CN110514042A - 热管束套管热交换器及余热回收装置 - Google Patents

热管束套管热交换器及余热回收装置 Download PDF

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王亚雄
石钰
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Abstract

本发明公开了热管束套管热交换器及余热回收装置，该余热回收装置包括一个或多个热管束套管热交换器、以及一设有进气口（14）和出气口（15）的集热箱（13）；所述热管束套管热交换器将蒸发管串联在套管和串联管之间，将热管束套管热交换器的串联管（5）和蒸发管（4）置于集热箱（13）内；待集热气体从进气口（14）进入集热箱（13），流过热管束套管热交换器后，从出气口（15）排出集热箱（13），即可进行集热。本发明结构独特，巧妙的将蒸发管进行串联连通，构成了工质含量均匀分布的结构，解决了现有技术中因工质含量分布不均匀，而降低回收低品位余热的问题。

Description

热管束套管热交换器及余热回收装置
技术领域
本发明涉及一种余热回收装置，具体为热管束套管热交换器及余热回收装置。
背景技术
在众多的传热元件中，热管是人们早已熟知的非常有效的传热设备之一。它是在一个封闭管壳内充入某种流体，并利用流体的相变传输热量的高效传热元件。热管原理最初是由R.S.Gaugler于1944年在美国俄亥俄州通用发动机公司提出的。他提出一个设想，在一个管子内充装上液体，然后将管子密封住，加热管子的一侧，液体吸热蒸发至另一侧，并冷凝放热。此过程无需施加任何外力，冷凝液借助管内吸液芯产生的毛细力回流至蒸发侧继续蒸发，如此往返，热量就从一处传输到了另一处。
热管在我国多个领域都有广泛应用，主要集中在余热回收、电子设备、航空航天、医疗器械等方面；工业余热回收方面的应用、电力电子设备中的应用、热管在航空航天上的应用、在日用医疗等领域内，热管的应用也非常普及。目前对于家用热管电暖器、热管开水器等热管家用产品中，热管技术的应用十分普遍。而在医疗卫生领域中，热管热风炉、热管干燥机等设备中也常能够看到热管的影子。
公告号为CN 106123660 A的中国发明专利，公开了“一种套管式传热管”，其将传热管内抽真空并注入传热工质即可进行热交换，传热管下部蒸发段在高温环境下吸收热量使管内液态工质蒸发成气体，气体上升通过导气管进入传热管上部冷凝段，气体冷凝成液体在重力作用下沿外壁下流，通过导液管重新回到传热管下部蒸发段，完成热交换循环。此种热交换循环方式存在缺陷：若是换热器工作过程中由于使用需要，某一根或某几根热管由于工质分布不均匀，则会影响整体传热性能，存在传热时间长、传热效率低的问题。公告号为CN 106482557 A的中国发明专利，公开了“一种利用低品位热能驱动的热化学吸附热”同样存在以上的缺陷。
发明内容
现有技术中，在热管束套管热交换器工作过程中存在某一根或某几根热管工质分布不均匀的问题，工质含量较少的热管会出现烧干达到传热极限，从而影响整体传热性能，为克服该缺陷，本发明提供了热管束套管热交换器及余热回收装置，该热交换器将多根热管束的蒸发段串联起来，使工质含量均匀分布，从而达到高效回收低品位余热的效果。
本发明提供的热管束套管热交换器，包括一套管、若干蒸发管（4）、一串联管（5）；
所述套管为异心套管，包括中心轴平行但不重合的内管（1）和外管（2），内管（1）两端封闭，外管（2）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9）；
内管（1）套接于外管（2）内且与外管（2）相切连接，内管（1）和外管（2）间形成一密封的夹层腔（3）；
各蒸发管（4）的一端封闭连接内管（1）和外管（2）的相切处，并与内管（1）内腔连通；另一端封闭连通串联管（5）；
夹层腔（3）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7）。
进一步的，各蒸发管（4）与套管、串联管（5）均垂直连接。
进一步的，各蒸发管（4）等间距地连接在套管、串联管（5）上。
本发明提供的另一种热管束套管热交换器，包括一套管、若干蒸发管（4）、一串联管（5）；
所述套管为同心套管，包括中心轴重合的内管（1）和外管（2），内管（1）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9），用来引导工作流体进出内管（1）；
内管（1）套接于外管（2）内，内管（1）和外管（2）间形成一密封的夹层腔（3）；
各蒸发管（4）的一端封闭连通外管（2），从而与夹层腔（3）连通；另一端封闭连通串联管（5）；
内管（1）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7）。
进一步的，外管（2）两端端口为缩口端口（2a），缩口端口（2a）焊接于所述内管（1）两端部的外壁上，并与两端部的外壁密封连接。
进一步的，各蒸发管（4）与外管（2）、串联管（5）均垂直连接，即蒸发管（4）的中轴线与外管（2）、串联管（5）的中轴线垂直。
进一步的，各蒸发管（4）等间距地连接在外管（2）、串联管（5）上。
本发明提供的一种余热回收装置，包括一个或多个热管束套管热交换器、以及一设有进气口（14）和出气口（15）的集热箱（13）；
所述热管束套管热交换器为前述热管束套管热交换器；
所述热管束套管热交换器的串联管（5）和蒸发管（4）置于集热箱（13）内；
待集热气体从进气口（14）进入集热箱（13），流过热管束套管热交换器后，从出气口（15）排出集热箱（13）。
作为优选，蒸发管（4）与集热流道轴线呈15~90度。
进一步的，当包含多个热管束套管热交换器时，多个热管束套管热交换器彼此平行的置于集热箱（13）内。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
（1）结构独特，巧妙的将蒸发管进行串联连通，构成了工质含量均匀分布的结构，解决了现有技术中因工质含量分布不均匀，而降低回收低品位余热的问题。
（2）克服了造成热管性能的不均匀化，以至于提前烧干现有技术中的问题。
（3）不仅提高了余热回收利用效率，并且结构紧凑可靠，维修更换方便。
（4）结构简单，便于批量生产组。
（5）使用寿命长，性能稳定，工作流体可根据设备的热管排所选的材料，选择适用的工作流体，从而延长了装置的使用寿命，并保证性能稳定。
（6）使用范围广，可用于蒸汽余热回收锅炉，同时也适用于热水余热回收锅炉，而且本发明成本较低。
附图说明
图1为热管束套管热交换器的具体结构示意图；
图2为同心套管的剖面结构示意图；
图3为异心套管的剖面结构示意图；
图4为余热回收装置的具体结构示意图；
图5为实施例1的等温测试曲线；
图6为实施例2的等温测试曲线；
图7为实施例3中同心套管的最大传热量曲线图；
图8为实施例3中异心套管的最大传热量曲线图。
图中，1-内管，2-外管，2a-缩口端口，3-夹层腔，4-蒸发管，5-串联管，6-工作流体，7-工质，8-工作流体进口，9-工作流体出口，10-蒸发段，11-绝热段，12-冷凝段，13-集热箱，14-进气口，15-出气口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案和技术效果，下面将对照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，所示为一种具体的热管束套管热交换器，包括一同心套管、若干蒸发管（4）、一串联管（5）。同心套管结构参见图2，包括中心轴重合的内管（1）和外管（2）；内管（1）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9），工作流体进口（8）和工作流体出口（9）用来引导工作流体（6）进出内管（1）。内管（1）套接于外管（2）内，内管（1）和外管（2）间形成一密封的夹层腔（3）；各蒸发管（4）的一端封闭连通外管（2），另一端封闭连通串联管（5）。内管（1）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7），由于夹层腔（3）、蒸发管（4）、串联管（5）连通，因此工质（7）可在夹层腔（3）、蒸发管（4）、串联管（5）内流动。工作流体可以为气体（例如，氦气、氖气）或液体，工质采用液态工质。本具体实施方式中，工作流体为冷却水，工质为丙酮。
本具体实施方式中，外管（2）两端端口为缩口端口（2a），缩口端口（2a）焊接于内管（1）两端部的外壁上，并与两端部的外壁密封连接，从而使夹层腔（3）成为密封结构。
本具体实施方式中，各蒸发管（4）等间距地连接在外管（2）、串联管（5）上，并且各蒸发管（4）与外管（2）、串联管（5）的中轴线垂直。本具体实施方式中，套管为热虹吸管。
套管也可以为异心套管，异心套管的结构参见图3，异心套管中内管（1）和外管（2）中心轴平行但不重合；内管（1）两端封闭，外管（2）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9）；内管（1）套接于外管（2）内，且与外管（2）相切连接，即内管（1）外壁与外管（2）内壁接触，这样内管（1）和外管（2）间同样可形成一密封的夹层腔（3）；各蒸发管（4）的一端封闭连接内管（1）和外管（2）的相切处，并与内管（1）内腔连通；另一端封闭连通串联管（5）。夹层腔（3）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7），由于内管（1）、蒸发管（4）、串联管（5）连通，因此工质（7）可在内管（1）、蒸发管（4）、串联管（5）内流动。
不管是基于同心套管还是异心套管的热交换器，从功能描述，该热交换器都是分为蒸发段（10）、绝热段（11）和冷凝段（12）三部分，具体参见图1。蒸发段（10）位于整个装置的中下部，用来吸收待集热气体的热量，热量将其中液态的工质（7）蒸发成蒸汽态的工质（7），蒸汽态的工质（7）上升至上部的冷凝段（12）。工作流体（6）通过热交换，在冷凝段（12）带走蒸汽态的工质（7）的热量，蒸汽态的工质（7）冷凝成液态的工质（7），在重力作用下又流至下部的蒸发段（10）。绝热段（11）位于蒸发段（10）和冷凝段（12）之间，其用来隔绝与外界的热交换，有助蒸汽态的工质（7）冷凝成汽态的工质（7）。
蒸发管分为绝热段和蒸发段为本领域的常规技术，一般绝热段通过在热管外壁或内壁利用隔热材料包覆形成，隔热材料一般为石棉、玻璃纤维等。本实施例中，蒸发段长250mm，绝热段长88mm。
参见图4，所示为一种具体的余热回收装置，包括一个或多个上述热交换器、以及一设有进气口（14）和出气口（15）的集热箱（13）；热交换器中下部的串联管（5）和蒸发管（4）置于集热箱（13）内；待集热气体从集热箱（13）的进气口（14）进入，从集热箱（13）的出气口（15）排出的过程中，热交换器对待集热气体的余热进行回收。当包含多个热交换器时，多个热交换器彼此平行的置于集热箱（13）内。
一般来说，可将蒸发管（4）设置为与集热箱（13）内的集热流道轴线垂直，以使待集热气体垂直流过蒸发管（4）；当然，也可使蒸发管（4）与集热流道轴线呈其他角度。一种优选的方式为：使蒸发管（4）与集热流道轴线呈15~90度。
下面将提供余热回收装置的几组性能检测实施例，下述实施例中所采用的套管均为热虹吸管。
实施例1
本实施例所采用的热交换器包括5根蒸发管，套管为同心套管结构。将一组热交换器相互平行放置于集热箱内。各热交换器的工作流体进口均与锅炉（即待加热装置）的出水端相连，各热交换器的工作流体出口均与锅炉的进水端相连。待集热气体从集热箱的进气口进入，在集热箱内被集热，之后从集热箱的出气口排出。
选取蒸发段长度为270 mm的情况进行等温性能测试实验。以冷却水为工作流体，丙酮为工质，通过调整冷却水的流量及流速，使操作温度保持为40 ℃～80 ℃，操作温度即绝热段温度。每隔10℃采集温度，这里10℃表示通入进行热交换的气体或者流体的温度每隔10℃。通过多次采集，对每根热管的蒸发段和冷凝段不同位置的稳定温度作关系曲线。在490 W的加热功率下，热管壁的温度分布见图5所示，图中5条曲线分别对应5根蒸发管管壁温度，图中原点表示蒸发管最底端的温度，T 0 表示工质温度。从图中可以看出，在相同加热功率下，蒸发段管壁表面平均温度均高于冷凝段管壁表面平均温度。此外，随着操作温度升高，蒸发段各点温度差逐渐减小，冷凝段平均温度和蒸发段平均温度的温差也减小，表明在较高的操作温度下本实施例热管排具有良好的等温性。
实施例2
本实施例所采用的热交换器包括5根蒸发管，套管为异心套管结构。将1组热交换器相互平行放置于集热箱内。各热交换器的工作流体进口均与锅炉（即待加热装置）的出水端相连，各热交换器的工作流体出口均与锅炉的进水端相连。待集热气体从集热箱的进气口进入，在集热箱内被集热，之后从集热箱的出气口排出。
选取蒸发段长度为270 mm的情况进行等温性能测试实验。以冷却水为工作流体，丙酮为工质，通过调整冷却水的流量及流速，使操作温度保持为40 ℃～80 ℃，操作温度即绝热段温度。每隔 10 ℃采集温度，通过多次采集数据，对每根热管的蒸发段和冷凝段不同位置的稳定温度作关系曲线。在490 W的加热功率下，热管壁的温度分布如图6所示，图中5条曲线分别对应5根蒸发管管壁温度，图中原点表示蒸发管最底端的温度，T 0 表示工质温度。从图中可以看出，在相同加热功率下，蒸发段管壁表面平均温度均高于冷凝段管壁表面平均温度。此外，随着操作温度的升高，蒸发段各点温度差逐渐减小，冷凝段平均温度和蒸发段平均温度的温差也减小，表明在较高的操作温度下本实施例热管排具有良好的等温性。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，通过变换蒸发管在集热箱内的倾斜角度，来获得不同倾斜角度下的余热回收装置的最大传热量，此处倾斜角度指蒸发管与集热流道轴线的角度。图 7和图8分别是使用同心套管与异心套管的余热回收装置的最大传热量曲线，图中5条曲线分别对应5根蒸发管。结合附图及其他试验数据，可获得如下结论：
同心套管和异心套管的热虹吸管排在倾斜角度为 60°、蒸发段长度为 270 mm 时，最大传热量最大，传热性能最佳。该最佳工况下，同心套管和异心套管的热虹吸管的最大传热量分别达到 850 W 和 1100 W 左右。显然，异心套管在该工况下拥有更为优异的传热性能。原因在于冷凝段异心结构的液态工质更易回流，强化了管内液态工质的冷凝，提高了冷凝段传热系数，从而提高装置的最大传热量。
二者相比，异心套管热虹吸管强化效果优于同心结构，因此异心套管为优选，但同心套管在绝大多数情况下也满足使用需求。
上述实施例仅为多种实施例中的一种，对于本领域内的技术人员，在上述说明基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明实质精神而衍生出的其他变化或变动仍属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种热管束套管热交换器，其特征是：
包括一套管、若干蒸发管（4）、一串联管（5）；
所述套管为异心套管，包括中心轴平行但不重合的内管（1）和外管（2），内管（1）两端封闭，外管（2）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9）；
内管（1）套接于外管（2）内且与外管（2）相切连接，内管（1）和外管（2）间形成一密封的夹层腔（3）；
各蒸发管（4）的一端封闭连接内管（1）和外管（2）的相切处，并与内管（1）内腔连通；另一端封闭连通串联管（5）；
夹层腔（3）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7）。
2.如权利要求1所述的热管束套管热交换器，其特征是：
各蒸发管（4）与套管、串联管（5）均垂直连接。
3.如权利要求1所述的热管束套管热交换器，其特征是：
各蒸发管（4）等间距地连接在套管、串联管（5）上。
4.一种热管束套管热交换器，其特征是：
包括一套管、若干蒸发管（4）、一串联管（5）；
所述套管为同心套管，包括中心轴重合的内管（1）和外管（2），内管（1）两端分别设有工作流体进口（8）和工作流体出口（9），用来引导工作流体进出内管（1）；
内管（1）套接于外管（2）内，内管（1）和外管（2）间形成一密封的夹层腔（3）；
各蒸发管（4）的一端封闭连通外管（2），从而与夹层腔（3）连通；另一端封闭连通串联管（5）；
内管（1）内抽真空后充工作流体（6），串联管（5）内抽真空后充工质（7）。
5.如权利要求4所述的热管束套管热交换器，其特征是：
所述外管（2）两端端口为缩口端口（2a），缩口端口（2a）焊接于所述内管（1）两端部的外壁上，并与两端部的外壁密封连接。
6.如权利要求4所述的热管束套管热交换器，其特征是：
各蒸发管（4）与外管（2）、串联管（5）均垂直连接，即蒸发管（4）的中轴线与外管（2）、串联管（5）的中轴线垂直。
7.如权利要求4所述的热管束套管热交换器，其特征是：
各蒸发管（4）等间距地连接在外管（2）、串联管（5）上。
8.一种余热回收装置，其特征是：
包括一个或多个热管束套管热交换器、以及一设有进气口（14）和出气口（15）的集热箱（13）；
所述热管束套管热交换器为权利要求1~7中任一项所述的热管束套管热交换器；
所述热管束套管热交换器的串联管（5）和蒸发管（4）置于集热箱（13）内；
待集热气体从进气口（14）进入集热箱（13），流过热管束套管热交换器后，从出气口（15）排出集热箱（13）。
9.如权利要求8所述的余热回收装置，其特征是：
蒸发管（4）与集热流道轴线呈15~90度。
10.如权利要求8所述的余热回收装置，其特征是：
当包含多个热管束套管热交换器时，多个热管束套管热交换器彼此平行的置于集热箱（13）内。
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