本发明涉及一种脉动强化换热器，特别涉及一种自激脉动强化换热的容积式换热器及其工作方法，属于换热器技术领域。
背景技术：
在日常工业生产中，因热能传递、交换、转换及控制等需要，换热器被大量采用。众所周知，容积式换热器总体尺寸大，并且传热系数小，这是因为传热表面与周围的流体相对速度较小，仅存在自然对流循环，这使得传统容积式换热器换热性能很低。此外，在换热器中结垢往往会使换热性能不断下降。近年来，随着国内节能政策及产业的发展需求，换热设备的强化换热问题日益得到关注。作为强化换热技术的一个分支，脉动流强化换热受到越来越多的重视。脉动流在提高设备换热性能的同时又能达到抑制结垢的效果，因此有其独特的优越性，受到了国内外广泛的关注，并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。但是对于脉动流和振动流之间潜在的联系，当前研究工作非常缺乏。在脉动强化换热中，能够利用有益振动为强化换热服务的设计还很少。
脉动流就是流动参数如压力、速度等发生周期性或准周期变化的流体。常见的脉动流发生装置可分为两类：自激励脉动源和强制脉动源。流体自激励脉动源主要是通过改变管路结构形式来产生脉动的装置，这种脉动源无需额外消耗泵功。现有的自激励脉动源有单向阀系统、自激式系统等。单向阀系统，其主要原理是通过单向阀在一定条件下的启闭来造成流量的脉动。比如工业中的限流阀，当管道内流速大到一定程度后，限流阀自动关闭，从而造成流体压力脉冲。单向阀系统的一个显著特点是冲击波脉动压力高，管道中的流动呈往复流特征。自激脉动源有很多类型，比较典型的是利用亥姆霍兹共振腔原理，在共振腔内产生自激振荡，并在出口喷嘴形成脉冲射流。
申请号为201210145569.8的专利公开了一种可调往复式脉动流强化传热换热器，通过调整电机的转速控制脉动流的平均流速、脉动频率、脉动振幅，可以强化换热。但是由于需要通过电机和调频管道泵输送流体，需要电能，并且能源消耗很高。传统脉动发生装置一般采用电磁阀或往复泵等方法，但这些脉动方式属于有源强化传热技术，需要消耗额外的能耗，在实际应用中受到限制。
申请号为201621070008.6的专利公开了一种水锤冲击波脉动换热装置，通过弹簧单向阀和冲击阀的开关，在换热系统中造成水锤冲击波，管路压力呈现大振幅周期性的压力脉动，以使板式换热表面的换热性能得到提高。虽然是一种无源脉动强化换热，但是没有能够把握脉动流和管道结构振动之间潜在的联系，没有能够利用有益结构振动为强化换热服务。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题和缺陷，提供一种自激脉动强化换热的容积式换热器。
本发明在无需消耗外部能耗的情况下，能够更加有效的利用流体自激脉动及将流体脉动转换为换热管有益振动，起到强化传热、抑垢和除垢的效果。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种自激脉动强化换热的容积式换热器，包括壳体、隔板、热媒入口管段、热媒出口管段、冷媒入口管段、冷媒出口管段、换热管、软管、限流阀、自激振荡装置和脉动液力传动装置；所述壳体内设有所述隔板，所述隔板上设有孔，所述隔板将所述壳体分隔成上下两个腔体，所述上腔体和所述下腔体通过所述隔板上的孔连通，所述冷媒出口管段连通所述壳体的上腔体，所述冷媒入口管段连通所述壳体的下腔体，所述换热管穿过所述隔板的孔，所述换热管的入口端位于所述壳体的上腔体内并通过所述软管连通所述热媒入口管段，所述换热管的出口端位于所述壳体的下腔体内并通过另一根所述软管连通所述热媒出口管段；所述脉动液力传动装置包括顶盖、底座、膜片、刚性杆结构和复位弹簧，所述底座固定在所述壳体上，所述顶盖与所述底座之间设有所述膜片，所述底座设有连通所述膜片的孔，所述刚性杆结构的一端穿过所述顶盖顶在所述膜片上，另一端与所述换热管的出口端固定，所述刚性杆结构与所述顶盖之间还设有所述复位弹簧；所述自激振荡装置包括前喷嘴、振荡腔、后喷嘴、出口法兰和侧接管道，所述前喷嘴与所述后喷嘴之间设有所述振荡腔，所述后喷嘴通过所述出口法兰连通所述底座的孔以及所述侧接管道，所述前喷嘴通过设有所述限流阀的管路连通所述热媒出口管段。
进一步优选的，所述壳体的外形为长方体，所述隔板的孔为圆孔，所述隔板的开孔边缘与所述换热管的单边间隙为10-20mm。冷媒介质从所述壳体的下腔体进入上腔体，经过所述换热管，与所述换热管中的热媒介质充分换热；其中冷媒、热媒介质可以是水、油等。
进一步优选的，所述振荡腔为亥姆霍兹共振腔，所述前喷嘴的直径小于所述后喷嘴的直径，所述前喷嘴、所述后喷嘴与所述底座的孔同轴。
进一步优选的，所述刚性杆结构包括竖杆和设置在竖杆顶端的圆管，所述圆管套装在所述换热管的出口端，所述竖杆的另一端设有凸缘，所述复位弹簧套装在所述竖杆上，其一端顶在所述竖杆的凸缘上另一端顶在所述顶盖上。
进一步优选的，所述底座包括上法兰和下法兰，其上法兰一侧的端面内凹形成内凹面，所述底座通过其下法兰安装在所述壳体上，所述顶盖边缘设有与所述底座的上法兰相匹配的安装法兰，所述顶盖中部设有孔，安装螺栓依次穿过所述顶盖的安装法兰、所述膜片的边缘安装孔和所述底座的上法兰并固定，所述膜片其余部分紧紧贴合在底座的内凹面上。所述膜片的材料可以为不锈钢或橡胶。
进一步优选的，所述热媒入口管段、所述热媒出口管段均穿入所述壳体并与所述壳体焊接。
进一步优选的，所述软管是钢丝编织胶管，由内胶层、一层钢丝编织层和外胶层组成，其内径与所述换热管外径相等。软管承压力高，抗变形能力强，具有优良的耐油、耐热、耐老化性能。
进一步优选的，所述换热管采用不锈钢材料，呈盘管式布置，在轴向有良好的伸缩性，
优选的，所述换热管的盘管内径为20-30mm，壁厚2-3mm，螺旋线直径为100-200mm，圈数为5-15圈，螺距为20-40mm。
本发明的一种自激脉动强化换热的容积式换热器的工作方法，包括如下步骤：
步骤一、热媒介质经所述热媒入口管段进入所述换热管，冷媒介质经所述冷媒入口管段进入所述壳体，热媒介质通过所述换热管将热量传递给冷媒介质；
步骤二、从所述换热换管出来的热媒介质经所述热媒出口管段流出后，经所述限流阀到达所述前喷嘴，当热媒介质的流速达到所述限流阀的限定值时，所述限流阀自动关闭，从而产生可控的流体压力脉动，管道中的流动呈往复流特征，破坏了热媒介质在所述换热管内壁上的边界层，提高所述换热管的传热系数并抑垢和除垢；
步骤三、当从所述热媒出口管段流出的热媒介质的流速在所述限流阀的限定值以下时，经过所述前喷嘴进入所述振荡腔，当所述前喷嘴产生的不稳定扰动波在穿过所述振荡腔时，产生流体自激振荡，在所述后喷嘴处形成脉冲射流；
步骤四、从所述后喷嘴出来的脉冲射流沿着所述出口法兰冲击所述脉动液力传动装置中的所述膜片，在脉冲射流以及所述复位弹簧的作用下所述膜片上下往复运动，继而通过与所述膜片贴合的所述刚性杆结构造成所述换热管的往复振动，进而对所述壳体内进行热交换的热媒介质和冷媒介质造成脉动干扰，有效破坏了冷媒介质和热媒介质的边界层，增大了所述换热管内外流体湍流度，提高了对流换热系数，并且能够抑制所述换热管和所述壳体内部结垢，减少所述壳体底部沉淀物，最后热媒介质从所述侧接管道流出，而被加热的冷媒价值从所述冷媒出口管段流出。
进一步优选的，从所述热媒入口管段流入的热媒介质的流速在1.5m/s～3m/s之间，温度在55℃到90℃之间，所述限流阀的限定值为3-3.5m/s之间。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点和有益效果：
本发明提供的自激脉动强化换热的容积式换热器，热媒介质经过自激振荡装置的亥姆霍兹共振腔产生脉冲射流，利用脉动液力传动装置将脉冲射流有效转化为换热管的有益振动，破坏冷媒介质和热媒介质在换热管表面的边界层；在热媒介质流速达到在3-3.5m/s之间的规定限值时，利用限流阀在该限值时的启闭，既防止换热管的剧烈往复振动，又使热媒介质形成压力脉动，造成热媒介质流量的脉动，增大热媒介质的湍流度；这样在无需外部能耗的情况，相比稳态流动工况，可以将换热效率提高30％。不仅可以防止换热管的结垢，也可以有效抑制壳体内部结垢，减少壳体底部沉淀物，提高换热器使用寿命，并且降低了对容积式换热器的运行维护成本。由于提高了换热效率，减少了换热管传热面积和材料消耗，结构紧凑，占地面积小，安装方便，可应用于船舶余热回收、电站输油、化工加热等领域。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构三维示意图；
图2为本发明实施例的剖视图；
图3为本发明实施例中热媒回路三维示意图；
图4为本发明实施例中自激振荡装置和脉动液力传动装置处的放大图；
图5为本发明实施例中换热管的三维示意图；
图6为本发明实施例中自激振荡装置的三维示意图；
图7为本发明实施例中自激振荡装置的剖视图；
图8为本发明实施例中脉动液力传动装置的三维示意图；
图9为本发明实施例中脉动液力传动装置的剖视图；
图10为本发明实施例中膜片的三维示意图；
图11为本发明实施例中刚性杆结构的三维示意图；
图中：1为壳体、2为隔板、3为热媒入口管段、4为热媒出口管段、5为冷媒入口管段、6为冷媒出口管段、7为换热管、8为软管、9为管道ⅰ、10为限流阀、11为管道ⅱ、12为自激振荡装置、12-1为前喷嘴、12-2为振荡腔、12-3为后喷嘴、12-4为出口法兰、12-5为侧接管道、13为脉动液力传动装置、13-1为顶盖、13-2为底座、13-3为膜片、13-4为刚性杆结构、13-5为复位弹簧。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和方向术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
如图1至图4所示，为本发明的一种自激脉动强化换热的容积式换热器，包括壳体1、隔板2、热媒入口管段3、热媒出口管段4、冷媒入口管段5、冷媒出口管段6、换热管7、软管8、限流阀10、自激振荡装置12和脉动液力传动装置13；所述壳体1内设有所述隔板2，所述隔板2上设有孔，所述隔板2将所述壳体1分割成上下两个腔体，所述上腔体和所述下腔体通过所述隔板2上的孔连通，所述冷媒出口管段6连通所述壳体1的上腔体，所述冷媒入口管段5连通所述壳体1的下腔体，所述换热管7穿过所述隔板2的孔，所述换热管7的入口端位于所述壳体1的上腔体内并通过所述软管8连通所述热媒入口管段3，所述换热管7的出口端位于所述壳体1的下腔体内并通过另一根所述软管8连通所述热媒出口管段4；所述脉动液力传动装置13包括顶盖13-1、底座13-2、膜片13-3、刚性杆结构13-4和复位弹簧13-5，所述底座13-2固定在所述壳体1上，所述顶盖13-1与所述底座13-2之间设有所述膜片13-3，所述底座13-2设有连通所述膜片13-3的孔，所述刚性杆结构13-4的一端穿过所述顶盖13-1顶在所述膜片13-3上，另一端与所述换热管7的出口端固定，所述刚性杆结构13-4与所述顶盖13-1之间还设有所述复位弹簧13-5；所述自激振荡装置12包括前喷嘴12-1、振荡腔12-2、后喷嘴12-3、出口法兰12-4和侧接管道12-5，所述前喷嘴12-1与所述后喷嘴12-3之间设有所述振荡腔12-2，所述后喷嘴12-3通过所述出口法兰12-4连通所述底座13-2的孔以及所述侧接管道12-5，所述前喷嘴12-1通过设有所述限流阀10的管路连通所述热媒出口管段4。
如图2和图3所示，所述限流阀10的入口端通过管道ⅰ9与所述热媒出口管段连接，所述限流阀10的出口端通过管道ⅱ11与所述前喷嘴12-1连接。
所述壳体1的外形为长方体，所述隔板2的孔为圆孔，所述隔板2的开孔边缘与所述换热管7的单边间隙为10-20mm。
如图4所示，所述振荡腔12-2为亥姆霍兹共振腔，所述前喷嘴12-1的直径小于所述后喷嘴12-3的直径，所述前喷嘴12-1、所述后喷嘴12-3与所述底座13-2的孔同轴。
如图4、图9和11所示，所述刚性杆结构13-4包括竖杆和设置在竖杆顶端的圆管，所述圆管套装在所述换热管7的出口端，所述竖杆的另一端设有凸缘，所述复位弹簧13-5套装在所述竖杆上，其一端顶在所述竖杆的凸缘上另一端顶在所述顶盖13-1上。
如图4、图6、图7、图8、图9和图10所示，所述底座13-2包括上法兰和下法兰，其上法兰一侧的端面内凹形成内凹面，所述底座13-2通过其下法兰安装在所述壳体1上，所述顶盖13-1边缘设有与所述底座13-2的上法兰相匹配的安装法兰，所述顶盖13-1中部设有孔，安装螺栓依次穿过所述顶盖13-1的安装法兰、所述膜片13-3的边缘安装孔和所述底座13-2的上法兰并固定，所述膜片13-3其余部分紧紧贴合在底座13-2的内凹面上。
如图2所示，所述热媒入口管段3、所述热媒出口管段4均穿入所述壳体1并与所述壳体1焊接。
如图5所示，所述换热管7采用不锈钢材料，呈盘管式布置。
所述换热管7的盘管内径为20mm，壁厚2mm，螺旋线直径为100mm，圈数为10螺距为20mm。
本发明的一种自激脉动强化换热的容积式换热器的工作方法，具体步骤是：
步骤一、热媒介质经所述热媒入口管段3进入所述换热管7，冷媒介质经所述冷媒入口管段5进入所述壳体1，热媒介质通过所述换热管7将热量传递给冷媒介质；
步骤二、从所述换热换管7出来的热媒介质经所述热媒出口管段4流出后，经所述限流阀10到达所述前喷嘴12-1，当热媒介质的流速达到所述限流阀10的限定值时，所述限流阀10自动关闭，从而产生可控的流体压力脉动，管道中的流动呈往复流特征，破坏了热媒介质在所述换热管7内壁上的边界层，提高所述换热管7的传热系数并抑垢和除垢；
步骤三、当从所述热媒出口管段4流出的热媒介质的流速在所述限流阀10的限定值以下时，经过所述前喷嘴12-1进入所述振荡腔12-2，当所述前喷嘴12-1产生的不稳定扰动波在穿过所述振荡腔12-2时，产生流体自激振荡，在所述后喷嘴12-3处形成脉冲射流；
具体当所述前喷嘴12-1产生的不稳定扰动波在穿过所述振荡腔12-2内的剪切层时，剪切层对其有选择放大作用，形成涡环结构，剪切流动中涡环与所述振荡腔12-2的内壁撞击，在碰撞区域产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动，新扰动压力与原扰动相互不断激励，所述振荡腔12-2内就产生流体自激振荡，在所述后喷嘴12-3形成脉冲射流。
步骤四、从所述后喷嘴12-3出来的脉冲射流沿着所述出口法兰12-4冲击所述脉动液力传动装置13中的所述膜片13-3，在脉冲射流以及所述复位弹簧13-5的作用下所述膜片13-3上下往复运动，继而通过与所述膜片13-3贴合的所述刚性杆结构13-4造成所述换热管7的往复振动，进而对所述壳体1内进行热交换的热媒介质和冷媒介质造成脉动干扰，有效破坏了冷媒介质和热媒介质的边界层，增大了所述换热管7内外流体湍流度，提高了对流换热系数，并且能够抑制所述换热管7和所述壳体1内部结垢，减少所述壳体1底部沉淀物，最后热媒介质从所述侧接管道12-5流出，而被加热的冷媒价值从所述冷媒出口管段6流出。
上述从所述热媒入口管段3流入的热媒介质的流速在1.5m/s～3m/s之间，温度在55℃到90℃之间，所述限流阀10的限定值为3-3.5m/s之间。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。