换热消声器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103089372 A(43)申请公布日 2013.05.08CN103089372A*CN103089372A*(21)申请号 201210032801.7(22)申请日 2012.02.07201110355166.1 2011.10.29 CNF01N 1/02(2006.01)F01N 3/02(2006.01)F01N 5/02(2006.01)(71)申请人刘莞欣地址 157000 黑龙江省牡丹江市东新安街121号水电大楼1510室(72)发明人刘福贵(54) 发明名称换热消声器(57) 摘要换热消声器是采用小孔喷注分割、反相对冲、热声效应等先进消声原理和

2、复合式消声理论以及强化传热技术，由8层不同长度、不同直径的圆管套装在一个轴线上，通过导管和堵板形成柴油机排气由中心向外的离心式S形放热消声通道和吸热工质由外层向里的向心式S形吸热通道，突出以不同温度、噪声波反相的气流多次掺混，逐步降低噪声气流温度的结构流道，再通过两端加装的冷、热工质进出口，实现内燃机排气余热、余压能量及噪声能回收。(66)本国优先权数据(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图2页(10)申请公布号 CN 103089372 ACN 103089372 A1/1页21.换热

3、消声器，包括保温壳体1，壳体1的两端分别设有热工质进口2、热工质出口3和冷工质进口4、冷工质出口5；壳体1内设有7个长度和直径不等的同心管套装并通过导管和堵板构成相间隔的冷工质吸热通道和热工质消声放热通道，其由中心向外依次为冷工质导出管6、热工质入口腔7、热工质内腔8、冷工质内腔9、热工质中腔10，冷工质外腔11、热工质外腔12和冷工质预热腔13；壳体1内的上端设有冷工质上集腔14和热工质出口腔15、下端设有冷工质下集腔16和集灰集水腔27；冷工质内腔9的上端通过导出管17与冷工质上集腔14连通，冷工质外腔11的下端通过导入管18与冷工质下集腔16连通，冷工质内腔9和导出管17与冷工质外腔11

4、和导入管18构成的两通道并联后，通过冷工质上集腔14、冷工质导出管6、冷工质出口5以及冷工质下集腔16、冷工质预热腔13、冷工质出口4连接相通；热工质入口2、热工质入口腔7、热工质内腔8、导出管17的管外通道、热工质中腔10以及导入管18的管外通道、热工质外腔12、热工质出口腔15、热工质出口3连接相通。2.如权利要求1所述的换热消声器，其特征在于，所述热工质入口腔7的外层相邻同心管是下部为等径的管壁上开有若干长条孔21、上部为锥管的管壁上开有若干小圆孔23的气流分割喷注管19，其下端等径部分插入至热工质入口管20的上部内，热工质入口管20的上部管壁上开有与长条孔21面积相同、形状相同、数量相

5、等的长条孔22，两孔上下错位对应封堵。3.如权利要求1所述的换热消声器，其特征在于，所述热工质内腔8的下端通过排水排灰孔28与集灰集水腔27相通。4.如权利要求1所述的换热消声器，其特征在于，所述热工质中腔10的上部和热工质外腔12的上部用若干个连管24连通。5.如权利要求1所述的换热消声器，其特征在于，所述热工质中腔10的下端和热工质外腔12的下端通过若干个导管25和导管26与集灰集水腔27相通。6.如权利要求1所述的换热消声器，其特征在于，所述热工质中腔10和热工质外腔12的内壁圆管上焊接有螺旋翅片29。权 利 要 求 书CN 103089372 A1/3页3换热消声器技术领域 ：0001

6、 本发明是一种具有热交换功能和消声性能相组合、同时进行换热和消声的换热消声器，它涉及热工学、流体力学和声学。背景技术 ：0002 内燃机种类之一的柴油机，因具有热效率高、功率范围大、良好的启动性和机动性以及装置简单、造价低廉、技术成熟等优点，一直广泛地应用在各种舰船艇、内燃机车、公路商乘运输、动力发电、地质石油勘探钻井、农机动力、工程机械和军用各种车辆装备等。我国柴油机转变为有效功的热当量占燃料燃烧发热量的3045，其余5570的能量90通过柴油机的冷却水散热和高温尾气排热而损失掉了。冷却水余热因品质较好，在车辆采暖和有些船舶已有广泛利用，但占大部分热损失的高温尾气余热，因其是周期性扰流脉动高

7、温、高噪、高速混合气体，单独加装换热器一方面将要影响柴油机的工作性能，同时还要满足抗震动、冲击、腐蚀及安全性和空间布置等要求，所以很难回收，只能排放至大气中。与此同时，装有内燃机的各种整套装置，除内燃机输出的轴功率外，还需要其它用能和日常综合系统耗能，如空调、海水淡化、制冰冷冻、重油预热加温、捕捞渔网拖动及电力供应等，特别是军用舰艇和装备车辆(移动导弹发射车等)，为提高其隐蔽性和战斗力，还需要降低柴油机排气温度和尾管管口的辐射噪声，以防止声纳和红外等侦查工具捕捉目标。以上说明，一方面需要内燃机排气降温降噪和整套装置辅助用能需要，另一方面大量高温排气白白浪费造成环境热污染，因为柴油机余热回收利用

8、是降低能耗的关键技术措施之一，如何将柴油机排气余热回收，用于装置辅助系统用能，提高能源利用效率、减少热排放污染，同时不影响原柴油机的工作特性，又满足舰艇隐蔽性需要，其关键是解决换热消声一体化技术问题。发明内容 ：0003 本发明所要解决的技术问题是：以内燃机排气余热、余压能量回收为目的，采用小孔喷注、反相对冲、热声效应等先进消声原理和复合消声原理，并结合强化换热技术，提供一种突出以不同温度、噪声波反相的气流多次掺混，逐步降低噪声气流温度的结构流道，且具有抗震性能强、流动阻力小、换热系数高、消声量大，同时实现热交换功能和声热转换性能的换热消声器。0004 本发明的技术解决方案是：换热消声器，它是

9、一个两端为截顶圆锥的圆柱形、外层带保温的壳体以及壳体两端分别设有热工质进口、热工质出口和冷工质进口、冷工质出口构成的装置，壳体内设7个长度和直径不等的同心管套装并通过导管和堵板构成相间隔的冷工质吸热通道和热工质放热消声通道，其由中心向外依次为冷工质导出管、热工质入口腔、热工质内腔、冷工质内腔、热工质中腔、冷工质外腔、热工质外腔和冷工质预热腔，壳体内上端设有冷工质上集腔和热工质出口腔、下端设有冷工质下集腔和集灰集水腔，冷工质内腔上端通过导出管与冷工质上集腔连通，冷工质外腔下端通过导入管与冷工质下集腔连说 明 书CN 103089372 A2/3页4通，冷工质内、外腔通道并联后通过冷工质上集腔、冷

10、工质导出管、冷工质出口及冷工质下集腔、冷工质预热腔、冷工质入口连接相通，以此形成由外层向里的向心式S形冷工质吸热通道；热工质入口、热工质入口腔、热工质内腔、冷工质内腔导出管的管外通道、热工质中腔以及冷工质外腔导入管的管外通道、热工质外腔、热工质出口腔、热工质出口连接相通，以此形成由中心向外层的离心式S形热工质放热消声通道。0005 本发明的技术效果：它是集先进消声原理和强化换热技术于一体的具有节能减排功能的元件，它解决了在不高于现有同类消声器功率损失比技术的前提下，消声量(插入损失)在30dB(A)以上，优于现有同类消声器，并实现了内燃机排气噪声能量、余热能量和余压能量回收，排气能量回收率达6

11、080以上；换热消声器具有制造结构简单、体积不大于同类消声器、坚固耐用、抗震性能强、圆形承压力强、冷热工质流动阻力小等优点。附图说明0006 图1为本发明换热消声器的剖视结构示意图。0007 图2为本发明换热消声器A-A剖面图0008 图3为本发明换热消声器B-B剖面图具体实施方式 ：0009 如图1所示，换热消声器，包括保温壳体1，壳体1的两端分别设有热工质进口2、热工质出口3和冷工质进口4、冷工质出口5；壳体1内设有7个长度和直径不等的同心管套装并通过导管和堵板构成相间隔的冷工质吸热通道和热工质放热消声通道，其由中心向外依次为冷工质导出管6、热工质入口腔7、热工质内腔8、冷工质内腔9、热工

12、质中腔10，冷工质外腔11、热工质外腔12和冷工质预热腔13；壳体1内的上端设有冷工质上集腔14和热工质出口腔15、下端设有冷工质下集腔16和集灰集水腔27；冷工质内腔9的上端通过导出管17与冷工质上集腔14连通，冷工质外腔11的下端通过导入管18与冷工质下集腔16连通，冷工质内腔9和导出管17与冷工质外腔11和导入管18构成的两通道并联后，通过冷工质上集腔14、冷工质导出管6、冷工质出口5以及冷工质下集腔16、冷工质预热腔13、冷工质入口4连接相通，以此形成由外层向里的向心式S形冷工质吸热通道；热工质入口2、热工质入口腔7、热工质内腔8、导出管17的管外通道、热工质中腔10以及导入管18的管

13、外通道、热工质外腔12、热工质出口腔15、热工质出口3连接相通，以此形成由中心向外层的离心式S形热工质放热消声通道。0010 所述热工质入口腔7的外层相邻同心管是下部为等径的管壁上开有若干长条孔21、上部为锥管的管壁上开有若干小圆孔23的气流分割喷注管19，其下端等径部分插入至热工质入口管20的上部内，热工质入口管20的上部管壁上开有与长条孔21面积相同、形状相同、数量相等的长条孔22，两孔上下错位对应封堵。0011 所述热工质内腔8的下端通过排水排灰孔28与集灰集水腔27相通。0012 如图1、2所示，在热工质中腔10的上部和热工质外腔12的上部用若干个连管24连通。0013 如图1、3所示

14、，热工质中腔10的下端和热工质外腔12的下端通过若干个导管25和导管26与集灰集水腔27相通。说 明 书CN 103089372 A3/3页50014 所述热工质中腔10和热工质外腔12的里壁圆管上焊接有螺旋翅片29。0015 工作过程简述：内燃机在中小工况下运行时，排气由热工质入口2进入至热工质入口腔7中，烟气一方面对冷工质导出管6放热，一方面通过锥管19上的小孔23喷入热工质内腔8中，此过程噪声气流被分割，中高频噪声消除较大，部分噪声通过锥管反射回入口管2；同时，进入热工质内腔8中的噪声气流喷至其外壁，正好对冷工质内腔9的里壁面放热，之后流至热工质内腔8的上部，再通过导出管17的管外通道流

15、入热工质中腔10的上部，此时因该处截面扩大，气流速度下降，又因排气量较小及排气温度较低，少部分气流通过连管24进入热工质外腔12的上部，大部分气流将在中腔10向下做螺旋旋流放热，并通过导入管18的管外通道进入热工质外腔12的下部，再在热工质外腔12向上做螺旋旋流放热，排气热量大部通过通道壁面降温，最后与连管24来的气流汇合，两股汇合气流有温差和反向对冲以及热声效应，混合并再通过热工质出口腔15进一步膨胀，使中低频噪声在此消除较大，最后通过出口3排出。此时除扩张消声外，导管25和26与集灰集水腔27起到了共振腔消声的作用。0016 内燃机在额定工况下，排气量和排气温度均达到额定设计值，由于排气温

16、度较高，使锥形喷注管19产生热膨胀下移，将排气入口处的孔21和22重合开通，少部分排气通过该孔进入集灰集水腔27膨胀后，再通过管25与热工质中腔来的排气进行反相对冲，通过管26再与对冲后的排气进行反相噪声的干涉，同时两对冲反相的排气因有温差又产生热声效应，使得噪声进一步转化成热能。0017 本发明采用内燃机噪声气体降温方法使噪声气流粘性减小，一方面减薄换热面与噪声气体之间的层流边界层，有利于噪声气体对流放热，同时也使气流的平均速度、噪声传播速度、变化幅值和频率大幅降低，噪声气流和换热壁面的阻力摩擦也降低，减少因换热面增加而产生的沿程阻力损失。0018 本发明噪声气流首先经过锥管喷口消声，因锥管

17、小孔总面积大于换热消声器噪声气流的入口总面积1.52倍以上，使锥管喷注过程的阻力影响很小。0019 本发明噪声气流以S形离心式流动，在两处180回转处的截面积大于两螺旋换热流通截面积，外热腔螺旋换热截面积又大于中热腔螺旋换热截面积，使排气流的总通截面积大于常规消声器流通截面积，排气流速较一般消声器低，排气噪声的声功率、阻力损失及再生噪声均较低。0020 内燃机排气噪声级随发动机转速增加呈直线上升，本发明设计的可调辅助流道开通，有利于消声和换热，降低大工况时的排气阻力，使排气背压较常规消声器对发动机影响更小。0021 中、外热腔加装螺旋翅片使噪声气流螺旋流动，一方面增加废热噪气流的流动速度、强化扰动以提高换热系数，同时也增加换热面积，并加强了套管的结构承受力，冷工质更适用低温有机工质。0022 腔27有集灰集水、中小工况共振消声、大工况起扩张消声和辅助通道等多种作用。0023 本发明提供的柴油机排气消声器，消声量在30dB(A)以上，排气温度降至200以下，柴油机排气余热能回收率达6080以上。说 明 书CN 103089372 A1/2页6图1说 明 书 附 图CN 103089372 A2/2页7图2图3说 明 书 附 图CN 103089372 A