CN101782340A - 多级式高效波纹管余热回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集扰动换热、强制换热、热补偿于一体并可通过导热介质和管壳组合成多种功能和用途的多级式高效波纹管余热回收装置。它呈圆柱体或长方体，是用公称直径为25mm-120mm，壁厚为0.3mm-2mm的金属波纹管做换热元件，以金属圆筒或金属方管为容器，容器内充填一定量的导热介质后两端密封制成的余热回收装置。将N支变截面波纹管换热元件摆放在不同形状的容器中并向容器中充填足够的导热介质即制成单级换热器，多个单级换热器串接或并联后组成多级式高效波纹管余热回收装置。外界烟气、热空气、蒸汽等热流体逐级通过各段单级换热器时波纹管换热元件将热能传递给导热介质，导热介质被逐级加热后可分别产生高温液体、饱和蒸汽、过热蒸汽再通过管路系统对外提供不同品质的热能，实现余热回收梯级利用功能。
Description
所属技术领域：
本发明涉及一种多级式高效波纹管余热回收装置，尤其涉及利用该装置与导热介质组合成具有余热回收梯级利用功能的余热回收系统。
背景技术：
目前，余热回收装置大多是传统的列管换热器式余热锅炉，采用的换热元件有翅片式热管、针型列管、光管，余热回收的方式是余热烟气从管外通过，将热能传递给管内工质来回收热能，必然造成了较大的烟气阻力，需要通过鼓风或引风来克服这些阻力，随之带来鼓风或引风设备增加和用电量增加，降低了余热回收的节能效果；同时，由于工质在管内，工质带压时换热管壁承受很大拉力，因此换热管的管壁要求较厚，管材增加，成本增加，整体原料的耗能增加，不利于节材节能；不仅如此，该种结构的余热回收装置难于对余热按品质进行梯阶回收利用。
本发明的目的：
为克服现有传统的余热回收装置的种种不足，本发明提供一种多级式高效波纹管余热回收装置，该发明不仅涉及一种特殊的变截面波纹状园管；而且涉及一种具有梯级换热回收余热的组合结构。按该发明制造成的余热回收装置不但具有很强的换热能力，还能够通过组合形成简单灵活、紧凑可靠的多极式模块化集成余热回收系统，体积小，重量轻，安装简便；从根本上解决了由常规设备组成的余热回收系统所有的设备庞杂、系统复杂、功能单一、占地空间大、管道热损失大、初投资高、安装难度大、自身耗能多等问题和缺点。
本发明所采取的技术方案：
波纹状换热元件是用高换热能力的变截面波纹状园管制成，波纹管的沟槽使烟气等流体在管内外形成充分湍流，并且增加了换热面积，即使在流速较低的情况下，流体在管内外均可形成较强的扰动，从而大大提高了传热系数，同时降低了管道阻力，而且波纹管的沟槽对管外导热介质有很好的导流作用，提高了导热介质的对流传热能力。
采用变截面波纹管做换热元件，使含有余热的烟气从烟气从N支并列波纹管内通过，工质(导热介质)在波纹管外流动，由于波纹管承受的压力是由外向内，承压能力很强，管壁厚度可以减小2/3。烟气流过波纹管内壁时将热能传递给波纹管外与管壳形成的腔体内的工质(导热介质)，再通过工质向外输送热能，实现余热回收利用；同时由于波纹管束的通气性好，因此整个装置的体积很小，节省了安装空间，节约了材料。
将低温段换热器的烟气进口与中温段换热器的烟气出口对接，再将中温段换热器的烟气进口与高温段换热器的烟气出口对接，以高温段换热器的烟气进口为多级式高效波纹管余热回收装置的进烟气口，以低温段换热器的烟气出口为多级式高效波纹管余热回收装置的烟气出口，烟气从N支波纹管内通过时将热能传递给波纹管管外的工质(导热介质)，再通过工质向外输送热能；将低温段换热器的导热介质出口与中温段换热器的导热介质入口对接，再将中温段换热器的导热介质出口与高温段换热器的导热介质入口对接，以高温段换热器的导热介质出口为多级式高效波纹管余热回收装置的导热介质出口，以低温段换热器的导热介质入口为多级式高效波纹管余热回收装置的导热介质入口，即可分别在低温段换热器的导热介质出口得到高温液体，在中温段换热器的导热介质出口得到饱和蒸汽，在高温段换热器的导热介质出口得到过热蒸汽，能满足不同用途的需要。
本发明的工作原理和工作流程是：
让高温烟气(120℃--800℃)自高温段换热器的烟气入口进入，从低温段换热器的烟气出口流出，实现：
1.高温余热回收过程：烟气从高温段换热器的N支变截面波纹管内通过时将热能传递给波纹管管外的工质(饱和蒸汽)，产生过热蒸汽，通过过热工质向外输送热能。
2.中温余热回收过程：烟气从高温段换热器的N支变截面波纹管内通过后，部分热能被回收，温度降低100℃--200℃，然后导入中温段换热器，烟气从中温段换热器的N支变截面波纹管内通过时将热能传递给波纹管管外的工质(高温液体)，产生饱和蒸汽，可以将饱和蒸汽送入高温段换热器或直接用饱和蒸汽向外输送热能。
3.烟气从中温段换热器的N支变截面波纹管内通过后，部分热能被回收，温度继续降低100℃--400℃，然后再从中温段换热器的烟气出口导入低温段换热器，当烟气自低温段换热器的N支变截面波纹管内通过时将热能传递给波纹管管外的工质(低温工质，如冷软化水)，产生高温工质，可以将该工质送入中温段换热器产饱和蒸汽或直接用高温水向外输送热能
本发明的有益效果是：
可以通过采用一种特殊的变截面波纹状园管作为换热元件和多极式的结构使按该发明制造成的余热回收装置不但具有了很强的换热能力，还能够通过组合形成简单灵活、紧凑可靠的多极式模块化集成梯级余热回收系统，体积小，重量轻，安装简便；从根本上解决了由常规设备组成的余热回收系统所有的设备庞杂、系统复杂、功能单一、占地空间大、管道热损失大、初投资高、安装难度大、自身耗能多等问题和缺点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的单级余热回收波纹管换热器的纵剖面构造图。
图1中：1.变截面波纹状换热元件；2.管壳；3.两端封头；4.烟气进口；5.烟气出口；6.导热介质进口；7.导热介质出口；8.排污口。
图2是用本发明制成的多级式高效波纹管余热回收装置实施例的工作原理图。
在图2所示实施例中：1.螺孔；2.法兰；3.管壳；4.水温计；5.法兰；6.网套；7.变截面波纹管；8.烟气出口；9.低温段工质出口；10.烟气进口；11.法兰垫；12.变截面波纹管；13中温段管壳；14.饱和蒸汽出口；15.测温口；16.过热蒸汽出口；17.水位控制；18.平板双色水位计；19.连接管；20.三通；21.安全阀；22.泄压口；23.温度传感器；24.压力表；25.温度计；26.压力计口；27.排污口；28.高温段波纹管；29.饱和蒸汽入口；30.排污口；31.高温段管壳；32.软化水工质；33.给水口；34.排污口；35.给水；36.封头；37.低温段换热器；38.中温段换热器；39.高温段换热器。
图2所示多级式高效波纹管余热回收装置，回收烟气余热是可产生高温水、饱和蒸汽、过热蒸汽，工作原理：
1.产生过热蒸汽，烟气从高温段换热器(39)的N支变截面波纹管(28)内通过时将热能传递给波纹管(28)管外的工质(饱和蒸汽)，产生过热蒸汽，通过过热工质向外输送热能。
2.产生饱和蒸汽，烟气从高温段换热器(39)的N支变截面波纹管(28)内通过后，部分热能被回收，温度降低100℃--200℃，然后导入中温段换热器(38)，烟气从中温段换热器(38)的N支变截面波纹管(12)内通过时将热能传递给波纹管管外的高温水，产生饱和蒸汽，可以将饱和蒸汽通过饱和蒸汽出口(14)送入高温段换热器的饱和蒸汽入口(29)或直接用饱和蒸汽向外输送热能。
3.产生高温水，烟气从中温段换热器(38)的N支变截面波纹管内通过后，部分热能被回收，温度继续降低100℃--400℃，然后再从中温段换热器(38)的烟气出口导入低温段换热器(37)，当烟气自低温段换热器(37)的N支变截面波纹管(7)内通过时将热能传递给波纹管(7)管外的工质(32)，产生高温工质，可以将该工质送入中温段换热器(38)产饱和蒸汽或直接用高温水向外输送热能。
由此可见，本发明应用于以多种烟气以及火焰的余热梯级回收利用系统中，可实现回收高中低品质的余热等效用。利用本发明组成的余热回收系统较图3所示常规余热回收系统的回收效率和经济性都有很大提高。
图3是目前常规列管式余热锅炉的工作原理简图。
图3中：1.安全阀，2.压力表，3.放空阀，4.烟气进口，5.排污，6.进水口，7.烟气出口，8.水出口。
工作流程：将水通过进水口(6)送入管壳容器内，保持满位，烟气自烟气进口(4)进入余热锅炉后经列管吸收热能，列管中的水被加热后从出水口(8)供出完成余热回收。
利用本发明还可以制造性能优异的余热回收与热能储存装置，图4是用本发明制成的发动机尾气余热回收及蓄能供热装置实施例的结构原理图。
图4中：1.底座，2.外壳，3.保温层，4.蓄热内箱体，5.波纹状相变蓄热元件，6.导热介质，7.换热盘管，8.通气孔，9.液位传感器，10.被加热液体进口，11.箱体温度计，12.被加热液体出口，13.尾气进口法兰，14.尾气进口，15.支架，16.排污口，17.烟气换热器。
本实施例的工作原理和工作流程是：
一、余热回收与蓄热过程：
尾气余热回收和蓄热，尾气、烟气从尾气进口(14)进入烟气换热器(17)后，经过换热将热能传导给导热介质(6)，导热介质获得热能后温度逐渐升高并加热波纹状相变蓄热元件(5)，当导热介质(6)的温度达到80℃时，波纹状相变蓄热元件(5)内的稀土相变蓄热材料开始表向内部融化，待全部融化后相变蓄热过程结束，温度开始继续上升，当最高不能超过135℃。
二、释能供热过程：波纹状相变蓄热元件(5)中所储存的热量传递给导热介质(6)，将导热介质加热至50-80℃，导热介质(6)再将热能通过高效的换热盘管(7)传导给从被加热液体进口(10)流入的液体，随着释热过程的继续，波纹状相变蓄热元件(9)内相变蓄热材料释放热能后逐渐发生晶格变化----凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度时，释热过程结束。
本实施例的有益效果是，可以通过高效的烟气换热器(17)、导热介质(6)、波纹状相变蓄热元件(9)、换热盘管(7)的传热完成尾气、烟气的余热回收和储存，以及对外释能供热，有利于余热和废热回收利用，便于安装、方便使用、结构紧凑，安全可靠。因此，该发明的推广应用将促进节能减排并能带来较大的经济效益和社会效益，具有广泛的推广价值和发展前景。
按照图1所述的实施方式，若把外形及结构更换为其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
按照图1所述的实施方式，虽外形及结构未更换为其他类似的技术方案，但其内部材料类似或更换为其他类似的蓄能材料也均属本适用新型的保护范围。
按照图2所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
按照图4所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多级式高效波纹管余热回收装置，它是由低温段、中温段、高温段三级换热器组成，每级换热器都是由变截面波纹状换热元件(1)、管壳(2)、两端封头(3)、烟气进口(4)、烟气出口(5)、导热介质进口(6)、导热介质出口(7)、排污口(8)等构成，其特征在于：将N支长度为0.5m-3m，直径为25mm-120mm，厚度为0.3mm-2mm的变截面波纹状换热元件分别对应与两端封头焊接密封后分别制成低温段、中温段、高温段等单级换热器，然后将低温段换热器的烟气进口与中温段换热器的烟气出口对接，再将中温段换热器的烟气进口与高温段换热器的烟气出口对接，以高温段换热器的烟气进口为多级式高效波纹管余热回收装置的进烟气口，以低温段换热器的烟气出口为多级式高效波纹管余热回收装置的烟气出口，烟气从N支波纹管内通过时将热能传递给波纹管管外的工质(导热介质)，再通过工质向外输送热能，实现余热的梯级回收利用。
2.根据权利要求1所述多级式高效波纹管余热回收装置，其特征在于：所述波纹状换热元件是用高换热能力的变截面波纹状园管制成，波纹管的沟槽使烟气等流体在管内外形成充分湍流，并且增加了换热面积，即使在流速较低的情况下，流体在管内外均可形成较强的扰动，从而大大提高了传热系数，同时降低了管道阻力，而且波纹管的沟槽对管外导热介质有很好的导流作用，提高了导热介质的对流传热能力。
3.根据权利要求1所述多级式高效波纹管余热回收装置，其特征在于：多级换热器串联，能够将烟气的余热实施梯级回收利用，得到不同温度和品质的热能。
4.根据权利要求1所述多级式高效波纹管余热回收装置，其特征在于：波纹管外壳可以使元件在长度方向自由伸缩，由于换热器采用波纹管，轴向补偿量大，当管壳程温差大的情况下，能自行补偿，管与管板的热应力很小，不易裂坏，大大提高了使用寿命。
5.根据权利要求1所述多级式高效波纹管余热回收装置，其特征在于：将低温段换热器的导热介质出口与中温段换热器的导热介质入口对接，再将中温段换热器的导热介质出口与高温段换热器的导热介质入口对接，以高温段换热器的导热介质出口为多级式高效波纹管余热回收装置的导热介质出口，以低温段换热器的导热介质入口为多级式高效波纹管余热回收装置的导热介质入口，即可分别在低温段换热器的导热介质出口得到高温液体，在中温段换热器的导热介质出口得到饱和蒸汽，在高温段换热器的导热介质出口得到过热蒸汽，能满足不同用途的需要。
6.根据权利要求1所述多级式高效波纹管余热回收装置，其特征在于：采用变截面波纹管做换热元件，使含有余热的烟气从烟气从N支并列波纹管内通过，工质(导热介质)在波纹管外流动，由于波纹管承受的压力是由外向内，承压能力很强，管壁厚度可以减小2/3。烟气流过波纹管内壁时将热能传递给波纹管外与管壳形成的腔体内的工质(导热介质)，再通过工质向外输送热能，实现余热回收利用；同时由于管束的通气性好，因此整个装置的体积很小，节省了安装空间，节约了材料。
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