CN112179185A - 一种复合强化传热的双通道换热单元及其换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合强化传热的双通道换热单元及其换热器，包括换热管组件和套管组件，套管组件包括套管和端板，套管与端板配合形成封闭的腔体，套管组件的腔体内设置有中间传热液；换热管组件包括轴向平行布置于套管组件内的热媒管和冷媒管；热媒管位于冷媒管的下方，热媒管部分浸没在中间传热液内且部分露出于中间传热液，冷媒管位于中间传热液的液位线上方，热媒管外露部分管面与冷媒管接触抵靠或者存在微间隙，该微间隙E≤10mm。本发明具有沸腾冷凝循环传热、蒸发冷凝循环传热和近壁导热的复合换热，显著强化了管体内介质的传热。

Description

一种复合强化传热的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设备技术领域，特别涉及一种复合强化传热的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；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，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，提供一种复合强化传热的双通道换热单元，采用平行布置冷媒管和热媒管，使得污泥具有大口径的流通通道，以及流动截面积比较均匀且无流动死角；同时利用沸腾-冷凝和/或蒸发-冷凝两相换热过程和/或导热实现热量的传递，采用中间相变介质复合换热强化，有沸腾-冷凝循环传热、蒸发-冷凝循环传热和近壁导热的复合换热强化，显著的强化了传热，实现污泥之间的高效小温差传热；同时提供一种具有复合强化传热的双通道换热单元的换热器，其具有复合强化传热的双通道换热单元的所有优点。

为实现上述目的，本发明提供一种复合强化传热的双通道换热单元，包括换热管组件、以及套接在换热管组件外部的套管组件，所述套管组件包括套管、以及位于套管轴向两端的端板，所述套管与端板配合形成封闭的腔体，所述套管组件的腔体内设置有中间传热液；

所述换热管组件包括轴向平行布置于套管组件内的热媒管和冷媒管，所述热媒管的两端部和冷媒管的两端部分别贯穿两端的端板并延伸至外部；

其中，所述热媒管位于冷媒管的下方，所述热媒管部分浸没在中间传热液内且部分露出于中间传热液，所述冷媒管位于中间传热液的液位线上方，所述热媒管外露部分管面与冷媒管接触抵靠或者存在微间隙，该微间隙E≤10mm；

所述热媒管加热中间传热液在热媒管的浸没部分的外表面产生沸腾和/或在热媒管的非浸没部分的外表面的液膜表面产生薄膜蒸发和/或在所述腔体的所述中间传热液液面上产生蒸发以产生中间介质气，该中间介质气与冷媒管接触冷凝形成冷凝液，以在冷媒管的外壁上形成冷凝液膜；冷凝液在重力作用下流至冷媒管与热媒管的交接处并继续下落至热媒管外露的外壁上和中间传热液液面上，在液体表面张力和毛细力的作用下，在冷媒管和热媒管的交接处、以及热媒管外露的外壁上形成相粘连的蒸发液膜，如此循环，所述热媒管通过加热中间传热液，以沸腾-冷凝和/或蒸发-冷凝将热量传递给冷媒管，以及热媒管通过近壁导热将热量传递给冷媒管，从而实现热媒管内的热媒与冷媒管内的冷媒之间的高效复合热传递。

进一步设置为：所述热媒管的浸没最大尺度H与热媒管的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.3-0.95。

进一步设置为：所述热媒管的浸没最大尺度H与热媒管的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.5-0.8。

进一步设置为：所述热媒管和冷媒管之间的微间隙E＞0mm且E≤5mm。

进一步设置为：所述热媒管与冷媒管接触抵靠处通过焊接连接为一体。

进一步设置为：所述热媒管和/或冷媒管的管体外壁通过向内挤压，在内壁上成型有与轴线呈倾斜布置的旋流凸起。

进一步设置为：所述热媒管和/或冷媒管为交叉缩放管结构，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：所述热媒管内的流体流动方向与冷媒管内的流体流动方向相反。

本发明还提供一种换热器，包括若干双通道换热单元，若干所述双通道换热单元依次连接连通。

与现有技术相比，本发明结构紧凑、合理，利用中间传热介质的沸腾-冷凝和/或蒸发-冷凝两相换热过程和/或导热实现双通道换热单元内对流换热流体的热量的传递，由于双通道换热单元具有大口径的流通通道，以及流通截面积比较均匀且无流动死区，同时采用中间相变介质复合换热强化，有沸腾-冷凝循环传热、蒸发-冷凝循环传热和近壁导热的复合换热强化，显著的强化了双通道换热单元传热效果，可以实现污泥与污泥之间的高效小温差传热，如此有效解决了污泥与污泥之间的高效换热难题，可深度回收工艺热能，使得其污泥处理工艺具有超低工艺能耗，获得显著的节能经济效益。

附图说明

图1是本发明一种复合强化传热的双通道换热单元的结构示意图一（交叉缩放管）；

图2是图1中的A-A截面换热原理结构示意图；

图3是交叉缩放管的结构示意图；

图4是一种复合强化传热的双通道换热单元的结构示意图二（旋流凸起）；

图5是图4中的截面换热原理结构示意图；

图6是换热器的结构示意图（主视图）；

图7是换热器的结构示意图（侧视图）；

图8是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；1、换热管组件；11、热媒管；111、旋流凸起；112、椭形截面管段；113、圆形截面管段；12、冷媒管；2、套管组件；21、套管；22、端板；3、中间传热介质；31、中间传热液；32、中间介质气；33、冷凝液膜；34、蒸发液膜；35、中间介质气饱；

200、管间连接件；210、热媒管间连接件；220、冷媒管间连接件；

300、进出口接管；311、热媒管进口接管；312、热媒管出口接管； 321、冷媒管进口接管；322、冷媒管出口接管；

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

N1、低温污泥通道；N2、高温污泥通道；H、浸没最大深度；H0、垂直方向最大尺度；E、微间隙。

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。

本发明一种复合强化传热的双通道换热单元100如图1、图2、图4和图5所示，包括换热管组件1、以及套接在换热管组件1外部的套管组件2，该套管组件2包括套管21、以及位于套管21轴向两端的端板22，两端的端板22密封封盖套管21的两端开口以配合形成封闭的腔体，套管组件2的腔体内设置有中间传热液31；换热管组件1包括轴向平行布置于套管组件2内的冷媒管12和热媒管11，该冷媒管12的两端部和热媒管11的两端部分别穿过套管21两端的端板22并延伸至端盖外，对应的，两端的端板22上分别设置有供了冷媒管12和热媒管11穿过的过孔；冷媒管12内部具有供低温污泥流动的低温污泥通道，热媒管11内部具有供高温污泥流动的高温污泥通道，该高温污泥在高温污泥通道内的流动方向与低温污泥在低温污泥通道内的流动方向相反，呈逆流设置；热媒管11位于冷媒管12的下方，该冷媒管12与热媒管11抵接抵靠和/或者该冷媒管12与热媒管11之间存在微间隙，该微间隙E≤10mm，其中，热媒管11部分浸没在中间传热液31内且部分露出于中间传热液31的上方，即该热媒管11的浸没最大深度H与热媒管11的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.3-0.95，优选该热媒管11的浸没最大深度H与热媒管11的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.5-0.8；如此高温污泥在热媒管11内流动加热中间传热液31，以使得中间传热液31汽化形成中间介质气32，该中间介质气32与冷媒管12的外表面接触冷凝液化以形成冷凝液，该冷凝液附着在冷凝管的外壁上以形成冷凝液膜33；同时，该冷凝液在重力的作用下沿着冷媒管12的外壁向下流动至或者滴落至中间传热液31的液面上和/或冷媒管12与热媒管11的交接处和/或热媒管11露出液面的外壁上，冷凝液在自身的液体表面张力和毛细力的作用下，该冷凝液在冷媒管12和热媒管11的交接处和热媒管11外露的外壁上形成蒸发液膜34；由于热媒管11和冷媒管12之间存在温度差，该热媒管11的温度相对较高，使中间传热液31沸腾（在热媒管11浸没在中间传热液内的外壁面处沸腾产生中间介质气饱35）和表面蒸发（在中间传热液31的上液面和热媒管11外露外壁面的液膜蒸发产生蒸汽），如此使得部分中间传热液31汽化为中间介质气32，部分中间介质气32与冷媒管12接触液化为冷凝液，冷凝液下流，下流至冷媒管12和热媒管11的交接处、以及热媒管11外壁上的部分冷凝液重新蒸发汽化为中间介质气32，部分冷凝液下流入或者滴落至中间传热液31内，如此循环汽化-冷凝再汽化-冷凝使得热媒管11的热能通过中间传热介质3（中间传热液31、中间介质气32、冷凝液膜33、蒸发液膜34）传递至冷媒管12，套管组件2内的气压相对保持稳定；同时由于薄液膜蒸发传热性能非常强，特别是在小温差下远强于核态沸腾换热，以及热媒管11较浅浸没在中间传热液31中也可以明显强化沸腾和蒸发传热（相当于通常的大容池沸腾传热，较浅浸没可明显强化沸腾和蒸发传热），因而显著强化了冷媒管12与热媒管11之间的传热，即使在小温差条件下也能获得优良的换热性能。

在上述方案中，热媒管11的截面内热媒管11浸没最大深度H与热媒管11的截面垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.3-0.95，其目的是充分利用“较浅浸没沸腾传热”+“薄液膜蒸发传热”强化传热特性，优选为H/H0为0.5-0.8。热媒管11的截面热媒管11浸没最大深度H是指在双通道换热单元100横截面内热媒管11的最低处与中间传热液31液面的垂直距离，垂直方向最大尺度H0是指在双通道换热单元100横截面内热媒管11的的最低处与最高处的垂直距离。H/H0小于1是指双通道换热单元100横截面内热媒管11部分浸没，也就是存在部分热媒管11在中间传热液31液面以上，在传热工作过程中部分热媒管11上存在冷凝液膜以强化传热。H/H0过大，一方面有可能使得冷媒管12浸没于中间传热液31中而使得冷媒管12浸没部分不能利用冷凝强化传热，另一方面还使得热媒管11浸没过深而不能充分利用“较浅浸没沸腾传热”强化传热特性，较优选择是热媒管11少部分露出中间传热液31液面，如此可以充分利用“较浅浸没沸腾传热”+“薄液膜蒸发传热”强化传热特性，即优选为H/H0为0.5-0.8。H/H0也不宜过小，否则一方面会使得中间相变传热难以启动，另一方面也使得热媒管11的沸腾传热特性降低，因此H/H0不宜小于0.3。

在一些具体的实施方案中，双通道换热单元100的热媒管11和冷媒管12的管体接触抵靠（微间隙E=0）或者存在微间隙(该微间隙E＞0mm且E≤5mm，根据需要可以将管体进行弯曲、压扁和变形)，优选热媒管11和冷媒管12接触抵靠处通过焊接连接为一体；如此热媒管11和冷媒管12之间能够实现两管接触抵靠固体导热+接触或者微间隙区域液体导热，或者两管接触抵靠焊接固体导热+接触或者微小间隙区域液体导热；另外，由于冷媒管12和热媒管11一般比较长，大约3-9m，采用热媒管11与冷媒管12相互接触抵靠，且热媒管11由于弯曲支撑在套管组件2的内壁上，或者采用支撑结构使得热媒管11支撑在套管组件2的内壁上以满足结构刚度要求。

为了避免热媒管11内的高温污泥和冷媒管12内的低温污泥发生沉积，该热媒管11和/或冷媒管12内可以具有用于引导管体内部流体形成混合旋流的导流结构，该导流结构优选为管体的外壁向内壁压制，以在内壁上形成与管体轴线呈倾斜布置的旋流凸起111结构，该旋流凸起111结构可以为条型凸起、螺旋型凸起、丁胞组合型凸起，该丁胞组合型凸起包括若干间隔布置的丁胞且若干丁胞的顶部连线与管体轴线呈倾斜布置；如此通过旋流凸起111结构能够引导管体内污泥产生旋转流动，从而避免发生沉积、堵塞。

为了避免热媒管11内的高温污泥和冷媒管12内的低温污泥发生沉积，该热媒管11和/或冷媒管12可以为交叉缩放管（如图3），该交叉缩放管由若干管截面具有长、短轴的椭形截面管段112接合而成且相邻的椭形截面管段112的长轴呈角度布置，该椭形截面管段112的两端设置有用于方便连接的圆形截面管段113，可选用已授权发明专利中记载的交叉椭形截面换热管（授权公告号：CN1145781C，申请日：2000.12.26），如此可以在管体内形成多纵向涡流，从而有效避免管体内的污泥发生沉积，保证污泥流动的顺畅性；优选，交叉缩放管的相邻椭形截面管段112的长轴呈90°相交，如此使得冷媒管12的椭形截面管段112和热媒管11的椭形截面管段112也相互之间呈90°相抵。

本发明的复合强化传热的双通道换热单元利用沸腾冷凝两相换热过程实现热量的传递，采用中间相变介质复合换热强化，有沸腾-冷凝循环传热和/或蒸发-冷凝循环传热和/或近壁导热的复合换热强化，显著地强化了传热，实现污泥之间的高效小温差传热，如此有效解决了污泥与污泥之间的高效换热难题，可深度回收工艺热能，使得其污泥处理工艺具有超低工艺能耗，获得显著的节能经济效益。

如图6至8所示，本发明还公开了一种换热器1000，其包括若干上述的复合强化传热的双通道换热单元100，若干所述双通道换热单元100通过管间连接件200依次蜿蜒连接连通。所述换热器1000包括若干管间连接件200，其中若干热媒管间连接件210蜿蜒连接连通若干双通道换热单元100的热媒管11，蜿蜒连接连通的如干热媒管11和热媒管间连接件210内形成高温污泥流动路径；冷媒管间连接件220蜿蜒连接连通若干双通道换热单元100的冷媒管12，蜿蜒连接连通的如干冷媒管12和冷媒管间连接件220内形成低温污泥流动路径。所述换热器1000还包括进出口接管300，其中热媒管进口接管311和热媒管出口接管312连接连通蜿蜒连接连通的如干热媒管11和热媒管间连接件210；冷媒管进口接管321和冷媒管出口接管322连接连通蜿蜒连接连通的如干冷媒管12和冷媒管间连接件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、换热管支撑组件420和保温件430。如此该换热器具备上述换热单元的所有特点，能够显著强化传热效果，实现污泥-污泥的高效小温差换热，使得其污泥处理工艺具有超低工艺能耗，获得显著的节能经济效益。

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)

1.一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，包括换热管组件、以及套接在换热管组件外部的套管组件，所述套管组件包括套管、以及位于套管轴向两端的端板，所述套管与端板配合形成封闭的腔体，所述套管组件的腔体内设置有中间传热液；

所述换热管组件包括轴向平行布置于套管组件内的热媒管和冷媒管，所述热媒管的两端部和冷媒管的两端部分别贯穿两端的端板并延伸至外部；

其中，所述热媒管位于冷媒管的下方，所述热媒管部分浸没在中间传热液内且部分露出于中间传热液，所述冷媒管位于中间传热液的液位线上方，所述热媒管外露部分管面与冷媒管接触抵靠或者存在微间隙，该微间隙E≤10mm；

所述热媒管加热中间传热液在热媒管的浸没部分的外表面产生沸腾和/或在热媒管的非浸没部分的外表面的液膜表面产生薄膜蒸发和/或在所述腔体的所述中间传热液液面上产生蒸发以产生中间介质气，该中间介质气与冷媒管接触冷凝形成冷凝液，以在冷媒管的外壁上形成冷凝液膜；冷凝液在重力作用下流至冷媒管与热媒管的交接处并继续下落至热媒管外露的外壁上和中间传热液液面上，在液体表面张力和毛细力的作用下，在冷媒管和热媒管的交接处、以及热媒管外露的外壁上形成相粘连的蒸发液膜，如此循环，所述热媒管通过加热中间传热液，以沸腾-冷凝和/或蒸发-冷凝将热量传递给冷媒管，以及热媒管通过近壁导热将热量传递给冷媒管，从而实现热媒管内的热媒与冷媒管内的冷媒之间的高效复合热传递。

2.根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管的浸没最大尺度H与热媒管的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.3-0.95。

3.根据权利要求2所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管的浸没最大尺度H与热媒管的垂直方向最大尺度H0的比值H/H0为0.5-0.8。

4. 根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于， 所述热媒管和冷媒管之间的微间隙E＞0mm且E≤5mm。

5.根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管与冷媒管接触抵靠处通过焊接连接为一体。

6.根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管和/或冷媒管的管体外壁通过向内挤压，在内壁上成型有与轴线呈倾斜布置的旋流凸起。

7.根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管和/或冷媒管为交叉缩放管结构，该交叉缩放管由若干管截面具有长、短轴的椭形截面管段接合而成且相邻的椭形截面管段的长轴呈角度布置。

8.根据权利要求1所述的一种复合强化传热的双通道换热单元，其特征在于，所述热媒管内的流体流动方向与冷媒管内的流体流动方向相反。

9.一种换热器，其特征在于，包括若干权利要求1至8任一项所述的双通道换热单元，若干所述双通道换热单元依次蜿蜒连接连通。

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