CN102927843A - 基于液态金属传热的烟气余热回收系统 - Google Patents

基于液态金属传热的烟气余热回收系统 Download PDF

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刘静
李海燕
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中国科学院理化技术研究所
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Abstract

一种基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其由与烟道内的烟气直接或间接进行热交换的换热器和与水箱内的水进行热交换的散热器组成;散热器的散热平片内设有微型流道;所述换热器和散热平片内的微型流道通过安装于所述微型流道两出口端的第一连接管和第二连接管相连通,相连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内装有循环流动的液态金属;第一连接管或第二连接管上装有驱动泵,用以驱动液态金属在相互连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内循环流动;具有显著加快热循环和余热回收的效率,使用较小的体积即可实现良好的散热效果,且高效、灵活、可靠和低耗,对用液态金属进行烟气余热回收的推广普及具有重要意义。

Description

基于液态金属传热的烟气余热回收系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种烟气余热回收系统,特别涉及一种采用传热优良的液态金属对烟气余热进行高效回收的系统,它广泛地适用于各种锅炉、工业窑炉、直燃机中央空调等设备产生的烟气的余热回收。
背景技术
[0002] 在钢铁、冶金、石油、化工、电力等行业中,存在着丰富的烟气余热资源。回收利用烟气余热,是提高能量利用率的途径之一。排烟温度越低,能量利用率越高。目前,工业燃油、燃气、燃煤锅炉设计制造时,为了防止锅炉尾部受热面腐蚀和堵灰,标准状态排烟温度一般不低于180°C,最高可达250°C ;而各种工业窑炉的排烟温度一般在400-50(TC,有些地方甚至更高。大量热量随着烟气排放到大气当中,不但带来环境污染,同时也造成能源浪费,提高了工业设备的能耗率和运行成本。
[0003]目前,公知的烟气余热回收多采用换热器加热空气、水等方法进行热能回收。有关烟气余热回收的节能技术现在主要有:热管技术、相变换热器、低压省煤器和空气预热器,以及产生低压蒸汽的余热锅炉等。这些技术虽然都在一定程度上提高了烟气能量利用率,但也各自存在一些缺点,如:热管技术吸热段的温度较低,低于露点温度,易积灰腐蚀,造成烟道阻力增大;相变换热器只能安装在锅炉的水平烟道上,安装的方向性受到了限制,且相变换热器工作在负压区,易向装置内漏入空气,严重影响换热效果;省煤器和空气预热器存在传热效率低、易堵塞,维护不方便、体积大、使用寿命短等问题,在使用上受到一定限制;余热锅炉受到水的沸点的限制,只能回收温度较高的烟气余热,不能对低温烟气余热进行回收利用。鉴于现有技术存在种种不足,高效、灵活的传热单元成为当前烟气余热回收技术的关键。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种传热效率高,适用温区广,耐高温,体积小,使用寿命长,安装维修方便的基于液态金属传热的烟气余热回收系统;该烟气余热利用系统采用了液态金属作为传热介质,利用液态金属热导率高,高出传统工质近两个量级,工作温区广,性质稳定,表面张力大从而不易泄漏等特点,极大地弥补了现有技术的不足,提高了烟气余热回收的效率。
[0005] 本发明的技术方案如下:
[0006] 本发明提供的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其由与烟道内的烟气直接或间接进行热交换的换热器和与水箱内的水进行热交换的散热器组成;所述散热器的散热平片内设有微型流道;所述换热器和散热平片内的微型流道通过安装于所述微型流道两出口端的第一连接管和第二连接管相连通,相连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内装有循环流动的液态金属;所述第一连接管或第二连接管上装有驱动泵,用以驱动液态金属在相互连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内循环流动。[0007] 所述驱动泵为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
[0008] 所述换热器、散热器、第一连接管及第二连接管的材质为金、银、不锈钢、金刚石、石墨、铜、钛或陶瓷。
[0009] 所述换热器为其表面有肋片或无肋片的管式换热器;
[0010] 所述散热器为散热平片表面有肋片或无肋片的散热器;
[0011] 所述第一连接管、第二连接管及微型流道的横截面形状为圆形、矩形、正方形或三角形,每个流道长度为10厘米至100米,其水力直径为10纳米至10厘米。
[0012] 所述的液态金属为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、钠钾合金或镓铟合金与钠钾合金混合的混合合金。
[0013] 所述水箱可以通过管道连接到供热设备或产生蒸汽用以发电。
[0014] 本发明的基于液态金属传热的烟气余热回收系统采用液态金属作为传热介质,由于液态金属具有远高于非金属流体如水、空气乃至其他液体的热导率,因而将其作为传热流体时,可以加快热循环和余热回收的效率,并可以由较小的体积实现较好的散热效果,且不受安装位置限制;同时,采用不同的液态金属可以用于回收不同温度的余热,并且可以实现显热和潜热的同时回收;液态金属的导电性也决定了它可以采用无运动部件的电磁泵来驱动,功耗极低;而且,系统内液态金属进行封闭循环,不会对环境造成影响;使用该系统可以实现高效、灵活、可靠、低耗的运行。至今,国内外尚无采用液体金属的烟气余热回收系统被提出。
附图说明
[0015] 附图I为本发明(实施例I)的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;
[0016] 附图2为本发明(实施例2)的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;
[0017] 附图3为本发明(实施例3)的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;
[0018] 附图4为本发明的散热器6的截面示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明专利:
[0020] 附图I为实施例I的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;附图2为实施例2的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;附图3为实施例3的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图;附图4为本发明的散热器的截面示意图。由图可知,本发明提供的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其由与烟道I内的烟气直接或间接进行热交换的换热器2和与水箱5内的水8进行热交换的散热器6组成;所述散热器6的散热平片内设有微型流道;所述换热器2和散热平片内的微型流道通过安装于所述微型流道两出口端的第一连接管31和第二连接管32相连通,相连通的换热器2、第一连接管31、第二连接管32和微型流道内装有循环流动的液态金属7 ;所述第一连接管31或第二连接管32上装有驱动泵4,用以驱动液态金属7在相互连通的换热器2、第一连接管31、第二连接管32和微型流道内循环流动。
[0021 ] 所述驱动泵4为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
[0022] 所述换热器2、散热器6、第一连接管31及第二连接管32的材质为金、银、不锈钢、金刚石、石墨、铜、钛或陶瓷。 [0023] 所述换热器2为其表面有肋片或无肋片的管式换热器;
[0024] 所述散热器6为散热平片表面有肋片或无肋片的散热器;
[0025] 所述第一连接管31、第二连接管32及微型流道的横截面形状为圆形、矩形、正方形或三角形,每个流道长度为10厘米至100米,其水力直径为10纳米至10厘米。
[0026] 所述的液态金属7为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、钠钾合金或镓铟合金与钠钾合金混合的混合合金。
[0027] 本发明的技术路线可以实现多种复杂的液态金属传热及储能、烟气余热利用装置的组合;作为示例,这里仅以最基本的结构加以说明。
[0028] 实施例I :
[0029]图I为本发明的实施例I的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图。铜管式换热器2沿烟气来流方向布置在烟道I内与烟气直接进行热交换,通过截面为圆形的铜制第一连接管31和第二连接管32与布置在水箱5中的不锈钢散热器6内的微型流道形成循环通路;第一连接管31或第二连接管32上装有机械泵4,用以驱动液态镓在相互连通的换热器2、第一连接管31、第二连接管32和微型流道内循环流动;管式换热器2中的液态镓的流向与烟气来流方向平行。
[0030] 实施例2 :
[0031]图2为本发明的实施例2的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图。与实施例I不同的是,
[0032] 换热器2在烟道I内垂直于烟气来流方向布置,液态金属和烟气交叉流换热。
[0033] 钛制管式换热器2沿烟气来流方向布置在烟道I内与烟气直接进行热交换,通过截面为圆形的钛制第一连接管31和第二连接管32与布置在水箱5中的铜制散热器6内的微型流道形成循环通路;第一连接管31或第二连接管32上装有电润湿泵4,用以驱动液态镓铟锡合金在相互连通的换热器2、第一连接管31、第二连接管32和微型流道内循环流动;管式换热器2中的液态镓铟锡合金的流向与烟气来流方向垂直。
[0034] 实施例3 :
[0035] 图3为本发明的实施例3的基于液态金属传热的烟气余热回收系统的结构示意图。与实施例I和实施例2不同的是,换热器2布置在烟道I外壁上,液态金属和烟气间接进行热交换。
[0036] 铜制管式换热器2以螺旋方式布置在烟道I外壁上,通过截面为圆形的铜制第一连接管31和第二连接管32与布置在水箱5 (水箱中装有水8)中的石墨制散热器6内的微型流道形成循环通路;第一连接管31或第二连接管32上装有电磁泵4,用以驱动液态镓铟合金在相互连通的换热器2、第一连接管31、第二连接管32和微型流道内循环流动。
[0037] 本发明的基于液态金属传热的烟气余热回收系统可实现烟气余热的高效热回收。以实施例I为例,换热器2沿烟气来流方向以蛇形管方式布置在烟道内,换热器2中的液态金属7与烟气同时进行顺流和逆流换热,除充分利用液态金属7的高导热特性外,进一步强化了传热。对于实施例2,换热器2垂直于烟气来流方向以蛇形管方式布置在烟道内,换热器2中的液态金属7与烟气进行交叉流换热,是强化传热的另一种方式。对于实施例3,由于液态金属热导率高,所以可以不用像其他换热器那样布置在烟道中,布置在烟道外同样可以起到良好的换热效果。
[0038] 本装置散热器内的微型流道可通过机加工或其他成熟技术做出,之后与驱动泵连接,但在一端留有开口,以便将熔化后的低熔点金属或其合金(呈液体状态)沿此开口注入管道和循环通路中,待整个流道内充好液态金属7后,将上述开口予以封装,即形成内部循环通道为密闭的高效散热机构。根据需要,连通管道可由各种金属等制成,其长短可根据需要加以调整,整个散热结构的尺寸可根据需要制作。
[0039] 最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。采用该烟气余热回收系统与烟道和余热利用装置的各种位置组合均属于本发明涵盖的范围。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术 方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1. 一种基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其由与烟道内的烟气直接或间接进行热交换的换热器和与水箱内的水进行热交换的散热器组成;所述散热器的散热平片内设有微型流道;所述换热器和散热平片内的微型流道通过安装于所述微型流道两出口端的第一连接管和第二连接管相连通,相连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内装有循环流动的液态金属;所述第一连接管或第二连接管上装有驱动泵,用以驱动液态金属在相互连通的换热器、第一连接管、第二连接管和微型流道内循环流动。
2.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其特征在于,所述驱动泵为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
3.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其特征在于,所述换热器为有肋片或无肋片的管式换热器。
4.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其特征在于,所述换热器为其表面有肋片或无肋片的管式换热器;所述散热器为散热平片表面有肋片或无肋片的散热器。
5.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其特征在于, 所述换热器、散热器、第一连接管及第二连接管的材质为金、银、不锈钢、金刚石、石墨、铜、钛或陶瓷。
6.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,其特征在于,所述第一连接管、第二连接管及微型流道的横截面形状为圆形、矩形、正方形或三角形,每个流道长度为10厘米至100米,其水力直径为10纳米至10厘米。
7.按权利要求I所述的基于液态金属传热的烟气余热回收系统,所述的液态金属为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、钠钾合金或镓铟合金与钠钾合金混合的混合合金。
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