CN113375140A - 一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器 - Google Patents

一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器 Download PDF

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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses

Abstract

本发明公开了一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器，该超导涡旋换热装置包括换热盘管层以及设置于换热管层中间的燃烧器；换热盘管层至少包括第一换热盘管层以及第二换热盘管层，第一换热盘管层位于第二换热盘管层的径向外侧，第一换热盘管层连接有进水管；第二换热盘管层连接有蒸汽出口管；燃烧器包括自上而下设置的燃烧进口端、燃烧管以及烟气排出口。该超导涡旋换热装置通过燃烧进口端精确控制空燃比，降低热传导阻力，提高燃烧热量转化，烟气掠过换热管形成涡旋现象，以增加与换热管接触的次数和时间，使热量滞留在换热管表面的时间更长，提高温差加速热传导，加快产汽速度，且能源利用率高，降低了蒸汽制造的成本。

Description

一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器
技术领域
本发明涉及蒸汽发生设备技术领域，尤其涉及一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器。
背景技术
蒸汽是工业主要热源及动力来源之一，蒸汽发生器是通过能量转换将水加热转化生成蒸汽的设备，其产生的蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或通过发电机将机械能转换为电能。
大型的蒸汽发生设备主要以锅炉为主，锅炉能装载大容量的水，但从启动到产生蒸汽的时间长，能量转化效率低，而且还存在因管理不善而发生爆炸的危险，只是适合工业或需求大的用户使用，使用范围小；中小型的蒸汽发生设备主要以换热式蒸汽发生器为主，可使用范围广，但其采用大气室燃烧结构，需要补充空气，并且燃烧器产生的火焰或高温会对设备的机架内壁造成一定的损害，需要利用防火材料进行隔热以防止损坏机架内壁，且需要定期更换，增加蒸汽产生的成本，且现在的燃烧换热方式，换热管设置于燃烧器的上方，水从上向下流动，热量从下往上流动，产生的热量在换热器上停留的时间短，换热效率低，从开机到出蒸汽的时间长，导致设备的蒸汽产生效率低；也有在进水系统与蒸发器之间设置节能器，将蒸发器没有蒸发的高温水以及没有被利用的热量收集进行水预热处理，但使整机机构复杂，热量转化效率、蒸汽干度和蒸汽发生率均难以提升。
发明内容
为了克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，本发明提供一种超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器。
本发明为解决其问题所采用的技术方案是：
一种超导涡旋换热装置，包括换热盘管层以及设置于所述换热管层中间的燃烧器；
所述换热盘管层至少包括第一换热盘管层以及第二换热盘管层，所述第一换热盘管层位于所述第二换热盘管层的径向外侧，所述第一换热盘管层连接有进水管；所述第二换热盘管层连接有蒸汽出口管；
所述燃烧器包括自上而下设置的燃烧进口端、燃烧管以及烟气排出口。
本发明所提供的超导涡旋换热装置，通过燃烧器中的燃烧进口端精确控制空燃比，降低热传导阻力，提高燃烧热量转化，燃烧管燃烧短火焰产生向外散射的高温烟气掠过换热管形成涡旋现象，以增加与换热管接触的次数和时间，使热量滞留在换热管表面的时间更长，提高温差加速热传导，加快产汽速度，从开机到出蒸汽的时间可从目前现有的蒸汽发生设备的5分钟缩短至5秒，且排烟温度低，同时能源利用率高，降低了蒸汽制造的成本。
进一步地，所述第一换热盘管层的换热管设有用于聚集并传递热量的翅片。
进一步地，所述第二换热盘管层包括汽化盘管层以及加热盘管层；所述汽化盘管层的底端与所述加热盘管层的底端连通，所述汽化盘管层位于所述加热盘管层的径向外侧；所述加热盘管层的顶端与所述第一换热盘管层的顶端连通，所述汽化盘管层的顶端与所述蒸汽出口管连通；所述汽化盘管层与所述加热盘管层上的管与管之间的位置交错布置。
进一步地，所述第一换热盘管层和所述第二换热盘管层的管与管之间的位置平行或交错布置。
本发明还提供了一种蒸汽发生器，包括机架以及设置于机架内的上述技术方案中任一项所述的超导涡旋换热装置；
所述机架包括机架底座以及上盖；所述进水管与所述烟气排出口均设置在所述机架底座内，所述蒸汽出口管贯穿连接在所述上盖。
本发明所提供的的蒸汽发生器，通过设置超导涡旋换热装置，实现快速换热产生蒸汽，且燃烧器产生的热量能在换热盘管层中高效地传导转化利用，减少了对机架的破坏，延长了设备的使用寿命。
进一步地，还包括隔火件，所述隔火件包括隔火板以及隔火底座，所述隔火板设置于所述第一换热盘管层与第二换热盘管层之间，所述隔火底座设置在所述机架底座上。
进一步地，所述机架底座连接所述第一换热盘管层，并对所述第一换热盘管层形成支撑。
进一步地，所述隔火底座连接所述第二换热盘管层，并对所述第二换热盘管层形成支撑。
进一步地，所述机架还包括壳体，所述壳体设于所述机架底座与所述上盖之间，且所述壳体的内壁连接有防火隔热层。
由此，通过设置防火隔热层可以避免燃烧器产生的热量通过壳体流失，从而提高换热效率，还可以避免直接损坏壳体的内壁。
进一步地，所述机架上还包括至少两个用于固定所述机架的连接件，至少两个所述连接件分别连接于所述机架底座与所述上盖。
综上所述，本发明所提供的超导涡旋换热装置及其蒸汽发生器具有如下技术效果：
本发明所提供的超导涡旋换热装置，通过燃烧器中的燃烧进口端精确控制空燃比，降低热传导阻力，提高燃烧热量转化，燃烧管燃烧短火焰产生向外散射的高温烟气掠过换热管形成涡旋现象，以增加与换热管接触的次数和时间，使热量滞留在换热管表面的时间更长，提高温差加速热传导，加快产汽速度，从开机到出蒸汽的时间可从目前现有的蒸汽发生设备的5分钟缩短至5秒，且排烟温度低，同时能源利用率高，降低了蒸汽制造的成本。
本发明所提供的的蒸汽发生器，通过设置超导涡旋换热装置，实现快速换热产生蒸汽，且换热器产生的热量能在换热盘管层中高效地传导转化利用，减少了对机架的破坏，延长了设备的使用寿命。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中展出。
附图说明
图1为本发明的蒸汽发生器的结构示意图；
图2为本发明的蒸汽发生器的纵向剖面示意图；
图3为本发明的蒸汽发生器的横向剖面示意图。
其中，附图标记含义如下：
1、机架；11、机架底座；12、上盖；13、壳体；131、防火隔热层；2、换热盘管层；21、第一换热盘管层；211、翅片层；22、第二换热盘管层；221、汽化盘管层；222、加热盘管层；3、燃烧器；31、燃烧进口端；32、燃烧管；33烟气排出口；4、隔火层；41、隔火板；42隔火底座；5、进水管；6、蒸汽出口管；61、法兰。
具体实施方式
为了更好地理解和实施，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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
参阅图1-3，本发明公开了一种蒸汽发生器，包括机架1以及设置机架1内的超导涡旋换热装置，超导涡旋换热装置包括换热盘管层2以及燃烧器3，换热盘管层2设置在所述机架1内，燃烧器3设置在换热盘管层2中间；换热盘管层2包括第一换热盘管层21以及第二换热盘管层22，第一换热盘管层21位于第二换热盘管层22的径向外侧；第一换热盘管层21与进水管5连接，且进水管5位于机架1的底部；第二换热盘管层22与蒸汽出口管6连接，且蒸汽出口管6位于所述机架1的顶部；燃烧器3包括自上而下设置的燃烧进口端31、燃烧管32以及烟气排出口33，燃烧进口端31设置在机架1的顶部，烟气排出口33设置在机架1的底部。其中，换热盘管层2由换热管盘绕成多层的盘管层，换热管均为不锈钢材质，可耐高温高压。通过燃烧器3中的燃烧进口端31精确控制空燃比，降低热传导阻力，提高燃烧热量转化，燃烧管3燃烧短火焰产生向外散射的高温烟气掠过换热管形成涡旋现象，以增加与换热管接触的次数和时间，使热量滞留在换热管表面的时间更长，提高温差加速热传导，加快产汽速度，从开机到出蒸汽的时间可从目前现有的蒸汽发生设备的5分钟缩短至5秒，且排烟温度低，同时能源利用率高，降低了蒸汽制造的成本；燃烧器3产生的热量能在换热盘管层2中高效地传导转化利用，减少了对机架1的破坏，延长了设备的使用寿命。
参阅图2，在一些实施例中，第一换热盘管层21的换热管上设有用于聚集并传递热量的翅片层211。翅片层211能大量吸收燃烧器散射出的热量加热第一换热盘管层21中流过的水，减少热量散射到机架1上，延长了机架1的使用寿命。
在参阅图2，在一些实施例中，机架1包括机架底座11以及上盖12；所述进水管5与烟气排出口33均设置在机架底座11内，蒸汽出口管6贯穿连接在上盖12。其中，上盖12上连接有便于移动设备的吊环7。
进一步地，在一些实施例中，还包括隔火件4，隔火件4包括隔火板41以及隔火底座42，隔火板41设置于第一换热盘管层21与第二换热盘管层22之间，隔火底座42设置在机架底座11上。隔火件4将燃烧管32产生的高温烟气阻挡在第二换热盘管层22上涡旋流动，提高蒸汽产率和蒸汽干度；然后烟气从隔火板41上方溢出，沿着第一换热管层21自上而下流动接触，此时热量与水流的对流设置，对水流进行预热，有效利用燃烧器3产生的热量，且缩短蒸汽产生的时间，同时能避免与机架1内壁接触的烟气温度过高，加速损坏机架1内壁结构。
更进一步地，在一些实施例中，机架底座11连接第一换热盘管层21，并对第一换热盘管层21形成支撑。隔火底座42连接第二换热盘管层22，并对第二换热盘管层22形成支撑。
另外，在一些实施例中，机架1还包括壳体13，壳体13设于机架底座11与上盖12之间，且所壳体13的内壁连接有防火隔热层131。通过设置防火隔热层131可以避免燃烧器3产生的热量通过壳体13流失，从而提高换热效率，还可以避免直接损坏壳体13的内壁。
参阅图2和图3，在一些实施例中，第二换热盘管层22包括汽化盘管层221以及加热盘管层222；汽化盘管层221的底端与加热盘管层222的底端连通，汽化盘管层221位于加热盘管层222的径向外侧；加热盘管层222的顶端与第一换热盘管层21的顶端连通，汽化盘管层221的顶端与蒸汽出口管6连通；汽化盘管层221与加热盘管层222的管与管之间的位置交错布置。通过汽化盘管层221与加热盘管层222的管与管之间的位置交错布置，有利于燃烧器3产生的热气穿过汽化盘管层221与加热盘管层222交错布置形成的间隙，使管层与层之间受热均匀。
另外，第一换热盘管层21和第二换热盘管层22的管与管之间的位置平行或交错布置。管层之间的管交错布置，使热量经过管层的时候，内层的管不会阻挡热量流向外层的管，尽量降低燃烧热量经管间的损失，使产生的热量得到最大的利用率。
由上述可知换热盘管层2为三层，最外侧的管层为第一换热盘管层21，其底部连通进水管，其管内工质流动方向为自下向上，持续通入水，可以保证换热盘管层2内满管的水或蒸汽，不会产生干烧现象；中间的管层为光管式的汽化盘管层221，其管内工质流动方向为自下向上，即蒸汽出口位于顶端；最内侧的管层为光管式的加热盘管层222，也是最靠近燃烧器3的换热管层，其工质流动方向为自上向下。
换热管采用多层交错布置的盘管结构，选择合理的管间距及管层数，控制烟速，使得燃烧器3产生的高温烟气在外掠换热管管壁时烟速较高，同时在离开前一管壁时产生涡旋的混乱运动，并以此涡旋状态掠向下一层换热管。因此，除最内层的加热管层222保持了外掠单管的特征外，其他管层的换热管都会被前一层换热管引起的烟气涡旋所干扰，流动的状态比较复杂，以增加烟气与换热管的接触次数和时间，从而获得较大的传热系数，达到超快的换热效果。另外选用合理的管径和盘管半径，使得工质流速加大，使边界层厚度(紊流层流底层厚度)减小，造成导热阻减小，从而增强了工质的对流换热系数。以上二者结合，使得换热装置达到超导传热的效果。换热盘管2最外层布置进水管5，用低温的烟气加热给水，同时降低烟温；最内层盘管在用最高温的烟气加热，换热形式为辐射换热和对流换热相结合，使得工质吸收大量的热，有利于工质汽化，并能有效地防止干烧；中间层采用中温的烟气使工质完全汽化，便于控制蒸汽干度。
参阅图1，在一些实施例中，机架1上还包括至少两个用于固定机架的连接件14，至少两个连接件14分别连接于机架底座11与上盖12。
另外，在本实施例中，蒸汽出口管6上设置有用于对外连接的法兰61。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超导涡旋换热装置，其特征在于，包括换热盘管层(2)以及设置于所述换热管层(2)中间的燃烧器(3)，其中：
所述换热盘管层(2)至少包括第一换热盘管层(21)以及第二换热盘管层(22)，所述第一换热盘管层(21)位于所述第二换热盘管层(22)的径向外侧，所述第一换热盘管层(21)连接有进水管(5)；所述第二换热盘管层(22)连接有蒸汽出口管(6)；
所述燃烧器(3)包括自上而下设置的燃烧进口端(31)、燃烧管(32)以及烟气排出口(33)。
2.根据权利要求1所述的超导涡旋换热装置，其特征在于，所述第一换热盘管层(21)的换热管上设有用于聚集并传递热量的翅片层(211)。
3.根据权利要求1或2所述的超导涡旋换热装置，其特征在于，所述第二换热盘管层(22)包括汽化盘管层(221)以及加热盘管层(222)；所述汽化盘管层(221)的底端与所述加热盘管层(222)的底端连通，所述汽化盘管层(221)位于所述加热盘管层(222)的径向外侧；所述加热盘管层(222)的顶端与所述第一换热盘管层(21)的顶端连通，所述汽化盘管层(221)的顶端与所述蒸汽出口管(6)连通；所述汽化盘管层(221)与所述加热盘管层(222)的管与管之间的位置交错布置。
4.根据权利要求3所述的超导涡旋换热装置，其特征在于，所述第一换热盘管层(21)和所述第二换热盘管层(22)的管与管之间的位置平行或交错布置。
5.一种蒸汽发生器，其特征在于，包括机架(1)以及设置机架(1)内的权利要求1-4中任一项所述的超导涡旋换热装置；
所述机架(1)包括机架底座(11)以及上盖(12)；所述进水管(5)与所述烟气排出口(33)均设置在所述机架底座(11)内，所述蒸汽出口管(6)贯穿连接在所述上盖(12)。
6.根据权利要求5所述的蒸汽发生器，其特征在于，还包括隔火件(4)，所述隔火件(4)包括隔火板(41)以及隔火底座(42)，所述隔火板(41)设置于所述第一换热盘管层(21)与第二换热盘管层(22)之间，所述隔火底座(42)设置在所述机架底座(11)上。
7.根据权利要求6所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述机架底座(11)连接所述第一换热盘管层(21)，并对所述第一换热盘管层(21)形成支撑。
8.根据权利要求6或7所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述隔火底座(42)连接所述第二换热盘管层(22)，并对所述第二换热盘管层(22)形成支撑。
9.根据权利要求5所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述机架(1)还包括壳体(13)，所述壳体(13)设于所述机架底座(11)与所述上盖(12)之间，且所述壳体(13)的内壁连接有防火隔热层(131)。
10.根据权利要求5所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述机架(1)上还包括至少两个用于固定位置的连接件(14)，至少两个所述连接件(14)分别连接于所述机架底座(11)与所述上盖(12)。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhang Huoju

Inventor before: Zhang Huoju

Inventor before: Pang Changxing

Inventor before: Guo Yi