CN112179170A - 一种双通道换热单元及其换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道换热单元，包括换热管组，换热管组包括呈非套接的轴向平行布置的第一换热管和第二换热管，第一换热管与第二换热管之间相抵靠和/或存在间隙，该间隙内填充有传热介质；第一换热管和/或第二换热管为交叉缩放管或者具有旋流凸起。本发明采用平行双管导热传热，从而保证了污泥类介质对流传热具有大流通截面的流通通道，流通截面积均匀且无流动死区，保证介质流动的顺畅性，同时管体内的旋流凸起和/或交叉椭形管能够引导介质能够形成混合旋流或者多纵向涡流，如此能够在显著强化传热的同时可有效避免发生分层、沉积、结垢甚至堵塞，以及获得明显的减阻特性，保证了长期有效的高效工作。

Description

一种双通道换热单元及其换热器

技术领域

本发明涉及有机固废处理处置设备技术领域，特别涉及一种双通道换热单元及其换热器。

背景技术

随着我国城镇化的不断推进和环境保护要求的不断提高，有机固废特别是量大的城市污泥、生活垃圾和和餐厨餐余垃圾的处理处置越来越受到重视。有机固废是指人类在生产生活等活动中产生的污染环境的固态、半固态有机废物，有机固废一般包括市政污泥、工业污泥、餐厨餐余垃圾、生活垃圾特别是湿垃圾、江河底泥、高浓度有机废液、粪便等，将有机固废制成泥浆，与城市污泥具有类似的化学物理性质，可以采用城市污泥相类似的处理处置工艺和技术。为了便于叙述，后续将有机固废制成的泥浆，简称有机固废泥或者污泥。在众多的污泥处置技术中，需要将湿污泥加热到较高温度，如一种污泥湿式氧化处置工艺，需要将污泥加热到150℃-370℃，湿污泥在高温高压的反应器中反应后再降温脱水等处理。在湿污泥的加热和降温过程中，需要最大程度的将经反应器后高温污泥的热量回收用以加热进入反应器前的污泥等，以达到节能而降低运行费用等目的。目前的湿污泥换热器主要有多段管壳式换热器套管式换热器和板式换热器，但由于湿污泥的高粘性、易粘结性、易沉淀分层和剪切变稀等特性，普遍存在污泥沉积和粘结在换热壁面，甚至因污泥沉积和粘结换热壁面而导致堵塞流道，以及输送阻力大等问题；尽管污泥预处理工艺中设置了杂物过滤工艺但依然不可避免有部分杂物残留在污泥中，如毛发、塑料袋碎片、编织袋碎片、树枝、树叶等，这些杂物特别是纤维类杂物很容易堵塞换热器流道；以及由于污泥沉积和粘接换热壁面导致换热性能很差和换热性能较快明显下降，输送流动阻力大和输送功耗大等问题。

对于污泥多段管壳式换热器，在管程内的多个换热管内的污泥流速十分不均，甚至只有少数的换热管内有污泥流过而大多数换热管内污泥极低速或者不流动、污泥逐渐粘结换热管表面甚至堵塞部分换热管，严重时堵塞换热器。此外，即使污泥正常流速流过的换热表面的换热性能也很差，并在运行过程中换热性能也因为污垢粘结换热管壁面等因素很快会下降，而且输送污泥的阻力不断增加甚至经常出现堵塞使得整个污泥处理装置不得不停运。相对于管程，在其壳程内由于存在折流涡区，污泥流动更为不均匀，污泥更容易沉积和堵塞，换热性能更差。特别是对于反应前的污泥，其无论是换热性能还是流动性能均特别差，其污泥偏流、沉积、粘结、堵塞的现象十分严重。另外，污泥中的部分杂物，如头发、塑料袋、编织袋等，这些杂物特别是纤维类杂物很容易堵塞在换热管的端头，严重时堵塞换热管导致污泥不能流过换热管甚至堵塞整个换热器。因此，采用管壳式换热器难以实现泥-泥稳定换热，而采用反应后的污泥与水等工艺介质换热也很不稳定而且换热性能很差。

对于污泥套管式换热器，相比于污泥多段管壳式换热器，无论是套管内和套管间的污泥流速的均匀性得到了一定的改善，但依然均存在明显的不均匀流动，很容易产生污泥分层流动、沉积、粘结换热管壁面等现象。在运行过程中，无论是套管间还是套管内，很快就会出现污泥分层流动、底部大量沉积、半管流动，直至堵塞换热管的现象，特别是套管间流道空间比较小更容易堵塞，换热器换热性能也比较差，而且污泥输送的流动阻力也特别大，导致污泥输送的功耗也比较大。另外，为了强化换热，可在套管换热器内设置扰流强化换热件（如扭带等），污泥中的部分杂物特别是纤维类杂物很容易堵塞在设置的扰流件上，严重时甚至堵塞整个换热器。此外，由于套管式结构的原因，污泥套管式换热器占地特别大，建造成本高，甚至有些情况无法进行设备布置等。

对于污泥板式换热器，尽管一般采用宽流道设计，结构也相对紧凑，但上述污泥沉积、粘结甚至堵塞以及换热性能差等问题同样存在，特别是污泥中的杂物非常容易堵塞板式换热器。

综上，由于湿污泥的高粘性、易粘结性、易沉积分层和剪切变稀等特性，以及污泥中存在部分杂物特别是纤维类杂物和块状杂物，现有污泥换热器普遍存在污泥沉积、粘结、堵塞、换热性能很差和换热性能较快明显下降的问题，以及污泥输送流动阻力大和泵送功耗大的问题。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中缺陷，提供了一种双通道换热单元，采用两根非套接平行传热的管体，分别供两个高低温介质流动传热，如此增大了介质的流动口径，以及流通截面积比较均匀且无流动死区，同时管体内设置有用于引导介质形成混合旋流的旋流凸起或者管体为可引导介质形成多纵向涡流的交叉缩放管结构，从而在显著强化传热的同时可有效避免了介质结垢与堵塞，保证了换热单元长期稳定的高效换热，以及混合旋流或者多纵向涡流还可以利用污泥类介质的剪切变稀特性，其功效类似于在管内设置密集众多的搅拌器，可获得明显的流动减阻特性；以及由若干上述双通道换热单元连接形成的换热器，该换热器具有上述双通道换热单元的所有优点。

为实现上述目的，本发明提供一种双通道换热单元，包括换热管组，所述换热管组包括呈非套接的轴向平行布置的第一换热管和第二换热管，所述第一换热管和第二换热管分别包括相向布置的第一配合管侧和第二配合管侧，所述第一配合管侧与第二配合管侧之间相抵靠和/或存在间隙，该间隙内填充有传热介质，所述第一换热管和第二换热管之间至少通过抵靠处直接传热和/或通过间隙内的传热介质间接传热；

所述第一换热管和/或第二换热管内设置有用于引导管体内的介质形成混合旋流的旋流部；

和/或，所述第一换热管和/或第二换热管为可引导管体内的介质形成多纵向涡流的交叉缩放管结构。

进一步设置为：所述第一配合管侧和第二配合管侧为平面配合抵靠或者月牙凹凸面配合抵靠或者波纹凹凸曲面配合抵靠且两者之间通过焊接直接相连。

进一步设置为：所述第一配合管侧与第二配合管侧之间呈间隙布置，所述第一配合管侧与第二配合管侧对应间隙的两侧通过焊接直接搭连或者通过挡条焊接搭连以封闭的填充腔，所述传热介质填充在该填充腔内。

进一步设置为：所述换热管组的外部套接有外套管，所述传热介质填充在外套管与换热管组之间的间隙内和第一换热管和第二换热管之间的间隙内。

进一步设置为：所述旋流部为管体外壁向内凹陷以在对应内壁上形成的与对应管体轴线呈倾斜布置的凸起结构。

进一步设置为：所述交叉缩放管由若干管截面具有长、短轴的椭形截面管段接合而成，且相邻的椭形截面管段的长轴呈角度布置。

进一步设置为：所述第一换热管和第二换热管为通过滚轧或者模压形成的椭扁管结构。

进一步设置为：所述第一换热管的两端部具有圆形截面的第一端部连接管，所述第二换热管的两端部具有圆形截面的第二端部连接管， 该第一端部连接管和第二端部连接管之间呈间隙布置。

本发明还公开了一种换热器，包括若干上述的双通道换热单元，若干上述的双通道换热单元通过管间连接件依次蜿蜒连接连通。

与现有技术相比，本发明结构简单、合理，制造方便；采用两根非套接平行传热的管体，分别供两个高低温介质流动传热，如此增大了介质的流动口径，以及流通截面积比较均匀且无流动死区，同时管体内设置有用于引导介质形成混合旋流的旋流凸起或者管体为可引导介质形成多纵向涡流的交叉缩放管结构，从而在显著强化传热的同时可有效避免了介质结垢与堵塞，保证了换热单元长期稳定的高效换热，以及混合旋流或者多纵向涡流还可以利用污泥类介质的剪切变稀特性，其功效类似于在管内设置密集众多的搅拌器，可获得明显的流动减阻特性；以及由若干上述双通道换热单元连接形成的换热器，该换热器具有上述双通道换热单元的所有优点。

附图说明

图1是本发明一种双通道旋流换热单元的结构示意图一（螺旋型凸起）；

图2是双通道旋流换热单元的结构示意图二（丁胞组合型凸起）；

图3是双通道旋流换热单元的结构示意图三（斜条型凸起）；

图4是双通道旋流换热单元的结构示意图四（外套管）；

图5是椭扁管的截面形状结构示意图一（倒圆长方形）；

图6是椭扁管的截面形状结构示意图二（倒圆梯形）；

图7是椭扁管的截面形状结构示意图三（月牙凹凸配合形）；

图8是椭扁管的截面形状结构示意图四（波纹凹凸曲面配合形）；

图9是椭扁管之间的连接结构示意图（外套管内填充高导热材料）；

图10是椭扁管之间的连接结构示意图（挡条搭接内填充高导热材料）；

图11是双通道旋流换热单元的结构示意图四（交叉椭形管）；

图12是螺旋槽交叉椭形管的结构示意图；

图13是本发明一种换热器的结构示意图（主视图）；

图14是本发明一种换热器的结构示意图（侧视图）；

图15是本发明一种换热器的结构示意图（俯视图）。

结合附图在其上标记以下附图标记：

1000、换热器；

100、双通道换热单元；110、换热管组；1、第一换热管；11、第一配合管侧；12、第一旋流部；121、丁胞组合型凸起；122、斜条型凸起；123、螺旋型凸起；13、第一端部连接管；14、椭形截面管段2、第二换热管；21、第二配合管侧；22、第二旋流部；23、第二端部连接管；3、中间传热部；31、抵靠传热部；32焊接传热部；33、介质传热部；4、外围传热部；5、挡条；6、外套管；

200、管间连接件；210、第一管间连接件；220、第二管间连接件；

300、进出口接管；311、第一物料进口接管；312、第一物料出口接管； 321、第二物料进口接管；322、第二物料出口接管；

400、换热器壳体组件；410、换热器壳体；420、支撑组件；430、保温件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明一种双通道换热单元100如图1至图12所示，包括换热管组110，该换热管组110包括稳固配合导热传热的第一换热管1和第二换热管2，优选，该第一换热管1和第二换热管2为通过滚轧或者模压形成的椭扁管结构，即分别为第一椭扁管和第二椭扁管，第一换热管1和第二换热管2的管截面形状可以为倒圆长方形（如图5）、倒圆梯形（如图6）、水珠形（如图1至图4）或者椭圆形（如图9）；该第一换热管1和第二换热管2呈非套接的轴向平行布置，该第一换热管1和第二换热管2分别包括相向布置的第一配合管侧11和第二配合管侧21，该第一配合管侧11和第二配合管侧21之间相抵靠和/或存在间隙，该间隙内填充有传热介质；如此第一换热管1和第二换热管2之间通过抵靠处直接传热和/或通过间隙内的传热介质间接传热，即第一换热管1和第二换热管2之间至少通过第一配合管侧11和第二配合管侧21之间的中间传热部3实现稳定配合传热，该中间传热部3包括抵靠传热部31、焊接传热部32和介质传热部33中的一种或者多种。

在一些具体实施方案中，如图1至图9所示，该第一换热管1的第一配合管侧11与第二换热管2的第二配合管侧21之间为平面配合抵靠或者月牙凹凸面配合抵靠或者波纹凹凸曲面配合抵靠且两者之间通过焊接直接相连，如此第一换热管1和第二换热管2通过抵靠面和焊接处进行传热，即中间传热部3包括抵靠传热部31+焊接传热部32；具体的，如图3、图5和图6所示，该第一换热管1和第二换热管2的管截面为水珠形或者倒圆长方形或者倒圆梯形，如此第一配合管侧11和第二配合管侧21之间为平面或者接近平面配合相抵并两端通过焊接相连；具体的，第一配合管侧11和第二配合管侧21之间如图7中的月牙凹凸配合形截面，还可以为也可以是图8中的波纹凹凸曲面配合形截面，还可以为也可以是图9中的椭形曲面配合形截面，可根据具体需要进行选择，相对而言，平面或者接近平面或者椭形曲面形式制造容易，而月牙凹凸配合形、波纹凹凸曲面配合形结合更为紧密和截面换热面积更大。

在一些具体实施方案中，如图5至图8所示，该第一换热管1的第一配合管侧11与第二换热管2的第二配合管侧21之间呈间隙布置，该第一换热管1和第二换热管2对应间隙的两侧通过焊接直接搭连或者通过挡条5焊接搭连，以使得第一配合管侧11与第二配合管侧21之间配合形成填充腔，该填充腔内填充有传热介质，如此第一换热管1和第二换热管2之间通过焊接传热部32+介质传热部33实现两者之间的传热，为实现高效导热传热，因而第一换热管1和第二换热管2应尽可能靠近且靠近面积尽可能大，这样才达到高效导热传热的目的，为达到上述高效导热传热的目的，推荐第一换热管1和第二换热管2的截面最小间隙在轴向的平均值不大于5mm，优选不大于3mm。

在一些具体实施方案中，如图4、图9和图11所示，该换热管组110的外部套接有外套管6，传热介质填充在换热管组110与外套管6之间的间隙内以实现外围传热部4，换热管组110间的第一换热管1和第二换热管2之间可为平行抵靠布置或者平行间隙布置，如此第一换热管1与第二换热管2之间能够通过中间传热部3+外围传热部4实现传热。

在上述方案中，该传热介质为材料导热系数不低于第一换热管1和第二换热管2的导热系数的高导热材料，如铝、铜、锡等金属材料（第一换热管1和第二换热管2一般采用不锈钢，以提高其抗腐蚀性和使用寿命），包括单质金属材料（如铝、铜、锡）和合金材料（如铝合金、铜锡合金），或者为石墨及其非金属复合材料，或者为金属与非金属复合材料，如锡-石墨复合材料。

在上述方案中，为保证第一换热管1和第二换热管2内介质流动的顺畅性，避免发生堵塞；优选，该第一换热管1和/或第二换热管2的管内设置有用于引导管体内的介质形成混合旋流的旋流部，即该第一换热管1内设置有第一旋流部12，和/或该第二换热管2内设置有第二旋流部22，该第一旋流部12和第二旋流部22分别用于引导第一换热管1内的第一介质和第二换热管2内的第二介质分别形成混合旋流以显著强化换热，同时能够避免在换热管内的介质分层、偏流、沉积，明显减缓结垢甚至还存在自动除垢效果，从而也避免了物料因沉积、结垢等而发生堵塞的现象，特别是第一换热管1和第二换热管2的管内流道宽大而通畅，流通截面积比较均匀且无流动死区，也不易被物料中的杂物、沉积物所堵塞；以及，混合旋流还可以利用污泥类介质的剪切变稀特性，获得明显的流动减阻特性；以及，并行双管抵靠接触导热传热使得管截面内流体温度很不均匀，混合旋流还可以使得流体充分混合和温度均匀化，从而也明显强化了传热。

具体的，该第一旋流部12和第二旋流部22均为由管体外壁向内壁压制使得外壁向内凹陷而在内壁上相应形成与管体轴线倾斜布置的凸起结构，如此能够方便的通过滚轧或者模压或者冲制等方式形成第一旋流部12和第二旋流部22；该凸起结构可以为丁胞组合型凸起121结构（图2）、斜条型凸起122结构（图3）、螺旋型凸起123结构（图1）中的一种或者多种，丁胞组合型凸起121结构由若干丁胞凸起组合且若干丁胞凸起的顶点连线与管体的轴线呈倾斜布置。

为保证第一换热管1和第二换热管2内介质流动的顺畅性，避免发生堵塞，该第一换热管1和/或第二换热管2也可以为可引导管体内的介质形成多纵向涡流的交叉缩放管结构，该交叉缩放管由若干管截面具有长、短轴的椭形截面管段14接合而成，且相邻的椭形截面管段14的长轴呈角度布置，优选呈90°垂直布置；本实施方案中的第一换热管1和第二换热管2可采用已授权发明专利中记载的交叉缩放椭圆截面换热管（授权公告号：CN1145781C，申请日：2000.12.26），该交叉缩放管可通过滚轧或者模压方便的制得；如此，交叉缩放管结构的第一换热管1和/或第二换热管2内能够引导其内介质形成多纵向涡流以显著强化换热，以及避免在换热管内的介质分层、偏流、沉积，明显减缓结垢甚至还存在自动除垢效果，从而也避免了物料因沉积、结垢等而发生堵塞的现象，特别是第一换热管1和第二换热管2的管内流道宽大而通畅，流通截面积比较均匀且无流动死区，也不易被物料中的杂物、沉积物所堵塞；以及，多纵向涡流还可以利用污泥类介质的剪切变稀特性，获得显著的流动减阻特性；以及，并行双管抵靠接触导热传热使得管截面内流体温度很不均匀，多纵向涡流还可以使得流体充分混合和温度均匀化，从而也明显强化了传热。

综上所述，第一换热管和/或第二换热管可以为具有旋流部和/或交叉缩放管结构中的一种或者两者的组合，即第一换热管1和第二换热管2可以均仅具有旋流部，或者均为交叉缩放管结构，或者一根具有旋流部、另一根为交叉缩放管结构，或者一根为旋流部与交叉缩放管的组合、另一根仅具有旋流部或者为交叉缩放管结构，或者两根均为旋流部与交叉缩放管的组合。在上述方案中，优选，该第一椭扁管内的第一介质和第二椭扁管内的第二介质呈逆流布置，即第一换热管1内的第一介质的流动方向与第二换热管2内的第二介质流动的方向相反。

在此需要说明的是，在通常情况下，牛顿流体（如水）可能因设置管内混合旋流结构而使得流体流动阻力明显增加，而对于具有明显剪切变稀特性的污泥类介质，设置的管内混合旋流结构不但不会使得其流体流动阻力明显增加，在一定条件下还可以明显降低流体流动阻力，其功效类似于在管内设置密集众多的搅拌器使得污泥类介质明显变稀，粘度明显降低，即利用污泥类介质的剪切变稀特性在合适条件下管内设置的混合旋流结构可以获得明显的减租特性。性能试验表明，在一定的剪切应变力的作用下，市政污泥的粘度甚至可以降低两个数量级。另一方面，包括发明人在内的众多研究表明，管内混合旋流特别是多纵向涡流可以显著强化传热，当然若不考虑剪切变稀特性流阻也会相应增加。因而综合考虑上述污泥剪切变稀特性和混合旋流的强化传热及流阻特性，本发明的在平行双管管内设置混合旋流结构，不仅可以显著强化传热，而且可以获得相同传热性能条件下明显的减阻性能。发明人通过试验研究和数值模拟表明，本发明的市政污泥换热，相对于光滑圆形截面管，在相同输送功耗条件下可以强化传热大约一个数量级，或者在相同传热量条件下可以降低输送功耗（流阻）大约一个数量级。

为方便第一换热管1和第二换热管2之间的相连以及相邻双通道换热单元100之间的连接，优选的，该第一换热管1的两端具有圆形截面第一端部连接管13，该第二换热管2的两端具有圆形截面的第二端部连接管23，该第一端部连接管13和第二端部连接管23之间呈间隙布置，以便于连接。

本发明还提供了一种换热器1000，如图13至图15所示，其包括若干上述的双通道换热单元100，若干双通道换热单元100通过管间连接件200依次蜿蜒连接连通。所述管间连接件200包括若干第一管间连接件210和第二管间连接件220，其中若干第一管间连接件210蜿蜒连接连通若干双通道换热单元100的第一换热管1，蜿蜒连接连通的如干第一换热管1和第一管间连接件210内形成第一物料容腔；第二管间连接件220蜿蜒连接连通若干双通道换热单元100的第二换热管2，蜿蜒连接连通的如干第二换热管2和第二管间连接件220内形成第二物料容腔。所述换热器1000还包括进出口接管300，其中第一物料进口接管311和第一物料出口接管312连接连通蜿蜒连接连通的如干第一换热管1和第一管间连接件210；第二物料进口接管321和第二物料出口接管322连接连通蜿蜒连接连通的如干第二换热管2和第二管间连接件220。所述换热器1000还包括换热器壳体组件400，即换热器壳体410、支撑组件420和保温件430。该换热器1000具有双通道换热单元100的所有特点，能够有效的避免换热器1000内的介质发生堵塞，保证长期稳定有效的高效工作。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双通道换热单元，其特征在于，包括换热管组，所述换热管组包括呈非套接的轴向平行布置的第一换热管和第二换热管，所述第一换热管和第二换热管分别包括相向布置的第一配合管侧和第二配合管侧，所述第一配合管侧与第二配合管侧之间相抵靠和/或存在间隙，该间隙内填充有传热介质，所述第一换热管和第二换热管之间至少通过抵靠处直接传热和/或通过间隙内的传热介质间接传热；

所述第一换热管和/或第二换热管内设置有用于引导管体内的介质形成混合旋流的旋流部；

和/或，所述第一换热管和/或第二换热管为可引导管体内的介质形成多纵向涡流的交叉缩放管结构。

2.根据权利要求1所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述第一配合管侧和第二配合管侧为平面配合抵靠或者月牙凹凸面配合抵靠或者波纹凹凸曲面配合抵靠且两者之间通过焊接直接相连。

3.根据权利要求1所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述第一配合管侧与第二配合管侧之间呈间隙布置，所述第一配合管侧与第二配合管侧对应间隙的两侧通过焊接直接搭连或者通过挡条焊接搭连以封闭的填充腔，所述传热介质填充在该填充腔内。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述换热管组的外部套接有外套管，所述传热介质填充在外套管与换热管组之间的间隙内和第一换热管和第二换热管之间的间隙内。

5.根据权利要求1所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述旋流部为管体外壁向内凹陷以在对应内壁上形成的与对应管体轴线呈倾斜布置的凸起结构。

6.根据权利要求1所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述交叉缩放管由若干管截面具有长、短轴的椭形截面管段接合而成，且相邻的椭形截面管段的长轴呈角度布置。

7.根据权利要求1所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述第一换热管和第二换热管为通过滚轧或者模压形成的椭扁管结构。

8.根据权利要求7所述的一种双通道换热单元，其特征在于，所述第一换热管的两端部具有圆形截面的第一端部连接管，所述第二换热管的两端部具有圆形截面的第二端部连接管， 该第一端部连接管和第二端部连接管之间呈间隙布置。

9.一种换热器，其特征在于，包括若干权利要求1至8所述的双通道换热单元，若干所述双通道换热单元通过管间连接件依次蜿蜒连接连通。

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