一种并联式分区自适应流量调节冷却装置的制作方法

[0001]
本申请涉及管壳式换热器技术领域，特别涉及一种并联式分区自适应流量调节冷却装置。


背景技术：

[0002]
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。
[0003]
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。
[0004]
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。


技术实现要素：

[0005]
本申请实施例提供一种并联式分区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。
[0006]
本申请实施例提供了一种并联式分区自适应流量调节冷却装置，包括：
[0007]
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并联设置的冷却腔室，多个所述冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管；
[0008]
自适应流量调节单元，其设置在所述第一流体入口内，其包括若干翼面，若干所述翼面在所述第一流体入口内围成圆环形结构，若干所述翼面受到第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个冷却腔室上游流道的流通面积。
[0009]
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。
[0010]
在一些实施例中：若干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通过旋转轴转动连接，若干所述翼面两端的旋转轴在同一圆环上，且若干所述翼面沿所述管壳式换热器的轴线圆周均布排列。
[0011]
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第一流体入口内的支撑杆，所述支撑杆的一端与旋转轴固定连接，支撑杆的另一端与第一流体入口的内壁固定连接。
[0012]
在一些实施例中：相邻的两个所述翼面之间设有双扭簧，所述双扭簧穿套在所述旋转轴上，且双扭簧的两端分别与相邻的两个翼面连接，所述双扭簧的u形连接部与支撑杆抵接。
[0013]
在一些实施例中：所述冷却腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室位于所述内腔室的外周，所述外腔室与内腔室之间通过环形通道隔开，所述环形通道的轴线与所述管壳式换热器的轴线共线，所述环形通道的外壁设有多个将所述环形通道固定在所述管壳式换热器内的固定支架。
[0014]
在一些实施例中：若干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外流道和内流道，所述第一流体入口设有限制若干所述翼面向内流道和/或外流道方向旋转的限位环，所述外流道用于向所述外腔室内的换热管束注入第一流体，所述内流道用于向所述内腔室内的换热管束注入第一流体。
[0015]
在一些实施例中：所述限位环包括外限位环和内限位环，所述外限位环位于所述外流道内，所述内限位环位于所述内流道内，所述外限位环和内限位环设有与所述第一流体入口内壁连接的多个定位杆，多个所述定位杆沿所述外限位环和内限位环的圆周方向呈放射排布。
[0016]
在一些实施例中：所述翼面的吸力面接近所述第一流体入口的内壁，所述翼面的压力面远离所述第一流体入口的内壁；
[0017]
或，所述翼面的吸力面远离所述第一流体入口的内壁，所述翼面的压力面接近所述第一流体入口的内壁，所述吸力面的弧线弯度大于所述压力面的弧线弯度。
[0018]
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，若干所述翼面中相邻的两个所述翼面之前预留有转动间隙。
[0019]
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
[0020]
本申请实施例提供了一种并联式分区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，在第一流体入口与第一流体出口之间设有多个并联设置的冷却腔室，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，若干翼面在第一流体入口内围成圆环形结构，若干翼面受到第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个冷却腔室上游流道的流通面积。
[0021]
因此，本申请的管壳式换热器内设有多个并联设置的冷却腔室，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并联设置的冷却腔室可实现对多个用户、多种介质的冷却，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上游流道的流通面积，实现自动调节进入换热管内的第一流体的流量。申请的技术方案同样适用于其他可采用并联结构形式的换热器。
附图说明
[0022]
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。
[0023]
图1为本申请实施例的结构主视图；
[0024]
图2为图1中沿a-a方向的剖视图；
[0025]
图3为本申请实施例的自适应流量调节单元与第一流体入口的结构平面图；
[0026]
图4为本申请实施例的自适应流量调节单元与第一流体入口的结构立体图；
[0027]
图5为本申请实施例的翼面受力分析图；
[0028]
图6为本申请实施例的翼面的旋转中心位于压力中心上游的受力分析图；
[0029]
图7为本申请实施例的翼面的旋转中心位于压力中心下游的受力分析图；
[0030]
图8为本申请实施例的自适应流量调节单元流量分配示意图。
[0031]
附图标记：
[0032]
1、管壳式换热器；11、第一流体入口；12、第一流体出口；13、外腔室；14、内腔室；15、环形通道；16、第二流体入口；17、第二流体出口；18、外流道；19、内流道；20、固定支架；
[0033]
2、自适应流量调节单元；21、翼面；22、内限位环；23、旋转轴；24、支撑杆；25、定位杆；26、外限位环；27、双扭簧。
具体实施方式
[0034]
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。
[0035]
本申请实施例提供了一种并联式分区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。
[0036]
参见图1至图4所示，本申请实施例提供了一种并联式分区自适应流量调节冷却装置，包括：
[0037]
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之间设有多个并联设置的冷却腔室，多个并联设置的冷却腔室内均设有流通第一流体的换热管(图中未画出)。
[0038]
在管壳式换热器1的侧壁上设有分别向多个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，多个并联设置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并联设置的冷却腔室内的第二流体进行热交换，热交换后的第二流体从换热管流出后共同从第一流体出口12排出。
[0039]
自适应流量调节单元2，该自适应流量调节单元2设置在第一流体入口11内，自适应流量调节单元2包括若干翼面，翼面21的具体数量根据翼面21的翼型和第一流体入口11的内径合理设定。若干翼面21在第一流体入口11内围成圆环形结构，若干翼面21受到第一流体的作用力自适应旋转，以改变多个并联设置的冷却腔室的有效流通面积。自适应流量调节单元2能够根据第一流体入口11内流体的流速大小自适应调节多个并联设置的冷却腔室通入第一流体的流量，从而达到分配和调节多个并联设置的冷却腔室内通入第一流体的流量的目的。
[0040]
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的旋转将改变第一流体入口11内多个并联设置的冷却腔室的流通面积，以使进入多个并联设置的冷却腔室的第一流体流量发生变化，调节第一流体入口11内多个并联设置的冷却腔室的流体流量至所需流量范围内。
[0041]
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，以使第一流体入口11内多个并联设置的冷却腔室的流体流量保持在设定流量范围内。
[0042]
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的旋转将改变第一流体入口11内多个并联设置的冷却腔室的有效流通面积，以使多个并联设置的冷却腔室的第一流体流量发生变化，调节第一流体入口11内多个并联设置的冷却腔室的流体流量至所需流量范围内。
[0043]
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并联式分区自适应流量调节冷却装置，该装置的若干翼面21两端的翼型截面均设有旋转轴23，相邻的两个翼面21之间通过旋转轴23转动连接，若干翼面21两端的旋转轴23在同一圆环上，且若干翼面21沿管壳式换热器1的轴线圆周均布排列。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。
[0044]
在旋转轴23上设有将翼面21悬空在与第一流体入口11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的另一端与第一流体入口11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，提高第一流体的流量控制精度。
[0045]
旋转轴23垂直于翼面21两端的翼型截面，旋转轴23的中心线与翼面21的轴线重合并通过翼面21的重心，以使翼面21的重力力矩始终为零，保证若干翼面21在第一流体作用下能够绕旋转轴23同步旋转。必要时可通过配重或分段采用不同材料等手段调整翼面21的重心位置。
[0046]
相邻的两个翼面21之间设有双扭簧27，该双扭簧27穿套在旋转轴23上，且双扭簧27的两端分别与相邻的两个翼面21连接，双扭簧27的u形连接部与支撑杆24抵接。双扭簧27
用于平衡第一流体作用力矩，以使自适应流量调节单元2稳定于给定工况对应的旋转角度状态。翼面21与支撑杆24之间通过双扭簧27约束，在翼面21不受第一流体作用力时双扭簧27可有一定角度预扭，以使翼面21保持初始限位状态。工作过程中，翼面21受到的第一流体作用力矩与双扭簧27力矩方向相反，两者平衡后达到稳定状态。
[0047]
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并联式分区自适应流量调节冷却装置，该装置的冷却腔室包括外腔室13和内腔室14，外腔室13位于内腔室14的外周，外腔室13和内腔室14用于分别冷却不同种类的第二流体。
[0048]
外腔室13与内腔室14之间通过环形通道15隔开，外腔室13与内腔室14之间通过环形通道15相互密封，避免不同种类的第二流体相互干扰。环形通道15的轴线与管壳式换热器1的轴线共线，环形通道15的外壁设有多个将环形通道15固定在管壳式换热器1内的固定支架20。
[0049]
自适应流量调节单元2的若干翼面21在第一流体入口11内将第一流体入口11分为外流道18和内流道19，若干翼面21在外流道18和内流道19之间，若干翼面21通过旋转改变外流道18和内流道19的内径和外径。外流道18用于向外腔室13内的换热管束注入第一流体，内流道19用于向内腔室14内的换热管束注入第一流体，若干翼面21通过旋转改变外流道18和内流道19的内径和外径来分配和调节第一流体进入外腔室13与内腔室14的流量。
[0050]
第一流体入口11设有限制若干翼面21向内流道19或外流道18方向旋转的限位环，该限位环用于控制若干翼面21向内流道19或外流道18方向旋转的角度，当若干翼面21向内流道19或外流道18方向旋转至设定角度后与限位环相抵，以保证内流道19或外流道18具有最小的流通面积。
[0051]
限位环包括外限位环26和内限位环22，外限位环26位于外流道18内，内限位环22位于内流道19内。该外限位环26用于控制若干翼面21向外流道18方向旋转的角度，当若干翼面21旋转至设定角度后若干翼面21的后缘与外限位环26相抵，以保证内流道18具有最小的入口流通面积。内限位环22用于控制若干翼面21向内流道19方向旋转的角度，当若干翼面21旋转至设定角度后若干翼面21的后缘与内限位环22相抵，以保证外流道19具有最小的入口流通面积。
[0052]
在内限位环22和外限位环26的外周设有与第一流体入口11内壁连接的多个定位杆25，多个定位杆25沿内限位环22和外限位环26的圆周方向呈放射排布。多个定位杆25为内限位环22和外限位环26提供定位和支撑，确保内限位环22和外限位环26的位置精度，提高流体流量的控制精度。
[0053]
在一些可选实施例中：参见图4所示，本申请实施例提供了一种并联式分区自适应流量调节冷却装置，该装置的翼面21优选但不限于为双凸翼型，翼面21的吸力面接近第一流体入口11的内壁，翼面21的压力面远离第一流体入口11的内壁。当然还可以将翼面21的吸力面远离第一流体入口11的内壁，翼面21的压力面接近第一流体入口11的内壁。
[0054]
吸力面的弧线弯度大于压力面的弧线弯度。翼面21的前缘朝向第一流体入口11的入口侧，翼面21的后缘朝向第一流体出口12的出口侧。
[0055]
参见图6和图7所示，本实施例以翼面21的吸力面接近第一流体入口11的内壁，翼面21的压力面远离第一流体入口11的内壁为例进行说明：
[0056]
当翼面21的旋转轴23位于压力中心上游时，第一流体作用力矩可使翼面21朝顺时
针旋转。翼面21的前缘以旋转轴23为中心向靠近第一流体入口11内壁的方向转动，以减小外流道18的入口流通面积。
[0057]
当翼面21的旋转轴23位于压力中心下游时，第一流体作用力矩可使翼面21朝逆时针旋转。翼面21的前缘以旋转轴23为中心向远离第一流体入口11内壁的方向转动，以减小内流道19的入口流通面积。
[0058]
若干翼面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。
[0059]
工作原理
[0060]
参加图5所示，置于第一流体入口11内的翼面21受到第一流体速度为v
∞
来流作用，翼面21受到的第一流体的作用合力为r，通常可将第一流体作用合力r分解为升力l和阻力d，为了便于分析也可将第一流体作用合力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
。
[0061]
当翼面21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
为从旋转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。
[0062]
根据翼面21上流体合力作用点(压力中心)与旋转轴23的相对位置不同(即：翼面的旋转中心位于压力中心上游、翼面的旋转中心位于压力中心下游)，第一流体作用力矩可使翼面21朝顺时针或逆时针旋转；对应地，存在两种翼面21的初始状态，如图6和图7所示。
[0063]
参见图6至图8所示，当来流速度v
∞
增大时，翼面21受到的第一流体作用力和力矩均增大，当翼面21所受第一流体作用力矩m
z
大于双扭簧力矩m
k
时，将使翼面21发生旋转。同时，翼面21旋转将导致双扭簧扭转力矩增大。当第一流体作用力矩与双扭簧力矩平衡时，本装置达到该流速下的稳定状态。
[0064]
此时翼面攻角为α，在翼面前缘截面处，内流道19的直径为φ
inner
，外流道18的外径为φ
outer
、内径为φ
inner
。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(r)，从而可分别计算内、外流道流量：
[0065][0066][0067]
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
内
/q
外-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。
[0068]
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。
[0069]
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。
[0070]
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。

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