本实用新型涉及到一种共振式高效热能交换器，属于热能交换研究领域。
背景技术：
近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，热能交换器的需求大量增长。热能交换器的种类繁多，按照传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它形式的热能交换器。管型的热能交换器包括管壳式热能交换器、套管式热能交换器、蛇管式热能交换器等。
在传统的管式结构热交换器的热交换界面，由于管壁粗糙度、水垢等杂质和黏附力的影响，沿管壁界面的液体流动阻力较大，使靠近管壁处的液体流动速度减慢甚至不流动，相对于热交换器热水进口处温度，就会在管内壁处形成一个局部低温区；而在管外壁的附近区域，相对于热交换器冷水进口处温度，就会形成一个局部高温区，从而使热交换的界面温度差减小，又因为整个热交换的界面环境处于相对稳定的层流状态，管外冷水和管内热水各自不能很好的混合，热交换界面的温度差一直保持在一个相对较小的范围内，所以热交换效率很低，图1为热交换管横截面周围的温度分布。
由于管壁粗糙度、水垢等杂质和黏附力的影响，界面附近液体流动阻力较大，在热交换的过程中，管内壁和管外壁的截面流场和截面温度场也呈现出一定的规律，图2和图3是热交换器内的管壁截面附近的流场和截面温度场分布曲线图。
通过上面的流速分布图和温度分布图我们可以得出传统的热交换器沿管壁热交换界面液体流速慢，温度差小，而且整个热交换管壁附近几乎是层流分布，冷水和热水之间热量交换速度慢，这样就导致了热交换效率低下，甚至大量的热能浪费。本申请的热交换器采用了共振原理打破了原有的热交换状态，克服了上述弊端，改变了热交换管壁截面流场和截面温度场分布状态，增大了热交换界面的温度差，大大提高了热交换效率，也降低了设备的维修次数和维护成本。
技术实现要素：
本实用新型的主要内容是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，并且能有效提高热交换速度的装置，共振式高效热能交换器采用的是管式结构，热能交换管的形状采用的是螺旋弹簧型热交换空心管，增大了热交换界面的面积，并且热交换管的固有频率低，容易实现共振，使螺旋弹簧型热交换空心管周围的工作介质的流动速度和温度梯度分布状态发生变化，这样不仅提高了热交换器的交换效率，而且避免了水垢在热交换管壁上的生成，实用性强，减少了热能的浪费。
为了解决上述问题，该装置采用了以下技术方案：
本实用新型所提供的共振式高效热能交换器，包括激振装置、冷水管路、热水管路和热交换容器，所述的热交换容器为热能交换提供能量交换场所，在所述的热交换容器内设有热交换空心管，所述的热水管路为所述热交换空心管提供热水，所述冷水管路为所述的热交换容器内部提供冷水，所述的激振装置给热交换空心管振动提供激励能源，热水流经激振装置的风扇扇叶把热水流动的动能和压力势能转化成激振装置风扇叶片绕其自身旋转轴转动的动能，使流经热交换空心管的热水由原来的连续流动变成波动流动，激发热交换空心管的共振，打破传统热交换器的传热过程中的流场分布和热场分布；所述冷水管路给高效热能交换器提供热交换所需的冷水。
进一步的，在所述的热交换容器的左右两端通过密封端盖密封，密封端盖和热交换容器形成一个相对密闭的空腔，所述的热交换空心管设置在该空腔内，且在热交换容器的侧壁上设有冷水进口和冷水出口。
进一步的，所述冷水进口在热交换容器的右下侧，冷水出口在热交换容器的左上侧，热交换空心管焊接在左右密封端盖上，在所述密封端盖上设有圆孔，该圆孔与热交换空心管的孔一一对应完全对中且相通。
进一步的，在两个密封端盖的外侧各设有一个半圆球端盖，所述半圆球端盖通过连接装置连接在所述的密封端盖上，两者形成一个空腔；且在其中一个半球形端盖上设有与其形成的空腔相连通的热水进口，另外一个半球形端盖上设有与其形成的空腔相连通的热水出口；且所述的激振装置安装在设有热水进口的空腔内。
进一步的，所述的热水管路系统主要由热水箱、过滤器、液压热水泵、安全阀、减压阀组成，其中液压热水泵是热水流动的主要动力来源，安装在热水箱的出口管路上，将热水送入到所述的热水进口；所述的过滤器用于过滤热水中的杂质，其安装在热水箱和液压热水泵之间的管路上；过滤器还可以减少热能交换器内水垢的生成，安全阀主要用来保护整个热水管路系统处于安全压力下工作，所述的减压阀是系统正常工作压力控制的主要元件，为热水回路提供特定的水流压力，用来控制热水流动速度和激振装置的激振频率；所述的安全阀保证整个管路以相对安全的压力的运行。
进一步的，所述的激振装置由风扇叶片型激振器和固定支架组成，风扇叶片型激振装置的风扇扇叶片能把热水流动的动能和压力势能转化成扇叶旋转运动能，使流经热交换空心管的热水由原来的连续流动变成波动流动，激发热交换空心管的共振，打破传统热交换器的传热过程中的流场分布和热场分布；所述的激振器固定支架将风扇叶片型激振器固定在半圆球端盖上。
进一步的，所述的热交换容器内有多根热交换空心管，通过调整减压阀出口压力，控制风扇扇叶型激振器的转速和激振频率，使热交换管入口部位水流压力发生波动变化，让所有的热交换空心管发生共振。
进一步的，所述的冷水管路为连接冷水进口和冷水出口，为给高效热能交换器提供热交换所需的冷水，冷水可以是自来水或其它洁净水源，为高效热能交换器提供热交换所需的冷水。
进一步的，所述的热交换空心管为螺旋弹簧型热交换空心管。
进一步的，所述的螺旋弹簧型热交换空心管尽可能的靠近，但振动时并不接触，这样有利于更密集的放置热交换管，支撑在热交换空心管两侧的是密封端盖，这样该结构的螺旋弹簧型热交换空心管的共振频率低，与直管相比更容易达到共振状态。
本实用新型工作过程如下：
热交换容器上的冷水进口在右下侧，冷水出口在热交换容器的左上侧，其内部拥有多根热交换空心管与左右两侧密封端盖上的小孔连通，热能交换管均匀分布在热交换容器内部，半球形端盖用于密封热交换容器，从热水压力供给系统出来的热水，经过右侧的半球形密封端盖进入热交换器，减压阀调定的系统热水工作压力驱动热水流动和风扇叶片转动，激励多根热交换空心管振动同时，在热交换器右侧半球形密封端盖处的热水通过右侧密封端盖上的圆孔进入多根热交换空心管，在这里和冷水在振动状态下进行热能交换后，通过左侧密封端盖上的圆孔进入热交换器左侧半球形密封端盖处，从出水口流出。注意在高效热能交换容器中的热水和冷水处于严格的相互密封状态，交换容器只进行热量交换，不进行热水和冷水之间的物质交换。
本实用新型的实施效果：
1.本共振式高效热能交换器，在基本不改变直管式交换器管道个数情况下，采用固有频率较低的螺旋弹簧型热交换空心管，在不需外界提供振源的情况下，对热能交换器螺旋弹簧型热交换空心管提供激振源，使其发生共振，打破了传统热交换管壁周围的交换介质的温度梯度和流速分布，提高了交换介质的瞬时温差，大大提高了热交换效率。
2.由于本共振式高效热能交换器在热交换过程中，螺旋弹簧型热交换空心管在不停振动，减缓了日积月累热交换管壁上的水垢堆积，降低维修次数和维护成本；再者由于风扇扇叶型激振器的激振能量不是很大，加上螺旋弹簧型热交换管在水中振动时阻尼的存在，从而避免了弹簧型热交换空心管处于大振幅的共振状态，也就不会产生高放大倍数的动应力，损坏本共振式高效热能交换器。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1.是热交换管横截面周围的温度分布图；
图2.图3是热交换器内的管壁截面附近的流场和截面温度场分布曲线图；
图4是热能交换器的整体装配示意图；
图5.是图4的B-B向视图，风扇扇叶与其固定支架连接关系；
图6.是图4的A-A向视图，为密封端盖的结构；
图7.是图4的Ⅰ处局部放大图，风扇扇叶与轴的装配示意图；
图8.为热水压力控制系统的液压原理图。
图中：1.螺母、2.密封圈、3.六角头铰制孔用螺栓、4.半圆球端盖、5.风扇扇叶、6.热水进口、7.固定支架、8.冷水进口、9.热交换容器、10.热水出口、11.减压阀、12.减压阀热水入口、13.密封端盖、14.冷水出水口、15.螺旋弹簧型热交换空心管、16.密封端盖、17.套筒、18.轴承、19.支撑套、20.轴、21.连接键、22.紧定螺母。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。
术语解释部分:本实用新型中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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实用新型的具体含义。
本实用新型的工作原理是：
热交换能量W＝m·c·Δt，其中质量和比热容是几乎不变的，为了增加热交换的能量W，只有增加温度差Δt。正常情况下因为有相对低温区和相对高温区的存在，热交换的界面温度差较小，即Δt较小。为了改进传统热能交换器的缺陷，本装置采用了共振的原理，使螺旋弹簧型热交换空心管处于往复不停的振动运动状态，使靠近管壁处的液体由原来的流动速度减慢甚至不流动的层流状态因热交换管的不停振动而变成紊流状态，打破了热交换管内、外壁周围的交换介质流动速度场和温度梯度场分布，使热交换管壁内外的介质流动速度场和温度梯度分布达到比较均衡的水平，从而增加热交换管内部与外部的温度差Δt，提高冷水与热水之间的热交换效率。
为了实现热交换器的交换管共振，在该热能交换器中设置了专门的激振装置。从节省能源的角度出发，该激振器并没有设置专门的动力源，而是通过把热水流动的动能和压力势能转化成风扇扇叶绕其自身旋转轴转动的动能，让流经螺旋弹簧型热交换空心管的水流压力产生波动，激发该螺旋弹簧型热交换空心管共振，当风扇扇叶激振频率等于螺旋弹簧型热交换空心管的固有频率时该螺旋弹簧型热交换空心管产生共振，使原来热交换器内的空心螺旋弹簧管壁截面周围的工作介质由于共振的作用变成湍流，最终达到打破该管壁周围的液体流动速度场和温度场分布，增大热交换界面温度差的目的。激振器频率的调节：风扇扇叶型激振器的动力源是流动的热水，所以通过改变流动热水的进出口压力差即可改变激振器转速，从而调整风扇扇叶激励热水流动的波动频率。为此在该热能交换器中添加了减压阀来控制调节热水流动压力，通过改变热水的压力来调节流速和扇叶转速最终达到调节激振器频率的目的。
共振原理：在该装置中，激振源是风扇扇叶型激振器，把热水流动的动能和压力势能转化成扇叶绕其自身旋转轴转动的动能，让流经螺旋弹簧型热交换空心管的水流压力和流速产生波动，当激振源的振动频率等于螺旋弹簧型热交换空心管的固有频率时，从而激发该螺旋弹簧型热交换空心管共振，由于来自该交换器的热水进口压力与其出口压力差是通过减压阀调定的，该流水速度和压力差驱动扇叶不停旋转，螺旋弹簧型热交换空心管将会得到持续激励而不断地振动，该共振打破了空心管壁周围的工作介质的流动速度场和温度场分布，使螺旋弹簧型热交换空心管处于一定振幅的共振状态。传统热能交换器的热交换管为直管，固有频率其中质量由于热交换管的材料和尺寸按设计标准固定，所以质量不易改变，而直管的刚度较大，所以固有频率较高，不易产生共振，该热能交换器的热交换管为螺旋弹簧型热交换空心管，刚度小，单位长度的质量增加，所以固有频率大大减小，为该装置实现共振提供了有利条件。再者由于风扇扇叶型激振器的激振能量不是很大，加上螺旋弹簧型热交换管在水中振动时阻尼的存在，从而避免了弹簧型热交换空心管处于大振幅的共振状态，也就不会产生高放大倍数的动应力，损坏本共振式高效热能交换器。
下面结合附图1到图5对该装置的实施作进一步的描述：
传统的热交换器，在冷热水的热交换过程中，由于交换界面管壁粗糙度、水垢等杂质和黏附力的影响，使得热交换管壁附近的冷热水的流动阻力较大，让靠近管壁处的液体流动速度减慢甚至不流动，严重降低了热交换速度。本实用新型提出共振式的高效热能交换器，克服了上述弊端，大大提高了热交换效率，降低了设备的维修次数和维护成本；它主要由冷水管路、热水管路系统、激振装置、热交换容器组成，该热交换容器的空心交换管是螺旋弹簧形状的，通过减压阀的热水流经风扇扇叶，把热水流动的动能和压力势能转化成风扇扇叶绕其自身旋转轴转动的动能，让流经螺旋弹簧型热交换空心管的水流压力产生波动，当激振源的振动频率等于螺旋弹簧型热交换空心管的固有频率时，从而激发该螺旋弹簧型热交换空心管共振，由于来自该交换器的热水进口压力与其出口压力差是通过减压阀调定的，该压力差驱动风扇扇叶不停旋转，螺旋弹簧型热交换空心管将会得到持续的共振激励，该共振打破了空心管壁周围的工作介质的流动速度和温度梯度分布状态，这样不仅提高了热交换器的交换效率，而且避免了水垢在热交换管壁上的生成。
具体结构如图4所示的共振式高效热能交换器，整个装置的最右侧是减压阀，热水通过减压阀的热水入口12进入减压阀11，经减压后进入热交换容器9的热水进口6，通过半球形端盖4热水推动风扇扇叶5绕轴20旋转，把热水流动的动能和压力势能转化成风扇扇叶5绕其自身旋转轴20转动的动能，让流经螺旋弹簧型热交换空心管15的水流压力产生波动，当激振源的振动频率等于螺旋弹簧型热交换空心管的固有频率时，从而激发该螺旋弹簧型热交换空心管15共振，由于来自该交换器的热水进口6压力与其出口10压力差是通过减压阀11调定的，该压力差驱动风扇扇叶不停旋转，螺旋弹簧型热交换空心管15将会得到持续的共振激励，该共振打破了空心管壁周围的工作介质的流动速度和温度梯度分布状态，加快热交换效率，并且阻止热水中的杂质在水管上积累形成水垢。由于螺旋弹簧型热交换空心管可以增加接触面积，从而增加热交换效率。在螺旋弹簧型热交换空心管15内的热水经过热交换之后，流过左侧密封端盖13进入到左侧的半球形端盖4内，最后水流通过热水出口10流出装置。其中半球形端盖4、热交换容器9和密封端盖13之间有密封圈2起着密封连接作用，六角头铰制孔用螺栓3和螺母1起着固定半球形端盖4、热交换容器9和密封端盖13的作用。而冷水管路的冷水是通过冷水进口8进入热交换容器9，最后从冷水出口14流出。
本实用新型中所述的螺旋弹簧型热交换空心管15为优选的热交换空心管，还可以根据需要选择其他类型的热交换空心管。
本实用新型中的激振装置，也可以采用其它形式的激振装置，主要是使热交换管发生共振，就能提高热交换效率。
图5是图4的B-B向视图，风扇扇叶5与其轴承固定支架7的连接关系，其中轴承固定支架是由在同一竖直平面内互成120度均匀分布并焊接在半球形端盖中三根支撑杆与支撑套19构成；风扇扇叶型激振器的扇叶与热能交换器的轴心线是有一定的斜度，可以通过更换不同扇叶几何参数和斜度的风扇扇叶，来改变螺旋弹簧型热交换空心管中水流的波动量及其波动频率；对于给定的风扇扇叶，也可以通过调整减压阀11的出口压力，来改变螺旋弹簧型热交换空心管中水流的波动量及其波动频率。
图6是图4的A-A向视图，为密封端盖13的结构示意图，该图的圆孔与螺旋弹簧型热交换空心管15中的孔是一一对应完全对中相通，通过密封端盖上圆孔的分布，可以得到螺旋弹簧型热交换空心管轴心线的分布情况；热水从外部进来后从该图的圆孔中进入到螺旋弹簧型热交换空心管15中。
图7是图4中Ⅰ处局部放大图，风扇扇叶5与轴20的装配示意图，整个风扇扇叶型激振器是由固定支架7进行固定，三个支撑杆的另一端是焊接在支撑套19上，轴20和右端一对轴承18就安装在支架套19里，两个轴承18之间用套筒17进行限位，两个轴承20用两个密封端盖16进行密封。轴20的左端连接风扇扇叶5，风扇扇叶5的右端用轴肩限位，风扇扇叶5的左端用紧定螺母22固定，风扇扇叶5与轴20靠键21固定，并和轴20一起旋转。
图8为热水压力控制系统的液压原理图，主要包括：水箱、过滤器、液压热水泵、安全阀、减压阀11和热交换容器9，给整个换热器提供热水源，各个元件的功能为：水箱提供热水，过滤器用于过滤热水中的杂质，还可以减少热能交换器内水垢的生成，液压热水泵为共振式高效热能交换器提供有一定工作压力的热水源，安全阀是保证共振式高效热能交换器热水回路的安全，热交换容器为整个装置提供热交换场所，减压阀为共振式高效热能交换器提供工作压力的，通过调整减压阀的工作压力可以调整热水回路的热水流速和风扇扇叶型激振器激振频率，使螺旋弹簧型热交换空心管发生共振，使流经螺旋弹簧型热交换空心管的工作介质发生波动变化，从而提高系统的热交换效率。
整个共振式高效热能交换器由激振装置、冷水管路、热水管路系统和热交换容器组成，激振装置给螺旋弹簧型热交换空心管振动提供激励能源，冷水管路给高效热能交换器提供热交换所需的冷水，热水管路系统给热水回路提供工作压力，热交换容器是为热能交换提供能量交换场所。
热水管路系统由热水箱、过滤器、液压热水泵、安全阀、减压阀11、热水进口6、左右半球形端盖4、左右密封端盖13、螺旋弹簧型热交换空心管15、热水出口10组成，其中液压热水泵是热水流动的主要动力来源，过滤器用于过滤热水中的杂质，还可以减少热能交换器内水垢的生成，安全阀主要用来保护整个热交换器处于安全压力下工作，减压阀是系统压力控制的主要元件，为热水回路提供特定的水流压力，用来控制热水流动速度和激振装置的激振频率。
激振装置由风扇叶片5型激振器和激振装置的固定支架7组成，风扇叶片型激振装置的关键零件是风扇扇叶片，它能把热水流动的动能和压力势能转化成扇叶旋转运动，使流经螺旋弹簧型热交换空心管15的热水由连续流动变成波动流动，激发螺旋弹簧型热交换空心管的共振，打破传统热交换器的传热过程中的流场分布和热场分布；激振器固定支架主要是由轴承固定支架和风扇扇叶片旋转轴组成，其中轴承固定支架是由在同一竖直平面内互成120度均匀分布并焊接在半球形端盖中三根支撑杆与支撑套构成。
热交换容器上的冷水进口8在右下侧，冷水出口14在热交换容器9的左上侧，螺旋弹簧型热交换空心管15就焊接在左右密封端盖13上，该密封端盖上的圆孔与螺旋弹簧型热交换空心管中的孔一一对应完全对中相通。
风扇扇叶型激振器的转轴需要严格的防水密封，其外伸轴的端盖用旋转轴唇形密封圈密封。热交换容器的左右两侧都有半球形端盖、密封端盖和与之配套的密封圈，端盖由六角头铰制孔用螺栓3固定。
热交换容器内有多根螺旋弹簧型热交换空心管，通过调整减压阀出口压力，控制风扇扇叶型激振器的转速和激振频率，使所有的螺旋弹簧型热交换空心管发生共振，使热交换管入口部位水流压力发生波动变化。
螺旋弹簧型热交换空心管尽可能的靠近，但振动时并不接触，这样有利于更密集的放置热交换管，支撑在螺旋弹簧型热交换空心管两侧的是密封端盖。
共振式高效热能交换器采用螺旋弹簧型热交换空心管，该结构的螺旋弹簧型热交换空心管的共振频率低，与直管相比更容易达到共振状态。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。