超声波强化换热壳管式换热器.pdf

一种超声波强化换热管壳式换热器，属于工业换热设备节能技术领域，包括外壳，换热管，管程进口管，管程出口管，壳程进口管，壳程出口管，第一管板，第二管板，隔板，挡板和功率超声波换能器，功率超声波换能器从外壳左端面中心圆孔插入，依次通过圆套管和第一管板中心圆孔，伸入圆孔支座，由密封盖板将其密封在换热器的壳程空间内，超声波沿着功率超声波换能器的径向发射，利用超声波在液体中传播时产生的“空化效应”加剧液体振荡，降低液体运动粘性系数，在液体低流速情况下增强换热管的换热效果，大幅度降低动力设备能耗，具有显著的节能效果，同时超声波的“空化效应”还能防止换热管表面结垢，具有很强的适应性和可操作性。

权利要求书
1.  一种超声波强化换热管壳式换热器，包括：外壳(1)、换热管(2)、管程进口管(3)、管程出口管(4)、壳程进口管(5)、壳程出口管(6)、第一管板(7)、第二管板(8)、隔板(9)、挡板(10)、功率超声波换能器(11)、功率超声波发生器(12)、密封盖板(13)、圆套管(14)、圆孔支座(15)，其特征在于：功率超声波换能器(11)包括超声波振动晶片(16)、超声波密封辐射套管(17)、紧固棒(18)、正极薄铜片(19)、负极薄铜片(20)、负极导线(21)、正极导线(22)，外壳(1)是一个水平放置的封闭圆筒形壳体，管程进口管(3)和管程出口管(4)分别位于外壳(1)右端面的上部和下部，外壳(1)左端面中心位置开有一个圆孔，圆孔大小等于功率超声波换能器(11)外直径的盈合尺寸，壳程进口管(5)和壳程出口管(6)分别置于外壳(1)的右上方和左下方，第一管板(7)和第二管板(8)为圆形，其上开有若干个与换热管(2)外直径盈合尺寸一致的小圆孔，第一管板(7)位于外壳(1)左端面和壳程进口管(5)之间，其中心开有圆孔，周边与外壳(1)的内表面无缝焊接，圆套管(14)的两端分别与外壳(1)左端面中心圆孔及第一管板(7)中心圆孔的周边无缝焊接，第二管板(8)位于外壳(1)右端面和壳程出口管(6)之间，其周边与外壳(1)的内表面无缝焊接，圆孔支座(15)焊接在第二管板(8)左侧面中心处，第一管板(7)中心圆孔直径、圆孔支座(15)的圆孔内径和圆套管(14)内径均与功率超声波换能器(11)外径盈合尺寸一致，隔板(9)水平置于第二管板(8)和外壳(1)右端面之间的中心处，其周边分别与第二管板(8)、外壳(1)右端面及外壳(1)的内表面无缝焊接，换热管(2)的两端分别与第一管板(7)和第二管板(8)上对应的圆孔无缝焊接，上、下两块半圆形挡板(10)分别位于壳程进口管(5)右侧和壳程出口管(6)左侧，功率超声波换能器(11)为圆柱形，其中超声波振动晶片(16)，超声波密封辐射套管(17)，正极薄铜片(19)和负极薄铜片(20)均为长管形状，超声波密封辐射套管(17)两端密封，超声波振动晶片(16)、正极薄铜片(19)、负极薄铜片(20)和紧固棒(18)具有相同的长度，均密封在超声波密封辐射套管(17)内，并与超声波密封辐射套管(17)两端形成封闭空间，超声波振动晶片(16)的外环面为负极面，内环面为正极面，紧固棒(18)通过正极薄铜片(19)与超声波振动晶片(16)的内环面紧密盈合，超声波振动晶片(16)的外环面通过负极薄铜片(20)与超声波密封辐射套管(17)的内环面紧密盈合，功率超声波换能器(11)从外壳(1)左端面中心圆孔插入圆孔支座(15)的内孔，密封盖板(13)通过螺栓与外壳(1)左端面固接，正极薄铜片(19)和负极薄铜片(20)分别通过正极导线(22)和负极导线(21)与功率超声波发生器(12)的正、负极连接。

2.  根据权利要求1所述的超声波强化换热管壳式换热器，其特征是所述的热管(2)采用φ25×2.5mm或φ32×3.0mm的无缝钢管或铜管，超声波振动晶片(16)由锆钛酸铅压电陶瓷制成，超声波密封辐射套管(17)由高强度的铝合金制成，紧固棒(18)由钢制成。

3.  根据权利要求1所述的超声波强化换热管壳式换热器，其特征是所述的功率超声波发生器(12)与功率超声波换能器(11)之间的匹配频率范围为18kHz～35kHz，匹配功率范围为500W～2000W，正极薄铜片(19)和负极薄铜片(20)的厚度为1-2mm。

说明书超声波强化换热壳管式换热器
技术领域
本发明涉及的是一种壳管式换热器，特别是一种超声波强化换热壳管式换热器，属于工业换热节能技术领域。
背景技术
壳管式换热器是工业领域应用较广泛的换热设备，尤其在高温、高压、有毒等特殊场合，壳管式换热器将具有较好的适用性，但目前使用的壳管式换热器还存在传热效率低的问题。为了提高壳管式换热器的换热效率，人们对壳管式换热器管内传热强化进行了许多研究，目前的强化传热手段主要有两种：(1)改变换热管形状或改造换热管表面性质，如采用螺纹管、表面多孔管等；(2)改变壳程档板和换热管支撑板的形式，以减少壳程流动的滞留死区，使传热面积得到充分利用。经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为200510012628，名称为平面涡旋型传热管束壳管式换热器发明专利，公开了一种高效壳管式换热设备，该设备的显著特点为传热管为平面涡旋型管，集液管贯穿所有平面涡旋型管的中心孔，平面涡旋型管与集液管相通，后流体法兰盘的盘板中部设有均压室，均压室内设有数个制冷剂通过孔，平面涡旋型管的外端口与制冷剂通过孔相连通，该发明可以使液体在管内流动过程中产生离心力，绝对限制了液膜增厚，有效提高了换热器的换热系数。中国专利(申请)号为200610122089，名称为纵向多螺旋混合流管壳式换热器及其强化传热方法发明专利，公开了一种纵向多螺旋混合流管壳式换热器，该换热器包括换热管管束、壳体、换热管、螺旋扭片，管板置于壳体内两端，换热管管束与管板固定连接，螺旋扭片均布设置在各换热管外壁，螺旋扭片为开孔螺旋扭片沿轴向等距开有若干小孔。该发明通过开孔螺旋扭片对管间流体产生纵向螺旋流和射流的协同作用，使流体在管隙间始终保持多股纵向自螺旋混合流状态，有效提高换热管束壁面的流体速度，实现不同壳体半径处流体的充分混合，从而提高壳程的传热系数。虽然这些技术能有效改善壳管式换热器的换热效率，但同时也大大增加了流体的流动阻力，使动力设备(泵)的能耗大幅度增加。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术的改进，提供一种利用超声波进行强化换热的壳管式换热器。超声波在液体中传播时，产生的“空化效应”加剧了液体的振荡，一方面增加了换热管表面液体的紊流度，提高了换热管内、外流体之间的换热系数；另一方面，可大幅度降低通过换热器的液体流速，降低液体的流动阻力；其次，超声波的“空化效应”还可降低液体的运动粘性系数，也在一定程度上降低了液体的流动阻力。因此，超声波在强化换热设备换热的同时，可大幅度降低动力设备的能耗。超声波强化换热还可防止换热管表面结垢，省去了定时除垢清洗等换热器维护工作。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括外壳，换热管，管程进口管，管程出口管，壳程进口管，壳程出口管，第一管板，第二管板，隔板，挡板，功率超声波换能器，功率超声波发生器，密封盖板，圆套管，圆孔支座，其中，功率超声波换能器包括超声波振动晶片，超声波密封辐射套管，紧固棒，正极薄铜片，负极薄铜片，负极导线，正极导线。外壳是一个水平放置的封闭圆筒形壳体，管程进口管和管程出口管分别位于外壳右端面的上部和下部；外壳左端面中心位置开有一个圆孔，圆孔大小等于功率超声波换能器外直径的盈合尺寸，壳程进口管和壳程出口管分别置于外壳的右上方和左下方。第一管板和第二管板为圆形，其上开有若干个与换热管外直径盈合尺寸一致的圆孔，第一管板中心位置开有一个圆孔，第二管板左侧面中心处焊接圆孔支座，第一管板位于外壳左端面和壳程进口管之间，其周边与外壳的内表面无缝焊接，并与外壳左端面围成一个流体混合通道，圆套管的两端分别与外壳左端面中心圆孔及第一管板中心圆孔的周边无缝焊接，第一管板中心圆孔直径、圆孔支座的圆孔内径和圆套管内径均与功率超声波换能器外径盈合尺寸一致，第二管板位于外壳右端面和壳程出口管之间，其周边与外壳的内表面无缝焊接，隔板水平置于第二管板和外壳右端面之间的中心处，其周边分别与第二管板、外壳右端面及外壳的内表面无缝焊接，围成同等大小的上、下两个通道，上通道与管程进口管相通，下通道与管程出口管相通，换热管的两端分别与第一管板和第二管板上对应的圆孔无缝焊接，形成平行的管通道，两块开有若干小孔的半圆形挡板分别位于壳程进口管右侧和壳程出口管左侧，为换热管提供支撑作用。功率超声波换能器为圆柱形，其中超声波振动晶片，超声波密封辐射套管，正极薄铜片和负极薄铜片均为长管形状，超声波密封辐射套管两端密封，超声波振动晶片、正极薄铜片、负极薄铜片和紧固棒具有相同的长度，它们均密封在超声波密封辐射套管内，并与超声波密封辐射套管两端形成封闭空间。超声波振动晶片的外环面为负极面，内环面为正极面，紧固棒与超声波振动晶片的内环面紧密盈合，中间夹着正极薄铜片，超声波振动晶片的外环面与超声波密封辐射套管的内环面紧密盈合，中间夹着负极薄铜片。
功率超声波换能器从外壳左端面中心圆孔插入，依次通过圆套管和第一管板中心圆孔，伸入圆孔支座的内孔后，由封盖板将其密封在换热器的壳程空间内，功率超声波换能器的正极薄铜片和负极薄铜片分别通过正极导线和负极导线与功率超声波发生器的正、负极连接。
换热器工作时，一种换热流体从壳程进口管进入，经流换热器壳程空间后从壳程出口管流出，另一种换热流体则从管程进口管进入，依次流经换热器的上半空间换热管和下半空间换热管后从管程出口管流出，同时，功率超声波发生器开启，超声波沿着功率超声波换能器的径向发射，使换热器壳程中的液体剧烈振荡并产生空化气泡，增强换热器的换热效果。
本发明的有益效果：本发明的超声波强化传热管壳式换热器利用超声波在液体中传播时产生的“空化效应”加剧液体的振荡，降低液体的运动粘性系数，能在液体低流速情况下增强换热管的换热效果，可大幅度降低动力设备的能耗，具有显著的节能效果，同时超声波的“空化效应”还能防止换热器换热管表面结垢，具有很强的适应性和可操作性。
附图说明
图1是本发明的超声波强化换热管壳式换热器结构示意图。
图2是本发明超声波换能器结构示意图。
图3是本发明图1所示A-A剖视图。
图4是本发明图3所示B-B剖视图。
图5是本发明图3所示C-C剖视图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本实施例发明包括外壳1，换热管2，管程进口管3，管程出口管4，壳程进口管5，壳程出口管6，第一管板7，第二管板8，隔板9，挡板10，功率超声波换能器11，功率超声波发生器12，密封盖板13，圆套管14，圆孔支座15，其中，功率超声波换能器11包括超声波振动晶片16，超声波密封辐射套管17，紧固棒18，正极薄铜片19，负极薄铜片20，负极导线21，正极导线22。外壳1是一个水平放置的封闭圆筒形壳体，管程进口管3和管程出口管4分别位于外壳1右端面的上部和下部；外壳1左端面中心位置开有一个圆孔，圆孔大小等于功率超声波换能器11外直径的盈合尺寸，壳程进口管5和壳程出口管6分别置于外壳1的右上方和左下方。第一管板7和第二管板8为圆形，其上开有若干个与换热管2外直径盈合尺寸一致的圆孔，第一管板7中心位置开有一个圆孔，第二管板8左侧面中心处焊接一个圆孔支座15，第一管板7位于外壳1左端面和壳程进口管5之间，其周边与外壳1的内表面无缝焊接，并与外壳1左端面围成一个流体混合通道，圆套管14的两端分别与外壳1左端面中心圆孔及第一管板7中心圆孔的周边无缝焊接，第一管板7中心圆孔直径、圆孔支座15的圆孔内径和圆套管14内径均与功率超声波换能器11外径盈合尺寸一致，第二管板8位于外壳1右端面和壳程出口管6之间，其周边与外壳1的内表面无缝焊接，隔板9水平置于第二管板8和外壳1右端面之间的中心处，其周边分别与第二管板8、外壳1右端面及外壳1的内表面无缝焊接，围成同等大小的上、下两个通道，上通道与管程进口管3相通，下通道与管程出口管4相通，换热管2两端分别与第一管板7和第二管板8上对应的圆孔无缝焊接，形成平行的管通道，上、下两块半圆形挡板10分别位于壳程进口管5右侧和壳程出口管6左侧，为换热管提供支撑作用。功率超声波换能器11为圆柱形，其中超声波振动晶片16，超声波密封辐射套管17，正极薄铜片19和负极薄铜片20均为长管形状，超声波密封辐射套管17两端密封，超声波振动晶片16、正极薄铜片19、负极薄铜片20和紧固棒18具有相同的长度，它们均密封在超声波密封辐射套管17内，并与超声波密封辐射套管17两端形成封闭空间。超声波振动晶片16的外环面为负极面，内环面为正极面，紧固棒18与超声波振动晶片16的内环面紧密盈合，中间夹着正极薄铜片19，超声波振动晶片16的外环面与超声波密封辐射套管17的内环面紧密盈合，中间夹着负极薄铜片20，正极薄铜片19和负极薄铜片20的厚度为1-2mm。
换热管2采用φ25×2.5mm或φ32×3.0mm的无缝钢管或铜管，超声波振动晶片16由锆钛酸铅压电陶瓷制成，超声波密封辐射套管17由高强度的铝合金制成，紧固棒18由钢制成，功率超声波发生器12与功率超声波换能器11之间的匹配频率范围为18kHz～35kHz，匹配功率范围为500W～2000W。
功率超声波换能器11从外壳1左端面中心圆孔插入，依次通过圆套管14和第一管板7中心圆孔，伸入圆孔支座15的内孔，密封盖板13通过螺栓与外壳1左端面固接，将功率超声波换能器11密封在换热器的壳程空间内，正极薄铜片19和负极薄铜片20分别通过正极导线22和负极导线21与功率超声波发生器12的正、负极连接。
换热器工作时，一种换热流体从壳程进口管5进入，经流换热器壳程空间后从壳程出口管6流出，另一种换热流体则从管程进口管3进入，依次流经换热器的上半空间换热管和下半空间换热管后从管程出口管4流出，同时，功率超声波发生器12开启，超声波沿着功率超声波换能器11的径向发射，使换热器壳程中的液体剧烈振荡并产生空化气泡，增强换热器的换热效果。