CN105466266A - 一种冷热分流的多管程节能蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热分流的多管程节能蓄热器，包括竖直设置的圆柱形筒体、通过法兰分别连接在筒体上下端的两个半球形封头，所述筒体上下端和两个半球形封头之间还设置有筒体端板，位于上端的半球形封头上设置有热流体出口，位于下端的半球形封头上设置有热流体进口，所述筒体的内壁上下端分别设置有环形导流槽，两个环形导流槽之间设置有若干冷流体直管、冷流体蛇形管，所述筒体外圆周壁设置有冷流体进出口，两个筒体端板之间均匀设有若干热流体蛇形管，所述热流体蛇形管及冷流体直管、冷流体蛇形管之间的空隙中填充有蓄热材料，本发明使蓄热加热过程变得自动可控，解决了传统蓄热器物流污染问题，同时大大提高换热效率以及蓄热能力。

Description

一种冷热分流的多管程节能蓄热器

技术领域

本发明涉及传热及节能技术领域，特别是涉及一种冷热分流的多管程节能蓄热器。

背景技术

随着能源危机及环境污染的加剧，节约能源已越来越引起人们的重视，各种节能技术已被人们广泛使用。蓄热器作为一种节能设备，可以储存热量，灵活地利用热量，同时具有性能好，可靠性高，储热密度大和几乎恒定的换热温度等优势，传统的蓄热器在结构上没有进行细致研究，导致蓄热量不大，低流量物料换热效率不高，不能对物料温度进行控制，而且蓄热器在结构上没有将冷热流体分开，不能解决物料污染的问题，为了解决上述问题，提出一种冷热分流的多管程节能蓄热器，通过冷热分流的方法，可以实现废酸等难以直接换热的气体余热回收，低流量物料余热高效回收。采用经向翅片管，增大了换热面积，优化了换热过程，在蓄热器内部空腔间填充蓄热材料，达到蓄热目的；同时采用多管程的方法，有效地控制了对流体出口温度的控制，以达到生产过程中的需要。

发明内容

针对蓄热量不大，低流量物料换热效率不高，不能对物料温度进行控制，物料污染的问题提出了一种冷热分流的多管程节能蓄热器，在一定程度上提高了蓄热量，使低流量物料换热效率大幅提高，实现冷热分管解决物料污染问题，同时也使得流体温度具有可控性。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种冷热分流的多管程节能蓄热器，包括竖直设置的圆柱形筒体、通过法兰分别连接在所述筒体上下端的两个半球形封头，所述筒体上下端和两个半球形封头之间还设置有将筒体内腔和半球形封头内腔相隔离的筒体端板，位于所述筒体上端的半球形封头上设置有热流体出口，位于所述筒体下端的半球形封头上设置有热流体进口，所述筒体的内壁上下端分别设置有与相邻筒体端板形成环形密封容腔的环形导流槽，两个环形导流槽之间沿两个同心圆轨迹分别均匀地设置有若干连通两个环形导流槽的冷流体直管、冷流体蛇形管，所述筒体外圆周壁上端设置有连通位于所述筒体的内壁上端的环形导流槽的冷流体进口，外圆周壁下端设置有连通位于所述筒体的内壁下端的环形导流槽的冷流体出口，两个筒体端板之间均匀地设置有若干连通两个半球形封头内腔的热流体蛇形管，所述热流体蛇形管及冷流体直管、冷流体蛇形管之间的空隙中填充有蓄热材料。本方案采用冷热管分流的方式，热流体从下端半球形封头上的热流体进口进入到多个热流体管中，冷流体从筒体上方右侧的冷流体进口处进入，经过环形导流槽，均匀进入到各个冷流体管中，在此过程中，冷热分流同行，也可以只通热流体不通冷流体，这时就是单纯的蓄热；只通冷流体，这时就是单纯加热；冷热同行的时候就是蓄热、加热同时进行，使蓄热加热过程变得可控，解决了传统蓄热器物流污染问题，同时大大提高了换热效率以及蓄热能力。

进一步地，所述热流体蛇形管及冷流体蛇形管上均设置有流量调节阀，冷热流体的比热容一般不同，因此可以通过流量调节阀调节冷热流体的流量，即改变阀门的开度的方法，来改变和调整出口流体的温度。

进一步地，所述热流体蛇形管及冷流体蛇形管上均设置有温度传感器，温度传感器可与标度变换电路相接，经标度变换电路变换后通过光柱电平驱动电路进行数字显示，数显可与电动单元组合仪表、可编程序控制器或计算机连用，经计算机处理反馈到控制电路，对阀门开度控制以实现对温度的控制。

进一步地，所述冷流体直管、热流体蛇形管和冷流体蛇形管的直线段外壁沿周向均匀分布有若干与管道轴线平行的翅片，让蓄热器管道间拥有足够的换热面积，提高换热效率。

进一步地，相邻管道上的翅片的最小间隔不低于20mm，以减少在填充蓄热材料时对工艺物流产生过大的流动阻力。

进一步地，所述翅片的横截面呈曲边三角形，此形状的翅片根部厚一些，其向外延伸部分可以加工得薄一些，由于越靠近管道温度越高，此时接触面积越大，蓄热效果越好，因此根部要厚，而延伸部分由于离管道较远，对蓄热量影响不大，可以做得薄一些，有利于节省材料，同时，靠近管道部分热应力大，做的厚一些，有利于延长翅片的寿命和焊接，翅片的材质可以是铝、铜、钢等复合材料。

进一步地，所述翅片的表面均匀设置有凹槽，用于嵌入固体蓄热材料，既可增大蓄热材料的填充量，还增大蓄热材料和翅片的换热面积，加强蓄热器的蓄热量。

进一步地，所述的蓄热材料为膨胀石墨，膨胀石墨除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能意外，又由于其特殊成型工艺及特殊的微观组织，而具有天然石墨所没有的柔软、回弹性、低的应力松弛等。

进一步地，所述筒体由外到内依次包括金属层、绝热层和耐高温层，所述绝热层采用绝热材料或者是真空绝热。

进一步地，所有冷流体管横截面面积之和与所有热流体管的横截面面积之和相一致，当冷流体管的数量不同于热流体管的数量时，通过设置不同的管道直径，减少两者在换热时的管内流体工质的流量差，使其尽可能保持一致，以获得较高的换热效率，而管道材质与需要处理的流体性质对应，例如具有腐蚀性的高温酸性气体进入热流体管时，管道材料需要采用耐腐蚀，耐高温材料；而冷流体管进入空气时就只需要用耐高温材料即可。

相比现有技术，本发明的优点包括：此蓄热器旨在通过对于结构设计的完善以及创新，提高其蓄热能力以及冷却效率，其主要的创新点在于：

1.多管程可调节流量，能对温度进行定量检测并对出口温度施以控制，实现化工生产的需要。

2.空间设计合理，管道安排紧凑在提高换热效率的同时提高了空间利用率，节约制作成本，提高经济效率。

3.采用冷热管分流，使换热过程变得可控，解决物料污染的问题。

4.在冷流体进口处设置环形导流槽，改变了传统蓄热器空气单向流动的状态，使气体能均匀进入到各个冷气管口，强化了换热。

5.采用多管程的设计可以实现低流量物料余热的回收利用。

6.采用轴向翅片管换热，通过焊接轴向翅片，大大强化了其换热能力，采用曲边三角形（根部厚，外延薄）结构，节省材料的同时还加大了蓄热量，避免热应力过高，有利于延长翅片的寿命，在翅片上设置凹槽，有能增大蓄热材料的填充量，使换热面积增大，强化了其蓄热、换热能力。

7.一个蓄热器实现多种用途，只通热流体的时候为单纯蓄热，只通冷流体为单纯的加热，两者同时既可以实现蓄热也可以实现加热。

附图说明

图1本发明中蓄热器总体结构示意图。

图2是图1中A-A处的环形导流槽截面示意图。

图3为图1中B-B处截面示意图。

图4为冷流体直管和冷热流体蛇形管直管部分的翅片结构示意图。

图中所示为：1-环形导流槽，2-冷流体直管，3-流量调节阀，4-冷流体蛇形管，5-热流体进口，6-冷流体出口，7-温度传感器，8-蓄热材料，9-筒体，10-冷流体进口，11-法兰，12-半圆形封头，13-热流体出口，14-热流体蛇形管，15-筒体端板，16-翅片，17-凹槽。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图3所示，一种冷热分流的多管程节能蓄热器，包括竖直设置的圆柱形筒体9、通过法兰11分别连接在所述筒体9上下端的两个半球形封头12，所述筒体9上下端和两个半球形封头2之间还设置有将筒体9内腔和半球形封头12内腔相隔离的筒体端板15，位于所述筒体9上端的半球形封头12上设置有热流体出口13，位于所述筒体9下端的半球形封头12上设置有热流体进口5，所述筒体9的内壁上下端分别设置有与相邻筒体端板15形成环形密封容腔的环形导流槽1，两个环形导流槽1之间沿两个同心圆轨迹分别均匀地设置有若干连通两个环形导流槽1的冷流体直管2、冷流体蛇形管4，所述筒体9外圆周壁上端设置有连通位于所述筒体9的内壁上端的环形导流槽1的冷流体进口10，外圆周壁下端设置有连通位于所述筒体9的内壁下端的环形导流槽1的冷流体出口6，两个筒体端板15之间均匀地设置有若干连通两个半球形封头12内腔的热流体蛇形管14，所述热流体蛇形管14及冷流体直管2、冷流体蛇形管4之间的空隙中填充有蓄热材料9，所述的蓄热材料9为膨胀石墨，膨胀石墨除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能意外，又由于其特殊成型工艺及特殊的微观组织，而具有天然石墨所没有的柔软、回弹性、低的应力松弛等。本实施例采用冷热管分流的方式，热流体从下端半球形封头12上的热流体进口5进入到多个热流体蛇形管14中，冷流体从筒体9上方右侧的冷流体进口10处进入，经过环形导流槽1，在环形导流槽1空腔内部环形流动，遇到冷流体直管2和冷流体蛇形管4时往下流，所以冷流体可以均匀进入到各个冷流体管中，在此过程中，冷热分流同行，也可以只通热流体不通冷流体，这时就是单纯的蓄热；只通冷流体，这时就是单纯加热；冷热同行的时候就是蓄热、加热同时进行，使蓄热加热过程变得可控，解决了传统蓄热器物流污染问题，同时大大提高了换热效率以及蓄热能力。

具体而言，所述热流体蛇形管14及冷流体蛇形管4上均设置有流量调节阀3，冷热流体的比热容一般不同，因此可以通过流量调节阀调节冷热流体的流量，即改变阀门的开度的方法，来改变和调整出口流体的温度。

具体而言，所述热流体蛇形管14及冷流体蛇形管4上均设置有温度传感器7，如Pt100铂电阻，Pt100铂电阻是一种常用的温度传感器，其温度测量范围在-200-850℃之间。可与标度变换电路相接，经标度变换电路变换后通过光柱电平驱动电路进行数字显示，数显可与电动单元组合仪表、可编程序控制器或计算机连用，经计算机处理反馈到控制电路，对阀门开度控制以实现对温度的控制。

如图4所示，所述冷流体直管2、热流体蛇形管14和冷流体蛇形管4的直线段外壁沿周向均匀分布有四片与管道轴线平行的翅片16，让蓄热器管道间拥有足够的换热面积，提高换热效率，同时，所述翅片16的横截面呈曲边三角形，且表面均匀设置有和石墨直径大小相当的凹槽17，用于嵌入固体蓄热材料，既可增大蓄热材料8的填充量，还增大蓄热材料8和翅片16的换热面积，加强蓄热器的蓄热量。此形状的翅片16根部厚一些，其向外延伸部分可以加工得薄一些，由于越靠近管道温度越高，此时接触面积越大，蓄热效果越好，因此根部要厚，而延伸部分由于离管道较远，对蓄热量影响不大，可以做得薄一些，有利于节省材料，同时，靠近管道部分热应力大，做的厚一些，有利于延长翅片16的寿命和焊接，翅片16的材质可以是铝、铜、钢等复合材料。另外，相邻管道上的翅片16的最小间隔不低于20mm，以减少在填充蓄热材料8时对工艺物流产生过大的流动阻力。

具体而言，所述筒体9由外到内依次包括金属层、绝热层和耐高温层，所述绝热层采用绝热材料或者是真空绝热。

具体而言，所有冷流体管横截面面积之和与所有热流体管的横截面面积之和相一致，当冷流体管的数量不同于热流体管的数量时，通过设置不同的管道直径，减少两者在换热时的管内流体工质的流量差，使其尽可能保持一致，以获得较高的换热效率，而管道材质与需要处理的流体性质对应，例如具有腐蚀性的高温酸性气体进入热流体管时，管道材料需要采用耐腐蚀，耐高温材料；而冷流体管进入空气时就只需要用耐高温材料即可。

整个蓄热器竖直放置，蓄热器分成三部分制造，然后通过连接部件和焊接密封组装在一起，制作过程大致如下：

首先制作出如图1所示的筒体9、对应大小的半球形封头12和法兰11；其次制作出如图4的翅片16，把四片翅片16均匀焊接在管道上；再次利用铸造的方式制作出冷、热流体蛇形管，在弯头部位打开，装上流量调节阀3和温度传感器7；最后制作出如图1和图2所示环形导流槽1及打出与冷流体直管2和冷流体蛇形管4直径相当的圆孔，制作出冷流体直管2，然后把翅片16焊接在冷流体直管2和冷热流体蛇形管4直管部分。

最后把各管道系统和筒体9焊接在一起，并开好冷流体进口和出口，填入蓄热材料8，把两个半球形封头12和筒体9用法兰11连接在一起，整个密封的蓄热器就组装好了。

使用时，热流体从下端半球形封头12上的热流体进口进入5到热流体蛇形管14中，冷流体从筒体9上方右侧的冷流体进口10处进入，经过环形导流槽1，均匀进入到各个冷流体直管2中和冷流体蛇形管4中，热流体蛇形管14的热量通过热传导传给蓄热材料8，蓄热材料8又传导给冷流体，或者热流体直接热辐射把热量传给冷流体，在此过程中，冷热分流同行。也可以只通热流体不通冷流体，这时就是单纯的蓄热；只通冷流体，这时就是单纯加热；冷热同行的时候就是蓄热、加热同时进行。在进行过程中温度传感器7随时监测管道流体温度，根据生产需要，用自动化系统控制流量调节阀3开度，实现温度可控。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热分流的多管程节能蓄热器，包括竖直设置的圆柱形筒体(9)、通过法兰(11)分别连接在所述筒体(9)上下端的两个半球形封头(12)，所述筒体(9)上下端和两个半球形封头(12)之间还设置有将筒体(9)内腔和半球形封头(12)内腔相隔离的筒体端板(15)，其特征在于：位于所述筒体(9)上端的半球形封头(2)上设置有热流体出口(13)，位于所述筒体(9)下端的半球形封头(12)上设置有热流体进口(5)，所述筒体(9)的内壁上下端分别设置有与相邻筒体端板(15)形成环形密封容腔的环形导流槽(1)，两个环形导流槽(1)之间沿两个同心圆轨迹分别均匀地设置有若干连通两个环形导流槽(1)的冷流体直管(2)、冷流体蛇形管(4)，所述筒体(9)外圆周壁上端设置有连通位于所述筒体(9)的内壁上端的环形导流槽(1)的冷流体进口(10)，外圆周壁下端设置有连通位于所述筒体(9)的内壁下端的环形导流槽(1)的冷流体出口(6)，两个筒体端板(15)之间均匀地设置有若干连通两个半球形封头(12)内腔的热流体蛇形管(14)，所述热流体蛇形管(14)及冷流体直管(2)、冷流体蛇形管(4)之间的空隙中填充有蓄热材料(9)。

2.根据权利要求1所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述热流体蛇形管(14)及冷流体蛇形管(4)上均设置有流量调节阀(3)。

3.根据权利要求2所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述热流体蛇形管(14)及冷流体蛇形管(4)上均设置有温度传感器(7)。

4.根据权利要求1所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述冷流体直管(2)、热流体蛇形管(14)和冷流体蛇形管（4）的直线段外壁沿周向均匀分布有若干与管道轴线平行的翅片(16)。

5.根据权利要求4所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：相邻管道上的翅片(16)的最小间隔不低于20mm。

6.根据权利要求4所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述翅片(16)的横截面呈曲边三角形。

7.根据权利要求4所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述翅片(16)的表面均匀设置有凹槽(15)。

8.根据权利要求1所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述的蓄热材料(8)为膨胀石墨。

9.根据权利要求1所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所述筒体(9)由外到内依次包括金属层、绝热层和耐高温层，所述绝热层采用绝热材料或者是真空绝热。

10.根据权利要求1所述的冷热分流的多管程节能蓄热器，其特征在于：所有冷流体直管(2)、冷流体蛇形管(4)横截面面积之和与所有热流体蛇形管(14)的横截面面积之和相一致。