CN103243207B - 一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，包括：水侧壳体、放气阀、压力表、截止阀、进水管、水箱、循环水泵、出水管、油侧壳体、淬火油槽、出油管、水侧隔板、油侧隔板和带螺旋槽热管。根据本发明提供的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，通过带螺旋槽热管可以有效利用热能、提高冷却效率进而节约冷却水资源；通过密闭的水侧壳体可以不污染冷却水；该装置实现了冷却水的循环利用并对淬火油释放的热量加以回收利用，被加热的冷却水可以当作采暖水或者作为工业生产工艺用热水，同时该设备还具有结构紧凑，体积小，安全可靠，传热效率高，流体阻力损小等优点。
Description
技术领域
本发明专利涉及淬火油的冷却和回收其余热的热管换热设备。特别适用于金属热处理、冶金、锻造等工业领域中的冷却和回收其余热的热管换热设备。
背景技术
在金属热处理、冶金、锻造等工业领域中，为了提高金属材料的机械性能进行淬火处理，在对金属进行淬火处理时，需要将金属工件加热到某一特定温度并保持一段时间，随即浸入淬火介质中快速冷却，以获得特定的金相组织。
淬火油就是淬火介质当中最重要的一种，淬火油是一种工艺用油，目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种，淬火油在应用过程中需要对其不断的进行冷却，并且保持在规定的温度范围内。
目前传统的淬火油冷却系统的结构中，淬火油的循环油管路通过板式换热器8（油-水）进行换热，完成淬火油的冷却。该冷却系统具有以下缺点：
（1）通过板式换热器对油—水进行换热，淬火油释放的热量被冷却水吸收，不能加以利用，就排放到周围环境中，形成热污染源，浪费热能。
（2）采用玻璃钢冷却塔作为散热装置，冷却效果不佳，使淬火工艺难以实现。在我国北方地区，玻璃钢冷却塔的水喷溅会导致冬季结冰，使设备无法正常工作，影响系统正常运行。
（3）采用冷却水池作为散热装置，喷淋或者自然冷却。这样无论水池放在地上或地下，均难以避免冷却水被灰尘污染的问题出现，而且占地面积大，同时氧气会不断地进入系统中，会加剧管道、水箱等设施的腐蚀，甚至一些固态物质会威胁到设备的冷却水通道的流通，给设备运行造成安全隐患。
（4）蒸发耗水量大，因为无论冷却塔或冷却水池，都无法避免水分的蒸发，实际上它们在很大程度上是依靠蒸发来获得冷却的，此种方式，浪费大量宝贵的水资源。
（5）采用板式油-水换热器，在运行一定时间以后会产生结垢或流道堵塞等故障，需要定期维护，否则会明显地影响设备的换热效果。
（6）采用板式油-水换热器，在循环油管路破裂时，容易发生油水混合，冷热流体的掺混，会引发爆炸的危险。
现有专利中存在的一些对淬火油冷却的设备，如中国专利申请CN200710132922.8、CN200920019514.6中所公开的相关淬火油冷却设备，这两类设备可以用于淬火油的冷却工作，然而这两类设备在结构上与传统的淬火油冷却系统大同小异，这两类设备在油管发生破裂时，也容易发生油水混合，冷热流体的掺混，会引发爆炸的危险、安全系数低。
由于上述问题的存在，本发明人对淬火油的性质进行研究和分析，对传统的淬火油冷却系统和现有的淬火油冷却技术进行研究，以便能制作出可以有效利用热能、不污染冷却水、冷却效率高、节约冷却水资源、还可以循环利用、结构简单、安全系数高的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：设置水侧壳体，在其顶部设有放气阀，其上部通过其上设有压力表和截止阀的进水管与水箱上部相连，其下部通过其上设有循环水泵的出水管与水箱下部相连，在所述水侧壳体内部设置水侧导流板，水侧导流板具有导流冷却水的功能；设置油侧壳体，其上部通过其上设有压力表和截止阀的进油管与淬火油槽上部相连，其下部通过出油管与淬火油槽下部相连，其底部设有排污口；水侧壳体内部的底端与水侧隔板密封焊接，油侧壳体内部的顶端与油侧隔板密封焊接，油侧壳体内部设置油侧导流板，油侧导流板具有导流淬火油的功能；设置带螺旋槽热管，其管壳内外壁上设有螺旋沟槽，带螺旋槽热管分别穿设于水侧导流板的管孔中和油侧导流板的管孔中，并且分别与水侧隔板和油侧隔板密封焊接，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下方面：
（1）一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：该设备包括：
水侧壳体14，其顶部设有放气阀16，其上部通过其上设有压力表6和截止阀10的进水管13与水箱9上部相连，其下部通过其上设有循环水泵11的出水管12与水箱9下部相连，其底端与水侧隔板17密封焊接，
水侧导流板15，其设置于水侧壳体内，导流板上设有管孔，
油侧壳体22，其顶端与油侧隔板19密封焊接，其上部通过其上设有压力表和截止阀的进油管20与淬火油槽1上部相连，其下部通过出油管21与淬火油槽下部相连，油侧壳体底部设有排污口23，
油侧导流板30，其设置于油侧壳体内，导流板上设置管孔，
带螺旋槽热管18，其两侧分别穿设于水侧导流板的管孔中和油侧导流板的管孔中，并分别与水侧隔板和油侧隔板密封焊接，带螺旋槽热管的管壳内壁上开设螺旋沟槽，其中，带螺旋槽热管在水侧隔板和油侧隔板之间设有一定间隔。
（2）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：带螺旋槽热管18还包括：
吸液芯，其设置于管壳内壁上；
端盖，其设置于管壳两端端部，与管壳之间形成密闭空间，
其中，带螺旋槽热管18内部有工作液体。
（3）如上述（2）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：所述工作液体为水和乙醇的共沸混合物，它是通过相变来传递热量的。
（4）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：冷却水在水箱、进水管、水侧壳体、出水管之间形成循环回路；
淬火油在淬火油箱、进油管、油侧壳体、出油管之间形成循环回路。
（5）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和其回收余热的热管换热设备，其特征在于：
在水侧壳体内，沿竖直方向设置多个水侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于冷却水流通，进而经出水管流出；
在油侧壳体内，沿竖直方向设置多个油侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于被导流的油流通，进而经出油管流出。
（6）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：水侧导流板管孔壁与其内部穿设的带螺旋槽热管外壁之间密接，便于热量传导，水侧导流板外壁与管孔之间形成水侧导流通道，油侧导流板管孔壁与内部穿设的带螺旋槽热管外壁之间密接，便于热量传导，油侧导流板外壁与管孔之间形成油侧导流通道。
（7）如上述（1）或（5）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：设置多根带螺旋槽热管，每根带螺旋槽热管两侧都分别穿设于水侧导流板的管孔中和油侧导流板的管孔中，从而形成单程或多程水侧导流通道和单程或多程油侧导流通道。
（8）如上述（7）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：多程水侧导流通道相通；多程油侧导流通道相通。
（9）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：热管壳内壁上开设的螺旋沟槽沿着管壳壁呈螺旋状，该螺旋沟槽的两个出口分别设置于管壳的两端。
（10）如上述（1）所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：在进水管上，压力表设置于截止阀与水侧壳体之间；在进油管上，压力表设置于截止阀与油侧壳体之间。
根据本发明提供的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，通过带螺旋槽热管可以有效利用热能、提高冷却效率进而节约冷却水资源；通过密闭的水侧壳体可以不污染冷却水；该装置实现了冷却水的循环利用，并对淬火油释放的热量加以回收利用，被加热的冷却水可以当作采暖水或者作为工业生产工艺用热水，同时该设备还具有结构紧凑，体积小，安全可靠，传热效率高，流体阻力损小等优点。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备的系统示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备的结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备的带螺旋槽热管结构示意图。
图4示出传统的淬火油冷却系统的结构。
附图标号说明：
1-淬火油槽
2-过滤器
3-排污阀
4-循环油泵
5-节流阀
6-压力表
7-温度计
8-板式换热器
9-水箱
10-截止阀
11-循环水泵
12-出水管
13-进水管
14-水侧壳体
15-水侧导流板
16-放气阀
17-水侧隔板
18-带螺旋槽热管
19-油侧隔板
20-进油管
21-出油管
22-油侧壳体
23-排污口
30-油侧导流板
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在根据本发明一个优选的实施方式中，如图2中所示，提供一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，该设备包括：
水侧壳体14，其顶部设有放气阀16，其上部通过其上设有压力表6和截止阀10的进水管13与水箱9上部相连，其下部通过其上设有循环水泵11的出水管12与水箱9下部相连，其底端与水侧隔板17密封焊接，
水侧导流板15，其设置于水侧壳体内，导流板上设有管孔，
油侧壳体22，其顶端与油侧隔板19密封焊接，其上部通过其上设有压力表和截止阀的进油管20与淬火油槽1上部相连，其下部通过出油管21与淬火油槽下部相连，油侧壳体底部设有排污口23，
油侧导流板，其设置于油侧壳体内，导流板上设有管孔，
带螺旋槽热管18，其两侧分别穿设于水侧导流板的管孔中和油侧导流板的管孔中，并分别与水侧隔板和油侧隔板密封焊接，带螺旋槽热管的管壳内壁上开设螺旋沟槽，
其中，带螺旋槽热管在水侧隔板和油侧隔板之间具有间隔。
其中，水侧导流板外壁与管孔之间形成水侧导流通道，用于引导水侧壳体内冷却水的流通，油侧导流板外壁与管孔之间形成油侧导流通道，用于引导油侧壳体内淬火油的流通。
在一个优选的实施方式中，如图2中所示，带螺旋槽热管18为密闭结构，其包括：管壳、设于管壳内壁的吸液芯和设于管壳端部的端盖。将该热管内抽成1.3×(10-1～10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，带螺旋槽热管18的工作液体吸收了淬火油的热量后，通过蒸发将热量传递到冷却水中，进而完成了淬火油的冷却工序，
其中，带螺旋槽热管的位于油侧壳体内部的一端为蒸发段（即吸收热量），位于水侧壳体内部的一端为冷凝段（释放热量）。当蒸发段受热时工作液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压强差下流向另一端放出热量，释放出热量后蒸汽液化成水滴，通过吸液芯和重力液体回流蒸发段。如此不断循环，热量由热管的一端传至另一端。该热管较常规换热方式更安全、可靠，可长期连续运行；该热管的受热部分和放热部分结构设计和位置灵活，同时，由于结构紧凑占地空间小，因此适合于地面空间狭小和设备拥挤的场合，而且维修工作量小。该热管换热设效率高，节能效果显著。
在进一步优选的实施方式中，如图3中所示，所述管壳内壁上设置螺旋沟槽，这有利于减少了接触热阻。螺旋沟槽通过提高管内侧对流换热，将该传热元件总传热能力增大。这样就克服传统换热设备热效率低的难题，不需要二次换热就能达到冷却淬火油的目的，同时，螺旋沟槽管壁使流体在管内产生螺旋运动，并且具有一定的径向速度，从而有效地强化管内对流换热。使总传热系数显著提高，使换热器的换热管数量减少。
在更进一步优选的实施方式中，所述热管的外壁上也设置螺旋管槽，从而进一步提高换热传热效率。
其中，在加工过程中，螺旋沟槽的形式并无特殊限制，螺旋沟槽的螺旋角及节距可以调整、改变，以适应不同介质，并兼顾流动阻力。
在更进一步优选的实施方式中，所述工作液体是水和乙醇的共沸混合物。
在一个优选的实施方式中，在水侧壳体内部的底端设置水侧隔板，在油侧壳体的内部的顶端设置油侧隔板，带螺旋槽热管在水侧隔板和油侧隔板之间具有间隔。通过水侧隔板、油侧隔板可以更好的防止冷却水和淬火油发生混合，提高了该设备的安全系数。
在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述带螺旋槽热管的上部由下至上依次穿过水侧壳体的底部、水侧隔板，并且带螺旋槽热管与二者的连接处均密封；所述带螺旋槽热管的下部由上至下依次穿过油侧壳体的隔板，并且带螺旋槽热管与二者的连接处均密封。通过带螺旋槽热管将淬火油的热量传递到冷却水中，进而完成淬火油的冷却工作。
其中，所述带螺旋槽热管的数量不限，可以为多根。在这里，如果该设备中的一部分带螺旋槽热管破损，不影响该设备的正常运作。
在一个优选的实施方式中，如图1-2中所示，在水侧壳体内部设置水侧导流板，水侧导流板上设有管孔，带螺旋槽热管的上部穿设于水侧导流板的管孔中，水侧导流板管孔壁与热管外壁之间密接，便于热量迅速传导；在油侧壳体内部设置油侧导流板，油侧导流板上设有管孔，带螺旋槽热管的下部穿设于油侧导流板的管孔中，油侧导流板管孔壁与热管外壁之间密接，便于热量迅速传导；通过设置水侧导流板和油侧导流板还可以起到导流的作用，可以增大带螺旋槽热管与冷却水和淬火油的接触面积，从而提高冷却效率。
在进一步优选的实施方式中，在水侧壳体内，沿竖直方向设置多个水侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于冷却水流通，底部水侧导流板与水侧隔板之间也具有间隔，便于被导流的冷却水流动，进而经出水管流出；在油侧壳体内，沿竖直方向设置多个油侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于被导流的油流通，最下部油侧导流板与油侧壳体底部之间具有间隔，便于被导流的油流动，进而经出油管流出。
在进一步优选的实施方式中，设置多根带螺旋槽热管，分别穿设于上下依次设置的多个水侧导流板的管孔中和上下依次设置的多个油侧导流板的管孔中，从而形成多程水侧导流通道和多程油侧导流通道。
在更进一步优选的实施方式中，相邻水侧导流板内的水侧导流通道通过缺口彼此相通，从而所有水侧导流板内的水侧导流通道相通，相邻油侧导流板内的油侧导流通道通过缺口彼此相通，从而所有油侧导流板内的油侧导流通道相通，即多程水侧导流通道相通，多程油侧导流通道相通。
在一个优选的实施方式中，冷却水依次经由水箱、进水管、水侧壳体、出水管四者完成一次循环；通过此循环冷却水完成吸热工作，
淬火油依次经由淬火油箱、进油管、油侧壳体、出油管四者完成一次循环，通过此循环淬火油完成放热工作。
通过两个循环淬火油和冷却水之间完成热量的转换。
根据本发明优选实施方式的热负荷为1870kW的齿轮淬火油冷却器：
实施例1：该热管换热设备能量转换
该热管换热设备的主要设计参数如下：
设定原始设计参数：
冷却功率：1870kW
淬火油体积流量200m3/h
环境温度：30℃
设计计算的主要结果：
油侧热管换热器介质入口温度：80℃，出口温度61℃
油侧雷诺数Rei=5000
油侧对流换热系数：1455W/(m2℃)
水侧管间最大流速：1.5m/s
水侧对流换热系数：10905W/(m2℃)
冷却水进出口温度：30℃/46℃
热管换热器总传热系数：1003.6W/(m2℃)
对数平均温差：22.2℃
传热面积：83.95m2
油侧阻力（6程）：～180kPa
水侧阻力：＜100kPa以内
主要结构参数：
热管材料：碳钢
碳钢管32×2mm。
管长4.1m/根，74管并联一程，共6程，总管长1820m
对比例1：通过板式换热器油-水换热，淬火油的热量转变为热水供使用
设定原始设计参数：
供热功率：1870kW
淬火油流量200m3/h
油侧进出口温度:80/61℃
设计计算的主要结果：
油侧：
油侧流速：0.8m/s
油侧雷诺数Reo=512
油侧对流换热系数：1418W/(m2℃)
水侧：
水泵流量：163m3/h
水进出口温度：40℃/50℃
水侧流速：0.652m/s
水侧雷诺数：Rew=6905
水侧侧对流换热系数：8732W/(m2℃)
污垢热阻：3.52×10-4m2℃/W
板式换热器的总传热系数：853W/(m2℃)
对数平均温差：24.66℃
传热面积：88.86m2
油侧总阻力：113.4kPa
水侧总阻力：146.2kPa
主要结构参数：
换热器型号：BR0.6板式换热器
板片材质：不锈钢
端板材质：不锈钢
单通道横截面积：0.00024m2
板片组合：4×35/4×35
有效板片数：139
总板片数：141
当量直径：0.0064m
总换热面积：88.96m2
由实施例1和对比例1可以得出结论，同样产生1870kW的功率，本发明的热管换热设备可以将163m3/h冷却水温度提升16℃，而普通的板式换热器油-水换热设备只能将163m3/h的水温度提高10℃，由实施例1和对比例1可知，该热管换热设备的换热效率明显高于传统的板式换热器的换热效率。
其中，在实施例1中，该热管换热设备将163m3/h冷却水温度提升16℃相当于回收1870kW热量，相当于可节省相同功率的蒸汽采暖供热量，即每天的理论供热量达到1870×24×3600=161568MJ。
如果原煤的发热量按5000kcal/kg（20.9MJ/kg）计算，考虑到采暖锅炉的热效率70％左右，所以实际每天的节煤量大约为7.73×0.7=11吨。全年按300天工作日，总节煤数量将有3300吨。节约了大量煤炭资源的同时减少了6142.7吨二氧化碳的排放量。
根据本发明提供的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，通过带螺旋槽热管可以有效利用热能、提高冷却效率进而节约冷却水资源；通过密闭的水侧壳体可以不污染冷却水；该装置实现了冷却水的循环利用，并对淬火油释放的热量加以回收利用，被加热的冷却水可以当作采暖水或者作为工业生产工艺用热水，同时该热管换热器具有结构紧凑，安全可靠，传热效率高，流体阻力小,维修量少等优点。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：该设备包括：
水侧壳体（14），其顶部设有放气阀（16），水侧壳体（14）通过进水管（13）与水箱（9）上部相连，进水管上设有压力表（6）和截止阀（10）；水侧壳体（14）下部通过其上设有循环水泵（11）的出水管（12）与水箱（9）下部相连，水侧壳体（14）底端与水侧隔板（17）密封焊接成一体；
水侧导流板（15），其设置于水侧壳体内，水侧导流板上设有管孔；
油侧壳体（22），其顶端与油侧隔板（19）密封焊接成一体，油侧壳体（22）上部通过进油管（20）与淬火油槽（1）上部相连，进油管（20）上设有压力表（6）和截止阀（10），油侧壳体（22）下部的出油管（21）与淬火油槽（1）下部相连，油侧壳体底部设有排污口（23）；
油侧导流板（30），其设置于油侧壳体内，油侧导流板上设有管孔；和
带螺旋槽热管（18），其上下两部分分别穿设于水侧导流板管孔和油侧导流板管孔中，并分别与水侧隔板和油侧隔板密封焊接，带螺旋槽热管的管壳内壁上开设螺旋沟槽，
其中，带螺旋槽热管在水侧隔板和油侧隔板之间设有一定间隔。
2.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：带螺旋槽热管（18）还包括：
吸液芯，其设置于管壳内壁上；
端盖，其设置于带螺旋槽热管（18）的管壳两端端部，与管壳之间形成密闭空间；
其中，带螺旋槽热管（18）内部装有工作液体。
3.如权利要求2所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：所述工作液体为水和乙醇的共沸混合物。
4.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：冷却水在水箱、进水管、水侧壳体、出水管之间形成循环回路；淬火油在淬火油箱、进油管、油侧壳体、出油管之间形成循环回路。
5.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：
在水侧壳体内，沿竖直方向设置多个水侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于冷却水流通，进而经出水管流出；
在油侧壳体内，沿竖直方向设置多个油侧导流板，上下相邻两个水侧导流板的相对位置处开设缺口，便于被导流的油流通，进而经出油管流出。
6.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：水侧导流板管孔壁与其内部穿设的带螺旋槽热管外壁之间密接，便于热量传导，水侧导流板外壁与管孔之间形成水侧导流通道；油侧导流板管孔壁与内部穿设的带螺旋槽热管外壁之间密接，便于热量传导，油侧导流板外壁与管孔之间形成油侧导流通道。
7.如权利要求1或5所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：设置多根带螺旋槽热管，每根带螺旋槽热管都分别穿设于水侧导流板的管孔和油侧导流板的管孔中，从而形成单程或多程水侧导流通道和单程或多程油侧导流通道。
8.如权利要求7所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：多程水侧导流通道相通；多程油侧导流通道相通。
9.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：带螺旋槽热管管壳内壁上开设的螺旋沟槽沿着管壳内壁呈螺旋状，该螺旋沟槽的两端口分别设置于管壳的两端。
10.如权利要求1所述的一种淬火油冷却和回收其余热的热管换热设备，其特征在于：在进水管上，压力表设置于截止阀与水侧壳体之间；在进油管上，压力表设置于截止阀与油侧壳体之间。
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