CN202970868U - 消声换热器 - Google Patents

Abstract

消声换热器是采用小孔喷注分割、反相对冲、热声效应等先进消声原理和复合式消声理论以及强化传热技术，由9个不同长度、不同直径的圆管套装在一个轴线上，两端通过导管和堵板形成4个圆环筒形内燃机排气放热消声通道和4个圆环筒形冷工质吸热通道，突出将气流流道与噪声流场分开、噪声波反相的气流分割掺混、逐步降低噪声气流温度的结构流道，再通过两端加装的冷、热工质进出口和热工质膨胀腔，实现内燃机排气余热、余压能量及噪声能回收，排气能量回收率达80％以上。主换热体还可用于燃气轮机及外燃机的回热器或分布式能源的排气热交换器，以及大容量温差发电、醇类重整制氢、熔盐蓄热等多种余热利用功能，装置适应多种热回收方式。

Description

消声换热器

技术领域：

本实用新型是一种具有热交换功能和消声性能相组合、同时进行消声和换热的消声换热器，它涉及热工学、流体力学、声学和金属材料学，应用于内燃机的排气系统。 

背景技术：

内燃机具有热效率高、功率范围大、良好的启动性和机动性以及装置简单、造价低廉、技术成熟等优点，一直广泛地应用在各种舰船艇、内燃机车、公路商乘运输、动力发电、地质石油勘探钻井、农机动力、工程机械和军用各种车辆装备等；我国内燃机存量达上亿台，全国每年石油总量的2/3被内燃机消耗，其还以每年十几亿千瓦的增量增加。内燃机种类之一的柴油机转变为有效功的热当量占燃料燃烧热量的30％～45％，其余55％～70％的能量90％通过内燃机的冷却水散热和高温尾气排热而损失掉了。低温冷却水余热因品质较好，在车辆采暖和有些船舶已有广泛利用，但占大部分热损失的高温尾气余热，因其是周期性扰流脉动高温、高噪、高速混合气体，单独加装换热器回收将要影响内燃机的工作性能，同时还要满足抗震动、冲击、腐蚀及安全性和空间布置等要求，所以很难回收。目前利用少部份排气能量的有废气涡轮增压和废气再循环技术，发动机排气余热采暖、改良燃料以及各种发电技术和动力回馈技术正在热研中，其技术尚不成熟、标准也没有形成，只能视大部份排气能量排放至大气中。与此同时，装有内燃机的各种整套装置，除内燃机输出的轴功率外，还需要其它用能和日常综合系统耗能，如空调、海水淡化、制冰冷冻、重油预热加温、捕捞渔网拖动及电力供应等，特别是军用舰艇和装备车辆(移动发射车等)，为提高其隐蔽性和战斗力，还需要降低柴油机排气温度和尾管管口的辐射噪声，以 防止声纳和红外等侦查工具捕捉目标。以上说明，一方面需要内燃机排气降温降噪和整套装置辅助用能需要，另一方面大量高温排气白白浪费造成环境热污染，因为内燃机余热回收利用是降低能耗的关键技术措施之一，如何将内燃机排气余热回收，用于装置辅助系统用能，提高能源利用效率、减少热排放污染，同时不影响原内燃机的工作特性，又满足舰艇隐蔽性需要，其关键是解决高效消声换热一体化技术问题。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：以内燃机排气余热、余压能量回收为目的，采用小孔喷注、反相对冲、热声效应、通道分割等先进消声原理和复合消声原理，并结合强化换热技术，提供一种突出以噪声流场与排气流场分离、噪声波反相干涉、气流分割掺混、逐步降低噪声气流温度的结构流道，且具有抗震性能强、流动阻力小、换热系数高、消声量大，同时实现热交换功能和声热转换噪声消除性能的高效消声换热器。 

本实用新型的技术解决方案是：消声换热器，它是一个两端为截顶圆锥的圆柱形、外层带保温的壳体以及壳体两端分别设有热工质入口、热工质出口和冷工质入口、冷工质出口构成的装置，壳体内设8个长度和直径不等的同心管套装并通过导管和堵板构成相间隔的圆环筒形冷工质吸热通道和圆环筒形热工质放热消声通道，其由中心向外依次为热工质入口腔、热工质内腔、冷工质内腔、热工质中内腔、冷工质中内腔、热工质中外腔、冷工质中外腔、热工质外腔和冷工质外腔，壳体内上端设有冷工质上集腔和冷工质预热腔及热工质出口腔、下端设有冷工质下集腔和冷工质过热腔及热工质膨胀腔和热工质扩张腔；热工质外腔上端、热工质中外腔上端及热工质中内腔上端通过导出管与热工质出口腔及热工质出口连通，热工质外腔下端、热工质中外腔下端及热工质中内 腔下端通过导入管与热工质膨胀腔连通，再通过通气阻声孔与热工质扩张腔及热工质入口连通，由此形成热工质外腔、热工质中外腔、热工质中内腔的三腔热通道并联后，再与热工质入口腔的入口、热工质入口腔、热工质内腔及热工质内腔出孔构成的通道并联，形成热工质放热消声通道；冷工质内腔、冷工质中内腔、冷工质中外腔、冷工质外腔的通道并联后通过冷工质上集腔、冷工质预热腔、冷工质入口及冷工质下集腔、冷工质过热腔、冷工质出口连接相通，以此形成冷工质吸热通道。 

本实用新型的技术效果：它是集先进消声原理和强化换热技术于一体的具有节能减排功能的元件，它解决了在不高于现有同类消声器功率损失比技术的前提下，消声量(插入损失)在30dB(A)以上，优于现有同类消声器，并实现了内燃机排气噪声能量、余热能量和余压能量的回收，排气能量回收率达80％左右；消声换热器具有制造工艺要求高、但体积不大于同类消声器、坚固耐用、抗震性能强、圆形承压力强、冷热工质流动阻力小等特点；在此结构基础上，圆环筒形冷工质吸热通道传热面上可以安装热电转换模块，实现高密度、大容量温差发电，其还可以加装表面涂敷催化剂的蜂窝环形陶瓷载体，实现利用内燃机尾气余热对醇类进行催化重整制氢，还可以安装各类翅片拓展吸热面积，实现气---气换热，本装置传热效率高、应用广泛。 

附图说明

图1为本实用新型消声换热器的剖视结构示意图。 

图2为本实用新型消声换热器A-A剖面图 

图3为本实用新型消声换热器B-B剖面图 

具体实施方式

如图1、2所示消声换热器，包括保温壳体1，壳体1的两端分别设有热工 质入口2、热工质出口3和冷工质入口4、冷工质出口5；壳体1内设有8个长度和直径不等的同心管套装并通过导出管6和导入管7及上下堵板8构成相间隔的4个圆环筒形冷工质吸热通道和4个圆环筒形热工质放热消声通道，其由中心向外依次为热工质入口腔9、热工质内腔10、冷工质内腔11、热工质中内腔12、冷工质中内腔13、热工质中外腔14、冷工质中外腔15、热工质外腔16和冷工质外腔17；壳体1内的上端设有冷工质上集腔18、冷工质预热腔19和热工质出口腔20，壳体1内的下端设有冷工质下集腔21、冷工质过热腔22、热工质膨胀腔23和热工质扩张腔36；热工质中内腔12、热工质中外腔14及热工质外腔16的上端通过导出管6与热工质出口腔20连通，其下端通过导入管7与热工质膨胀腔23连通，再通过通气阻声孔24与热工质扩张腔36连通，以此构成热工质主放热次消声通道；热工质入口2、热工质扩张腔36、热工质入口腔的入口37、热工质入口腔9、热工质内腔10、热工质内腔出孔25、热工质出口腔20及热工质出口3相通形成主消声次放热通道，并与主放热次消声通道并联，构成完整的热工质放热消声通道；冷工质内腔11、冷工质中内腔13、冷工质中外腔15、冷工质外腔17的上端和下端分别通过冷工质上集腔18和冷工质下集腔21并联连通后，再与冷工质预热腔19、冷工质入口4及冷工质过热腔22、冷工质出口5连通，以此形成冷工质吸热通道。 

所述热工质扩张腔36是由两端为锥形的圆筒扩张管或渐缩管34构成，圆管壁上开有线切冲压成型的起鼓错开长条孔--即通气阻声孔24，通气阻声孔24的总通流截面积为热工质入口2截面积的120％左右。 

所述壳体1内设有的8个同心管的最内层同心管26，其中下部开有1～2mm的小圆孔27，小圆孔27孔的密度由入口37向里呈前密后疏设置，小圆孔27的总面积为热工质入口2流通截面积的10～20％；内层同心管26的管内中下部设 有一端为圆锥体、另一端为灌满同心管26的圆柱体、中间为细长圆柱体形的多孔性吸声芯28，细长圆柱体形多孔性吸声芯的直径不小于热工质入口腔的入口37的直径，内层同心管26的管内上部为吸声气体腔38。 

如图1、3所示消声换热器，热工质内腔10的外壁29的内壁面上安装有分段布置的三角形穿孔翅片30，三角形穿孔翅片30的翅片密度由下向上呈前疏后密设置；热工质中内腔12、热工质中外腔14及热工质外腔16的内外壁面上分别安装有分段布置的“手风琴式”翅片31，“手风琴式”翅片31的翅片密度由下向上呈前疏后密设置，翅片31的另一端焊接有断口圆形开孔连板32，两开孔连板32之间有定位伸缩板33压紧固定。 

所述消声换热器冷、热工质主换热同心管35即安装有翅片的圆管，由7个长度和直径不等的同心管套装，并由上下各两层堵板8和若干导入管7及导出管6构成的热工质腔10、12、14、16，同时间隔构成冷工质腔11、13、15、17；冷热工质主换热同心圆管35除由7个构成外，还可以由3个、5个、9个、11个同心圆管构成；同一热工质通道上的导出管6的管中心与导入管7的管中心按所在圆环筒的中心圆周线上相互错开。 

内燃机排气消声放热工作过程简述：内燃机在各种工况下运行时，排气由热工质入口2进入至扩张管或渐缩管34中，在此，通气阻声孔24的总通流截面积为热工质入口2截面积的120％左右，通气阻声孔24又有通气隔阻声音作用，所以少量烟气扩张减速后和大量噪声继续流入热工质入口腔9中，大量烟气扩张减速后和少量噪声通过扩张管或渐缩管34上的通气阻声孔24流入热工质膨胀腔23里，此过程大部分噪声气流的气体与噪声被分离，部分噪声通过扩张管或渐缩管34反射回入口管2；流入热工质入口腔9中的少量烟气和大量噪声，经过中心的多孔性吸声芯28和吸声气体腔38噪声消除较大，同时气流通 过热工质入口腔9的外壁即最内层同心管26上的喷住小孔27进入热工质内腔10中，此过程噪声被阻隔而通过的气流对热工质内腔10的三角形穿孔翅片30放热，气流继续穿过三角形穿孔翅片30的小孔再对热工质内腔10的外壁29放热，之后气流流至热工质内腔10的上部，再通过热工质内腔10的出孔25流入热工质出口腔20里，被喷注小孔27阻隔的以及各壁面反射的噪声多次被吸声芯28吸收，其将中高频噪声声能转化为热能并向气流放热；于此同时，热工质入口2来的排气噪声与扩张管或渐缩管34及热工质入口腔9中反射回的少量噪声在扩张管或渐缩管34里进行干涉及反射而进步消声；进入热工质膨胀腔23里的排气在此进行膨胀，噪声在膨胀腔23里进行反射、干涉，低中频噪声消除效果较好，同时气流再通过三圈导入管7分别进入热工质中里腔12、热工质中外腔14和热工质外腔16中，并分别对各自腔内的“手风琴”式翅片31、圆形连板32、定位伸缩板33及内外壁面放热，排气热量在此放出、温降较大，最后流至末端，各自通过导出管6排至热工质出口腔20中，再与内腔出孔25来的热气汇合，多股气流在热工质出口腔20里集合混合、膨胀，且各气流有温差和反向对冲以及热声效应，中低频噪声进一步消除，并向冷工质预热腔19壁面放热，最后通过出口3排出，完成排气放热消声过程。 

冷工质吸热工作过程简述：因逆流的冷热流体平均传热温差大于顺流，本装置冷热流体采用逆流，这样使装置体积紧凑；若冷工质采用相变吸热(如低温有机工质、余热制氢、加热燃料及其汽化等)，装置采用倒置的内燃机向下排气方式。冷工质由泵从冷工质入口4进入到冷工质预热腔19里，在此腔，冷工质充分吸收热工质出口腔20向锥形体面放出的热量后进入冷工质上集腔18中，再分别流至冷工质外腔17、冷工质中外腔15、冷工质中内腔13和冷工质内腔11里，冷工质在各自通道吸热升温后汇至冷工质下集腔21中，再在冷工质过热 腔22中吸收热工质膨胀腔23向锥形壁面放出的高温余热后，从冷工质出口5排出，由此将排气余热传至冷工质升温或汽化，实现内燃机排气余热回收。 

本实用新型采用内燃机噪声气体降温方法使噪声气流粘性减小，一方面减薄换热面与噪声气体之间的层流边界层，有利于噪声气体对流放热，同时也使气流的平均速度、噪声传播速度、变化幅值和频率大幅降低，噪声气流和换热壁面的阻力摩擦也降低，减少因换热面增加而产生的沿程阻力损失。 

本实用新型噪声气流首先经过扩张管或渐缩管34减速，再通过扩张管或渐缩管34的起鼓凹面的声反射，将热气流体与噪声分开，通气阻声孔24的总面积为换热消声器噪声气流入口2总面积1.2倍左右，使主气流通过扩张管或渐缩管34的通气阻声孔24时的阻力影响较小。 

本实用新型结构的变直径圆柱体形多孔性吸声芯28的细长直径不小于热工质入口腔的入口37的直径，使进入热工质入口腔的噪声不反射回热工质扩张腔36中，大部分噪声在热工质入口腔9中通过吸声芯28及吸声气体腔38被消掉。 

本实用新型结构突出将气流流场与噪声流场分开，各气流入口与出口错开或转角，并采用通道并联方式，热工质上下腔也是气流回转处，其截面积最大、流阻最小，排气流的总流通截面积大于常规消声器流通截面积，排气流速较一般消声器低，综合使排气噪声的声功率、阻力损失及再生噪声均较低。 

内燃机排气噪声级随发动机转速增加呈直线上升，本实用新型设计的冷工质流道阻力小且各通道阻力均衡，此外，拓展的三角形穿孔翅片30及“手风琴式”翅片31的密度由下向上呈前疏后密设置，降低了排气阻力，有利于消声和换热，大工况时的排气阻力增加不多，使排气背压较常规消声器再加换热器后对发动机影响更小。 

各热工质放热腔加装翅片使噪声气流与传热壁水力直径大大缩小，一方面 增加废热噪气流与传热面的接触面积，提高热废气的放热系数，同时也加强了圆形套管的结构承受力，冷工质更适用低温有机工质。 

本装置依据安装方向和除灰、排水要求，冷工质进口或出口还可以设置在冷工质上集腔或下集腔的最近位置处，此时没有冷工质的预热过程或过热吸热过程；同时，热工质出口膨胀腔或入口膨胀腔也可以设置成与换热主体相同的圆柱式(非锥形)，以上结构变化均在本专利的保护范围之内。 

本结构形式的冷工质吸热通道里外壁，可加装半导体热电转换模块，再将内外壁上模块各自封堵，中间形成水冷却通道，模块发电引出线也从水冷通道引出，本结构热电转换模块安装数量多，发电容量大。 

当冷工质为气体(空气或压缩空气等)时，本结构冷工质吸热通道的内外壁面上应安装“手风琴”翅片，目的是拓展吸热面积、提高吸热系数。 

当内燃机废气余热用于改良燃料(如余热制氢等)，本结构应在各冷工质吸热通道内加装表面涂敷催化剂的多孔蜂窝状环形陶瓷载体，实现利用内燃机尾气余热对甲醇等进行水蒸气催化重整制氢。 

本结构用于燃气轮机或斯特林外燃机的回热器或排气换热器时，因其噪声相对内燃机低得多，应将扩张管或渐缩管、吸声芯及小孔内层同心管等起消声作用的部件去掉，冷、热换热通道的出、入口按工作性质优化设计，使流阻最小。 

本实用新型提供的内燃机排气消声换热器，消声量在30dB(A)以上，排气温度可降至170℃以下，内燃机排气余热能回收率达80％左右；本消声换热器的各种指标在同体积条件下优于翅片管壳式换热器、翅片热管式换热器，结构优于板翅式换热器。 

Claims (5)

1.消声换热器，包括保温壳体(1)，其特征在于，壳体(1)的两端分别设有热工质入口(2)、热工质出口(3)和冷工质入口(4)、冷工质出口(5)，壳体(1)内设有8个长度和直径不等的同心管套装并通过导出管(6)和导入管(7)及上下堵板(8)构成相间隔的4个圆环筒形冷工质吸热通道和4个圆环筒形热工质放热消声通道，其由中心向外依次为热工质入口腔(9)、热工质内腔(10)、冷工质内腔(11)、热工质中内腔(12)、冷工质中内腔(13)、热工质中外腔(14)、冷工质中外腔(15)、热工质外腔(16)和冷工质外腔(17)；壳体(1)内的上端设有冷工质上集腔(18)、冷工质预热腔(19)和热工质出口腔(20)，壳体(1)内的下端设有冷工质下集腔(21)、冷工质过热腔(22)、热工质膨胀腔(23)和热工质扩张腔(36)；热工质中内腔(12)、热工质中外腔(14)及热工质外腔(16)的上端通过导出管(6)与热工质出口腔(20)连通，其下端通过导入管(7)与热工质膨胀腔(23)连通，再通过通气阻声孔(24)与热工质扩张腔(36)连通，以此构成热工质主放热次消声通道；热工质入口(2)、热工质扩张腔(36)、热工质入口腔的入口(37)、热工质入口腔(9)、热工质内腔(10)、热工质内腔出孔(25)、热工质出口腔(20)及热工质出口(3)相通形成主消声次放热通道，并与主放热次消声通道并联，构成完整的热工质放热消声通道；冷工质内腔(11)、冷工质中内腔(13)、冷工质中外腔(15)、冷工质外腔(17)的上端和下端分别通过冷工质上集腔(18)和冷工质下集腔(21)并联连通后，再与冷工质预热腔(19)、冷工质入口(4)及冷工质过热腔(22)、冷工质出口(5)连通，以此形成冷工质吸热通道。 

2.如权利要求1所述的消声换热器，其特征在于，所述热工质扩张腔(36)是由两端为锥形的圆筒扩张管或渐缩管(34)构成，圆管壁上开有线切冲压形成的起鼓错开长条孔--即通气阻声孔(24)，通气阻声孔(24)的总流通截面积 为热工质入口(2)截面积的120％左右。 

3.如权利要求1所述的消声换热器，其特征在于，所述壳体(1)内设有的8个同心管的最内层同心管(26)，其中下部开有1～2mm的小圆孔(27)，小圆孔(27)的密度由入口(37)向里呈前密后疏设置，小圆孔(27)的总面积为热工质入口(2)流通截面积的10～20％；内层同心管(26)的管内中下部设有一端为圆锥体、另一端为灌满同心管(26)的圆柱体、中间为细长圆柱体形的多孔性吸声芯(28)，细长圆柱体形多孔性吸声芯(28)的直径不小于热工质入口腔的入口(37)的直径，内层同心管(26)的管内上部为吸声气体腔(38)。 

4.如权利要求1所述的消声换热器，其特征在于，所述热工质内腔(10)的外壁(29)的内壁面上安装有分段布置的三角形穿孔翅片(30)，三角形穿孔翅片(30)的翅片密度由下向上呈前疏后密设置；热工质中内腔(12)、热工质中外腔(14)及热工质外腔(16)的内外壁面上分别安装有分段布置的“手风琴式”翅片(31)，“手风琴式”翅片(31)的翅片密度由下向上呈前疏后密设置，翅片(31)的另一端焊接有断口圆形开孔连板(32)，两开孔连板(32)之间有定位伸缩板(33)压紧固定。 

5.如权利要求1所述的消声换热器，其特征在于，所述消声换热器冷、热工质主换热同心管(35)即安装有翅片的圆管，由7个长度和直径不等的同心管套装，并由上下各两层堵板(8)和若干导入管(7)及导出管(6)构成的热工质腔(10、12、14、16)，并间隔构成冷工质腔(11、13、15、17)；冷热工质主换热同心圆管(35)除由7个构成外，还可以由3个、5个、9个、11个同心圆管构成；同一热工质通道上的导出管(6)的管中心与导入管(7)的管中心按所在圆环筒的中心圆周线上相互错开。 

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