体通道的上壁，所述吸力面的弧线弯度大于所述压力面的弧线弯度。

在一些实施例中：所述冷却腔室包括上下分区的上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室之间通过隔板隔开，所述翼面在所述第一流体入口内将所述第一流体入口分为上流道和下流道；

所述上流道用于向所述上腔室内的换热管注入第一流体，所述下流道用于向所述下腔室内的换热管注入第一流体。

在一些实施例中：所述第一流体入口设有限制所述翼面向下流道和/或上流道方向旋转的限位杆，所述限位杆包括上限位杆和下限位杆，所述上限位杆位于所述上流道内，所述下限位杆位于所述下流道内，所述上限位杆和下限位杆均设有与所述管壳式换热器内壁连接的定位杆。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，由于本申请设置了管壳式换热器和自适应流量调节单元，其中管壳式换热器设有其设有通入第一流体的第一流体入口和流出第一流体的第一流体出口，第一流体入口与第一流体出口之间设有多个上下分区的冷却腔室，多个冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管。自适应流量调节单元设置在第一流体入口内，其包括若干翼面，若干翼面位于管壳式换热器内，翼面受到管壳式换热器内流体的作用力自适应旋转，以改变多个冷却腔室的流通面积。

因此，本申请的管壳式换热器内设有多个上下分区的冷却腔室，多个冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管，该管壳式换热器的多个上下分区的冷却腔室可实现对多个用户、多种介质的冷却和温度控制，节省单独为各用户设置换热器、泵和管路附件等的空间浪费和冗余投资。同时在第一流体入口内设有自适应流量调节单元，该自适应流量调节单元能够根据第一流体的作用力大小来自适应旋转，以改变多个冷却腔室的流通面积，自动实现调节进入换热管内的第一流体的流量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的结构主视图；

图2为图1中沿A-A方向的剖视图；

图3为本申请实施例的自适应流量调节单元的结构示意图；

图4为本申请实施例的翼面受力分析图；

图5为本申请实施例的翼面工作原理图。

附图标记：

1、管壳式换热器；11、第一流体入口；12、第一流体出口；13、上腔室；14、下腔室；15、隔板；16、第二流体入口；17、第二流体出口；18、上流道；19、下流道；

2、自适应流量调节单元；21、翼面；22、下限位杆；23、旋转轴；24、支撑杆；25、定位杆；26、上限位杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其能解决相关技术中船舶上使用的换热器设备众多、管路系统复杂，不利于减轻船舶整体重量，且占用船舶大量空间的问题。

参见图1至图3所示，本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，包括：

管壳式换热器1，该管壳式换热器1设有通入第一流体的第一流体入口11和流出第一流体的第一流体出口12，第一流体入口11和第一流体出口12分别位于管壳式换热器1的两端。在第一流体入口11与第一流体出口12之间设有多个上下分区的冷却腔室，多个上下分区的冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管(图中未画出)。

在管壳式换热器1的侧壁上设有分别向多个上下分区的冷却腔室内通入第二流体的第二流体入口16和流出第二流体的第二流体出口17，多个上下分区的冷却腔室在管壳式换热器1内相互密封。第一流体为冷介质，第二流体为热介质，多个上下分区的冷却腔室共用第一流体入口11，从第一流体入口11进入的第一流体通过换热管与多个上下分区的冷却腔室内的第二流体进行热交换，热交换后的第一流体从换热管流出后共同从第一流体出口12排出。

自适应流量调节单元2，该自适应流量调节单元2包括一个或多个翼面21，翼面21的具体数量根据翼面21的翼型和管壳式换热器1的尺寸合理设定。翼面21位于管壳式换热器1的第一流体入口11内将第一流体入口11分隔为多个上下分区的流通区域，翼面受到第一流体入口11内第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个上下分区的冷却腔室的流通面积。

本实施例的管壳式换热器1优选但不限于为圆形和矩形筒体结构，其为第一流体提供流动通道，本实施例的第一流体可选为气体介质或液体介质。自适应流量调节单元2的翼面21设有多个，多个翼面21在第一流体入口11内沿水平方向排成一字形结构。

本申请的上下分区的自适应流量调节冷却装置能够根据第一流体入口11内流体的流速大小自适应调节上流道18和下流道19的有效流通面积，从而达到分配调节进入管壳式换热器1内多个上下分区的冷却腔室流体流量的目的。

当第一流体入口11内第一流体的流速增大，第一流体入口11内第一流体对翼面21的作用力矩增大，对应的翼面21的旋转角度越大，翼面21的旋转将改变上流道18和下流道19的有效流通面积，以使通过上流道18和下流道19的流体流量发生变化，调节上流道18和下流道19的流体流量至所需流量范围内。

当第一流体入口11内第一流体的流速保持恒定时，翼面21处于受力和力矩平衡状态，翼面21的旋转角度保持恒定，以使管壳式换热器1内多个上下分区的冷却腔室的流体流量保持在设定流量范围内。

当第一流体入口11内第一流体的流速减小，第一流体入口11内第一流体对翼面21的作用力矩减小，对应的翼面21的旋转角度变小，翼面21的旋转将改变上流道18和下流道19的有效流通面积，以使通过上流道18和下流道19的流体流量发生变化，调节上流道18和下流道19的流体流量至所需流量范围内。

在一些可选实施例中：参见图3所示，本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，该装置的多个翼面21两端的翼型截面均设有旋转轴23。相邻的两个翼面21之间及翼面21与管壳式换热器1内壁之间通过旋转轴23转动连接，翼面21两端的旋转轴23在同一垂直于来流方向的水平线上。旋转轴23为翼面21提供转动支撑，翼面21以旋转轴23为轴心俯仰旋转运动。

旋转轴23的两端固定于管壳式换热器1的侧面。若有多个翼面21或单个翼面重量较大时，在旋转轴23上还设有将翼面21悬空在管壳式换热器1内的支撑杆24，支撑杆24的一端与旋转轴23固定连接，支撑杆24的另一端与管壳式换热器1的内壁固定连接。支撑杆24为旋转轴23和翼面21提供定位和支撑，确保旋转轴23和翼面21的位置精度，提高流体流量的控制精度。

旋转轴23垂直于翼面21两端的翼型截面，翼面21以旋转轴23为旋转中心做俯仰旋转运动。旋转轴23位于使得翼面21受到的流体作用力与重力关于旋转轴23的转动力矩方向相反的位置，两者平衡时达到稳定状态。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，该装置的管壳式换热器1为矩形筒体结构，翼面21为双凸翼型，翼面21的吸力面朝向管壳式换热器1的上壁，翼面21的压力面朝向管壳式换热器1的下壁，吸力面的弧线弯度大于压力面的弧线弯度。

多个翼面21中相邻的两个翼面21之间预留有转动间隙，该转动间隙为翼面21提供运动空间，防止相邻的两个翼面21互相干扰。翼面21的前缘接近第一流体入口11的入口侧，翼面21的后缘远离第一流体入口11的入口侧。

为使流体作用力矩与重力作用力矩方向始终相反：当翼面21的吸力面朝上、压力面朝下时，翼面21上的旋转轴23位于压力中心(流体合力作用点)和重心的下游；当翼面21的吸力面朝下、压力面朝上时，翼面旋转轴23位于压力中心与重心之间。

随着翼面21转动角度(相对初始状态)增大，流体作用力矩和重力力矩均增大或减小。

在一些可选实施例中：参见图2和图3所示，本申请实施例提供了一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，该装置的冷却腔室包括上下分区的上腔室13和下腔室14，上腔室13和下腔室14用于分别冷却不同种类的第二流体。

上腔室13和下腔室14之间通过隔板15隔开，上腔室13和下腔室14之间通过隔板15相互密封，避免不同种类的第二流体相互干扰。

翼面21在第一流体入口11内将第一流体入口11分为上流道18和下流道19。翼面21在上流道18和下流道19之间，翼面21通过旋转改变上流道18和下流道19的有效流通面积。上流道18用于向上腔室13内的换热管注入第一流体，下流道19用于向下腔室14内的换热管注入第一流体。翼面21通过旋转改变上流道18和下流道19的有效流通面积来分配和调节第一流体进入上腔室13与下腔室14的流量。

在第一流体入口11设有限制翼面向下流道19或上流道18方向旋转的限位杆，该限位杆用于控制翼面21向上流道18或下流道19方向旋转的角度，当翼面21向下流道19或上流道18方向旋转至设定角度后与限位杆相抵，以保证上流道18或下流道19具有最小的流通面积。

限位杆包括上限位杆26和下限位杆22，上限位杆26位于上流道18内，下限位杆22位于下流道19内。上限位杆26用于控制翼面21向上流道18方向旋转的角度，当翼面21向上流道18方向旋转至设定角度后与上限位杆26相抵，以保证下流道19具有最小的入口流通面积。下限位杆22用于控制翼面21向下流道19方向旋转的角度，当翼面21向下流道19方向旋转至设定角度后与下限位杆22相抵，以保证上流道18具有最小的入口流通面积。

上限位杆26和下限位杆22上分别设置有与管壳式换热器1的上壁和下壁连接的多个定位杆25。多个定位杆25为下限位杆22和上限位杆26提供定位和支撑，确保下限位杆22和上限位杆26的位置精度，提高流体流量的控制精度。

工作原理

参加图3至图5所示，置于管壳式换热器1内的翼面21受到流体速度为V_∞的来流作用，翼面21受到的流体作用合力为R，通常可将流体作用合力R分解为升力L和阻力D，为了便于分析也可将流体作用合力R分解为沿弦线方向作用力F_C和垂直弦线方向作用力F_N。

当翼面21上的旋转轴23不在其压力中心(旋转轴和压力中心不重合)时，流体作用在翼面21上的作用力具有一定长度的力臂，翼面21在沿弦线方向作用力F_C和垂直弦线方向作用力F_N的作用下，将受到一定的俯仰力矩M_Z＝L_Z×R，其大小|M_Z|＝|F_C|·L_C+|F_N|·L_N，其中L_Z为从旋中心至压力中心的距离矢量，L_C和L_N分别为沿弦线和垂直弦线方向作用力的力臂长度。

以吸力面朝上、压力面朝下，且旋转轴23位于重心和压力中心下游为例，流体作用力矩与重力作用力矩方向相反。重力力矩M_Z＝L_G×G，其大小|M_Z|＝|mg|·|L_G|·cos(β-α)，其中m为翼面质量，g为重力加速度，G＝mg为翼面所受重力，L_G为从旋转中心至重心的距离矢量，β为旋转中心至重心连线与翼型弦线夹角。当翼面攻角α增大且α<β时，重力力矩也增大。

当来流速度V_∞增大时，翼面21受到的流体作用力和力矩均增大，当翼面21所受流体作用力矩M_Z大于重力力矩M_G时，将使翼面21顺时针旋转。当流体作用力矩与重力力矩平衡时，本装置达到该流速下的稳定状态。

此时翼面攻角为α，在翼面前缘截面处，管壳式换热器1的宽度S随高度h变化的函数为S(h)，下流道19的为H_下；上流道18的下缘高度H_下、上缘高度为H_上。对于给定的入口总流量Q，根据流体力学原理可得到此处流体速度剖面u(h)，从而可分别计算上、下流道流量：

即可获得总流量-流量分配比例-翼面攻角之间的对应关系(Q-Q_上/Q_下-α)。通过合理设计本装置的结构及安装位置，使其流量分配特性满足流量分配需求，即可达到自适应分配调节流量的目的。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于，包括：

管壳式换热器(1)，其设有通入第一流体的第一流体入口(11)和流出第一流体的第一流体出口(12)，所述第一流体入口(11)与第一流体出口(12)之间设有多个上下分区的冷却腔室，多个所述冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管；

自适应流量调节单元(2)，其包括若干翼面(21)，若干所述翼面(21)位于所述第一流体入口(11)内，所述翼面(21)受到管壳式换热器(1)内第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个所述冷却腔室通入第一流体的流通面积；

所述管壳式换热器(1)为圆形或矩形筒体结构，所述翼面(21)设有一个或多个，所述翼面(21)两端的翼型截面均设有旋转轴(23)，相邻的两个翼面(21)之间及翼面(21)与管壳式换热器(1)内壁之间通过旋转轴(23)转动连接，每个所述翼面(21)两端的旋转轴(23)在同一水平线上；

所述翼面(21)的吸力面朝向所述管壳式换热器(1)的上壁，所述翼面(21)的压力面朝向所述管壳式换热器(1)的下壁；或所述翼面(21)的吸力面朝向所述管壳式换热器(1)的下壁，所述翼面(21)的压力面朝向所述管壳式换热器(1)的上壁，所述吸力面的弧线弯度大于所述压力面的弧线弯度。

2.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述管壳式换热器(1)的侧壁上设有分别向多个所述冷却腔室内通入第二流体的第二流体入口(16)和流出第二流体的第二流体出口(17)，多个所述冷却腔室在所述管壳式换热器(1)内相互密封。

3.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述旋转轴(23)上设有将所述翼面(21)悬空在所述管壳式换热器(1)内的支撑杆(24)，所述支撑杆(24)的一端与旋转轴(23)固定连接，支撑杆(24)的另一端与管壳式换热器(1)的内壁固定连接。

4.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述旋转轴(23)垂直于所述翼面(21)两端的翼型截面，且所述旋转轴(23)位于使得所述翼面(21)所受到的流体作用力和重力关于旋转轴(23)的转动力矩方向相反的位置。

5.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述翼面(21)的前缘接近所述第一流体入口(11)的入口侧，所述翼面(21)的后缘远离所述第一流体入口(11)的入口侧。

6.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

多个所述翼面(21)中相邻的两个所述翼面(21)之间预留有转动间隙。

7.如权利要求1所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述冷却腔室包括上下分区的上腔室(13)和下腔室(14)，所述上腔室(13)和下腔室(14)之间通过隔板(15)隔开，所述翼面(21)在所述第一流体入口(11)内将所述第一流体入口(11)分为上流道(18)和下流道(19)；

所述上流道(18)用于向所述上腔室(13)内的换热管注入第一流体，所述下流道(19)用于向所述下腔室(14)内的换热管注入第一流体。

8.如权利要求7所述的一种上下分区的自适应流量调节冷却装置，其特征在于：

所述第一流体入口(11)设有限制所述翼面(21)向下流道(19)和/或上流道(18)方向旋转的限位杆，所述限位杆包括上限位杆(26)和下限位杆(22)，所述上限位杆(26)位于所述上流道(18)内，所述下限位杆(22)位于所述下流道(19)内，所述上限位杆(26)和下限位杆(22)均设有与所述管壳式换热器(1)内壁连接的定位杆(25)。

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