CN102022864A - 用于对有机朗肯循环蒸发器传递热量的热管 - Google Patents

用于对有机朗肯循环蒸发器传递热量的热管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对有机朗肯循环蒸发器传递热量的热管。多个Qu型热管(12)中的各个的第一部分设置在热气路径(14)中，而该多个Qu型热管(12)中的各个的第二部分设置成远离热气路径(14)。而且，该多个Qu型热管(12)中的各个的第一部分从热气路径(14)中吸取热量，并且其中，该多个Qu型热管(12)中的各个的第二部分产生蒸气，蒸气离开该多个Qu型热管(12)的各个第二部分，并且远离热气路径(14)。

Description

用于对有机朗肯循环蒸发器传递热量的热管
技术领域
本文公开的主题涉及朗肯(Lankine)循环系统，且尤其涉及用于将热量从废热源传递到有机朗肯循环蒸发器的热管的布置。
背景技术
有机朗肯循环(“ORC”)系统典型地使用具有比较低的蒸发和冷凝温度(即低于水)的工作流体(例如戊烷、氨水等)。这种非水系统允许将来自温度相对较低的源的热量(例如废热)转化成有用功，例如，用以驱动发电机的旋转动力。可用的低温废热的源包括燃煤锅炉的排气(例如，位于湿式洗涤器的上游的排气流)、水泥和其它窑炉排气、玻璃熔炉和其它持续性工业热工程。一个备选方案是将ORC系统的蒸发器直接置于热气路径中。另一个备选方案是使用热油循环，其中热油交换器位于热气路径中。
但是，在热交换器中有泄漏的情况下，将热交换器直接安装在ORC系统的热气路径中就会引起关于有机工作流体的可燃性和/或毒性的担忧。而且，对通过热气路径中的热交换器加热油且在外部热交换器中蒸发ORC工作流体的热油循环的使用在各种工业用途中是常见的，但是其比较昂贵，并且涉及比较重型的构件的安装。
发明内容
根据本发明的一方面，多个Qu型热管(在下文中进行详细描述)中的各个的第一部分设置在热气路径中，而该多个Qu型热管中的各个的第二部分设置成远离热气路径。而且，该多个Qu型热管中的各个的第一部分从热气路径中吸取热量，并且其中，该多个Qu型热管中的各个的第二部分产生蒸气，蒸气离开该多个Qu型热管的各个第二部分，并且远离热气路径。
根据本发明的另一方面，一种热管蒸发器包括设置在热气路径中的Qu型热管的第一部分，以及设置成远离热气路径的Qu型热管的第二部分。而且，Qu型热管从热气路径中吸取热量，并且产生蒸气，蒸气离开Qu型热管的第二部分，并且远离热气路径。另外，Qu型热管的第二部分包括与Qu型热管的第二部分连接的多个翅片，其中，各个翅片的外部部分设置成靠近盖，盖具有形成于其中的对应的孔，其中，各个孔接收各个翅片的各个对应的外部部分的一部分，其中，各个对应的孔包括未被对应的翅片占用的延伸部区域，工作流体传送通过该延伸部区域，并且在其被Qu型热管的第二部分加热时变成蒸气。
根据本发明的另一方面，(提供了)一种用于从废热流中吸取热量的设备，该设备包括具有布置在废热源的热气路径中的多个Qu型热管的热源，其中，该多个Qu型热管中的各个的第一部分从热气路径中吸取热量。该设备还包括设置成与热源分开的蒸发器，其中，蒸发器包括多个Qu型热管，以及使热源与蒸发器连接的连接器Qu型热管，其中，连接器Qu型热管将吸取的热量从热源传递到蒸发器，以由此进行蒸发。
根据结合附图获得的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的结论部分处的权利要求书中特别地指出并且清楚地要求保护被视为本发明的主题。根据结合附图获得的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的多个Qu型热管的布置的图示；
图2是图1的Qu型热管的布置的另一个图示；
图3是根据本发明的另一个实施例的Qu型单个热管的图示；
图4是图3的实施例的Qu型热管的更详细的图示；以及
图5是根据本发明的一个实施例的、与通过连接器Qu型热管连接到其上的蒸发器分开的Qu型热管的布置的示意图。
参看附图，以实例的方式，详细描述阐明了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表
10，70，76布置
12，40，72，78，82热管
14，44管道系统
16，46箭头
18，42左手端部
20，48右手端部
22加压部分
24蒸发器
26，50翅片
28流体
30，58入口
32，60出口
52盖
54孔
56埋头孔/延伸部
74，80集管
82连接器
具体实施方式
在图1中是根据本发明的一个实施例的多个热管12的布置10。热管12从热气路径中吸取热量；例如，来自燃煤锅炉的排气的废热。其它废热源可与本发明的实施例一起使用，例如，水泥和其它窑炉排气、玻璃熔炉和其它持续性工业热过程。废热可在管道系统14中流动，或者在向上的方向上沿着一些其它有界限或无界限的路径流动，如箭头16所指示。废热在其中流动的这个管道系统14可被视为热气路径。在备选方案中，废热可向下流过管道系统14，或者沿一些其它方向流过沿该其它方向布置的管道系统14。在图1的布置10中显示了若干个热管12。各个热管12具有设置在管道系统14的热气路径中的左手端部18和设置在蒸发器24的加压部分22中的右手端部20，蒸发器24可为本身是整体有机朗肯循环(“ORC”)系统的一部分的较大型的蒸发器的一部分。蒸发器24的加压部分22设置成与管道系统14分开，或者用壁与管道系统14隔开。ORC系统可用于对于本领域普通技术人员应当显而易见的任何数量的目的。各个热管12的右手端部20可设置或定位在蒸发器的加压部分以外的部分中。
在图1的实施例中显示的布置10中的各个热管12的右手端部20可具有形成为与该热管部分20成整体的若干个翅片26。在右手端部20上的翅片26有利于将在管道系统14中流动的废热从热管12的右手端部20中传递出来，并且将该废热传递到蒸发器24的加压部分22中。而且，热管12中的一个或多个的左手端部18也可结合翅片26，以有利于将热量从在管道系统14中流动的废热中传递出来，并且将该热量传递到热管12的左手端部18中。
在一个实施例中，图1中显示的实施例的布置10中的热管12包括下文中详细描述的Qu型热管。一般而言，传统的液体/蒸气型热管12通过蒸发冷却来操作，以通过工作流体或其它冷却剂材料的蒸发和冷凝将热能从热管12的一端18传递到热管12的另一端20。热管12依赖于该管的端18、20之间的温差，并且不能使任一端处的温度降低到越过环境温度；因此，它们倾向于使管12内的温度均衡。
一般而言，存在两种类型的热管12。一种是更传统的液体-蒸气型，而另一种是固态、无机涂覆式热管(例如Qu型热管)。对于液体-蒸气型的热管12，当密封的热管12的一端18被加热时，在该端18处的管12的内部的工作流体蒸发，并且会增大热管12的空腔的内部的蒸气压力。工作流体可包括水、乙醇、丙酮、钠、汞等。蒸气流到管12的第二端20，在此处，蒸气冷凝，这会释放最初促使流体蒸发到一定区中(例如蒸发到蒸发器24的加压部分22中)的热量。通过工作流体的汽化吸收的蒸发的潜热降低了管12的热端处的温度。这个汽化和冷凝过程倾向于在热管12内产生持续的流体材料流，这将热量从管12的第一端部18高效地传递到管12的第二端部20。
Qu型热管是这样一种类型的固态热管12：其以略微类似于液体-蒸气型热管12的方式操作，但不使用流体-蒸气材料来将热量从管12的一端18传递到管12的另一端20。在Qu型热管12中，管12的内表面涂有比较高的导热性的无机材料。在Qu型热管中，内部传热材料包括三个基本层。第一层包括钠、铍、诸如锰或铝的金属、钙、硼和重铬酸根的各种组合。第二层形成于第一层之上，并且包括钴、锰、铍、锶、铑、铜、β钛、钾、硼、钙、诸如锰或铝的金属和重铬酸根的各种组合。第三层形成于第二层之上，并且包括氧化铑、重铬酸钾、氧化镭、重铬酸钠、重铬酸银、单晶硅、氧化铍、铬酸锶、氧化硼、β钛以及诸如重铬酸锰或重铬酸铝的金属重铬酸盐的各种组合。可将这三层应用于导管，且然后对其进行热极化(heat polarized)，以形成在没有任何净热损失的情况下传递热量的传热装置，或者可将这三层应用于这样一对板：该对板具有相对于大的表面积较小的空腔，以形成可使热量从热源中立即散发出来的热沉。
然后从管12内移除蒸气，以在管12的内部产生真空。然后密封管12。涂在热管12的内表面上的导热Qu材料将热量从管12的一端18传递到管12的另一端20。由于Qu材料的比较高的导热性的原因，Qu型热管12可比更传统的液体-蒸气型热管12提供从一端到另一端的改进的传热。而且，与其它类型的热管相比，Qu型热管提供了相对更大的轴向热通量。因此，Qu型热管允许实现更传统的液体/蒸气型热管所不允许的本发明的实施例。
在图2中是图1的实施例的多个Qu型热管12的布置10的另一个视图。图2中的视图是在图1中从右向左看的视图。从图2中可看到，图1中的热管12的布置10包括成三维布置10的多个Qu型热管12。但是，通过各种实施例构思了其它布置。在图2中，蒸发器24的加压部分22具有以蜿蜒型的方式布置的热管12，其中工作流体28通过至少一个入口30进入加压部分22。工作流体28通过形成于布置10中的加压部分22中的通路以上下的方式流过图2的布置10，并且通过出口32离开该加压部分22。当工作流体28横穿加压部分22中的通路时，工作流体28经过对应的Qu型热管12的右手部分20中的各个。当其这样做时，工作流体28在各个热管12的右手端部20处被产生的热量加热，并且蒸发。因此，出口32处的工作流体28为具有大于或等于出口32处的工作流体28的饱和温度或起沸点温度的温度的蒸气的形式。
本发明的实施例构思了蒸发器的加压部分内的Qu型热管的布置10而非蜿蜒布置。例如，Qu型热管12可在三维布置中布置在单独的单排或单列中，各排或各列具有对应的入口30和出口32。另外，可构思其中仅有单排或单列的Qu型热管12而非三维布置的实施例。
在图3中是具有设置在管道系统44中的左端部42的单Qu型热管40，废热在管道系统44中向上流动，如箭头46所指示。但是，再一次，废热可相反在管道系统44中向下流动，或者在一些其它方向(管道系统44沿该方向定向)上流动。在这个实施例中，Qu型热管40的右手端部48可具有形成为与右手端部40成整体或与右手端部40连接的若干个翅片50。翅片50可形成为类似于形成于螺钉上的螺纹的、如图3所示的错列型式(也就是说，成单个连续的类似螺旋螺纹的布置)。盖52围绕翅片50。如图4中的截面中更详细地看到的那样，盖52包括对应于翅片50的位置的孔54。图4示出了在远离其正常位置的位置上的热管40的右手端部48，在正常位置上，翅片50接合在盖52中的对应的孔54内。图4还显示，对于各个孔54，埋头孔56进一步形成到盖52中。当翅片50接合在它们的孔54内时，翅片50不占用由埋头孔56限定的空间。各个翅片50密封对应的埋头孔56。如果翅片50形成为单个连续的类似螺旋螺纹的布置，则孔54及其埋头孔延伸部56两者均包括与翅片50的类似螺纹的布置相配的单个螺旋孔。
图3显示了用于工作流体进入Qu型热管40的右手端部48的入口58。然后工作流体以螺旋的方式流过埋头孔56，在这之后，工作流体通过出口60作为蒸气离开热管40的右手端部48。在操作中，当废热行进通过管道系统44时，其加热突入管道系统44中的热管40的左手端部42。如上所述，热管40然后将热量传递到热管40的右手端部48。传递的热量加热以螺旋的方式行进通过埋头孔56的工作流体，从而促使工作流体蒸发，并且导致蒸气离开出口60。因此，在这个实施例中，热管40其本身起独立蒸发器的作用，在图1-2的实施例中，其可为整体朗肯循环系统的一部分。
在图5中是其中由集管74连接在一起的多个Qu型热管72的第一布置70与同样由集管80连接在一起的多个Qu型热管78的第二布置76连接的一个实施例。热管72的第一布置70和热管78的第二布置76由Qu型热管82连接在一起，Qu型热管82在各端处附连到对应的集管74、80上。
在这个实施例中，Qu型热管72的第一布置70可定位在废热源的管道系统或热气路径中，并且起热源的作用。热管72从由集管74收集的比较热的气体中吸收或吸取能量。Qu型热管连接器82可为隔热的，并且用来将这个吸收到或吸取到的热能传递到热管78的第二布置76的集管80，热管78起蒸发器(例如有机朗肯循环系统蒸发器)的作用，以蒸发传递的热量。第一布置70和第二布置76可分开比较大的距离(例如大于100米)。这允许蒸发器位于距废热源比较长的距离处。而且，图5显示了Qu型热管连接器82可弯曲，并且连接器82还可有利于热管72的第一布置70处于比第二布置76或蒸发器的高度更高的高度处，或者处于与第二布置76或蒸发器的高度不同的高度处。蒸发器76可为较大型的整体朗肯循环系统的一部分。
本发明的实施例提供了从热气路径中吸取热量，这避免了现有技术中的将有机朗肯循环工作流体蒸发器置于热气路径中所固有的风险和迂回的热油循环的成本。本发明的实施例使用来自废热源的排气的热能和Qu型热管来将热量传递到有机朗肯循环工作流体蒸发器。Qu型热管具有比较高的轴向导热性，并且可用来有效地传递热量，而不需要流体流循环。
在其它实施例中，热管有机朗肯循环蒸发器可置于与热源分开的远的位置处。这通过使用热管排列来从热气中吸收能量而实现。然后可使用比较大型的隔热的Qu型热管越过比较大的距离将热量传递到热管有机朗肯循环蒸发器(例如远离源大于100米)。
在使用本发明的实施例的情况下，使用Qu型热管将热量直接传递到热气路径外的、用于有机工作流体的蒸发器。成本和重量两者均相对小于具有分开的热油循环和外部蒸发器两者的情况。本发明的实施例的其它技术优点包括相对于使用热油循环节省了资金成本，相对于将蒸发器直接置于热气路径中改进了EHS轮廓，相对更小的系统覆盖区域，以及有机朗肯循环工作流体蒸发器在整体系统内的定位的灵活性。
虽然已结合仅有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，本发明可修改成结合至今未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变化、改变、替代物或等效布置。另外，虽然已经对本发明的各种实施例进行了描述，但是将理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。

Claims (6)

1.一种蒸发器(24)，包括：
多个Qu型热管(12)；
设置在热气路径(14)中的、所述多个Qu型热管(12)中的各个的第一部分(18)；以及
设置成远离所述热气路径(14)的、所述多个Qu型热管(12)中的各个的第二部分(20)；
其中，所述多个Qu型热管(12)中的各个的所述第一部分(18)从所述热气路径(14)中吸取热量，并且其中，所述多个Qu型热管(12)中的各个的所述第二部分(20)产生蒸气，所述蒸气离开所述多个Qu型热管(12)的各个第二部分(20)，并且远离所述热气路径(14)。
2.根据权利要求1所述的蒸发器(24)，其特征在于，所述多个Qu型热管(12)的第二部分(20)中的至少一个包括翅片(26)。
3.根据权利要求1所述的蒸发器(24)，其特征在于，所述多个Qu型热管(12)的第一部分(18)中的至少一个包括翅片(26)。
4.根据权利要求1所述的蒸发器(24)，其特征在于，所述蒸发器进一步包括加压围罩(22)，其中，所述多个Qu型热管(12)中的各个的所述第二部分设置在所述加压围罩(22)中。
5.根据权利要求4所述的蒸发器(24)，其特征在于，工作流体(28)在至少一个入口(30)中被引入所述加压围罩(22)中，所述工作流体(28)横穿通过所述加压围罩(22)中的至少一个通路，在所述至少一个通路中，该工作流体(28)被所述多个Qu型热管(12)中的各个的所述第二部分(20)加热且转化成蒸气，并且其中，所述蒸气从至少一个出口(32)离开所述加压围罩(22)。
6.根据权利要求1所述的蒸发器(24)，其特征在于，所述蒸发器(24)是有机朗肯循环系统的一部分。
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