CN104613800A - 内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热管的热量交换的换热装置，特别是：内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置；内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，包括内扰流片外翅片紊流超导热管和换热装置；其中：内扰流片外翅片紊流超导热管设在和换热装置内部；该内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，该内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，以内扰流片外翅片紊流超导热管为换热元件制造的换热装置，提高了重力式热管的综合性能，体积小，重量轻，不积灰、易清理、无露点腐蚀、寿命长。

Description

内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置

技术领域

本发明涉及热管的热量交换的换热装置，特别是：内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置。

背景技术

目前，热管是航天技术民用化产物，重力式热管，用于余热回收得到普遍引用，节能效果良好。随着热管应用领域的扩大和使用温度范围的变化，对热管技术特别是工质稳定性，传热效率，提出了更高的要求。

锅炉尾部烟气的热量加热燃料燃烧所需空气以提高锅炉效率的热交换设备。空气预热器就是锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面。用于提高锅炉的热交换性能，降低能量消耗。目前常用的为管箱式空气预热器，工作原理较为简单，烟气从管箱外部流经，空气从管箱内部通过，通过温差不同传热。管式空气预热器的主要传热部件是薄壁钢管。管式空气预热器多呈立方形，钢管彼此之间垂直交错排列，两端焊接在上下管板上。管式空气预热器在管箱内装有中间管板，烟气顺着钢管上下通过预热器，空气则横向通过预热器，完成热量传导。管式空气预热器的优点是密封性好、传热效率较高、易于制造和加工，因此多应用在电站锅炉和工业锅炉中。管式空气预热器的缺点是体积大、钢管内容易堵灰、不易于清理、露点腐蚀严重和烟气进口处容易磨损。

发明内容

本发明的发明目的是：提供一种内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，该内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，以内扰流片外翅片紊流超导热管为换热元件制造的换热装置，提高了重力式热管的综合性能，体积小，重量轻，不积灰、易清理、无露点腐蚀、寿命长。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：

内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，包括内扰流片外翅片紊流超导热管和换热装置；其中：内扰流片外翅片紊流超导热管设在和换热装置内部；所述内扰流片外翅片紊流超导热管，包括热管下封头、工质、外凹螺纹、内凸螺纹、分界档、扰流片、内镀膜、高频螺旋焊翅片、热管、热管上封头；所述换热装置包括换热器壳体、壳体支架、落灰斗、烟气进口法兰、烟气出口法兰、空气进口法兰、空气出口法兰、观察口、外护板、热管支架、下隔板、定距支架和中隔板。

所述热管下封头、热管上封头和热管为同一钢管，采用加热旋压制作。

所述热管为碳钢，管内装扰流片后钝化，管内注入工质后抽真空。

所述真空度为-4Pa。

所述工质为中温工质；所述工质为：多次蒸馏水、丙三醇、硫酸钾、碳酸钠、铬酸钾、氧化钾组成；其比例为88∶2∶1∶3∶5∶1。

所述工质注入量为热管总容积的25～30％。

多次蒸馏水：具有不导电的性质和低渗作用，作为主要导热介质。电阻率25℃≥10x104Ωcm、锰≤0.00001％、铁≤0.0004％、氯≤0.0005％、透明度无色透明。

丙三醇：熔点20℃，沸点290℃(分解)，相对密度1.2613(20/4℃)。

硫酸钾：密度2.66g/cm3。熔点1069℃。

碳酸钠：易溶于水，其水溶液呈碱性，具有盐的通性和热稳定性。

铬酸钾：用于金属防锈剂。

所述热管上采用三辊轧机轧制外凹螺纹和内凸螺纹。

所述外凹螺纹2-3采用三辊轧机轧制，用于增加热管的换热面积；螺纹管的有效换热面积相当于光管的1.15倍；以轧辊的凸台保证螺纹的形状和尺寸的，螺纹深度不低于2.5mm；钢管在碾压成螺纹管过程中，碾压部位产生塑性变形，外表面形成凹陷，可有效增加热管的换热面积。经过轧制优化了钢管的弹性，由于弹性变形的重要特征具有可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。可以充分利用弹性变形，有效地清理积灰和结焦等。

所述内凸螺纹2-4采用用三辊轧机轧制，内螺纹2-4使普通热管变成紊流超导热管；钢管在碾压成螺纹管过程中，碾压部位产生塑性变形，内表面形成凸起，以轧辊的凸台保证螺纹的形状和尺寸，内凸螺纹高度h＝0.5mm。

热管传热的载体工质为液体，工质在管内流动并与管壁进行换热时，是导热和对流换热同时存在的。由于管壁与工质之间存在着吸附力，工质会吸附在管壁上。流过管线的工质形成一个与粘度对应的速度。工质与壁面形成的速度近管壁的工质的流速较低，处于层流状态，层流传热主要是依靠导热来实现，边界层中的热阻占对流传热总热阻的70％左右。工质在管内作湍流运动并与管壁进行换热时，离开壁面距离y处的热流密度是由分子的导热和湍流输运所构成的，可用公式表述为：

$q=-(\mathrm{\λ}+\mathrm{\ρ}{C}_p{\mathrm{\ϵ}}_h)(\∋T/\∋y)$

式中，λ是流体的导热系数；ε_h是流体的扩散系数，它与流体的性质、流动速度、离开壁面的距离和壁面状况有关。可见，在管壁面上设置扰流装置可以强化近壁部分的湍流状态，降低边界层流层的厚度，提高对流管的换热效果。螺纹管一般采用碾压的方法加工而成的。在螺纹外形成连续的螺旋凹槽，管内形成连续的螺旋凸起，而形成强度不同、大小不一的漩涡。这些漩涡改变了工质的流动形态，增加了近壁区的湍流程度，减少了近管壁层流层的厚度，也使对流换热热阻降低。例外当工质流过凸起时由于轴向的惯性力作用受到障碍物(凸起)的阻碍时，产生分离管壁及重新接触，拉薄边界层，人为的迫使形成壁面剪切流，壁面剪切流中的扰动逐渐增长，使流动失稳而形成紊流斑，最后形成紊流，从而提高了工质与管壁的对流换热系数。紊流的特点是具有流体质点相互混掺，运动无序，质点紊动引起的传质、传热和传递动量扩散性能。

利用紊流的特点提高热管的效率，试验L＝500mm相同规格的热管传热时间快3秒。由于紊动产生附加切应力，也破坏了管内表面胶质层，保证热管潜热持久放热。

所述分界档与热管焊接连接，为热管的受热段和放热段，因工艺要求不同，两段的长度不同，用分界档确立。

所述扰流片装在热管内，扰流片厚度0.2mm，材质Q235B。

所述扰流片在热管内转角为0°-180°，扰流片与管体两端点焊；扰流片转角与热管管内温度有关，热管管内工作温度0～250℃转角90°，热管管内工作温度250～450℃转角为180°。扰流片与管体一同进行钢水不相容的热处理。热管传热的载体为液体，当热管的一端受热时液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿管壁或依靠重力的作用流回蒸发段，扰流片沿热管的轴向布置，扰流片的宽度等于热管内壁，紧贴管壁，与热管为过渡配合。一般情况下管壁的温度高于管芯的温度，液体会自然地沿着扰流片回流，扰流片不同于有芯热管的管芯，没有轴向阻力，对于管内气液两相流的变化，增加了液体的同流通道。避免工质干涸。极大地提高潜热的导热效率。工艺简单，成本低廉。

所述内镀膜采用高温镀膜在热管内，镀膜厚度0.15mm。

碳钢-水热管的相容性问题是世界性问题，影响热管的使用寿命。

相容性是指水在高温下会与碳钢的铁单体发生反应，产生不凝性气体，影响热管的传热性能。既然热管内不凝气体在世界范围内都没有从根本上解决，就应该从减缓上下功夫，目前有效的方法是钝化法。本发明采用高温镀膜技术，镀膜厚度0.15mm，热管的使用寿命10年以上。

所述高频螺旋焊翅片焊接在热管表面；翅片的焊合率大于95％。高频螺旋焊翅片是在热管表面通过增加导热性较强的金属片，增大换热装置的换热表面积，提高换热效率。

所述高频焊螺旋翅片的翅片螺旋方向、片距与螺纹方向和螺距一致。所述高频焊螺旋翅片的翅片为钢带，在钢带缠绕钢管的同时，利用高频电流的集肤效应和邻近效应，对钢带和钢管外表面加热，直至塑性状态或熔化，在缠绕钢带的一定压力下完成焊接。

所述换热器壳体采用壳体支架支撑，换热器壳体下端设落灰斗，用于承接积灰用。

所述换热器壳体上设烟气进口法兰和烟气出口法兰；所述烟气进口法兰与锅炉连接；所述烟气出口法兰与烟囱连接。

所述换热器壳体上的烟气进、出口法兰的上端设空气进口法兰和空气出口法兰。所述空气进口法兰与鼓风机连接；空气出口法兰与锅炉连接。

所述换热器壳体上设观察口；设观察口运行时密封，检查时打开，检查寄回情况。

所述换热器壳体上设热管支架；用于固定热管。

所述设热管支架上安装下隔板。

所示下隔板上安装定距支架。

所述定距支架上设中隔板；所述中隔板为吸热段和放热段分界板。

所述定距支架根据工艺要求设计，确定吸热断和放热段距离。

所述下隔板与中隔板在同一中心，保证热管同心。

所述换热器壳体外部设外护板；外护板用于密封烟气和空气。

本发明内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置的热管、内扰片外翅片紊流超导热管，规格、数量根据工艺要求确定，利用分界档固定在换热器中，分界档与换热器的中隔板焊接。本发明内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置的换热器壳体，可以根据工艺要求设计的不同尺寸、形状的一个密封体，换热元件至于其中。

本发明内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置的热管在专用的螺纹三辊轧机的碾压下轧制出内凸外凹螺纹，根据螺纹的螺距，调整翅片间距，采用高频螺旋焊机焊接螺旋翅片。将扰流片穿入螺纹管中，螺旋片一端焊接固定，转角90-180°后点焊。将带有翅片的管体放入酸洗槽中酸洗，烘干，再放入高温钝化槽中钝化，烘干。钝化后旋压封头。将封头一端孔堵死，焊接。按运行工艺要求配制的工质再按制造工艺要求注入到热管中。抽真空。抽真空后将热管的另一端堵死，焊接。换热装置为一结构件组合成的箱体，将箱体组对后，热管置入中隔板空中，用热管中档与中隔板固定，焊接。

附图说明

图1为本发明内扰片外翅片紊流超导热管的外部结构示意图。

图中：换热器壳体1-1、壳体支架1-2、落灰斗1-3、烟气进口法兰1-4、烟气出口法兰1-5、空气进口法兰1-6、空气出口法兰1-7、观察口1-8。

图2为图1的内部结构示意图。

图中外护板1-9、热管支架1-10、下隔板1-11、定距支架1-12、中隔板1-13、2-9热管、

图3为图2中2的内部结构剖视图。、

图中热管下封头2-1、工质2-2、外凹螺纹2-3、内凸螺纹2-4、分界档2-5、扰流片2-6、内镀膜2-7、高频螺旋焊翅片2-8、热管2-9、热管上封头2-10。

具体实施方式

下面根据附图(图1、图2、图3所示)对本发明作进一步的说明：

内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，包括内扰流片外翅片紊流超导热管2和换热装置1；其中：所述内扰流片外翅片紊流超导热管2设在和换热装置1内部；所述内扰流片外翅片紊流超导热管2，包括热管下封头2-1、工质2-2、外凹螺纹2-3、内凸螺纹2-4、分界档2-5、扰流片2-6、内镀膜2-7、高频螺旋焊翅片2-8、热管2-9、热管上封头2-10；所述换热装置1包括换热器壳体1-1、壳体支架1-2、落灰斗1-3、烟气进口法兰1-4、烟气出口法兰1-5、空气进口法兰1-6、空气出口法兰1-7、观察口1-8、外护板1-9、热管支架1-10、下隔板1-11、定距支架1-12和中隔板1-13(图1、图2、图3所示)。

图3中所示

所述热管下封头2-1、热管上封头2-10和热管2-9为同一钢管，采用加热旋压制作。所述热管2-9为碳钢，管内装扰流片后钝化，管内装入工质后抽真空。所述热管2-9上采用三辊轧机轧制外凹螺纹2-3和内凸螺纹2-4。所述分界档2-5与热管焊接连接，为热管2-9的受热段和放热段。所述扰流片2-6装在热管内，扰流片厚度0.2mm，材质Q235B。所述扰流片2-6在热管内转角为180°，所述内镀膜2-7，采用高温镀膜在热管2-9内，镀膜厚度0.15mm。所述高频螺旋焊翅片2-8焊接在热管2-9表面；翅片的焊合率大于95％。所述高频焊螺旋翅片2-8的翅片螺旋方向、片距与螺纹方向和螺距一致。

图1所示

所述换热器壳体1-1采用壳体支架1-2支撑，换热器壳体1-1下端设落灰斗1-3，用于承接积灰用。所述换热器壳体1-1上设烟气进口法兰1-4和烟气出口法兰1-5。所述换热器壳体1-1上烟气进、出口法兰的上端设空气进口法兰1-6和空气出口法兰1-7。所述换热器壳体1-1上设观察口1-8。

图2所示

所述换热器壳体1-1上设热管支架1-10；用于固定热管2-9。所述设热管支架1-10上安装下隔板1-11。所示下隔板1-11上安装定距支架1-12。所述定距支架1-12上设1-13中隔板；所述1-13中隔板为吸热段和放热段分界板。所述定距支架1-12根据工艺要求设计，确定吸热断和放热段距离。所述下隔板1-11；与中隔板1-13在同一中心，保证热管同心。所述换热器壳体1-1外部设外护板1-9；外护板1-9用于密封烟气和空气。

本发明内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，在实际工作中的应用：

例如；应用在加热炉上的小热管，已经列为国家标准。

热管加热炉普遍应用在油田的采油和输油管线上，用热管作为传热元件可使加热炉的体积减小30％。

例如；热管空气预热器、热管省煤器已形成企业标准。

热管空气预热器在23吨注汽锅炉的尾部加装，提高锅炉运行效率5-8％。

热管空气预热器用在辽河电厂75吨循环硫化床锅炉已经安全运行10年，运行受寿命比列管式换热器提高5倍。

热管空气预热器在沈阳中天供暖公司40吨/时工业锅炉，排烟温度由350℃降到190℃。

热管空气预热器在长春供暖公司20吨/时供暖锅炉，连续运行8年，没有因为排烟温度较低结露。

热管空气预热器在天津河东供暖公司供暖锅炉房，20吨/时锅炉3台因为没有预留位置，采用异型分离式结构成功实现安装。

热管省煤器在盘锦大众宾馆3台6吨/时蒸汽锅炉，回水温度提高5℃，稳定运行8年，不用检修，较之铸铁省煤器运行受寿命提高4倍。

热管省煤器在盘锦华润啤酒2台10吨/时蒸汽锅炉，已经连续运行10年，运行效率保持稳定。

热管换热器在甘肃金昌铁厂，鞍钢、抚钢、承德钢厂用于回收炼铁预热和余热锅炉。

在盘锦郊区热管热风炉在大棚中被广为使用，既安全又环保。

Claims (17)

1.一种内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，包括内扰流片外翅片紊流超导热管和换热装置；其特征在于，内扰流片外翅片紊流超导热管设在和换热装置内部；所述内扰流片外翅片紊流超导热管，包括热管下封头、工质、外凹螺纹、内凸螺纹、分界档、扰流片、内镀膜、高频螺旋焊翅片、热管、热管上封头；所述换热装置包括换热器壳体、壳体支架、落灰斗、烟气进口法兰、烟气出口法兰、空气进口法兰、空气出口法兰、观察口、外护板、热管支架、下隔板、定距支架和中隔板。

2.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述热管下封头、热管上封头和热管为同一钢管，采用加热旋压制作。

3.根据其权利要求2所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述热管为碳钢，管内装扰流片后钝化，管内注入工质后抽真空。

4.根据其权利要求3所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述真空度为-4Pa。

5.根据其权利要求3所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述工质为中温工质；所述工质为多次蒸馏水、丙三醇、硫酸钾、碳酸钠、铬酸钾、氧化钾组成；其比例为88∶2∶1∶3∶5∶1。

6.根据其权利要求3所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述工质的注入量为热管总容积的25～30％。

7.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述热管上采用三辊轧机轧制外凹螺纹和内凸螺纹。

8.根据其权利要求7所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述外凹螺纹采用三辊轧机轧制，用于增加热管的换热面积。

9.根据其权利要求7所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述内凸螺纹采用三辊轧机轧制，内螺纹使普通热管变成紊流超导热管；内凸螺纹高度h＝0.5mm。

10.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述分界档与热管焊接连接，为热管的受热段和放热段。

11.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述扰流片装在热管内，扰流片厚度0.2mm。

12.根据其权利要求11所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述扰流片在热管内转角为0°-180°。

13.根据其权利要求11所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述内镀膜采用高温镀膜在热管内，镀膜厚度0.15mm。

14.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述高频螺旋焊翅片焊接在热管表面；翅片的焊合率大于95％。

15.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述高频焊螺旋翅片的翅片螺旋方向、片距与螺纹方向和螺距一致。

16.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述换热器壳体采用壳体支架支撑，换热器壳体下端设落灰斗；所述换热器壳体上设烟气进口法兰和烟气出口法兰；所述换热器壳体的烟气进、出口法兰的上端设空气进口法兰和空气出口法兰；所述换热器壳体上设观察口。

17.根据其权利要求1所述的内扰流外翅片紊流超导热管及换热装置，其特征在于，所述换热器壳体上设热管支架；用于固定热管；所述设热管支架上安装下隔板；所示下隔板上安装定距支架；所述定距支架上设中隔板；所述中隔板为吸热段和放热段分界板；所述下隔板；与中隔板在同一中心，保证热管同心；所述换热器壳体外部设外护板；外护板用于密封烟气和空气。