CN112393632B - 一种环路热管系统间歇式轮换换热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环路热管系统间歇式轮换换热的方法，在一个周期时间T内，第一热管和第二热管进行换热方式如下：0‑T/2的半个周期内,第一阀门、第三阀门打开，第二阀门、第四阀门关闭，使得烟气进入第一热管进行换热；T/2‑T的半个周期内,第二阀门、第四阀门打开，第一阀门、第三阀门关闭，使得烟气进入第二热管进行换热。本发明通过周期内变化性的阀门开闭进行加热，可以使得流体在热管弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。避免内部流体流动形成稳定性。

Description

一种环路热管系统间歇式轮换换热的方法

技术领域

本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种新式结构的热管。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括电力领域，例如电厂的余热利用等。

现有技术中，热管的外形影响了蒸发端的吸热面积，因此一般蒸发端吸热范围比较小，在热源中有时候需要设置多个热管来满足吸热需求；而且多蒸发端存在的时候，各个蒸发端因为处于热源的位置不同，会产生吸热不均匀的现象。在现有技术中，余热利用热管装置都是将冷凝端延伸到管外，这样占用了外部的面积，使得热管余热利用系统结构不紧凑。

此外，弹性振动管束在余热换热中普遍应用，在应用中发现，持续性的加热会导致内部热管装置的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致盘管振动性能大大减弱，从而影响盘管的除垢以及加热的效率。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管结构，同时频繁的保证热管的振动，充分利用热源，降低能耗，改善排烟效果。

发明内容

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管系统，以实现余热的充分利用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种环路热管系统间歇式轮换换热的方法，所述系统包括烟气管道，烟气管道包括第一旁通管路和第二旁通管路，其中第一旁通管路上分别设置第一阀门和第一热管，第一旁通管路对应的烟气管道上设置第二阀门，通过设置第一阀门和第二阀门；其中第二旁通管路上分别设置第四阀门和第二热管，第二旁通管路对应的烟气管道上设置第三阀门；

在一个周期时间T内，第一热管和第二热管进行换热方式如下：

0-T/2的半个周期内,第一阀门、第三阀门打开，第二阀门、第四阀门关闭，使得烟气进入第一热管进行换热；

T/2-T的半个周期内, 第二阀门、第四阀门打开，第一阀门、第三阀门关闭，使得烟气进入第二热管进行换热。

作为优选，所述的第一旁通管路和第二旁通管路位于烟气管道的同一侧。

作为优选，所述第一热管和第二热管包括蒸发部和冷凝部，所述冷凝部包括左冷凝管、右冷凝管和放热管组，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组12，左放热管组与左冷凝管和蒸发部相连通，右放热管组与右冷凝管和蒸发部相连通，从而使得蒸发部、左冷凝管、右冷凝管和放热管组形成加热流体封闭循环，蒸发部内填充相变流体，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；蒸发部包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左冷凝管，右放热管组的出口连接右冷凝管；所述第一管口和第二管口设置在在蒸发部一侧；其中蒸发部是热管的蒸发端，冷凝部是热管的冷凝端，所述的冷凝部至少一部分或者全部设置在空气通道中，所述蒸发部设置在烟气管道中；所述左冷凝管与蒸发部之间设置左回流管，所述右冷凝管与蒸发部之间设置右回流管。

作为优选，左放热管组和右放热管组沿着蒸发部的中间位置对称。

作为优选，蒸发端为扁平管结构。

作为优选，所述蒸发端位于冷凝端下部。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1、本发明通过周期内变化性的阀门开闭进行加热，可以使得流体在热管弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。避免内部流体流动形成稳定性。

2、一种新式结构的余热利用装置，通过在有限的空间设置更多的放热管组，增加管束的振动范围，从而强化传热，增强除垢。

3、本发明通过流体流动方向上的放热管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高换热效率。

4、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了热管装置的参数的最佳关系，从而实现最优的换热效率。

附图说明

图1为本发明余热利用系统管路示意图。

图2为本发明余热利用装置的主视图。

图3为本发明余热利用系统的主视图。

图4是本发明图2余热利用装置的左侧观测视图。

图5是本发明图2余热利用装置的底部观察视图。

图6是本发明余热利用装置放热管组错列布置结构示意图。

图7是余热利用装置尺寸结构示意图。

图中：1、放热管组，左放热管组11、右放热管组12、21、左上管，22，右上管，3、自由端，4、自由端，5、自由端，6、自由端，7、放热管，8、蒸发部， 10第一管口， 13第二管口，左回流管14，右回流管15，烟气管道101，空气管道102，管道103，分割壁104；热管16、热管17，第一阀18，第二阀19，第三阀20，第四阀23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

图1公开了本发明的余热利用环路热管的管道结构示意图。如图1所示，烟气管道101包括两个旁通管路，第一旁通管路和第二旁通管路，其中第一旁通管路上分别设置第一阀门18和热管16，第一旁通管路对应的烟气管道101上设置第二阀门19，通过设置第一阀门18和第二阀门19，可以控制烟气是否经过热管16进行余热利用。其中第二旁通管路上分别设置第四阀门23和热管17，第二旁通管路对应的烟气管道101上设置第三阀门20，通过设置第四阀门23和第三阀门20，可以控制烟气是否经过热管17、16进行余热利用。

作为优选，所述的第一旁通管路和第二旁通管路位于烟气管道101的同一侧，从而使得热管16、17可以加热同一流体。

作为优选，所述热管是弹性振动管束热管，结构如图2-7所示，设置在烟道中的利用烟道余热装置的热管16，17，所述热管包括蒸发部8和冷凝部，所述冷凝部包括左冷凝管21、右冷凝管22和放热管组1，所述放热管组1包括左放热管组11和右放热管组12，左放热管组11与左冷凝管21和蒸发部8相连通，右放热管组12与右冷凝管22和蒸发部8相连通，从而使得蒸发部8、左冷凝管21、右冷凝管22和放热管组1形成加热流体封闭循环，蒸发部8内填充相变流体，每个放热管组1包括圆弧形的多根放热管7，相邻放热管7的端部连通，使多根放热管7形成串联结构，并且使得放热管7的端部形成放热管自由端3-6；蒸发部包括第一管口10和第二管口13，第一管口10连接左放热管组11的入口，第二管口13连接右放热管组12的入口，左放热管组11的出口连接左冷凝管21，右放热管组12的出口连接右冷凝管22；所述第一管口10和第二管口13设置在在蒸发部8一侧。作为优选，左放热管组11和右放热管组12沿着蒸发部的中间位置对称。

其中蒸发部8是热管的蒸发端，冷凝部是热管的冷凝端。所述的冷凝部至少一部分或者全部设置在空气通道102中，所述蒸发部8设置在烟气管道101中。

作为优选，蒸发端8为扁平管结构。

所述蒸发端8位于冷凝端下部。

本发明热管在运行中，通过蒸发端8 从烟气中吸收热量，然后蒸发端8中的流体进行蒸发，通过第一管口10和第二管口13进入冷凝部，然后在冷凝部将热量释放给空气，流体进行冷凝，依靠重力的作用再进入蒸发端。

本发明通过设置热管的冷凝端的结构进行了改进，在不改变热管的冷凝端体积的情况下，使得热管的蒸发端的吸热面积增加，这样可以扩大热管的放热范围。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小，能够提高35%以上的换热效率。同时减少冷凝端的体积和占地面积，使得结构紧凑。

作为优选，所述左冷凝管21、右冷凝管22与蒸发部8沿着水平方向延伸。

作为优选，沿着左冷凝管21、右冷凝管22与蒸发部8水平方向延伸上设置多个放热管组1，所述放热管组1之间是并联结构。

作为优选，所述左冷凝管21与蒸发部8之间设置左回流管14，所述右冷凝管22与蒸发部8之间设置右回流管15。作为优选，所述回流管设置在水平方向的两端。

蒸发部8内填充相变流体，优选是汽液相变流体。所述流体在蒸发部8进行加热蒸发，沿着放热管束向左冷凝管21、右冷凝管22流动，流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导放热管自由端产生振动，换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。流体在左右冷凝管冷凝放热后又通过回流管回流到蒸发部。

本发明通过对现有技术进行改进，将上管和放热管组分别设置为左右分布的两个，使得左右两侧分布的放热管组都能进行振动换热除垢，从而扩大换热振动的区域，越能够使的振动更加均匀，换热效果更加均匀，增加换热面积，强化换热和除垢效果。

在实际应用中发现，持续性的加热会导致内部热管装置的流体形成稳定性，即流体不再流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致盘管振动性能大大减弱，从而影响盘管的除垢以及加热的效率。因此本发明对上述的系统进行了进一步的改进。具体改进如下：

作为一个优选，热管16和热管17采取轮换式的加热方式。

在一个周期时间T内，热管16和热管17进行换热方式如下：

0-T/2的半个周期内,第一阀门18、第三阀门20打开，第二阀门19、第四阀门23关闭，使得烟气进入热管16进行换热，不进入热管17中，使得热管16内的管束振动，从而达到强化传热以及除垢目的；

T/2-T的半个周期内, 第二阀门19、第四阀门23打开，第一阀门18、第三阀门20关闭，使得烟气进入热管17进行换热，不进入热管16中，使得热管17内的管束振动，从而达到强化传热以及除垢目的。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在热管16、17弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。避免内部流体流动形成稳定性。

作为优选，T是50－150分钟。

作为优选，所述左放热管组的放热管是以左冷凝管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右冷凝管的轴线为圆心分布。通过将左右冷凝管设置为圆心，可以更好的保证放热管的分布，使得振动和加热均匀。

作为优选，所述左放热管组、右放热管组均为多个。

作为优选，左放热管组和右放热管组沿着蒸发部的竖直方向轴心所在的面镜像对称。通过如此设置，能够使得换热的放热管分布更加合理均匀，提高换热效果。

作为优选，蒸发部8是扁平管结构。通过设置扁平管结构使得吸热面积增加。使得即使安装位置有点偏离，也能保证蒸发部8位于反射镜焦点位置处。

作为优选，左放热管组21和右放热管组22在水平延伸方向上错列分布，如图6所示。通过错列分布，能够使得在不同长度上进行振动放热和除垢，使得振动更加均匀，强化换热和除垢效果。

作为优选，第一管口10和第二管口13可以设置多个，例如图2中设置两个，通过设置多个，可以增加蒸发端蒸汽进入冷凝端的速度，加快余热的利用。

作为优选，包括流体通道102，流体在流体通道内流动。如图3所示，所述蒸发部8位于流体通道下端，如图3所示。左冷凝管21、右冷凝管22、左放热管组11和右放热管组12设置在流体通道内，通过放热加热流体通道内的流体。

作为优选，流体的流动方向与左冷凝管21、右冷凝管22与蒸发部8延伸的方向相同。通过如此设置，使得流体在流动的时候冲刷放热管组，尤其是放热管组自由端，从而使得自由端振动，从而强化传热，达到除垢的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述放热管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））的管径不断变大。

沿着流体的流动方向，流体温度不断的提高，从而使得换热温差不断的减小，换热能力越来越大。通过放热管组的管径变大，可以保证更多的蒸汽通过上部进入放热管组，保证沿着流体流动方向，因为蒸汽量大以及振动效果好，从而使得整体换热均匀。所有放热管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组（例如同一侧（左侧或者右侧））的放热管管径不断变大的幅度不断的增加。

通过如此设置，避免流体都在前部进行换热，而使的尽量换热向后部增加，从而形成类似逆流的换热效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述同一侧（左侧或者右侧）放热管组设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，同一侧（左侧或者右侧）相邻放热管组的间距不断变小。具体效果类似前面的管径变化的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，同一侧（左侧或者右侧）放热管组之间的间距不断变小的幅度不断的增加。具体效果类似前面的管径变化的效果。

在试验中发现，左冷凝管21、右冷凝管22的管径、距离以及放热管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大，则换热效率太差，放热管之间的距离太小，则放热管分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端的振动会产生影响，从而影响换热。因此左冷凝管21、右冷凝管22的管径、距离以及放热管的管径具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

左冷凝管21的中心与右冷凝管21的中心之间的距离为M，左冷凝管21的管径、右冷凝管22的半径相同，为B，放热管中最内侧放热管的轴线的半径为N1,最外侧放热管的轴线的半径为W2,则满足如下要求：

N1/W2=a*Ln(B/M)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.5788<a<0.6002，1.6619<b<1.6623；作为优选，a＝0.5790， b＝1.6621。

作为优选，35<B<61mm；230<M<385mm；69<N1<121mm，119<W2<201mm。

作为优选，放热管组的放热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<N1/W2<0.62；0.154<B/M<0.166。

作为优选，0.57<N1/W2<0.61；0.158<B/M<0.162。

作为优选，蒸发箱体底部的中点与左冷凝管21、右冷凝管22圆心之间形成的夹角A为40－100度（角度），优选为60度（角度）。

作为优选，放热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

作为优选，自由端3、4的端部之间以左集箱的中心轴线为圆心的弧度为95－130角度，优选120角度。同理自由端5、6和自由端3、4的弧度相同。通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

作为优选，放热管组1的管束是弹性管束。

通过将放热管组1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

所述放热管组1为多个，多个放热管组1为并联结构。

作为优选，所述冷凝端设置在空气通道中。通过加热空气通道，使得加热的空气直接用于锅炉燃烧。

作为优选，如图3所示，所述热管设置在管道103中，所述圆管通过分割壁104分为上部和下部两部分，上部为空气通道102，下部为烟气通道101。通过上述的设置，可以将热管以及换热的流体都全部设置在圆管管道中，这样可以充分利用外部空间，达到结构紧凑的目的。

作为优选，如图3所示，所述上部的截面积是下部截面积的50-80%，进一步优选为60-70%。通过上述的面积分布，可以使得热管的吸热和散热达到均匀协调的目的。

作为优选，如图3所示，所述的空气通道为梯形结构。梯形结构的上底位于竖直部分101的上部，下底是烟气通道的上壁面。通过设置图3所示的新式的梯形结构，可以进一步提高换热效率。因为随着热管的竖直部分向上，热管的竖直部分不断的参与换热，因此竖直部分下部温度最高，通过设置梯形结构，可以使得下部空气流量多，上部空气流量少，达到均匀换热的目的。而且通过设置梯形结构，可以使得外部结构紧凑，外部空间可以实现充分利用。例如可以将梯形结构腰的位置设置其他部件，例如管道。

作为优选，所述梯形结构的上底是下底的40-60%，进一步优选是50%。

作为优选，所述梯形是等腰梯形。

进一步优选，所述梯形的下底与腰形成的夹角是29-67°，优选是40-50°。

通过上述的结构优化，能够最大程度上实现换热的均匀以及换热效率的提高。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种环路热管系统间歇式轮换换热的方法，所述系统包括烟气管道，烟气管道包括第一旁通管路和第二旁通管路，其中第一旁通管路上分别设置第一阀门和第一热管，第一旁通管路对应的烟气管道上设置第二阀门，通过设置第一阀门和第二阀门；其中第二旁通管路上分别设置第四阀门和第二热管，第二旁通管路对应的烟气管道上设置第三阀门；所述第一热管和第二热管包括蒸发部和冷凝部，所述冷凝部包括左冷凝管、右冷凝管和放热管组，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组，左放热管组与左冷凝管和蒸发部相连通，右放热管组与右冷凝管和蒸发部相连通，从而使得蒸发部、左冷凝管、右冷凝管和放热管组形成加热流体封闭循环，蒸发部内填充相变流体，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；蒸发部包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左冷凝管，右放热管组的出口连接右冷凝管；所述第一管口和第二管口设置在在蒸发部一侧；其中蒸发部是热管的蒸发端，冷凝部是热管的冷凝端，所述的冷凝部至少一部分或者全部设置在空气通道中，所述蒸发部设置在烟气管道中；所述左冷凝管与蒸发部之间设置左回流管，所述右冷凝管与蒸发部之间设置右回流管；

在一个周期时间T内，第一热管和第二热管进行换热方式如下：

0-T/2的半个周期内,第一阀门、第三阀门打开，第二阀门、第四阀门关闭，使得烟气进入第一热管进行换热；

T/2-T的半个周期内, 第二阀门、第四阀门打开，第一阀门、第三阀门关闭，使得烟气进入第二热管进行换热。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一旁通管路和第二旁通管路位于烟气管道的同一侧。

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