一种脉动流产生装置及脉动传热系统

摘要

本发明公开了一种脉动流产生装置及脉动传热系统，属于流体机械领域。装置包括：水箱、若干支管和驱动机构；若干支管包括第一支管、第二支管、第三支管和第四支管；该装置还包括与驱动机构相连的活塞和设在第一支管上的管道泵；水箱分别与第一支管、第二支管和第三支管的输入端相连；第二支管和第三支管的输出端与第一支管相连且位于管道泵与第一支管的输出端之间；第二支管和第三支管的输入端和输出端上分别设有止回阀；第四支管一端与第二支管连通，第四支管另一端与第三支管连通；活塞设在第四支管内，并与第四支管内壁活动相连；第二支管与第三支管的管口截面积相等。系统包括：换热设备和前述装置。本发明提高了脉动流频率的精确度。

说明书

技术领域

本发明涉及流体机械领域，特别涉及一种脉动流产生装置及脉动传热系统。

背景技术

脉动传热技术在工程中具有广泛的应用背景。通过脉动传热技术，可以实现高效的散热 和传热，解决重要领域的热障瓶颈以及降低能源的消耗。脉动传热技术主要研究脉动流的传 热特性。

其中，脉动流(例如血液等)为流动参数，例如压力、速度等，发生周期性变化的流体。 在脉动传热技术的研究中，脉动流的产生是一个重要的课题。现有的脉动流产生装置主要包 括，存放液体介质的液箱、第一支管、第二支管、主管、设在主管上的泵、电机装置和可连 续回转式阀门。具体地，第一支管的一端用于输出脉动流，另一端通过三通接头分别与主管 一端和第二支管一端相连；主管一端通过该三通接头分别与第一支管和第二支管相连，另一 端与液箱相连；电机装置和可连续回转式阀门设置在第二支管上；该第二支管的另一端与液 箱相连，通过电机装置和可连续回转式阀门，在管道回路中产生脉动流。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的脉动流产生装置是通过可连续回转式阀门来改变管路的截面积大小，使管路中流 动阻力产生变化，最终改变管路中流量的大小；由于可连续回转式阀门改变的流量与改变的 管路截面积大小不呈线性关系变化，以及各管路的流动阻力难以平衡，将导致产生的脉动流 平均流量不一致，从而降低了脉动流频率的精确度。

发明内容

为了提高产生的脉动流频率的精确度，本发明实施例提供了一种脉动流产生装置及脉动 传热系统。所述技术方案如下：

一种脉动流产生装置，所述装置包括存放流体工质的水箱、若干支管和驱动机构，所述 若干支管包括第一支管、第二支管、第三支管和第四支管；所述装置还包括与所述驱动机构 相连的活塞和设在所述第一支管上的管道泵；所述水箱分别与所述第一支管、所述第二支管 和所述第三支管的输入端相连；所述第二支管和所述第三支管的输出端与所述第一支管接通 且位于所述管道泵与所述第一支管的输出端之间；所述第二支管和所述第三支管的输入端和 输出端上分别设有止回阀；所述第四支管一端与所述第二支管连通，所述第四支管另一端与 所述第三支管连通；所述活塞设在所述第四支管内，并与所述第四支管内壁活动相连；所述 第二支管与所述第三支管的管口截面积相等。

进一步地，所述第一支管、所述第二支管、所述第三支管和所述第四支管的管口截面积 相等。

进一步地，所述管道泵为用于调节所述第一支管中流体流量的调频管道泵。

其中，所述驱动机构包括电机、用于调节所述电机转速的调速单元、减速器、凸轮和连 杆；所述电机分别与所述调速单元、所述减速器和凸轮相连；所述凸轮与所述连杆一端相连； 所述连杆另一端与所述活塞相连。

其中，所述凸轮的中心设有一空心长槽；所述电机的主轴一端通过锁定结构固定在所述 空心长槽中。

其中，所述第一支管上设有截止阀，所述管道泵位于所述截止阀与所述水箱之间。

其中，所述第二支管的输入端设有第一球阀；所述第一球阀与所述水箱相邻。

其中，所述第三支管的输入端设有第二球阀；所述第二球阀与所述水箱相邻。

其中，所述装置还包括电磁流量计，所述电磁流量计设在所述第一支管的输出端。

一种脉动传热系统，所述系统包括脉动流产生装置、以及与所述脉动流产生装置相连的 换热设备，所述脉动流产生装置为前述脉动流产生装置。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过驱动结构驱动活塞压缩流体，且 第二支管和第三支管的管口截面积相等，将使管路中产生不间断的半正弦波动的脉动流；同 时，活塞通过机械动力压缩流体，能够防止管路中流体流动阻力对流体脉动的干扰，能稳定 的输出脉动流；并且，第二支管和第三支管中流体的流动力是通过活塞的往复运动产生的， 能够节省能耗，简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例1中提供的一种脉动流产生装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2中提供的一种脉动传热系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进 一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例1提供了一种脉动流产生装置，该装置包括存放流体工质的水 箱1、若干支管和驱动机构2；其中，若干支管包括第一支管3、第二支管4、第三支管5和 第四支管6；该装置还包括与驱动机构2相连的活塞7和设在第一支管3上的管道泵8；其中， 水箱1分别与第一支管3、第二支管4和第三支管5的输入端相连；第二支管4和第三支管5 的输出端与第一支管3相连且位于管道泵8与第一支管3的输出端之间；第二支管4和第三 支管5的输入端和输出端上分别设有止回阀9；第四支管6一端与第二支管4连通，第四支 管6另一端与第三支管5连通；活塞7设在第四支管6内，并与第四支管6内壁活动相连； 第二支管4与第三支管5的管口截面积相等。

进一步地，第一支管3、第二支管4、第三支管5和第四支管6的管口截面积相等。

具体地，各支管本身、各支管之间的管路连接、以及管路与机械结构直接的连接，将采 用本领域熟知的三通接头、四通接头、弯管和螺栓等连接工具。通过本发明实施例1提供的 装置，水箱1中可存放液体工质；第一支管3的输出端将输出脉动流。当第一支管3、第二 支管4、第三支管5和第四支管6的管口截面积相等时，第一支管3、第二支管4、第三支管 5和第四支管6中流体的流动阻力平衡，使得第一支管3最终输出的脉动流比较稳定；从而 使得产生的流体的周期性脉动比较精确。

进一步地，管道泵8为用于调节第一支管3中流体流量的调频管道泵。

具体地，管道泵8用于输出恒压流体。当管道泵8为调频管道泵时，可方便地改变第一 支管3中输出流量的大小。在本发明实施例1中，假设通过第一支管3中流体流速为V0。

其中，驱动机构2包括电机2a、用于调节电机2a转速的调速单元2b、减速器2c、凸轮 2d和连杆2e；电机2a分别与调速单元2b、减速器2c和凸轮2d相连；凸轮2d与连杆2e一 端相连；连杆2e另一端与活塞7相连。

具体地，驱动机构2用于提供活塞7进行直线往复运动的动力。通过调速单元2b和减速 器2c能够调节电机2a的转速。在本发明实施例1中，假设电机2a的转速为n。

具体地，凸轮2d与电机2a的主轴相连，连杆2e一端与凸轮2d铰接相连。电机2a开机 后，将带动凸轮2d一起旋转。凸轮2d旋转后，将带动连杆2e进行直线往复运动。连杆2e 同时带动活塞7一起运动。由于活塞7与第四支管6内壁活动相连，那么，活塞7将在第四 支管6内沿第四支管6的轴线方向往复运动。

具体地，凸轮2d的中心设有一空心长槽，电机2a的主轴一端通过锁定结构固定在该空 心长槽中。

进一步地，电机2a的主轴一端设有外螺纹，该锁定结构为螺母。连接时，将凸轮2d套 在电机2a的主轴这一端上，并通过螺母、垫片以及主轴上的外螺纹将凸轮2d与主轴固定。 值得说明的是，在实际应用中，可根据实际需要，通过该空心长槽调节凸轮2d与电机2a主 轴的连接位置，从而改变凸轮2d的偏心距离。

进一步地，在本发明实施例1中，假设活塞7运动的最大速度为V₁。当活塞7向靠近第 二支管4的方向运动时，由于第二支管4的输入端设置了止回阀9，第二支管4中的流体不 会倒流至水箱1中，活塞7将压缩第二支管4的输出端输出的流体流向第一支管3；同时， 由于第三支管5的输出端设置了止回阀9，第一支管3中的流体不会流至第三支管5中，这 时，第三支管5中形成了低压的空间，使得在压差作用下水箱1中的流体工质进入并充满第 三支管5。

其中，当活塞7往复向靠近第三支管5的方向运动时，由于第三支管5的输入端设置了 止回阀9，第三支管5中的流体不会倒流至水箱1中，活塞7将压缩第三支管5中的流体正 弦脉动进入第一支管3；同时，由于第二支管4的输出端设置了止回阀9，第一支管3中的流 体将不会流至第二支管4中；第二支管4中形成低压空间，第二支管4中又有水箱1中的流 体工质在压差作用下对第二支管4中的管道空间进行充盈。如此循环，在活塞7、第二支管4 和第三支管5共同作用下，第二支管4和第三支管5不停的输出正弦波动的流体进入第一支 管3，而不会出现半个周期没有流体脉动。

进一步地，已知第一支管3中流体流速为V₀、电机2a的转速为n、以及活塞7运动的最 大速度为V₁；那么，根据流体流动的质量守恒原理可以获知，第二支管4或第三支管5输出 的流体脉动速度为V₁|sin(2πnt)|。根据流体力学中的质量与能量守恒定理，当第一支管3、第 二支管4、第三支管5和第四支管6的管口截面积相等时，第一支管3的输出端输出的脉动 流的的流速为第一支管3、第二支管4和第三支管5中流体的流速之和，即第一支管3最终 输出的流体脉动流速为V＝V₀+V₁|sin(2πnt)|。另外，还可以获知，流体脉动的频率为f＝2n， 流体脉动的振幅为A＝V₁/(2V₀+V₁)。

具体地，通过调节电机2a的转速n，能够调节脉动频率f；而在确定频率f后，通过改 变凸轮2d偏心距离和连杆2e的长度，能够改变活塞7往复运动速度V₁，从而调节脉动流的 振幅A。因此，利用本发明实施例1中提供的脉动流产生装置，能够调节脉动流的频率和振 幅。

进一步地，第一支管3上设有截止阀10，管道泵8位于该截止阀10与水箱1之间。具 体地，截止阀10用于用于切断第一支管3中流体，并调节第一支管3中流体的流量大小。

进一步地，第二支管4的输入端设有第一球阀11a；第一球阀11a与水箱1相邻。

进一步地，第三支管5的输入端设有第二球阀11b；第二球阀11b与水箱1相邻。

具体地，各球阀用于管道中流体的合流、分流、及流向的切换。

其中，该装置还包括电磁流量计12，该电磁流量计12设在第一支管3的输出端。

具体地，该电磁流量计1用于测试第一支管3输出端输出的脉动流体的流量。通过采集 电磁流量计12的流量值，便于调节第一支管3、第二支管4和第三支管5中流体的流量。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过驱动结构驱动活塞压缩流体，且 第二支管和第三支管的管口截面积相等，将使管路中产生不间断的半正弦波动的脉动流；同 时，活塞通过机械动力压缩流体，能够防止管路中流体流动阻力对流体脉动的干扰，能稳定 的输出脉动流；并且，第二支管和第三支管中流体的流动力是通过活塞的往复运动产生的， 能够节省能耗，简单方便。

实施例2

参见图2，本发明实施例2提供了一种脉动传热系统，该系统包括：脉动流产生装置201、 以及与脉动流产生装置201相连的换热设备202。

其中，该脉动流产生装置201为本发明实施例1中提供的脉动流产生装置。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过驱动结构驱动活塞压缩流体，且 第二支管和第三支管的管口截面积相等，将使管路中产生不间断的半正弦波动的脉动流；同 时，活塞通过机械动力压缩流体，能够防止管路中流体流动阻力对流体脉动的干扰，能稳定 的输出脉动流；并且，第二支管和第三支管中流体的流动力是通过活塞的往复运动产生的， 能够节省能耗，简单方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。