CN107764090A - 一种基于表面改性的高效管式换热器装置及换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尾气余热高效利用领域，具体公开了一种基于表面改性的高效管式换热器装置，包括筒体，疏油丝网，接油设备，自旋扰流内构件，轴承，自旋扰流内构件固定轴和自旋扰流内构件下支撑板；筒体的底端设置有气体入口和接油设备，气体入口上方设置疏油丝网，自旋扰流内构件；筒体上端设置有气体出口；所述筒体内壁和自旋扰流内构件表面均设置有疏油疏水层。本发明装置的疏油丝网能够过滤气体中含油结焦物，结焦物通过接油设备收集，减少含油结焦物进入筒体内粘附；自旋扰流内构件在气流的驱动下，自行旋转增加流体的扰动，提高气体对换热面的“冲刷”作用，有效抑制结垢并提高换热效率；疏油疏水层能够避免含油结焦物粘附，持续提高换热效率。

Description

一种基于表面改性的高效管式换热器装置及换热系统

技术领域

本发明涉及尾气余热高效利用领域，具体为一种基于表面改性的高效管式换热器装置及换热系统。

背景技术

煤炭是中国目前最重要的一次能源，在我国能源结构中占据重要位置。经过二十多年的发展，中国很多地区的煤炭基本实现了清洁转化利用，煤化工也取得了长足的进步。现如今，煤炭广泛应用于电力、供热等领域。

中低温干馏技术被称为煤炭分质分级利用的“龙头”，低温干馏生产高质量的煤炭是较为普遍采用的工艺。其中，煤气热值可达33.5-37.7MJ/m3。在实际生产中，煤炭生产尾气中的热量采用喷洒大量的循环氨水急冷降温，经降温后温度仍为100-300℃，需要进入后续的尾气回收利用工段。

然而，由于煤结构的复杂性，特别是煤的热解过程产生的煤气中焦油蒸汽和煤尘的结垢等问题一直是阻碍其余热回收的关键因素，油垢附着在换热表面，使传热系数显著下降，热回收难以长期有效进行。携带热量的尾气大部分直接排放，造成严重的能源浪费。

针对煤低温干馏生产过程中的特殊高温尾气，传统的管式换热器设置的静止内构件换热器压降大，五角芯结构内构件可实现换热性能可达135％，但阻力却增加了286％。螺旋纽带内构件的换热强化效果，换热性能可达160％，但阻力增加了9倍。螺旋线圈内构件，其换热强化性能为150％，阻力却增加10倍左右。上述采用的静止内构件，虽然可以较好地实现传热过程强化，但由于阻力增加较大，不适合压降要求比较苛刻的尾气余热回收过程。而且传统管式换热器内表面极容易被结焦物粘附，结焦物粘附的换热器换热效率极大的降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于表面改性的高效管式换热器装置及换热系统，增大换热效率，减小换热阻力，减小换热器内表面被结焦物粘附。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，包括筒体，疏油丝网，接油设备，自旋扰流内构件，轴承，自旋扰流内构件固定轴和自旋扰流内构件下支撑板；所述筒体的底端设置有气体入口和接油设备，气体入口的出气端面不低于与接油设备进油端面；气体入口上方的筒体内固定设置有疏油丝网，疏油丝网上方的筒体内固定设置有自旋扰流内构件下支撑板，所述自旋扰流内构件下支撑板上设置有排气孔；自旋扰流内构件下支撑板上方连接有自旋扰流内构件固定轴，自旋扰流内构件固定轴上安装有轴承，轴承的外端连接有自旋扰流内构件；筒体上端设置有气体出口；所述筒体内壁和自旋扰流内构件表面均设置有疏油疏水层。

所述疏油丝网设置为中间高，四周低的结构。

所述疏油丝网的下方设置有气体再分布板，气体再分布板上开设有若干排气孔；气体再分布板连接在筒体内壁，气体再分布板与筒体内壁设置有用于油和粉尘通过的间隙；气体再分布板位于气体入口和接油设备上方。

所述疏油丝网在筒体内平行设置3—15层。

所述自旋扰流内构件设置成扇叶形。

所述自旋扰流内构件固定轴上设置有轴承夹套，轴承夹套位于轴承两侧。

所述自旋扰流内构件固定轴上端设置有自旋扰流内构件上支撑板，自旋扰流内构件上支撑板上设置有排气孔，自旋扰流内构件上支撑板连接在筒体内壁。

所述自旋扰流内构件固定轴在筒体内设置3—12根。

所述疏油疏水层为聚四氟乙烯层。

一种包含基于表面改性的高效管式换热器装置的换热系统，其特征在于，包括气体输入系统，换热器装置和热输出系统；气体输入系统包括导气管，导气管的一端连接换热器装置气体出口；热输出系统包含热交换物料筒，筒体设置在热输出系统包含热交换物料筒内部，热交换物料筒设置有物料入口和物料出口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明换热器装置在筒体的底端设置有气体入口和接油设备，气体入口上方的筒体内固定有疏油丝网，疏油丝网能够过滤气体中含油结焦物，过滤后的含油结焦物通过接油设备收集，减少含油结焦物进入筒体内导致粘附物减小导热效率；筒体内固定自旋扰流内构件下支撑板，自旋扰流内构件下支撑板通过自旋扰流内构件固定轴，轴承设置自旋扰流内构件，自旋扰流内构件在气流的驱动下，能够自行旋转，增加流体的扰动，提高气体对换热面的“冲刷”作用，减小传热边界层厚度，有效抑制结垢并提高换热效率；并且自旋能够降低气体阻力；疏油疏水层能够避免含油结焦物粘附在筒体内壁和自旋扰流内构件表面，进一步阻止热边界层变厚，持续提高换热效率。

进一步地，本发明的疏油丝网设置为中间高，四周低的结构。这样的结构使得过滤网上的油污沿着筒体内壁流向接油设备。

进一步地，本发明的疏油丝网的下方设置有气体再分布板，气体再分布板上的排气孔能够将气体分散的更加均匀。

进一步地，本发明的疏油丝网在筒体内平行设置3—15层，3—15层的设置方式，使得滤油的效果更好。

进一步地，本发明的自旋扰流内构件设置成扇叶形，扇叶形使得自旋扰流内构件旋转更加平稳，转动得更好。

进一步地，本发明的自旋扰流内构件固定轴上设置有轴承夹套，轴承夹套位于轴承两侧，轴承夹套固定轴承最终限位自旋扰流内构件，使得自旋扰流内构件位置排布的更加稳固。

进一步地，本发明的自旋扰流内构件固定轴上端设置有自旋扰流内构件上支撑板，自旋扰流内构件上支撑板通过固定自旋扰流内构件固定轴，最终限位自旋扰流内构件，使得自旋扰流内构件位置排布的更加稳固。

进一步地，本发明的自旋扰流内构件固定轴在筒体内设置3—12根，3—12根的设置使得自旋扰流内构件固定轴分布的更加均匀。

进一步地，本发明的疏油疏水层为聚四氟乙烯层，聚四氟乙烯层抗酸抗碱、抗各种有机溶剂，结构更稳定，使用更方便。

进一步地，本发明还提供了一种包含基于表面改性的高效管式换热器装置的换热系统，包括气体输入系统，换热器装置和热输出系统，热输出系统包含热交换物料筒，热交换物料筒设置在筒体外层，实现高效换热。

附图说明

图1为本发明管式换热器装置的结构示意图；

图2为本发明自旋扰流内构件下支撑板的示意图；

图3为本发明换热系统的结构示意图；

图4为表面改性换热器与表面未改性换热器实验结果图；

图5为自旋扰流内构件换热器与静止的平板扰流内构件换热器传热性能对比图；

图6为自旋扰流内构件换热器与静止的平板扰流内构件换热器压降特性对比图。

图中：1为筒体；2为疏油丝网固定支架；3为自旋扰流内构件下支撑板；4为自旋扰流内构件固定轴；5为自旋扰流内构件上支撑板；6为气体出口；7为轴承夹套；8为轴承；9为自旋扰流内构件；10为疏油丝网；11为气体再分布板；12为气体入口；13为接油设备；14高温储液罐；15为鼓风机；16为油滴注射器；17为气体流量计；18为导气管；19为入口气体测温仪；20为液体流量计；21为热交换物料筒；22为出口气体测温仪；23为泵；24为球阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1—6，本发明基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，包括筒体1，疏油丝网10，接油设备13，自旋扰流内构件9，轴承8，自旋扰流内构件固定轴4和自旋扰流内构件下支撑板3；所述筒体1的底端设置有气体入口12和接油设备13，气体入口12的出气端面不低于与接油设备13进油端面；气体入口12上方的筒体1内固定设置有疏油丝网10，疏油丝网10上方的筒体1内固定设置有自旋扰流内构件下支撑板3，所述自旋扰流内构件下支撑板3上设置有排气孔；自旋扰流内构件下支撑板3上方连接有自旋扰流内构件固定轴4，自旋扰流内构件固定轴4上安装有轴承8，轴承8的外端连接有自旋扰流内构件9；筒体1上端设置有气体出口6；所述筒体1内壁和自旋扰流内构件9表面均设置有疏油疏水层。

所述疏油丝网10设置为中间高，四周低的结构。所述疏油丝网10设置为锥形结构。

所述疏油丝网10的下方设置有气体再分布板11，气体再分布板11上开设有若干排气孔；气体再分布板11连接在筒体1内壁，气体再分布板11与筒体1内壁设置有用于油和粉尘通过的间隙；气体再分布板11位于气体入口12和接油设备13上方。

所述疏油丝网10在筒体1内平行设置3-15层。

所述自旋扰流内构件9设置成扇叶形。

所述自旋扰流内构件固定轴4上设置有轴承夹套7，轴承夹套7位于轴承8两侧。

所述自旋扰流内构件固定轴4上端设置有自旋扰流内构件上支撑板5，自旋扰流内构件上支撑板5上设置有排气孔，自旋扰流内构件上支撑板5连接在筒体1内壁。

所述自旋扰流内构件固定轴4在筒体1内设置3-12根。

所述疏油疏水层为聚四氟乙烯层。

一种包含基于表面改性的高效管式换热器装置的换热系统，其特征在于，包括气体输入系统，换热器装置和热输出系统；气体输入系统包括导气管18，导气管18的一端连接换热器装置气体出口6；热输出系统包含热交换物料筒21，筒体1设置在热输出系统包含热交换物料筒21内部，热交换物料筒21设置有物料入口和物料出口。热交换物料筒与筒体之间设置有用于热输出物料通过的间隙。

所述疏油丝网10是不锈钢材料制成的。

自旋扰流内构件9实现“宏观扰动”+“构筑纳微结构表面实现自清洁”的高效管式换热器是高温尾气余热利用的当务之急。因此，研究低温干馏生产过程尾气余热高效利用具有重要的理论和实际意义。

热交换物料筒21与筒体1的组合体外表面设置有保温材料层。

所述管式换热器的下方设置高温气体入口12，上方设置高温气体出口6。多层疏油丝网10内置于管式换热器下部。自旋式扰流内构件9内置于管式换热器中。

高温尾气通过气体入口进入管式换热器，经过多层疏油丝网10，“过滤”污浊油分，使高温尾气中的油滴含有率降低，从而得到含油分较少的高温尾气。

通过疏油丝网固定支架2来固定疏油丝网10。

高温尾气随后通过管式换热器内的自旋扰流内构件9，增加流体的扰动，提高换热效果。

高温尾气通过气体出口6离开管式换热器。

管式换热器内壁和自旋扰流内构件9进行表面疏油改性处理。

多层疏油丝网10平行设置3-15层；优选地，设置3-10层；更优选地，设置4-7层；最优选地，设置5-6层。

自旋扰流内构件固定轴并列设置3-12根；优选地，设置3-9根；更优选地，设置3-6根。

疏油改性方法包括溶剂-非溶剂法、化学腐蚀法、刻蚀法、静电喷涂法等；优选地，内壁疏油改性方法选择静电喷涂法，内构件表面采用酸化后静电喷涂法。

自旋扰流内构件包括齿轮形，星形，花瓣形等；优选地，选择花瓣扇叶形。

所述静电喷涂方法所用的原料为聚四氟乙烯。

所述花瓣扇叶形扰流内构件表面进行疏油疏水改性。

本发明流程简单化，不需要油气分离器；

疏油丝网效果显著，可“过滤”高温尾气中的油分；

自旋扰流内构件9在尾气流的驱动下，内构件可自行旋转，增加流体的扰动，增加流体的扰动，提高气体对换热面的“冲刷”作用，减小传热边界层厚度，有效抑制结垢并提高换热效果；

疏水疏油内壁和自旋扰流内构件表面可实现自清洁作用；

该管式换热器结构紧凑，占地面积小。

高温尾气从气体入口12进入管式换热器，然后通过多层疏油丝网10，“过滤”高温尾气中的油分。随后，通过扰流内构件9，增加流体的扰动，提高气体对换热面的“冲刷”作用，减小传热边界层厚度，提高换热效果。高温尾气中的含水组分，由于扰流件表面和管式换热器内壁均疏油改性，减小了高温尾气中易结焦物质与表面的粘附性。

本发明自旋扰流内构件下支撑板3，与自旋扰流内构件上支撑板5结构相同，其上都分布有排气孔。

图3中高温储液罐14蒸发出高温气体，经过鼓风机15送入导气管18，气体流量计17控制进入传热管中高温气体的流量，同时油滴注射器16向导热管中注射油滴，模拟含油高温尾气，高温尾气随后进入管式换热器。水经过泵23，通过液体流量计20控制水的流量，随后进入热交换物料筒21与筒体1之间的间隙，并且通过入口气体测温仪19和出口气体测温仪22测定换热效率。

实施例1

管内介质是空气，由风机输送，流经调节阀后经空气流量计计量流量后进入管式换热器内管(内构件安装在管内)，管隙走蒸汽，蒸汽由蒸汽发生器生产。初步设计出的自旋内构件可以在兰炭尾气的驱动下自动旋转。对以上装置进行对比实验

组一是为改性组，换热器筒体1和自旋扰流内构件9用电镀喷涂疏油疏水材料改性，使用低温干馏生产过程中产生的馏分油模拟油分，经鼓风机带出的高温蒸汽携带馏分油进入高效管式换热器；

组二为未改性组，将换热器水平放入污油垢槽(低温干馏生产过程中产生的馏分油)中浸泡一天，使油垢附着在换热管筒体1表面，模拟未改性的现有换热器筒体表面，然后组装进行实验；

将两组换热器运转一天后，进行实验数据的收集，两组实验结果图4所示：

由图4可知，改性组(自旋扰流内构件表面和换热管内壁进行疏水疏油改性后)换热器的努塞尔准数Nu约为140，未改性组换热器的努塞尔准数Nu为65。所以改性后换热器的传热性能明显提高。

实施例2

采用相同外径筒体、相同个数内构件和相同流量条件下，对本发明自旋扰流内构件换热器和现有平板内构件换热器的传热和压降性能进行测试，实验结果如图5和图6所示：

由图5可知，自旋扰流内构件换热器努塞尔准数Nu约为140，而静止的平板扰流内构件换热器的努塞尔准数Nu约为75，由此可知，自旋扰流内构件换热器的传热性能明显优于静止的平板扰流内构件换热器。

由图6可知，自旋扰流内构件换热器的压降约为3500Pa，静止的平板扰流内构件换热器压降为1870Pa左右。自旋式的换热器压降明显地低于静止平板换热器压降。

综合图5和图6可知，自旋内构件换热器综合性能优于静止扰流内构件换热器。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，包括筒体(1)，疏油丝网(10)，接油设备(13)，自旋扰流内构件(9)，轴承(8)，自旋扰流内构件固定轴(4)和自旋扰流内构件下支撑板(3)；所述筒体(1)的底端设置有气体入口(12)和接油设备(13)，气体入口(12)的出气端面不低于与接油设备(13)进油端面；气体入口(12)上方的筒体(1)内固定设置有疏油丝网(10)，疏油丝网(10)上方的筒体(1)内固定设置有自旋扰流内构件下支撑板(3)，所述自旋扰流内构件下支撑板(3)上设置有排气孔；自旋扰流内构件下支撑板(3)上方连接有自旋扰流内构件固定轴(4)，自旋扰流内构件固定轴(4)上安装有轴承(8)，轴承(8)的外端连接有自旋扰流内构件(9)；筒体(1)上端设置有气体出口(6)；所述筒体(1)内壁和自旋扰流内构件(9)表面均设置有疏油疏水层。

2.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述疏油丝网(10)设置为中间高，四周低的结构。

3.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述疏油丝网(10)的下方设置有气体再分布板(11)，气体再分布板(11)上开设有若干排气孔；气体再分布板(11)连接在筒体(1)内壁，气体再分布板(11)与筒体(1)内壁设置有用于油和粉尘通过的间隙；气体再分布板(11)位于气体入口(12)和接油设备(13)上方。

4.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述疏油丝网(10)在筒体(1)内平行设置3—15层。

5.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述自旋扰流内构件(9)设置成扇叶形。

6.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述自旋扰流内构件固定轴(4)上设置有轴承夹套(7)，轴承夹套(7)位于轴承(8)两侧。

7.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述自旋扰流内构件固定轴(4)上端连接有自旋扰流内构件上支撑板(5)，自旋扰流内构件上支撑板(5)上设置有排气孔，自旋扰流内构件上支撑板(5)连接在筒体(1)内壁。

8.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述自旋扰流内构件固定轴(4)在筒体(1)内设置3—12根。

9.根据权利要求1所述的基于表面改性的高效管式换热器装置，其特征在于，所述疏油疏水层为聚四氟乙烯层。

10.一种包含权力要求1—9所述任意一种基于表面改性的高效管式换热器装置的换热系统，其特征在于，包括气体输入系统，换热器装置和热输出系统；气体输入系统包括导气管(18)，导气管(18)的一端连接换热器装置气体出口(6)；热输出系统包含热交换物料筒(21)，筒体(1)设置在热输出系统包含热交换物料筒(21)内部，热交换物料筒(21)设置有物料入口和物料出口。