CN112724938A - 一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，属于荒煤气余热回收用导热介质领域；包括导热体，所述导热体外表面包括至少六个平面；本发明一方面通过将单一直径导热球的圆弧面接触变为多面导热体的平面接触，增加微观表面的接触点数，减小接触热阻；另一方面通过多面导热体空间填充率远高于单一直径导热求球体空间填充率，减少填充体内部空气量，提高整体导热率，本发明多面导热体的热导率高，传热能力强，选用陶瓷导热体即可保证单个导热体的热导率，烧结温度不高，成本可控，大大提高焦炉荒煤气余热回收装置的推广应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种多面导热体，尤其涉及一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，属于荒煤气余热回收用导热介质领域。
背景技术
焦炉是焦化企业生产的关键设备和能量聚集点。焦炉的支出热主要由三部分组成：一是焦炉炭化室出焦时所推出的红焦带出的高温余热，约占37％；二是焦炉上升管排出的高温荒煤气带出的中温余热，约占33％；三是焦炉烟道排出的废气带出的低温余热，约占17％。其中，红焦带出的高温余热目前已通过干熄焦技术予以回收并发电；烟道气排出的低温余热也已采用煤调湿、煤干燥、热管技术予以回收；但对于焦炉顶部上升管排出的550—800℃左右荒煤气，其带出的热量在焦炉输出显热中位居第二，该项中温余热是焦炉余热余能回收利用的最后一道亟待攻破的技术难关。不管对于焦化企业还是余热回收设备制造企业，焦炉荒煤气余热回收都是值得关注和投入的方向，具有广阔的市场前景。
焦炉荒煤气余热回收过程中，由于荒煤气中含80～120g/Nm3焦油汽，荒煤气接触到温度较低的换热界面时，荒煤气中的气态焦油会凝出在换热界面，壁温300℃以下极易凝结、石墨化，甚至封堵荒煤气流通烟道。为提高换热器壁面温度，焦炉荒煤气余热回收装置发展出直接换热和间接换热两种结构形式。间接换热是在上升管内外筒之间填充导热介质(如氮化铝)，将上升管内筒导入的荒煤气显热由导热介质传给其间的盘管中，换热器壁面温度远高于换热介质温度，换热介质为导热垫、陶瓷粉体、陶瓷球等。其中采用陶瓷球做导热介质，通过适当的结构布置，可以保持相对较高的换热器内壁面温度，一般可以高于300℃。但采用球形材料做导热介质存在以下问题：
1、填充换热器时，只能用单一直径的球体来填充(如果用不同直径的球体填充，存在填充过程中不同直径球体相互分离，填充分布不均问题)，而单一直径球体填充的理论最高填充率约为62％，还有38％的空间为空气，空气导热性较差，使得填充后整体热导率较低。
2、球形填充材料在最紧密填充时，每个球体与其周围6个球体相接触，相互之间为圆弧形接触，接触面积小，接触点较少(粗糙表面为凸起峰接触)，接触界面热阻较大，球体接触界面间导热能力弱。
3、为了保证填充后适当的传热能力，需要采用导热性能好的材料及相关工艺来保证单个球体的热导率，通常采用氮化铝、碳化硅等材料来制作导热球，这些材料相对较昂贵，烧结温度高，球形导热体总成本高，影响焦炉荒煤气余热回收装置的推广应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的陶瓷球做导热介质最高填充率仅为62％，填充后整体热导率较低，球体接触界面间导热能力弱，传热能力高的材料相对较昂贵的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，包括导热体，所述导热体外表面包括至少六个平面。
具体地，所述导热体为正方体。
更具体地，所述导热体为截角正方体。
具体地，所述导热体还可以为六棱柱。
更具体地，所述六棱柱导热体为截角六棱柱。
具体地，所述导热体还可以为八面体。
更具体地，所述八面体导热体为截角八面体。
进一步，所述导热体每个棱边倒圆角。
更进一步，所述导热体采用陶瓷材料的导热体。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、解决单一直径球体填充率低的问题，减少空隙率，增强导热性。
2、解决导热球的球体与球体之间因为是圆弧形接触，从而接触面积小，接触点较少(粗糙表面为凸起峰接触)，接触界面热阻较大，球体接触界面间导热能力弱的问题。
3、在要求导热体热导率较高的情况下，采用价格较低的陶瓷即可，降低导热体总成本，便于焦炉荒煤气余热回收装置的推广应用。
本发明提供的多面导热体的热导率高，传热能力强，选用陶瓷导热体即可保证单个导热体的热导率，烧结温度不高，成本可控，大大提高焦炉荒煤气余热回收装置的推广应用
除了上述所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明正方体导热体示意图。
图2为本发明截角正方体导热体示意图。
图3为本发明截角正方体(倒圆角)导热体示意图。
图4为本发明截角正方体导热体堆积示意图。
图5为本发明六棱柱导热体示意图。
图6为本发明截角六棱柱导热体示意图。
图7为本发明截角六棱柱(倒圆角)导热体示意图。
图8为本发明截角六棱柱导热体堆积示意图。
图9为本发明八面体导热体示意图。
图10为本发明截角八面体导热体示意图。
图11为本发明截角八面体(倒圆角)导热体示意图。
图12为本发明截角八面体导热体堆积示意图。
图13为单一直径球体导热体堆积示意图。
图14为单一直径球体导热体球面点接触导热示意图。
图15为本发明多面导热体平面点接触导热示意图。
图中：1-正方体，2-截角正方体，3-六棱柱，4-截角六棱柱，5-八面体，6-截角八面体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若用到术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在发明的描述中，除非另有说明，若用到术语“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，若用到术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若用到术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明所述的一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，包括导热体，所述导热体外表面包括至少六个平面。
实施例1
所述导热体的形状设置为正方体1，如图1所示；为了进一步提高空间填充率，将所述导热体的八个尖角切除，成为截角正方体2，如图2所示，可使得切除尖角后的截角正方体2各边长相等，该导热体的空间填充率为82～100％(空间填充率的高低由截角大小决定)，截角正方体2的空间对称性好，可随机填充。
实施例2
所述导热体的形状设置为六棱柱3，如图5所示；为了进一步提高空间填充率，将所述导热体的十二个尖角切除，成为截角六棱柱4，如图6所示，可使得切除尖角后的截角六棱柱4各边长相等，该导热体的空间填充率为85～100％(空间填充率的高低由截角大小决定)。
实施例3
所述导热体的形状设置为八面体5，如图9所示，为了进一步提高空间填充率，将所述导热体的六个尖角切除，成为截角八面体6，如图10所示；使得切除尖角后的截角八面体6各边长相等，空间填充率为100％，截角八面体6的空间对称性好，可随机填充。
为了减小填充时的滚动力矩，进一步将上述实施例1至实施例3所述导热体的各棱边进行倒圆角处理，如图3、图7和图11所示，得到的导热体的空间填充率虽然略有减小但减小有限，影响较小。本发明所述的导热体采用陶瓷材料的导热体，成本较低，方便推广使用。
本发明提供的一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其具有空间填充率高，空隙率低；多面导热体相互之间为平面接触，增加导热接触点数量，填充体具有良好的导热性；填充时，多面体随机填充也能填满空间等优势。
上述所述的多面导热体，单一一种多面体就能填满整个空间，它们分别是正方体、八面体、六棱柱等。为了使得多面导热体能随机填充满空间，有较高的空间对称性。并且能够自己滚动进入局部小空间，滚动力矩小，重心和几何外形中心重合，将多面导热体进行修剪，得到几种更加满足传热要求和填充要求的多面导热体。修剪方法是将多面体滚动力矩较大的边角切除，得到接近于圆形的形状，同时保证多面导热体空间填充率大于80％，且保留相对较大的接触面。
本发明所提供的多面导热体，一方面通过将导热球的圆弧面接触变为多面导热体的平面接触，增加微观表面的接触点数，减小接触热阻；另一方面通过利用多面体空间填充率远高于单一球体空间填充率，减少填充体内部空气量，提高整体导热率。
本发明所提供的多面导热体增加微观表面接触点数能降低界面接触热阻，原理如图14和图15所示，可做简单推导如下：
根据界面热阻定义：
Rtc：界面热阻
ΔT：界面两侧温差
q：界面热流密度
根据界面热阻理论：
Ri：单个接触点热阻
n：接触点数量
将公式一与公式二合并：
根据公式三可得：
球形接触面热流密度:
平面接触面热流密度：
单一直径导热球和多面导热体采用相同烧结温度，表面粗糙度相同，则单点接触热阻Ri相等。假设球面传热温差ΔTq＝Ta-Tb和平面传热温差ΔTp＝Tc-Td相等；当导热球直径与多面导热体高度H相等，则平面接触的接触点数np多于球面接触点数nq，即：np＞nq，则：qp＞qq
结论：相同条件下，多面导热体界面热阻小于单一直径导热球界面热阻，多面导热体传热热流密度大于单一直径导热球传热热流密度。
多面导热体空间填充率高于单一直径导热球空间填充率；具体表现为：
如图13所示，其为单一直径导热球最密堆积示意图，单一直径导热球球体最大空间填充率仅为62％；
如图12所示，其为各边边长相等的截角八面体堆积示意图，空间填充率为100％；
如图4所示，其为截角正方体堆积示意图，空间填充率为82～100％(由截角大小决定)；
如图8所示，其为截角六棱柱堆积示意图，空间填充率为85～100％(由截角大小决定)；
上面对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：包括导热体，所述导热体外表面包括至少六个平面。
2.根据权利要求1所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为正方体(1)。
3.根据权利要求2所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为截角正方体(2)。
4.根据权利要求1所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为六棱柱(3)。
5.根据权利要求4所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为截角六棱柱(4)。
6.根据权利要求1所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为八面体(5)。
7.根据权利要求6所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体为截角八面体(6)。
8.根据权利要求1-7任一所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体每个棱边倒圆角。
9.根据权利要求1-7任一所述的焦炉上升烟道荒煤气余热回收装置用多面导热体，其特征在于：所述导热体采用陶瓷材料的导热体。
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