一种基于椭圆超声波聚焦强化传热原理的换热器的制作方法

本实用新型涉及一种换热器，尤其涉及一种基于椭圆超声波聚焦强化传热原理的换热器。

背景技术：

换热器在许多领域有广泛的应用，在各种发电所、空调设备、热处理厂、食品加工等各种工厂都有应用。主要功能为热量交换，将热量从一种介质转移到另一种介质，实现能量转移、冷却降温、加热等目的。管壳式换热器是最常见的换热器类型之一。管壳式换热器的高温工质和低温工质分别从管内和管外流过，通过管壁进行热量交换。超声波强化传热手段是一种有效的主动强化方法，超声波最高能够使换热系数提高200%，甚至更高。原理是利用超声波产生空泡以及声流，空泡能够增加沸腾的成核点，同时空泡崩溃时会产生高速微射流，增强换热表面的换热效率；声流能够增强对流，使换热效率提高。超声强化传热的效果与换热表面的声场强度有关，强度越高，强化传热效果越好。

另一方面，椭圆具有一个特殊的声学性质，即从椭圆一个焦点发出的声波，经过椭圆壁面的方射后，会聚焦到椭圆的另一个焦点处。在此我们称之为椭圆声聚焦性质。因此，当声源设置在椭圆的一个焦点处，在另一个焦点处就能够获得较大的声强。这个性质能够扩展到三维的情况，即把椭圆形拉伸为椭圆柱，这时各个截面的焦点就会连成一条线，在此我们称之为焦线。椭圆柱有两条焦线。

本实用新型将上述两个原理结合，将超声波换能器安装在椭圆的一个焦点处，换热铜管安装在椭圆的另个焦点处，使用椭圆柱形外壳聚焦超声波，使换热铜管附近的超声波声强大幅度提高，然后通过聚焦后的超声波对换热表面进行强化传热，从而获得更好的换热效率。

技术实现要素：

本实用新型为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种换热效率大的基于椭圆超声波聚焦强化传热原理的换热器。

本实用新型采用如下技术方案实现：

一种基于椭圆超声波聚焦强化传热原理的换热器，包括容纳冷却液的冷却液容器、固定在所述冷却液容器内腔的热源装置、固定设置在所述冷却液容器外壁的超声波换能器，所述冷却液容器包括平侧面和部分椭圆面，其横截面几何形状由部分椭圆段和直线段合围而成，所述直线段垂直所述部分椭圆段的长轴且经过所述部分椭圆段的一个焦点，所述热源装置位于所述部分椭圆段的另一焦点处，所述超声波换能器位于所述直线段的居中位置并指向所述热源装置。

进一步地，所述的冷却液容器为两端设置有换热器端盖的椭圆柱形外壳，两个换热器端盖上分别设置有冷却液进口和冷却液出口，所述热源装置包括密封地固定在两换热器端盖之间的换热铜管，所述超声波换能器沿长度方向等间距地一字形固定设置在所述椭圆柱形外壳的平侧面外壁上。

进一步地，所述换热铜管内设置实心加热棒、电热丝或通入热水或蒸汽。

进一步地，所述换热铜管的外表面加工有螺纹型的翅片结构，用于增强超声波的强化传热效果。

进一步地，所述换热铜管的横截面几何形状为圆形、正多边形。

进一步地，所述换热器端盖使用多组螺栓与椭圆柱形外壳密封连接。

进一步地，所述冷却液进口和冷却液出口沿所述椭圆柱形外壳的径向方向错开一定距离，用于增强换热器内的对流。

进一步地，所述的冷却液容器为竖直开口向上设置的椭圆柱形腔体，所述热源装置包括竖直固定在椭圆柱形腔体内的加热棒，所述超声波换能器沿高度方向固定设置在所述椭圆柱形外壳的平侧面外壁上，所述椭圆柱形腔体底部密封且设置有支架。

进一步地，所述的椭圆柱形腔体内还竖直设置有电热偶和辅助加热棒。

进一步地，所述的冷却液包括水或乙醇。

相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型利用超声波强化传热及椭圆壁面对声波的方射聚焦特性，将超声波换能器安装在椭圆的一个焦点处，热源装置安装在椭圆的另个焦点处，使用椭圆柱形外壳聚焦超声波，使热源装置附近的超声波声强大幅度提高，然后通过聚焦后的超声波对换热表面进行强化传热，从而获得更好的换热效率。

超声波强化传热手段是一种有效的主动强化方法，原理是利用超声波产生空泡以及声流。超声强化传热的效果与换热表面的声场强度有关，强度越高，强化传热效果越好。另一方面，椭圆具有一个特殊的声学性质，即从椭圆一个焦点发出的声波，经过椭圆壁面的方射后，会聚焦到椭圆的另一个焦点处。因此，当声源设置在椭圆的一个焦点处，在另一个焦点处就能够获得较大的声强。

附图说明

图1 为实施例1的换热器结构示意图；

图2为实施例2的竖直开口式换热器结构示意图；

图3 为椭圆声聚焦原理示意图；

1-超声波换能器、2-冷却水进口、3-换热器端盖、4-椭圆柱形外壳、5-换热铜管、6-冷却水出口、7-椭圆柱形腔体、8-加热棒、9-电热偶、10-辅助加热棒、11-支架、12-椭圆形外壳、13-换热表面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：

如图1所示，一种基于椭圆超声波聚焦强化传热原理的换热器，包括容纳冷却液的冷却液容器、固定在所述冷却液容器内腔的热源装置、固定设置在所述冷却液容器外壁的超声波换能器1，所述冷却液容器包括平侧面和部分椭圆面，其横截面几何形状由部分椭圆段和直线段合围而成，所述直线段垂直所述部分椭圆段的长轴且经过所述部分椭圆段的一个焦点，所述热源装置位于所述部分椭圆段的另一焦点处，所述超声波换能器1位于所述直线段的居中位置并指向所述热源装置。

具体而言，所述的冷却液容器为两端设置有换热器端盖3的椭圆柱形外壳4，所述换热器端盖3使用多组螺栓与椭圆柱形外壳4两端密封连接。椭圆柱形外壳4横截面的部分椭圆段的椭圆长轴长度为110.8mm，椭圆短轴长度为96mm，两个焦点距离为110.8mm，椭圆柱形外壳4的高度为500mm，使用不锈钢材料加工；

两个换热器端盖3上分别设置有冷却液进口2和冷却液出口6，所述冷却液进口2和冷却液出口6沿所述椭圆柱形外壳4的径向方向错开一定距离，用于增强换热器内的对流。所述热源装置包括密封地固定在两换热器端盖3之间的换热铜管5，三个超声波换能器1沿长度方向等间距地一字形固定设置在所述椭圆柱形外壳4的平侧面外壁上。

所述换热铜管5内设置实心加热棒、电热丝或通入热水或蒸汽。

所述换热铜管5的外表面加工有螺纹型的翅片结构，用于增强超声波的强化传热效果。所述换热铜管5的横截面几何形状为圆形、正多边形。本实施例中，所述换热铜管5的截面为圆形，直径为20mm。

本实施例提供的换热器用于自然对流换热条件下，冷却水不流动情况下的换热，冷却水进口2与冷却水出口6没有液体工质流动，仅依靠超声波的强化作用进行换热。所示换热铜管5中通有高温蒸汽，该换热器使用水作为冷却液。

如图3所示，本实施例的原理为：

所述超声波换能器1产生超声波，超声波在冷却水中传播，并通过椭圆形外壳12反射，超声波聚焦到椭圆的另一个焦点处，所述换热铜管5安装在该焦点处，使换热铜管5周围的超声波声强增大，进而加强换热铜管5的换热表面13与冷却液之间的换热效率。安装时，该换热器能够在任何角度放置，包括水平与竖直放置。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述的冷却液容器为竖直开口向上设置的椭圆柱形腔体7，所述热源装置包括竖直固定在椭圆柱形腔体7内的加热棒8，所述超声波换能器1沿高度方向固定设置在所述椭圆柱形外壳4的平侧面外壁上，所述椭圆柱形腔体7底部密封且设置有支架11。所述的椭圆柱形腔体7内还竖直设置有电热偶9和辅助加热棒10。

本实施例中，所述超声波换能器1安装在椭圆柱形腔体7的左焦点处的平面上，产生超声波。该换热器竖直放置，加热棒8安装在椭圆的右焦点处，使用螺钉固定在椭圆柱形腔体7底面，产生热量。超声波换能器1产生的超声波通过椭圆形壁面的反射，聚焦到加热棒8处，使加热棒8产生的热量能够迅速传出。椭圆柱形腔体7内装满水，加热棒8通电后能够将水快速加热。电热偶9固定在腔内，用于测量腔内水温。所述辅助加热棒10用于特殊情况下的辅助加热，当加热棒8的加热功率不够时可开启该加热棒。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。