CN110108135A - 改进型水流动层换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进型水流动层换热器，该换热器整体呈长方体，内部空心；包括进烟口、均烟段、换热段、水流动层、刮水板和排烟口；高温烟气由进烟口进入，经均烟段，换热段、水流动层、刮水板，由排烟口排入大气中，其特征在于：在进烟口处设有均风板，所述的均风板与进烟口之间设有一定的角度；所述的换热段为有一块不锈钢孔板，孔板上开了很多圆孔，孔径的尺寸经过严格的设计计算获得；孔板的上部设有换热管；所述的水流动层形成于孔板之上，水层的厚度取决于气体流量、气体的阻力要求，水层厚度要求高于换热管，低温的换热介质从管内流过，将热量带走；刮水板位于水流动层之上，在水层冷凝下来的多余的冷凝水以及被刮水板刮下来的水滴会通过侧面的溢流口管道排出；通过设定均风板的角度配合废气排气量，保证水流动层维持相应的高度区间。

Description

改进型水流动层换热器
技术领域
本发明涉及一种换热器，其特别涉及到一种回收废气热量的换热器。
背景技术
之前我公司研发了第一代“水流动层换热器”，其原理是利用一台小型循环水泵，在孔板的上部换热部分维持一定的液位厚度，只要孔板漏液的速度小于水泵的水量，就可以确保“水层”保持稳定。
第一代产品的换热效率比传统的换热器提高了5~10倍，但是依然存在一些不足，比如：
1、 由于“水层”的厚度是固定的，废气要通过水层就需要一定的压力，当风量足够的时候，风压足以穿透“水层”。但是当客户的产量降低，废气风量也会随之降低，当降低到一定程度时，此时废气的风压不足以穿透和维持“水层”，就会导致无法进行正常的传热。所以，此种固定厚度的“水层”无法应付废气波动的场合。
2、 由于存在循环水泵，就必须在换热器的底部预留足够的空间用来容纳大量的循环水，一旦缺少循环水的话，水泵将发生空转而损坏。这就增加了换热器的体积和成本，同事增加了换热器的故障率。
3、 水泵的存在也必然增加系统的电耗，增加设备的安装空间。在一些化工厂内，要求防爆的场合势必会受到使用限制。
为了解决这些不足之处，我们通过大量的实验发现，完全可以通过设计合理的孔板口径、风速来维持需要的“水层”厚度，而不需要水泵来不断的补充。
发明内容
本发所要解决的技术问题是，实现没有循环泵进行水位控制，仅通过配置风量就能实现对于水流动层的水位控制。
为完成上述发明目的，本发明是这样实现的：一种改进型水流动层换热器，该换热器整体呈立方体状，内部空心；包括进烟口、均烟段、换热段、水流动层、刮水板和排烟口；高温烟气由进烟口进入，经均烟段，换热段、水流动层、刮水板，由排烟口排入大气中，其特征在于：在进烟口处设有均风板，所述的均风板与进烟口之间设有一定的角度；所述的换热段为有一块不锈钢孔板，孔板上开了很多圆孔，孔径的尺寸经过严格的设计计算获得；孔板的上部设有换热管；所述的水流动层形成于孔板之上，水层的厚度取决于气体流量、气体的阻力要求，水层厚度要求高于换热管，低温的换热介质从管内流过，将热量带走；刮水板位于水流动层之上，在水层冷凝下来的多余的冷凝水以及被刮水板刮下来的水滴会通过侧面的溢流口管道排出；通过设定均风板的角度配合废气排气量，保证水流动层维持相应的高度区间。
本技术方案公开的换热器只适用于废气当中含有大量的水蒸气，并且在换热的过程中会出现水蒸气冷凝的情况，也就是最终的排气温度低于废气的“露点”温度。由于摒弃了循环水泵，水层的水只能依靠废气当中冷凝下来的水自动累积和补充来维持“水层”。烟气的入口段均风板的功能是将烟气均匀的引入到换热器，保证气流的均匀。
在换热段有一块不锈钢孔板，孔板上开了很多圆孔，孔径的尺寸经过严格的设计计算获得。孔板的上部会形成一水流动层，水层的厚度取决于气体流量、气体的阻力要求等等参数，水流动层内埋设了众多的换热管，低温的换热介质从管内流过，将热量带走；废气当中冷凝下来的多余的水会通过侧面的溢流口自动排放。
刮水板的作用是将经过水流动层的气体中夹杂的小水滴遮挡下来，防止出现大量的“白雾”而影响环境美观。
高温气体从换热器的底部进入，直接穿过“水流动层”，经过“水洗”之后直接排放。当烟气流过“水层”之后，与水直接接触，烟气与水之间直接进行传热和传质的双重交换，两者之间没有温差，传热效率极高；同时，排气中的水蒸气被直接吸收到“水层”中，释放大量的相变潜热。
经过加热之后的水再与“水流动层”中的换热管进行热交换，将热量传递到管内的温水中，从而实现了热交换。
除上述优点之外，如果排气当中含有腐蚀性的物质，首先会被水层中的水所吸收，导致了水质变为酸性，此时只需要向水层中添加合适的碱性物质来中和腐蚀性物质即可，只要保证水层的水质维持在PH=7就可以避免发生腐蚀问题。
如果排气当中含有固体粉尘颗粒，经过水层时会被水吸收下来，起到“水洗”的效果，从而起到了除尘的功效。
同时，水流动层中的水被气体不断的吹气翻腾，类似于“沸腾”现象，翻腾的水不断的冲刷换热管的表面，起到了自动清洁的功能，确保换热器不会堵塞和结垢。
为了更进一步完全上述方案，在每层换热板上设计了特殊的流通孔，以此来确保气体与水能够充分接触和传热，同时，还可以降低换热器的阻力。要实现以上功能，必须克服以下难点：
1、进气必须确保均匀一致的通过孔板。
要通过废气来维持水层的厚度，必须确保在整个平面上的气体流通分布是均匀的，一旦出现不均匀的话，将导致风量少的地方出现严重的“漏液”现象，水层是无法维持住的。所以，我们通过CFD模拟软件，针对不同的气体和工况先进性气体均匀布风的模拟和计算，然后增加了“均风板”，确保进气均匀。
、必须确保能够维持住需要的“水层”厚度。
气体要穿过水层，并维持水层的厚度，就要满足两个阻力要求：
气体穿过孔板的阻力h0；气体穿过水层的阻力hσ。
Ρv：气体密度 kg/m3；ΡL：液体密度 kg/m3；g：重力加速度 ；U0：气体风速；m/s；C0：孔板系数。
σ：孔板厚度为 毫米；ΡL：液体密度 ；g：重力加速度kg/m3；d0：孔的直径为毫米。
我们根据大量的实验，拟合出了两个经验公式。在这两个公式当中，涉及到了气体密度、液体（水）的密度，气体的风速、孔板的厚度、孔板的孔径等参数。根据废气的不同组份来确定各个参数的取值，从而确定水层的厚度、孔板的孔径等设计和制造参数。
这些参数要根据公式不断的迭代和校核，最终选出最合适的一组数据作为设计和制造的参数。
经过公式得出来得数据，能够确保气体将孔板上方得水层维持在50mm以上。
当废气量由于生产原因降低时，水层的“托力”不足，将使得部分孔板上方的部分水层通过孔板渗漏下来，“水层”的厚度降低，热回收量减少，与废气量相匹配。
当废气量提高时，水层的“托力”增加，更多的水可以被“托住”，将使得孔板上方的水层厚度增加，换热效果提高，与废气量相匹配。当“水层”的厚度超过设计的厚度时，多余的水会通过侧面的溢流口排放掉，确保不会超过设计范围。
通过这样的设计，就可以使“水层”的厚度与废气的流量自动匹配，自动适用。避免了废气流量降低时，造成废气无法通过水层而出现“憋气”的情况。
水层水量的来源问题
由于没有了循环水泵，无法通过外部来补充水。所以只能通过废气自身的冷凝水来补充。
在刚开始运行时，孔板上方只有换热管，没有水层。随着废气的流过，废气开始与换热管进行传热，当低于“露点”温度后，废气当中的水蒸气会冷却成冷凝水。这些冷凝水会被废气“托住”而逐渐汇集成“水层”，最终达到设计要求。
即使设计的再合理，也无法确保孔板不会泄露冷凝水，一般设计时将泄漏量控制在5%以下，只要废气当中的冷凝水产生量大于水层的泄漏量，就可以逐步建立水层。
均风板是根据风量设计出来的一块具有一定倾斜角度的不锈钢板，其原理依据是流体力学里的“伯努利方程”。
要使得通过各个点的风量是均匀的，就要保证各个点的压力是一样的。根据气体的伯努利方程，气体的动压=0.5×气体密度×速度的平方
P=0.5×ρ×V2
ρ:气体的密度
V：气体的流速
速度=风量÷截面积 V=Q/A
Q：各个点的风量
A：各个点的截面积
截面积=长×高；A=L×H
L：气体流道的长度
H：气体流道的高度
要使得每个点的压力一样，就要保证每个点的速度一样.对于同一个换热器来说，气体流道的长度是一样的，所以L是一样的，流道的截面积取决于各个点的流道的高度。
把以上各个点的参数带入到公式，可以得到：
P1=P2
V1=V2
Q1÷A1=Q2÷A2
对于同一个换热器来说，气体流道的长度是一样的，所以L是一样的，流道的截面积取决于各个点的流道的高度。
Q1÷H1=Q2÷H2
Q1÷Q2=H1÷H2
由以上公式可以看出，气体的流量和流道的高度是成比例关系的。
当气体流进换热器时，在换热器的进口位置流量最大，随后会有一部分气体向上流出换热器，还有一部分会继续向换热器内部流动，流量在逐渐的减小。为了确保各个点的风压一致，流道的高度必须减小，最终得到了一个倾斜的流道结构。这就是均风板的原理。
本发明可以实现以下效果：
1.潜热回收
排气温度降低到“露点”以下，吸收潜热，真正做到了潜热回收。
2.热传导率非常高
水层的换热方式为气体和水直接接触，没有中间的传热介质，是一个传热和传质同时进行的换热过程，换热效率非常高。
3.解决了酸性腐蚀的难题
通过调节水层的PH值，就可以解决换热器的腐蚀问题。
4.换热器还具有除尘的作用
5.传热管自动清洁作用、节能效率最大化
传热管工作时管群之间会形成水流动化、可反复清洁传热管表面、保持干净的传热面。
与之前的设计相比，减少了循环水泵的电耗，也解决了化工场合的防爆要求。
7.去除了底部的集水槽，整个换热器的体积更加紧凑，成本更低。
8.多余的冷凝水会及时溢流排出，避免了粉尘等杂质在集水槽的沉积和结垢问题，换热器无需定期清理，减少人工运行成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为无均均风板的风流动图。
图3为加设均风板后的风流动图。
图中，1进烟口，2均风板，3、换热器，4刮水板，5出烟口，6溢水口，7为旋风区，8汽流均匀布置区。
具体实施方式
为了更进一步的说明本发明的特点，下面结合附图及实施例作进一步的说明：
如图所示，改进型水流动层换热器，该换热器只适用于废气当中含有大量的水蒸气，并且在换热的过程中会出现水蒸气冷凝的情况，也就是最终的排气温度低于废气的“露点”温度。由于摒弃了循环水泵，水层的水只能依靠废气当中冷凝下来的水自动累积和补充来维持“水层”该换热器由烟气入口段1、水层段3和挡水板4三段组成。
烟气的入口段的功能是将烟气均匀的引入到换热器，保证气流的均匀。
水层段是主要的换热元件，在水层段有一块不锈钢孔板，孔板上开了很多圆孔，孔径的尺寸经过严格的设计计算获得。孔板的上部会形成一层水，水层的厚度取决于气体流量、气体的阻力要求等等参数，水层内埋设了众多的换热管，低温的换热介质从管内流过，将热量带走；废气当中冷凝下来的多余的水会通过侧面的溢流口自动排放。
挡水板的作用是将经过水层的气体中夹杂的小水滴遮挡下来，防止出现大量的“白雾”而影响环境美观。
高温气体从换热器的底部进入，直接穿过“水层”，经过“水洗”之后直接排放。当烟气流过“水层”之后，与水直接接触，烟气与水之间直接进行传热和传质的双重交换，两者之间没有温差，传热效率极高；同时，排气中的水蒸气被直接吸收到“水层”中，释放大量的相变潜热。
经过加热之后的水再与“水层”中的换热管进行热交换，将热量传递到管内的温水中，从而实现了热交换。
如果排气当中含有腐蚀性的物质，首先会被水层中的水所吸收，导致了水质变为酸性，此时只需要向水层中添加合适的碱性物质来中和腐蚀性物质即可，只要保证水层的水质维持在PH=7就可以避免发生腐蚀问题。
如果排气当中含有固体粉尘颗粒，经过水层时会被水吸收下来，起到“水洗”的效果，从而起到了除尘的功效。
同时，水层中的水被气体不断的吹气翻腾，类似于“沸腾”现象，翻腾的水不断的冲刷换热管的表面，起到了自动清洁的功能，确保换热器不会堵塞和结垢。
在每层换热板上设计了特殊的流通孔，以此来确保气体与水能够充分接触和传热，同时，还可以降低换热器的阻力。
要实现以上功能，必须克服以下难点：
1、进气必须确保均匀一致的通过孔板。
要通过废气来维持水层的厚度，必须确保在整个平面上的气体流通分布是均匀的，一旦出现不均匀的话，将导致风量少的地方出现严重的“漏液”现象，水层是无法维持住的。所以，我们通过CFD模拟软件，针对不同的气体和工况先进性气体均匀布风的模拟和计算，然后增加了“均风板”，确保进气均匀。
、必须确保能够维持住需要的“水层”厚度。
气体要穿过水层，并维持水层的厚度，就要满足两个阻力要求：
1、气体穿过孔板的阻力h0。
2、气体穿过水层的阻力hσ
Ρv：气体密度 kg/m3
ΡL：液体密度 kg/m3
g：重力加速度
U0：气体风速；m/s
C0：孔板系数；
σ：孔板厚度； mm
ΡL：液体密度
g：重力加速度kg/m3
d0：孔的直径；mm
我们根据大量的实验，拟合出了两个经验公式。在这两个公式当中，涉及到了气体密度、液体（水）的密度，气体的风速、孔板的厚度、孔板的孔径等参数。根据废气的不同组份来确定各个参数的取值，从而确定水层的厚度、孔板的孔径等设计和制造参数。
这些参数要根据公式不断的迭代和校核，最终选出最合适的一组数据作为设计和制造的参数。
经过公式得出来得数据，能够确保气体将孔板上方得水层维持在50mm以上。
当废气量由于生产原因降低时，水层得“托力”不足，将使得部分孔板上方得部分水层通过孔板渗漏下来，“水层”的厚度降低，热回收量减少，与废气量相匹配。
当废气里提高时，水层得“托力”增加，更多的水可以被“托住”，将使得孔板上方的水层厚度增加，换热效果提高，与废气量相匹配。当“水层”的厚度超过设计的厚度时，多余的水会通过侧面的溢流口排放掉，确保不会超过设计范围。
通过这样的设计，就可以使“水层”的厚度与废气的流量自动匹配，自动适用。避免了废气流量降低时，造成废气无法通过水层而出现“憋气”的情况。
水层水量的来源问题
由于没有了循环水泵，无法通过外部来补充水。所以只能通过废气自身的冷凝水来补充。
在刚开始运行时，孔板上方只有换热管，没有水层。随着废气的流过，废气开始与换热管进行传热，当低于“露点”温度后，废气当中的水蒸气会冷却成冷凝水。这些冷凝水会被废气“托住”而逐渐汇集成“水层”，最终达到设计要求。
即使设计的再合理，也无法确保孔板不会泄露冷凝水，一般设计时将泄漏量控制在5%以下，只要废气当中的冷凝水产生量大于水层的泄漏量，就可以逐步建立水层。
对于体积较大的换热器来说，热风从换热器的入口进入换热器之后，需要均匀的分布并流过换热器内部的截面积，这样才能保证整个换热器能够均匀的换热。如果不进行均匀布风的设计，就会导致换热器内部汽流不均匀。对于普通换热器的影响可能不是很大，但是对于本发明来说就非常重要。因为换热器的孔板上需要依靠热风来维持“水层”的厚度，整个孔板是相通的，如果孔板的某一处风量很小，将会导致整个孔板上方的水层通过孔板的某些孔流下来，就无法维持水层的设计厚度，从而导致换热器的失败。
图2是没有均风板的模拟示意图，从图中可以看出汽流在内部分布不均匀，形成漩涡。图3是增加了均风板之后的汽流布置。
均风板是根据风量设计出来的一块具有一定倾斜角度的不锈钢板，其原理依据是流体力学里的“伯努利方程”。
要使得通过各个点的风量是均匀的，就要保证各个点的压力是一样的。根据气体的伯努利方程，气体的动压=0.5×气体密度×速度的平方
P=0.5×ρ×V2
ρ:气体的密度；
V：气体的流速；
速度=风量÷截面积 V=Q/A
Q：各个点的风量
A：各个点的截面积
截面积=长×高；A=L×H
L：气体流道的长度
H：气体流道的高度
要使得每个点的压力一样，就要保证每个点的速度一样.对于同一个换热器来说，气体流道的长度是一样的，所以L是一样的，流道的截面积取决于各个点的流道的高度。
把以上各个点的参数带入到公式，可以得到：
P1=P2
V1=V2
Q1÷A1=Q2÷A2
对于同一个换热器来说，气体流道的长度是一样的，所以L是一样的，流道的截面积取决于各个点的流道的高度。
Q1÷H1=Q2÷H2
Q1÷Q2=H1÷H2
由以上公式可以看出，气体的流量和流道的高度是成比例关系的。
当气体流进换热器时，在换热器的进口位置流量最大，随后会有一部分气体向上流出换热器，还有一部分会继续向换热器内部流动，流量在逐渐的减小。为了确保各个点的风压一致，流道的高度必须减小，最终得到了一个倾斜的流道结构。这就是均风板的原理。
通过上述方案，本发明的效果是：
1. 潜热回收
排气温度降低到“露点”以下，吸收潜热，真正做到了潜热回收。
2. 热传导率非常高
水层的换热方式为气体和水直接接触，没有中间的传热介质，是一个传热和传质同时进行的换热过程，换热效率非常高。
3. 解决了酸性腐蚀的难题
通过调节水层的PH值，就可以解决换热器的腐蚀问题。
4. 换热器还具有除尘的作用
5. 传热管自动清洁作用、节能效率最大化
传热管工作时管群之间会形成水流动化、可反复清洁传热管表面、保持干净的传热面。
与之前的设计相比，减少了循环水泵的电耗，也解决了化工场合的防爆要求。
7. 去除了底部的集水槽，整个换热器的体积更加紧凑，成本更低。
8. 多余的冷凝水会及时溢流排出，避免了粉尘等杂质在集水槽的沉积和结垢问题，换热器无需定期清理，减少人工运行成本。
9.水层的厚度能够根据废气的流量波动而自动调节，热回收量也会自动匹配，热回收系统的自适应性非常强。

Claims (7)

1.一种改进型水流动层换热器，该换热器整体呈长方体，内部空心；包括进烟口、均烟段、换热段、水流动层、刮水板和排烟口；高温烟气由进烟口进入，经均烟段，换热段、水流动层、刮水板，由排烟口排入大气中，其特征在于：在进烟口处设有均风板，所述的均风板与进烟口之间设有一定的角度；所述的换热段为有一块不锈钢孔板，孔板上开了很多圆孔，孔径的尺寸经过严格的设计计算获得；孔板的上部设有换热管；所述的水流动层形成于孔板之上，水层的厚度取决于气体流量、气体的阻力要求，水层厚度要求高于换热管，低温的换热介质从管内流过，将热量带走；刮水板位于水流动层之上，在水层冷凝下来的多余的冷凝水以及被刮水板刮下来的水滴会通过侧面的溢流口管道排出；通过设定均风板的角度配合废气排气量，保证水流动层维持相应的高度区间。
2.根据权利要求1所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：气体穿过孔板的阻力h0；气体穿过水层的阻力hσ
Ρv：气体密度 kg/m3；ΡL：液体密度 kg/m3；g：重力加速度 ；U0：气体风速；m/s；C0：孔板系数；
σ：孔板厚度为 毫米；ΡL：液体密度 kg/m3；g：重力加速度；d0：孔的直径为毫米。
3.根据权利要求2所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：经过公式得出来得数据，能够确保气体将孔板上方得水层维持在50mm以上。
4.根据权利要求1所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：孔板为不锈钢孔板，不锈钢孔板上均匀分布有若干通流孔。
5.根据权利要求1所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：所述循环水的PH为7。
6.根据权利要求1所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：均风板是根据风量设计出来的一块具有一定倾斜角度的不锈钢板。
7.根据权利要求6所述的一种改进型水流动层换热器，其特征在于：所述的均风板的斜度通过下述方法进行确定；
根据气体的伯努利方程，气体的动压=0.5×气体密度×速度的平方P=0.5×ρ×V2；ρ:气体的密度；V：气体的流速；速度=风量÷流道截面积 V=Q/A；Q：各个点的风量；A：各个点的截面积截面积=长×高；A=L×H；L：气体流道的长度；H：气体流道的高度，根据水量和孔径大小测算孔的压力；将压力带入上述公式计算，从而得到每个孔对应的风量高度，最终得到均板倾斜度。
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