可调往复式脉动流强化传热换热器

摘要

本发明涉及一种可调往复式脉动流强化传热换热器，包括有壳体、封头、管板和换热管，壳体两端分别由管板与两侧封头相连接，换热管的入口端固定在管板上，其特征在于其中一侧封头上的管程入口连接有往复式脉动流发生装置，通过调节往复式脉动流发生装置的转速和其所在支路的流量来调节其振幅和频率，本发明的优点在于：1）通过输出支路Ⅰ调节稳态流量，输出支路Ⅱ得到脉动流量，以及调节电机的转速可以实现对主路Ⅲ中脉动流的平均流速、脉动频率和脉动振幅的调节，得到有研究价值的脉动流。2）对其结构形式进行了简单的改进，就可以实现传统换热器的强化传热、抑垢和除垢，并且结构简单，易于实现。

权利要求

1.可调往复式脉动流强化传热换热器，包括有壳体（4）、封头（1）、管板（3）和换热管（5），壳体两端分别由管板与两侧封头相连接，换热管的入口端固定在管板上，其特征在于其中一侧封头上的管程入口连接有往复式脉动流发生装置，通过调节往复式脉动流发生装置的转速和其所在支路的流量来调节其振幅和频率，所述的往复式脉动流发生装置包括有水箱（17）、输出支路Ⅰ（18）、输出支路Ⅱ（8）和主路Ⅲ（7），其中，所述的输出支路Ⅰ（18）包括第一截止阀（19）和调频管道泵（20），第一截止阀（19）一端与水箱连接，另一端与调频管道泵（20）相连，调频管道泵（20）用于提供输出恒压流体，第一截止阀（19）用于调节输出支路Ⅰ输出流量的大小；

所述的输出支路Ⅱ（8）包括第二截止阀（16）、往复式脉动流发生器和止回阀（9），第二截止阀（16）一端与水箱连接，另一端与往复式脉动流发生器相连接，第二截止阀（16）用于调节输出支路Ⅱ（8）输出流量的大小，止回阀（9）与往复式脉动流发生器相连，用于防止输出支路Ⅰ（18）中的流体进入输出支路Ⅱ（8）；

所述的输出支路Ⅰ（18）和输出支路Ⅱ（8）通过三通的两接口相连，三通的另一接口与主路Ⅲ（7）相连，输出支路Ⅰ（18）和输出支路Ⅱ（8）的流体流入主路Ⅲ（7），从而输出脉动流；

所述的往复式脉动流发生器包括有调频电机（15）、活塞连杆机构和泵缸（11），所述的活塞连杆机构的活塞杆（13）与调频电机的输出端相连，活塞连杆机构的活塞（12）与泵缸相配合，泵缸靠近止回阀（9）一侧设置有排出阀（10），靠近第二截止阀（16）一侧设置有吸入阀（14），通过调频电机来调节频率的变化，以及活塞（12）在泵缸（11）内移动距离的长短和截止阀（16）调节振幅的变化。

2.按权利要求1所述的可调往复式脉动流强化传热换热器，其特征在于所述的输出支路Ⅰ（18）、输出支路Ⅱ（8）和主路Ⅲ（7）的管路的管口截面积相同。

说明书

可调往复式脉动流强化传热换热器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种管壳式换热器，具体的是涉及一种利用往复泵产生压力脉动流，用以强化传热的可调往复式脉动流强化传热换热器。

背景技术

[0002] 工业生产中，因热能传递、交换、转换及控制等需要，换热器被大量采用，其中又以管壳式换热器应用最为普遍。为了提高强化换热系数，国内外科技工作者从管内插入旋流原件、振动强化传热、电场强化传热以及改变换热管形状等多个方面进行了研究。此类强化目前以结构强化技术应用最为广泛，插入旋流原件主要以插入丝带和弹簧以带动流体扰动为主，流体均以恒压流动为主。如何应用有规律的流体压力脉冲来增强传热效果的研究并不多，也没有提出有效的结构形式。脉动流传热做为一种新型的传热技术，主要研究集中在生物、信息和纳米技术，通过它高效的散热和传热功能，解决了很多领域的热障瓶颈以及大大降低能源的消耗。这些都说明了脉动流传热的重要应用背景和研究价值。本课题组目前正在进行国家自然科学基金资助项目“列管式换热器流体诱导振动强化传热机理研究”（NO.50976080）的研究，该课题研究也涉及到脉动流，所以获得脉动流就是本课题研究的一个重要内容。国内专利号为“CN200910060614.8”的脉动流发生器，只能调节流体周期性的变化，不能实现脉动振幅的调节，且该脉动流发生装置产生的流体周期性脉动不够精确。基于此，寻求解决调节脉动流频率和振幅的脉动流强化传热换热器成为研究脉动流传热的重点。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的主要问题都是基于上述现有技术而提出的一种可调往复式脉动流强化传热换热器，其能够同时调节脉动流的振幅和频率，通过振幅和频率的变化，能够有效的利用流体压力脉冲变化增强扰动而起到强化传热和除垢的效果。

[0004] 本发明解决上述提出的问题所采用的方案为：可调往复式脉动流强化传热换热器，包括有壳体、封头、管板和换热管，壳体两端分别由管板与两侧封头相连接，换热管的入口端固定在管板上，其特征在于其中一侧封头上的管程入口连接有往复式脉动流发生装置，通过调节往复式脉动流发生装置的转速和其所在支路的流量来调节其振幅和频率，所述的往复式脉动流发生装置包括有水箱、输出支路Ⅰ、输出支路Ⅱ和主路Ⅲ，[0005] 其中，所述的输出支路Ⅰ包括第一截止阀和调频管道泵，第一截止阀一端与水箱连接，另一端与调频管道泵相连，调频管道泵用于提供输出恒压流体，第一截止阀用于调节输出支路Ⅰ输出流量的大小；

[0006] 所述的输出支路Ⅱ包括第二截止阀、往复式脉动流发生器和止回阀，第二截止阀一端与水箱连接，另一端与往复式脉动流发生器相连接，第二截止阀用于调节输出支路Ⅱ输出流量的大小，止回阀与往复式脉动流发生器相连，用于防止输出支路Ⅰ中的流体进入输出支路Ⅱ；

[0007] 所述的输出支路Ⅰ和输出支路Ⅱ通过三通的两接口相连，三通的另一接口与主路Ⅲ相连，输出支路Ⅰ和输出支路Ⅱ的流体流入主路Ⅲ，从而输出脉动流。

[0008] 按上述方案，所述的往复式脉动流发生器包括有调频电机、活塞连杆机构和泵缸，所述的活塞连杆机构的活塞杆与调频电机的输出端相连，活塞连杆机构的活塞与泵缸相配合，泵缸靠近止回阀一侧设置有排出阀，靠近第二截止阀一侧设置有吸入阀，通过调频电机来调节频率的变化，以及活塞在泵缸内移动距离的长短和截止阀调节振幅的变化。在往复运动过程中实现吸入阀和排出阀“渐开—渐关—渐开”的改变，从而实现输出脉动流体，调频电机的转速可调，通过此调节脉动频率。

[0009] 按上述方案，所述的输出支路Ⅰ、输出支路Ⅱ和主路Ⅲ的管路的管口截面积相同。因此，主路Ⅲ中的流速为输出支路Ⅰ和输出支路Ⅱ的流速之和。

[0010] 本发明的优点在于：1）通过输出支路Ⅰ调节稳态流量，输出支路Ⅱ得到脉动流量，以及调节电机的转速可以实现对主路Ⅲ中脉动流的平均流速、脉动频率和脉动振幅的调节，得到有研究价值的脉动流。2）在传统的管壳式换热器上通过在管程端接入装有往复式脉动流发生器的管路，对其结构形式进行了简单的改进，就可以实现传统换热器的强化传热、抑垢和除垢，并且结构简单，易于实现。

附图说明

[0011] 图1为本发明的结构示意图

[0012] 图中1封头，2管程出口，3管板，4壳体，5换热管，6壳程出口，7主路Ⅲ，8输出支路Ⅱ，9止回阀，10排出阀，11泵缸，12活塞，13活塞杆，14吸入阀，15调频电机，16第二截止阀，17水箱，18输出支路Ⅰ，19第一截止阀，20调频管道泵。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。

[0014] 可调往复式脉动流强化传热换热器，包括有壳体4、封头1、管板3和换热管5，壳体两端分别由管板与两侧封头相连接，换热管的入口端固定在管板上，壳体上还设置有壳程出口6，其特征在于其中一侧封头上的管程入口（另一侧封头上设置有管程出口2）连接有往复式脉动流发生装置，通过调节往复式脉动流发生装置的转速和其所在支路的流量来调节其振幅和频率，所述的往复式脉动流发生装置包括有水箱17、输出支路Ⅰ18、输出支路Ⅱ8和主路Ⅲ7，所述的输出支路Ⅰ18、输出支路Ⅱ8和主路Ⅲ7的管路的管口截面积相同，因此，主路Ⅲ7中的流速为输出支路Ⅰ18和输出支路Ⅱ8的流速之和，流体的流动方向如图中箭头所示，

[0015] 其中，所述的输出支路Ⅰ18包括第一截止阀19和调频管道泵20，第一截止阀19一端与水箱连接，另一端与调频管道泵20相连，调频管道泵20用于提供输出恒压流体，第一截止阀19用于调节输出支路Ⅰ输出流量的大小；

[0016] 所述的输出支路Ⅱ8包括第二截止阀16、往复式脉动流发生器和止回阀9，第二截止阀16一端与水箱连接，另一端与往复式脉动流发生器相连接，第二截止阀16用于调节输出支路Ⅱ8输出流量的大小，止回阀9与往复式脉动流发生器相连，用于防止输出支路Ⅰ18中的流体进入输出支路Ⅱ8；所述的往复式脉动流发生器包括有调频电机15、活塞连杆机构和泵缸11，所述的活塞连杆机构的活塞杆13与调频电机的输出端相连，活塞连杆机构的活塞12与泵缸相配合，泵缸靠近止回阀9一侧设置有排出阀10，靠近第二截止阀16一侧设置有吸入阀14，通过调频电机来调节频率的变化，以及活塞12在泵缸11内移动距离的长短和第二截止阀16调节振幅的变化。在往复运动过程中实现吸入阀14和排出阀10“渐开—渐关—渐开”的改变，从而实现输出脉动流体，调频电机的转速可调，通过此调节脉动频率。

[0017] 所述的输出支路Ⅰ18和输出支路Ⅱ8通过三通的两接口相连，三通的另一接口与主路Ⅲ7相连，输出支路Ⅰ18和输出支路Ⅱ8的流体流入主路Ⅲ7，从而输出脉动流。

[0018] 本发明的工作原理是：对管程而言，管程入口处流量变化主要由脉动流发生器输出压力脉动流，然后再加上另一条支路提供的流体平均流量来实现，当这两条支路的流体由封头流入各个换热管中后，流体压力的脉冲变化就会导致管程中流体湍流化加强，从而使传热效果得到强化，同时由于流体压力的脉冲变化对于靠近管层内壁面附近处产生漩涡，大大增强了流体的扰动，降低了边界层的厚度，同时流体压力的脉冲变化对与壳程内壁面的污垢层能够产生剥蚀作用，从而能够达到抑垢和除垢的效果；对壳程而言，壳程入口处流量变化主要由脉动流发生器输出压力脉动流后，流体压力的脉冲变化直接会使壳程中流体湍流化增强，达到强化传热、抑垢和除垢的效果。

[0019] 本发明的脉动流产生如下：首先由调频管道泵20提供恒压的流体，通过第一截止阀19就可以调节输出支路Ⅰ18中流体的流量大小，也就是调节恒压流体的压力大小。输出支路Ⅱ8则是把调频电机15的旋转运动通过曲柄连杆机构转换成活塞12的往复运动，当活塞杆13带动活塞12向右移动时，泵缸11的容积增大而形成低压，排出阀10受排出管内液体压力作用而关闭，而吸入阀14受水箱液面与泵缸内的压差作用而打开，使液体吸入泵缸11。当活塞12向左移动时，由于活塞的推压，泵缸11内液体压力增大，从而使吸入阀关闭，排出阀开启，使液体排出泵缸11，完成一个工作的循环，通过活塞杆13带动活塞12在泵缸内做往复运动，实现流体的不断吸入和排出，从而形成流体的压力脉冲变化，脉动流的频率主要依靠变频调速电机15的转速来调节，而脉动流的振幅则靠活塞12在泵缸11内两端移动距离的长短和第二截止阀16综合调节。所以当输出支路Ⅰ18和输出支路Ⅱ8的流体汇合流入到主路Ⅲ7，然后通入在管程当中，就可以实现换热管管程流体流量的变化以及流体压力的周期性调节。

[0020] 本发明脉冲流输出的流体流量和流体压力为周期性半波曲线特征，输出的流体流量和流体压力为半波曲线时，安装在往复式脉冲流发生器上的活塞往复运动，使排液周期性间断进行的，其瞬时流量不均匀，从而形成了半波形曲线。往复式脉冲流发生器安装有变频调速电机以及活塞连杆机构带动活塞在泵缸内左右移动距离的变化，可以实现流体流量和流体压力周期性正弦波或周期性三角波特征中的振幅A和频率n大小的变化。