一種翅片管換熱器及其應用和餘熱鍋爐的製作方法

2023-05-29 08:44:51

本發明涉及換熱器技術領域，更具體地，涉及一種翅片管換熱器及其應用和餘熱鍋爐。

背景技術：

當今礦物質能源日趨短缺，人類居住環境也遭受的嚴峻破壞，尤其溫室氣體排放，所造成人類生存環境問題也日益凸顯，地球平均氣溫上升，冰川逐漸縮小融化，海平面不斷上升，正一步一步危及島國，威脅沿海城市的安全，這已是不爭事實。我國日益嚴重的霧霾問題久久得不到解決，嚴重影響人們身體健康，使人們患肺癌機率大幅上升，霧霾現象嚴重難以從根本上得到解決，原因在於是我國工業化進程加快，向大氣排放的廢氣日益增多所致，而自然界本身自發因素居少。我們也知道人類所使用的能源差不多會有80%以上是需要經過熱能轉換的過程，熱能轉換設備主要依靠換熱設備來實現的。人類許多活動及生產實踐都離不開能源，而我國大多數能源來自礦物質能源，礦物質能源消耗會產生導致對環境不利的氣體排放。由此我國竭力倡導對清潔能源開發與利用，同時大力研究開發節能設備新產品新技術，而熱能轉換設備當屬節能減排最為關鍵的設備。熱管就是屬於這種高效熱能轉換設備之一，且使用面非常廣，主要應用於熱電廠、冶煉廠、食品化工、醫藥、建材生產企業等。從過去採用毛細管虹吸形式熱管，發展到今天重力式熱管，再到套管式徑向傳熱式熱管以及磁力熱管等等，種類繁多，按結構形式可區分為：普通熱管、分離式熱管、毛細泵迴路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。發明人注意到徑向傳熱式熱管具有許多傳統重力式熱管無法比擬優勢，在現有產品使用情況來看，套管式熱管不僅具有生產成本低廉，其換熱效率是傳統重力熱管1.2倍，雖然套管徑向傳熱式熱管的發明專利國內外已經有十幾個了，但未發現有三層套管式熱管。

我們知道熱量是由高溫處向低溫處傳遞的，溫差是傳熱的動力，人們生產實踐都是希望熱能從一個介質朝另一個介質方向傳遞或從一端向另一端傳遞，具有指定性和目標性的，因為熱分子運動不具備方向性，所以在換熱過程中我們儘可能使分子熱能傳遞朝我們需要方向傳遞，就必須減小同側介質溫差，加大兩側需要熱能交換的平均溫差，這是有利於換熱的，也是符合場協同理論的，場協同理論告訴我們：當兩流體採用逆流換熱方式時，若速度場橫截面均勻一致時，還有溫度梯度場在換熱橫截面大小相等時，其溫度梯度場和速度場的矢量和夾角餘弦值趨於零，那麼場協同是最理想的，其換熱效率也是最佳的。所以我們儘量把換熱形式變得使同側熱流弱化，異側換熱熱流最大化，因為熱分子運動是沒有方向性可言，也無法去阻止同側由溫差導致熱能選擇無益的同側方向傳遞，只有優化兩側流體流動方式，使溫度梯度場趨於均勻一致，從而贏得換熱效率最大化。

目前各種餘熱鍋爐是回收煙氣熱量的一種裝置，為提供熱能回收效率，其使用範圍廣泛，多採用熱管組成的換熱器進行熱量回收的鍋爐，中國專利ZL200820167661.3公開了一種套管式餘熱鍋爐，現有技術中由於需要增大換熱面積導致了換熱器往往體積太大，而且換熱效率還不高，往往通過換熱以後的熱水由於循環時間太久也導致了水溫不高，效率低下。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對現有技術不足，根據場協同理論，提供一種傳熱效率高，軸向長度短，體積小的翅片管換熱器。

本發明還提供所述翅片管換熱器的應用，應用於餘熱和低溫熱源。

本發明還提供一種設有所述翅片管換熱器的餘熱鍋爐。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

一種翅片管換熱器，包括進水管、出水管和連接所述進水管和出水管的熱管，所述熱管還設有管板用於固定熱管，所述熱管採用並聯或串聯的方式與進水管和出水管連接；

所述熱管包括不同直徑的第一層內管、第二層內管和外管，所述第一層內管和第二層內管組成雙層內管，所述第一層內管套有第二層內管；所述外管套有雙層內管；所述第一層內管和第二層內管相通；所述第一層內管和外管之間為封閉結構並構成環形通道熱管，所述第一層內管工作介質可以與環形通道熱管工作介質進行換熱；所述環形通道熱管與外部進行換熱；所述雙層內管工作介質循環進出都在所述熱管的一端用於實現雙層內管同側同工作介質逆流換熱，所述環形通道熱管內設有內管翅片，所述內管翅片設在第一層內管上，所述內管翅片不與外管內壁接觸，所述內管翅片與外管內壁間距為0.1～1mm，所述內管翅片上設有裂口，形成氣體的通道用於氣體自由流動，所述熱管的外壁設有外管翅片；所述雙層內管的工作介質可以是水，所述環形通道熱管工作介質為水、氟利昂、甲醇、丙酮、油等一種或多種介質。

本發明熱管採用三層套管結構形式，首先是熱管的外管通過吸收煙氣熱能或外界其它熱能，致使外管與雙層內管之間的環形通道熱管工作介質汽化，已汽化了具有潛熱的工作介質無須沿著較長的軸向方向運動而流向冷凝端，而是沿著徑向軸心短距離流動去傳遞熱能，並可迅速無阻力地向著軸心短距離流動，把潛熱釋放給第一層內管的水，自己又重新冷凝成液體，就這樣反覆汽化、冷凝，周而復始地相變運動著，冷凝段與蒸發段均在環形通道熱管中；而第一層內管的水獲得環形通道熱管內工作介質潛熱後又沿徑向方向傳遞給第二層內管裡的水。而通過第一層內管水與第二層內管水逆流同介質換熱後，這雙層內管內的水軸向溫差會變小，從而減少了不利的換熱因素，把軸向溫差縮小就會相應增大徑向平均溫差，可提高換熱效率。

本發明熱管設計加強了兩種逆流換熱方式的結合緊密度，第一種是雙層內管在軸向空間上同介質換熱的逆流，第二種是徑向上雙層內管同介質和環形通道熱管4介質在時間上的逆流換熱，從而實現了兩維度逆流換熱方式，致使整體平均換熱溫差變得最大化，這是有助於提高熱管換熱效率的，熱管單位換熱量的體積得到縮小，並降低了熱管成本。

本發明熱管採用三層套管結構方式的熱管，與現有套管式熱管及傳統的重力式熱管不同之處在於更進一步加強了徑向傳熱能力，增大徑向傳熱深度（換熱流程），使徑向兩側傳熱介質平均溫差最大化，並極大削弱同側軸向傳熱不利因素，充分利用場協同理論，把溫度梯度場與流體速度場很好有機協同起來，使熱流密度向著熱管徑向方向傳遞，設有內管翅片和外管翅片，增強了熱管傳熱能力，以使氣液兩側換熱能力趨於平衡，提高熱管綜合換熱能力，縮小設備單位換熱量體積，並且換熱係數也得到很大的提高，可節約熱能，熱管生產企業可降低生產成本，設備運行企業可得到能耗降低。

本發明因為熱管的內管介質循環進出口是在同一端，所以熱管組合方式簡單，可以把熱管倒立成排組合，也可以垂直組合以及橫放組合。

進一步地，所述進水管和出水管都位於熱管的一端，並且可拆卸地與熱管連接；由於進水管和出水管都位於熱管的一端，安裝方便靈活，而可拆卸連接使得換熱器維修、清理煙垢也容易許多,而且還可以縮小換熱器體積，靈活布置進水管和出水管的位置。

優選地，所述第二層內管兩端均為開口結構，所述進水管與第二層內管相連接，所述出水管與第一層內管一端連接，所述第一層內管的另一端為封閉結構。

進一步地，所述第一層內管和第二層內管之間還設有第一隔熱層，所述第一隔熱層工作介質循環進出口處；由於工作介質進出都在熱管的一端，因此在熱管內設有第一隔熱層以避免把換來的較高溫度熱量被較低溫度同介質流體吸走，並把溫度降下來。

進一步地，所述進水管與出水管之間還設有第二隔熱層，防止進水管與出水管之間存在熱交換。

優選地，所述進水管與出水管之間平行排列，所述進水管、出水管均與熱管垂直，多種熱管組合排列方式可以適應不同的需要，可以根據實際情況調整以保證換熱器能達到體積小、布置方便、換熱面積最大的效果。

本發明提供一種所述翅片管換熱器的應用，應用於餘熱和低溫熱源的利用；所述翅片管換熱器可以針對工業廢氣、廢料或廢液中的餘熱及其可燃物質燃燒後產生的熱量，還可以應用在低溫熱源，如土壤熱源、生活廢水等，通過熱交換處理以後，一方面可以減少餘熱排放對環境的影響，另一面可以充分利用餘熱，實現二次轉換供人類再次使用。

本發明還提供一種設有所述翅片管換熱器的餘熱鍋爐，包括翅片管換熱器、鍋筒和設置鍋筒外的煙道，所述翅片管換熱器設置在煙道內，所述進水管與冷水接口連接，所述出水管與鍋筒連接。

本發明餘熱鍋爐中翅片管換熱器進水管通入冷水，然後與高溫廢煙進行熱交換以後水溫升高通過出水管排出到鍋筒中作為二次利用。

優選地，所述熱管與煙道垂直，由於熱管屬於徑向傳熱，因此與煙道垂直能保證熱管與高溫廢煙的換熱面積最大，換熱效率最高。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

本發明翅片管換熱器屬徑向傳熱換熱器，它具有傳熱效率高，軸向長度短，體積小，單位換熱重量輕優勢。

本發明翅片管換熱器無須設置吸芯，可藉助第一層內管的內管翅片導流凝結水流到外管的內壁上吸熱並得到蒸發，從而可以使外管整個內壁成為相變液體吸熱蒸發表面積，比之常規套管式熱管吸熱而蒸發的表面積要大許多，因為常規套管式熱管液體相變介質是沉積在熱管底部的，其蒸發表面積非常有限，對比離心套管式熱管亦然如此，不過該類套管式熱管雖然蒸發表面積有些增大，這是靠躺臥放置的，致使其使用方式受到限制，相較採用吸芯來導流凝結水的熱管其液體阻力要小許多。

本發明翅片管換熱器沒有絕熱段，外管與第一層內管間封閉所形成的環形通道熱管沒有絕熱段，從而使本發明熱管集約化程度大幅提高，也相應降低了成本，使蒸汽以非常短距離方式流動，減少蒸汽流動阻力，加快了循環速度。

本發明翅片管換熱器設置內管翅片以加強第一層內管外壁氣相側換熱能力，使氣液兩側換熱能力趨於平衡，可降低成本，提高換熱效率。

本發明翅片管換熱器雙層內管工作介質進出口設計在同一端便於安裝與維修，熱管垂直倒立皆適宜，其使用範圍進一步得到擴大。

本發明翅片管換熱器冷凝段與蒸發段融為一體均設在環形通道熱管中，縮小了整個熱管體積及長度，同時蒸汽流程阻力減小，冷凝液流動阻力也變小，致使氣-液相變循環速度得到加快。

本發明翅片管換熱器散熱方式可靈活多樣，既可以採用遠距離方式，也可以採用就近方式散熱，同樣，既可以採用風冷散熱，也可以採用水冷方式散熱，根據實際情況選擇。

本發明翅片管換熱器雙層內管工作介質採用逆流換熱，逆流換熱平均溫差可實現最大化，可使雙層內管軸向溫差變小，減小同側傳熱的不利因素。

本發明翅片管換熱器作為在餘熱、低溫熱源領域的應用，一方面可以減少工業廢氣、廢料或廢液中的餘熱及其可燃物質燃燒後產生的熱量排放對環境的影響，另一面可以充分利用餘熱、低溫熱源，實現二次轉換供人類再次使用。

本發明餘熱鍋爐採用熱管組成的所述翅片管換熱器進行熱量回收，所述翅片管換熱器體積小可以靈活布置在煙道上，而且熱管屬於徑向傳熱極大地增加了在煙道中與廢煙的換熱面積，提高了換熱效率；熱管採用逆流換熱，逆流換熱平均溫差可實現最大化，解決了傳統餘熱鍋爐中因為換熱以後的熱水由於循環時間太久也導致了水溫不高的問題；並且本發明餘熱鍋爐不需要再設置水套管，進一步地約了成本。

附圖說明

圖1 實施例1翅片管換熱器結構示意圖。

圖2 實施例1Ⅰ部分放大圖。

圖3 實施例1Ⅱ部分放大圖。

圖4 實施例1翅片管換熱器剖視圖。

圖5 實施例2翅片管換熱器結構示意圖。

圖6 實施例3餘熱鍋爐結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。其中，附圖僅用於示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。

實施例1

如圖1～4所示，本實施例提供一種翅片管換熱器，包括進水管2、出水管3和連接進水管2和出水管3的熱管1，熱管1還設有管板4用於固定熱管1，熱管1採用並聯的方式與進水管2和出水管3連接；

熱管1包括不同直徑的第一層內管12、第二層內管11和外管13，第一層內管12和第二層內管11組成雙層內管，第一層內管12套有第二層內管11；外管13套有雙層內管；第一層內管12和第二層內管11相通；第一層內管12和外管13之間為封閉結構並構成環形通道熱管17，第一層內管12工作介質可以與環形通道熱管17工作介質進行換熱；環形通道熱管17與外部進行換熱；雙層內管工作介質循環進出都在熱管1的一端用於實現雙層內管同側同工作介質逆流換熱，環形通道熱管17內設有內管翅片14，內管翅片14設在第一層內管12上，內管翅片14不與外管13內壁接觸，內管翅片14與外管13內壁間距為0.5mm，內管翅片14上設有裂口，形成氣體的通道用於氣體自由流動，熱管1的外壁設有外管翅片15；內管翅片14圍著第一層內管12外壁呈梅花狀分布，熱管1上還設有連接法蘭16。雙層內管的工作介質為水，環形通道熱管17工作介質為氟利昂。

進水管2和出水管3都位於熱管1的一端，並且可拆卸地與熱管1連接,第二層內管12兩端均為開口結構，進水管2與第二層內管11相連接，出水管3與第一層內管12一端連接，第一層內管12的另一端為封閉結構,第一層內管12和第二層內管11之間還設有第一隔熱層31，第一隔熱層31設在進水管2和出水管3進出口處,進水管2與出水管3之間還設有第二隔熱層21,進水管2與出水管3之間平行排列,進水管2、出水管3均與熱管1垂直。

本實施例環形通道熱管17優於現行熱管絕熱段結構形式，並形成蒸發段包圍冷凝段結構方式，使之變得更加緊湊,由此可以百分之百實現此間快速相變傳熱方式，由汽化吸收潛熱再到冷凝釋放潛熱，這比導熱方式實現熱傳遞效率要高得多，潛熱釋放與潛熱吸收過程是躍遷式實現熱量的轉移，一般熱導體傳熱方式是無法比擬的，簡直不是一個數量級的傳熱。

本實施例設有第一隔熱層31和第二隔熱層21避免了把換來的較高溫度熱量被較低溫度同介質流體吸走，並把溫度降下來的問題。

本實施例設有內管翅片14，這不僅有利於加速水蒸汽的冷凝速度，也有利於氣液兩側換熱能力趨於平衡，因為氣態流體比液態流體換熱係數低許多，增加水蒸氣換熱面積，有利於兩側換熱能力平衡，也相對減少了金屬材料的消耗量，使熱管變得更加緊湊些，體現單位體積換熱能力的增強；而且內管翅片14在這裡可以替代管內的吸芯，內管翅片14與外管13內壁距離適當到可以搭凝結水水橋，用於將第一層內管11的液態水通過內管翅片14導流到外管13內壁吸熱而蒸發。

本實施例翅片管採用三層套管結構方式的熱管，與現有套管式熱管及傳統的重力式熱管不同之處在於更進一步加強了徑向傳熱能力，增大徑向傳熱深度（換熱流程），使徑向兩側傳熱介質平均溫差最大化，並極大削弱同側軸向傳熱不利因素，充分利用場協同理論，把溫度梯度場與流體速度場很好有機協同起來，使熱流密度向著熱管徑向方向傳遞，設有內管翅片14和外管翅片15，增強了熱管傳熱能力，以使氣液兩側換熱能力趨於平衡，提高熱管綜合換熱能力，縮小設備單位換熱量體積，並且換熱係數也得到很大的提高，可節約熱能，熱管生產企業可降低生產成本，設備運行企業可得到能耗降低。

實施例2

如圖5所示，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，熱管1採用串聯的方式與進水管2和出水管3連接。

實施例3

如圖6所示，本實施例提供一種設有所述翅片管換熱器的餘熱鍋爐，包括翅片管換熱器、鍋筒106和設置鍋筒外的煙道104，翅片管換熱器設置在煙道104內，進水管102與冷水接口105連接，出水管103與鍋筒106連接，熱管101與煙道104垂直。

本實施例是翅片管換熱器在工業餘熱上的一個應用，本發明翅片管換熱器不需要外殼，體積較小，能夠非常靈活的布置在煙道104內，而且熱管101與煙道104垂直充分利用了徑向傳熱這一特徵，實現了最大的換熱面積，同時進水管102與冷水接口105連接，通入冷水作為工作介質，出水管103與鍋筒106連接，輸出換熱以後的熱水至鍋筒106中作為二次利用，不需要額外增加新的水循環設備，成本較低，換熱效果好。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明的技術方案所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護之內。