CN106895727B - 一种翅片管换热器及其应用和余热锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器技术领域，公开了一种翅片管换热器及其应用和余热锅炉。所述翅片管换热器属径向传热热管，它具有传热效率高，轴向长度短，体积小，单位换热重量轻优势，管内无须设置吸芯,可借助第一层内管的内管翅片导流凝结水流到外管的内壁上吸热并得到蒸发，从而可以使外管整个内壁成为相变液体吸热蒸发表面积。所述翅片管换热器应用于工业余热上,既可以减少工业污染，也能充分利用工业余热，进行二次转换成能源供人类再次使用。所述余热锅炉采用热管组成的所述翅片管换热器进行热量回收，所述翅片管换热器体积小可以灵活布置在烟道上，而且热管属于径向传热极大地增加了在烟道中与废烟的换热面积，提高了换热效率。

Description

一种翅片管换热器及其应用和余热锅炉

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，更具体地，涉及一种翅片管换热器及其应用和余热锅炉。

背景技术

我们知道人类所使用的能源差不多会有80％以上是需要经过热能转换的过程，热能转换设备主要依靠换热设备来实现的。人类许多活动及生产实践都离不开能源，而我国大多数能源来自矿物质能源，矿物质能源消耗会产生导致对环境不利的气体排放。由此我国竭力倡导对清洁能源开发与利用，同时大力研究开发节能设备新产品新技术，而热能转换设备当属节能减排最为关键的设备。热管就是属于这种高效热能转换设备之一，且使用面非常广，主要应用于热电厂、冶炼厂、食品化工、医药、建材生产企业等。从过去采用毛细管虹吸形式热管，发展到今天重力式热管，再到套管式径向传热式热管以及磁力热管等等，种类繁多，按结构形式可区分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。发明人注意到径向传热式热管具有许多传统重力式热管无法比拟优势，在现有产品使用情况来看，套管式热管不仅具有生产成本低廉，其换热效率是传统重力热管1.2倍，虽然套管径向传热式热管的发明专利国内外已经有十几个了，但未发现有三层套管式热管。

我们知道热量是由高温处向低温处传递的，温差是传热的动力，人们生产实践都是希望热能从一个介质朝另一个介质方向传递或从一端向另一端传递，具有指定性和目标性的，因为热分子运动不具备方向性，所以在换热过程中我们尽可能使分子热能传递朝我们需要方向传递，就必须减小同侧介质温差，加大两侧需要热能交换的平均温差，这是有利于换热的，也是符合场协同理论的，场协同理论告诉我们：当两流体采用逆流换热方式时，若速度场横截面均匀一致时，还有温度梯度场在换热横截面大小相等时，其温度梯度场和速度场的矢量和夹角余弦值趋于零，那么场协同是最理想的，其换热效率也是最佳的。所以我们尽量把换热形式变得使同侧热流弱化，异侧换热热流最大化，因为热分子运动是没有方向性可言，也无法去阻止同侧由温差导致热能选择无益的同侧方向传递，只有优化两侧流体流动方式，使温度梯度场趋于均匀一致，从而赢得换热效率最大化。

目前各种余热锅炉是回收烟气热量的一种装置，为提供热能回收效率，其使用范围广泛，多采用热管组成的换热器进行热量回收的锅炉，中国专利ZL200820167661.3公开了一种套管式余热锅炉，现有技术中由于需要增大换热面积导致了换热器往往体积太大，而且换热效率还不高，往往通过换热以后的热水由于循环时间太久也导致了水温不高，效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，根据场协同理论，提供一种传热效率高，轴向长度短，体积小的翅片管换热器。

本发明还提供所述翅片管换热器的应用，应用于余热和低温热源。

本发明还提供一种设有所述翅片管换热器的余热锅炉。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种翅片管换热器，包括进水管、出水管和连接所述进水管和出水管的热管，所述热管还设有管板用于固定热管，所述热管采用并联或串联的方式与进水管和出水管连接；

所述热管包括不同直径的第一层内管、第二层内管和外管，所述第一层内管和第二层内管组成双层内管，所述第一层内管套有第二层内管；所述外管套有双层内管；所述第一层内管和第二层内管相通；所述第一层内管和外管之间为封闭结构并构成环形通道热管，所述第一层内管工作介质可以与环形通道热管工作介质进行换热；所述环形通道热管与外部进行换热；所述双层内管工作介质循环进出都在所述热管的一端用于实现双层内管同侧同工作介质逆流换热，所述环形通道热管内设有内管翅片，所述内管翅片设在第一层内管上，所述内管翅片不与外管内壁接触，所述内管翅片与外管内壁间距为0.1～1mm，所述内管翅片上设有裂口，形成气体的通道用于气体自由流动，所述热管的外壁设有外管翅片；所述双层内管的工作介质可以是水，所述环形通道热管工作介质为水、氟利昂、甲醇、丙酮、油等一种或多种介质。

本发明热管采用三层套管结构形式，首先是热管的外管通过吸收烟气热能或外界其它热能，致使外管与双层内管之间的环形通道热管工作介质汽化，已汽化了具有潜热的工作介质无须沿着较长的轴向方向运动而流向冷凝端，而是沿着径向轴心短距离流动去传递热能，并可迅速无阻力地向着轴心短距离流动，把潜热释放给第一层内管的水，自己又重新冷凝成液体，就这样反复汽化、冷凝，周而复始地相变运动着，冷凝段与蒸发段均在环形通道热管中；而第一层内管的水获得环形通道热管内工作介质潜热后又沿径向方向传递给第二层内管里的水。而通过第一层内管水与第二层内管水逆流同介质换热后，这双层内管内的水轴向温差会变小，从而减少了不利的换热因素，把轴向温差缩小就会相应增大径向平均温差，可提高换热效率。

本发明热管设计加强了两种逆流换热方式的结合紧密度，第一种是双层内管在轴向空间上同介质换热的逆流，第二种是径向上双层内管同介质和环形通道热管4介质在时间上的逆流换热，从而实现了两维度逆流换热方式，致使整体平均换热温差变得最大化，这是有助于提高热管换热效率的，热管单位换热量的体积得到缩小，并降低了热管成本。

本发明热管采用三层套管结构方式的热管，与现有套管式热管及传统的重力式热管不同之处在于更进一步加强了径向传热能力，增大径向传热深度(换热流程)，使径向两侧传热介质平均温差最大化，并极大削弱同侧轴向传热不利因素，充分利用场协同理论，把温度梯度场与流体速度场很好有机协同起来，使热流密度向着热管径向方向传递，设有内管翅片和外管翅片，增强了热管传热能力，以使气液两侧换热能力趋于平衡，提高热管综合换热能力，缩小设备单位换热量体积，并且换热系数也得到很大的提高，可节约热能，热管生产企业可降低生产成本，设备运行企业可得到能耗降低。

本发明因为热管的内管介质循环进出口是在同一端，所以热管组合方式简单，可以把热管倒立成排组合，也可以垂直组合以及横放组合。

进一步地，所述进水管和出水管都位于热管的一端，并且可拆卸地与热管连接；由于进水管和出水管都位于热管的一端，安装方便灵活，而可拆卸连接使得换热器维修、清理烟垢也容易许多,而且还可以缩小换热器体积，灵活布置进水管和出水管的位置。

优选地，所述第二层内管两端均为开口结构，所述进水管与第二层内管相连接，所述出水管与第一层内管一端连接，所述第一层内管的另一端为封闭结构。

进一步地，所述第一层内管和第二层内管之间还设有第一隔热层，所述第一隔热层工作介质循环进出口处；由于工作介质进出都在热管的一端，因此在热管内设有第一隔热层以避免把换来的较高温度热量被较低温度同介质流体吸走，并把温度降下来。

进一步地，所述进水管与出水管之间还设有第二隔热层，防止进水管与出水管之间存在热交换。

优选地，所述进水管与出水管之间平行排列，所述进水管、出水管均与热管垂直，多种热管组合排列方式可以适应不同的需要，可以根据实际情况调整以保证换热器能达到体积小、布置方便、换热面积最大的效果。

本发明提供一种所述翅片管换热器的应用，应用于余热和低温热源的利用；所述翅片管换热器可以针对工业废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量，还可以应用在低温热源，如土壤热源、生活废水等，通过热交换处理以后，一方面可以减少余热排放对环境的影响，另一面可以充分利用余热，实现二次转换供人类再次使用。

本发明还提供一种设有所述翅片管换热器的余热锅炉，包括翅片管换热器、锅筒和设置锅筒外的烟道，所述翅片管换热器设置在烟道内，所述进水管与冷水接口连接，所述出水管与锅筒连接。

本发明余热锅炉中翅片管换热器进水管通入冷水，然后与高温废烟进行热交换以后水温升高通过出水管排出到锅筒中作为二次利用。

优选地，所述热管与烟道垂直，由于热管属于径向传热，因此与烟道垂直能保证热管与高温废烟的换热面积最大，换热效率最高。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明翅片管换热器属径向传热换热器，它具有传热效率高，轴向长度短，体积小，单位换热重量轻优势。

本发明翅片管换热器无须设置吸芯，可借助第一层内管的内管翅片导流凝结水流到外管的内壁上吸热并得到蒸发，从而可以使外管整个内壁成为相变液体吸热蒸发表面积，比之常规套管式热管吸热而蒸发的表面积要大许多，因为常规套管式热管液体相变介质是沉积在热管底部的，其蒸发表面积非常有限，对比离心套管式热管亦然如此，不过该类套管式热管虽然蒸发表面积有些增大，这是靠躺卧放置的，致使其使用方式受到限制，相较采用吸芯来导流凝结水的热管其液体阻力要小许多。

本发明翅片管换热器没有绝热段，外管与第一层内管间封闭所形成的环形通道热管没有绝热段，从而使本发明热管集约化程度大幅提高，也相应降低了成本，使蒸汽以非常短距离方式流动，减少蒸汽流动阻力，加快了循环速度。

本发明翅片管换热器设置内管翅片以加强第一层内管外壁气相侧换热能力，使气液两侧换热能力趋于平衡，可降低成本，提高换热效率。

本发明翅片管换热器双层内管工作介质进出口设计在同一端便于安装与维修，热管垂直倒立皆适宜，其使用范围进一步得到扩大。

本发明翅片管换热器冷凝段与蒸发段融为一体均设在环形通道热管中，缩小了整个热管体积及长度，同时蒸汽流程阻力减小，冷凝液流动阻力也变小，致使气-液相变循环速度得到加快。

本发明翅片管换热器散热方式可灵活多样，既可以采用远距离方式，也可以采用就近方式散热，同样，既可以采用风冷散热，也可以采用水冷方式散热，根据实际情况选择。

本发明翅片管换热器双层内管工作介质采用逆流换热，逆流换热平均温差可实现最大化，可使双层内管轴向温差变小，减小同侧传热的不利因素。

本发明翅片管换热器作为在余热、低温热源领域的应用，一方面可以减少工业废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量排放对环境的影响，另一面可以充分利用余热、低温热源，实现二次转换供人类再次使用。

本发明余热锅炉采用热管组成的所述翅片管换热器进行热量回收，所述翅片管换热器体积小可以灵活布置在烟道上，而且热管属于径向传热极大地增加了在烟道中与废烟的换热面积，提高了换热效率；热管采用逆流换热，逆流换热平均温差可实现最大化，解决了传统余热锅炉中因为换热以后的热水由于循环时间太久也导致了水温不高的问题；并且本发明余热锅炉不需要再设置水套管，进一步地约了成本。

附图说明

图1实施例1翅片管换热器结构示意图。

图2实施例1Ⅰ部分放大图。

图3实施例1Ⅱ部分放大图。

图4实施例1翅片管换热器剖视图。

图5实施例2翅片管换热器结构示意图。

图6实施例3余热锅炉结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1～4所示，本实施例提供一种翅片管换热器，包括进水管2、出水管3和连接进水管2和出水管3的热管1，热管1还设有管板4用于固定热管1，热管1采用并联的方式与进水管2和出水管3连接；

热管1包括不同直径的第一层内管12、第二层内管11和外管13，第一层内管12和第二层内管11组成双层内管，第一层内管12套有第二层内管11；外管13套有双层内管；第一层内管12和第二层内管11相通；第一层内管12和外管13之间为封闭结构并构成环形通道热管17，第一层内管12工作介质可以与环形通道热管17工作介质进行换热；环形通道热管17与外部进行换热；双层内管工作介质循环进出都在热管1的一端用于实现双层内管同侧同工作介质逆流换热，环形通道热管17内设有内管翅片14，内管翅片14设在第一层内管12上，内管翅片14不与外管13内壁接触，内管翅片14与外管13内壁间距为0.5mm，内管翅片14上设有裂口，形成气体的通道用于气体自由流动，热管1的外壁设有外管翅片15；内管翅片14围着第一层内管12外壁呈梅花状分布，热管1上还设有连接法兰16。双层内管的工作介质为水，环形通道热管17工作介质为氟利昂。

进水管2和出水管3都位于热管1的一端，并且可拆卸地与热管1连接,第二层内管12两端均为开口结构，进水管2与第二层内管11相连接，出水管3与第一层内管12一端连接，第一层内管12的另一端为封闭结构,第一层内管12和第二层内管11之间还设有第一隔热层31，第一隔热层31设在进水管2和出水管3进出口处,进水管2与出水管3之间还设有第二隔热层21,进水管2与出水管3之间平行排列,进水管2、出水管3均与热管1垂直。

本实施例环形通道热管17优于现行热管绝热段结构形式，并形成蒸发段包围冷凝段结构方式，使之变得更加紧凑,由此可以百分之百实现此间快速相变传热方式，由汽化吸收潜热再到冷凝释放潜热，这比导热方式实现热传递效率要高得多，潜热释放与潜热吸收过程是跃迁式实现热量的转移，一般热导体传热方式是无法比拟的，简直不是一个数量级的传热。

本实施例设有第一隔热层31和第二隔热层21避免了把换来的较高温度热量被较低温度同介质流体吸走，并把温度降下来的问题。

本实施例设有内管翅片14，这不仅有利于加速水蒸汽的冷凝速度，也有利于气液两侧换热能力趋于平衡，因为气态流体比液态流体换热系数低许多，增加水蒸气换热面积，有利于两侧换热能力平衡，也相对减少了金属材料的消耗量，使热管变得更加紧凑些，体现单位体积换热能力的增强；而且内管翅片14在这里可以替代管内的吸芯，内管翅片14与外管13内壁距离适当到可以搭凝结水水桥，用于将第一层内管11的液态水通过内管翅片14导流到外管13内壁吸热而蒸发。

本实施例翅片管采用三层套管结构方式的热管，与现有套管式热管及传统的重力式热管不同之处在于更进一步加强了径向传热能力，增大径向传热深度(换热流程)，使径向两侧传热介质平均温差最大化，并极大削弱同侧轴向传热不利因素，充分利用场协同理论，把温度梯度场与流体速度场很好有机协同起来，使热流密度向着热管径向方向传递，设有内管翅片14和外管翅片15，增强了热管传热能力，以使气液两侧换热能力趋于平衡，提高热管综合换热能力，缩小设备单位换热量体积，并且换热系数也得到很大的提高，可节约热能，热管生产企业可降低生产成本，设备运行企业可得到能耗降低。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，热管1采用串联的方式与进水管2和出水管3连接。

实施例3

如图6所示，本实施例提供一种设有所述翅片管换热器的余热锅炉，包括翅片管换热器、锅筒106和设置锅筒外的烟道104，翅片管换热器设置在烟道104内，进水管102与冷水接口105连接，出水管103与锅筒106连接，热管101与烟道104垂直。

本实施例是翅片管换热器在工业余热上的一个应用，本发明翅片管换热器不需要外壳，体积较小，能够非常灵活的布置在烟道104内，而且热管101与烟道104垂直充分利用了径向传热这一特征，实现了最大的换热面积，同时进水管102与冷水接口105连接，通入冷水作为工作介质，出水管103与锅筒106连接，输出换热以后的热水至锅筒106中作为二次利用，不需要额外增加新的水循环设备，成本较低，换热效果好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，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。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之内。

Claims (8)

1.一种翅片管换热器，其特征在于，包括进水管、出水管和连接所述进水管和出水管的热管，所述热管还设有管板用于固定热管，所述热管采用并联或串联的方式与进水管和出水管连接；

所述热管包括不同直径的第一层内管、第二层内管和外管，所述第一层内管和第二层内管组成双层内管，所述第一层内管套有第二层内管；所述外管套有双层内管；所述第一层内管和第二层内管相通；所述第一层内管和外管之间为封闭结构并构成环形通道热管，所述第一层内管工作介质可以与环形通道热管工作介质进行换热；所述环形通道热管与外部进行换热；所述双层内管工作介质循环进出都在所述热管的一端用于实现双层内管同侧同工作介质逆流换热，所述环形通道热管内设有内管翅片，所述内管翅片设在第一层内管上，所述内管翅片不与外管内壁接触，所述内管翅片与外管内壁间距为0.1～1mm，所述内管翅片上设有裂口，形成气体的通道用于气体自由流动，所述热管的外壁设有外管翅片；

所述进水管和出水管都位于热管的一端，并且可拆卸地与热管连接，所述第一层内管和第二层内管之间还设有第一隔热层，所述第一隔热层设在工作介质循环进出口处；

所述内管翅片围着第一层内管外壁呈梅花状分布；

所述双层内管的工作介质为水，环形通道热管工作介质为氟利昂。

2.根据权利要求1所述翅片管换热器，其特征在于，所述第二层内管两端均为开口结构，所述进水管与第二层内管相连接，所述出水管与第一层内管一端连接，所述第一层内管的另一端为封闭结构。

3.根据权利要求1所述翅片管换热器，其特征在于，所述进水管与出水管之间还设有第二隔热层。

4.根据权利要求1所述翅片管换热器，其特征在于，所述进水管与出水管之间平行排列。

5.根据权利要求1所述翅片管换热器，其特征在于，所述进水管、出水管均与热管垂直。

6.一种根据权利要求1～5任意一项所述翅片管换热器的应用，其特征在于，应用于余热和低温热源的利用。

7.一种设有权利要求1～5任意一项所述翅片管换热器的余热锅炉，其特征在于，包括翅片管换热器、锅筒和设置锅筒外的烟道，所述翅片管换热器设置在烟道内，所述进水管与冷水接口连接，所述出水管与锅筒连接。

8.根据权利要求7所述余热锅炉，其特征在于，所述热管与烟道垂直。

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