CN113606971A - 一种低流阻重力热管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低流阻重力热管换热器，包括相变腔体、冷热流体管束、相变工质、变截面通道；相变腔体是一个密闭腔体，密封腔体内的上部布置冷流体管束，密封腔体内的下部布置热流体管束，冷、热流体管束两端与相变腔体两端的壁面焊接；相变腔体内充灌相变工质，相变工质要浸没整个热流体管束，且相变工质的液面要高于热流体管束的整体高度，同时相变工质的液面不直接接触冷流体管束，且保证设备运行过程中热流体管束一直被浸没；变截面通道以焊接的方式分别覆盖相变腔体两端的冷、热流体管束的进出口。本申请冷热流体管束直接插入热管内，即相变腔体内，冷热流体在管束内流动，介质沸腾冷凝发生在管束外，由于管束内无内插物，流阻更小。

Description

一种低流阻重力热管换热器

(一)技术领域

本发明涉及应用于废热回收的高效换热器领域，具体涉及一种低流阻重力热管换热器。

(二)背景技术

近年来，我国能源行业大力加强节能技术攻关，节能降耗不断取得新成效。热管作为一种可以在较小的面积下传递更多热量的高效传热器件，在各个领域都得到了广泛应用。热管不仅拥有比传统材料更高的传热效率，而且还具有结构紧凑、质量小、噪声低、无传动元件等特点，基于热管高效传热能力构建的热管换热器在节能减排中亦发挥着重要的利用。

热管换热器往往由冷热流道与热管构成，热管位于冷热流道内部，且贯穿冷热流道，流道内的热流体在热管外表面与热管蒸发段换热，热量传递到热管冷凝段后在热管外表面与冷流体对流换热，从而实现热量从热流体到冷流体的转移。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、可靠性高等优点，可用于品位较低的热能回收场合。对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过改变结构、扩展受热面等方式来解决换热器的磨损和堵灰问题。例如，公布号为CN109520336A的中国专利将导热管设置在导流器内并在流道中设置了M型导流器和S型导流板，延长了热管中流体的加热时间，提高了换热效率。但是由于其流道部分有多处弯折，流体流经弯折处时会产生强烈冲击，容易造成流道震动，影响其使用寿命。由于热管置于冷热流道内，冷热流体在热管外部流动，热管的存在会在一定程度上会阻碍流体的流动，流体流过热管时会引起较大流动阻力，如若用于工业废热回收时，换热器流动阻力过大，换热效率降低，影响原有设备运行。

(三)发明内容

本发明的目的是为了开发一种低流阻、一体化的重力热管换热器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低流阻重力热管换热器，包括相变腔体、冷热流体管束、相变工质、变截面通道；其特征在于：

相变腔体是一个密闭腔体，密封腔体内的上部布置冷流体管束，密封腔体内的下部布置热流体管束，冷、热流体管束两端与相变腔体两端的壁面焊接，在安装有冷、热流体管束的相变腔体对应侧面上开有用于和冷、热流体管束内部联通的开孔；相变腔体内充灌相变工质，相变工质要浸没整个热流体管束，且相变工质的液面要高于热流体管束的整体高度至少2cm，同时相变工质的液面不直接接触冷流体管束，以保证设备运行过程中热流体管束一直被浸没；变截面通道以焊接的方式分别覆盖相变腔体两端的冷、热流体管束的进出口。

所述相变工质要浸没热流体管束并超出热流体管束最高点约2-5厘米，冷流体管束底部距离相变工质液位2厘米以上。

所述变截面通道连接相变腔体一端的宽度等于相变腔体的宽度，该端的高度不小于相应冷、热流体管束中最低点到最高点的距离，使得变截面通道的该端能够完全覆盖住相应的管束，保证相应的流体能通过变截面通道进入相应位置冷、热流体管束的每根管，定义冷热流体管束中冷热流体的流动方向为长度方向。

所述变截面通道远离相变腔体的一端为法兰形状，便于后期的应用。所述变截面通道远离相变腔体的一端为圆形截面，与相变腔体交界位置为矩形截面或圆形截面，以能覆盖相应排布的管束为准。

所述相变腔体整体可看做为一个热管，冷、热流体管束在热管内部直接与相变工质进行热量传递，由于增加冷、热流体管束的数量并不会影响管束内部相应流体的流动状态，流阻小，且能增加热管内相变工质的换热效率。

热管内换热器冷热侧换热面积可根据冷热流体参数调整相应管束的数量，在同等条件下能最大程度地节省材料、降低造价同时实现高效换热。

本发明所提供低流阻重力热管换热器的运行流程为：在热管(相变腔体)内，相变工质浸泡热流体管束，包裹整个热流体管束的所有管道，为最大的换热面积，热流体通过底部变截面通道进入热管内的热流体管束，每个热流体管道与腔体底部的液相工质均进行换热，相变工质吸热蒸发变为气相。冷流体通过热管内的上部变截面通道进入冷流体管束，相变腔体内由吸热蒸发的气相工质包裹冷流体管束所有管道的外表面，每个冷流体管道均与气相工质直接接触换热，能最大限度地在冷流体管束表面凝结，将热量传递给所有冷流体管道内的冷流体，冷凝后的工质在重力作用下重新流入相变腔体底部，完成循环；此过程中不会对冷热流体管束内相应流体的流动造成影响，因此为低流阻状态。冷热流体采用逆流流动方式。

本发明所提供的低流阻重力热管换热器的所用相变工质可根据工作温度选择水、导热姆换热剂、钠等工质。

本发明所提供的低流阻重力热管换热器的相变腔体形状可根据具体安装空间来调整，但要保证相变腔体水平放置，冷流体管束高于热流体管束，并且相变工质能完全浸没热流体管束并超出至少2厘米。

本发明所提供的低流阻重力热管换热器的冷热流体管束可根据具体工况分别调节热管内管束直径与管数量，管束排列方式可选择“一”字形、“U”字形和“回”字形等等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明突出的实质性特点是：

本发明中冷、热流体的接口整体连接相应管束，安装方便，在不改变管束内流道结构的前提下，调节管束的数目与直径，不会增加管道内流体的扰流，从而可以在相同条件下最大程度地减小流体流动阻力，相变工质完全包裹管束的形式能够增大流体管束的换热面积，使管束的所有管道壁面均能起到换热效果，进而使得换热面积最大化，提高了热管换热器的换热效率。克服了现有技术中的流道置于热管外部，仅流道与热管壁面接触的部位进行换热，其他部位换热效率较低，而导致换热效果明显较差的不足，也避免现有技术中在热管外单纯增加翅片，但其有效的换热面积增大不明显，换热效果不理想。

本发明的显著进步是：

1)本申请冷热流体管束直接插入热管内，即相变腔体内，冷热流体在管束内流动，介质沸腾冷凝发生在管束外，由于管束内无内插物，流阻更小。

2)本发明中冷热流体管束直接作为热管的冷凝段与蒸发段，冷热流体在管束内流动，将热量传递给管外的相变工质，实现热量的转移，由于冷热流体在光滑管束内流动，本申请的流阻较小，而管束外壁的表面积也更大，可增大传热面积，提高流体与热管的换热量，提高传热效率。

3)本发明提供了一种结构简单、流阻小、换热效率高的重力热管换热器。根冷热流体的具体参数(指需要流量、进出口温度等)，调整管束的用量，实现合理利用管料，降低成本的目的。

4)本发明由于设置变截面通道能够在各种管路上快速安装，由于低阻力特性，可直接应用于既有设备的余热回收改造，不会影响设备的正常运行。

(四)附图说明

图1为本发明低流阻重力热管换热器一种实施例的正视结构示意图。

图2为本发明低流阻重力热管换热器一种实施例的侧视结构示意图。

图3为本发明低流阻重力热管换热器一种实施例的俯视结构示意图。

(五)具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹列举以下实施方案，并配合附图详细说明：

如图1-3所示，本发明低流阻重力热管换热器包括相变腔体1、法兰式接口2、变截面通道3、冷流体管束4、相变工质5以及热流体管束6。相变腔体1是一个密闭腔体，分上下两部分，上部布置冷流体管束4，下部布置热流体管束6，冷热流体管束两端与相变腔体1两端的壁面焊接。在管束与相变腔体连接位置的相变腔体壁面上开有若干数量的通孔，使得相变腔体内的管束通过通孔与外界联通，管束中的每个管道均通过相应通孔使相应流体进出管道。

相变腔体1内充灌液态相变工质5，相变工质5的液面高度要保证完全浸没热流体管束6并超出2厘米左右。冷流体管束底部距离相变工质液位3厘米以上。冷流体管束4和热流体管束6可选择“一”字形、“U”字形和“回”字形等方式布置在相变腔体1内。在相变腔体的两端上下位置分别设置有两个变截面通道3，每个变截面通道3采用焊接的方式与相变腔体1和法兰式接口2相连。变截面通道3的大端口面积能相应覆盖冷流体管束4和/或热流体管束6的整体出入口。

本发明所述的低流阻重力热管换热器中，冷流体管束4和热流体管束6的数量与型式可自由布置，通过增加管束的直径或者管子的直径，可以增大传热面积，在热管(相变腔体1)内，冷流体管束的所有管道壁面均被汽化的气态工质包围，直接与冷流体进行换热，热流体管束的所有管道壁面均被液相工质浸泡，直接与热流体进行换热，管束直径增加或者管子直径增加，都会增加与相应工质的有效接触面积，进而大大提高了换热效率，同时可减少流体流动阻力。

本发明所述的低流阻重力热管换热器中，针对不同的工作温度，可选择不同的相变工质5来提高热管换热器的适用性以及安全性。

本发明所述的低流阻重力热管换热器中，变截面通道3的作用是保证相应流体均匀进出流体管束，且能方便后续的实际工程安装使用。在安装过程中可在法兰式接口2处加一层滤网以避免流体中的杂物影响换热器的正常运行。

所述冷、热流体管束呈圆形阵列排布在相变腔体侧面上时，变截面通道3与相变腔体连接位置的形状可以为圆形，相变腔体整体形状可以为长方体，变截面通道的圆形面积能够覆盖相应管束内的所有管道截面，使得流体通过变截面通道分别进入管束中的每个管道。管束呈矩形阵列排布时，变截面通道与相变腔体连接位置的形状为矩形，矩形的宽度和相变腔体宽度一样，高度不小于所有热流体管束的总高度。相变腔体和变截面管道采用长方体或长方形设置能最大程度上增强换热效果，充分利用相变腔体内的上、下半部分腔体的面积，提高换热效率。

本发明所述的低流阻重力热管换热器，可用于既有热力设备的余热回收改造，如锅炉排烟中将相变腔体底部的两个变截面通道通过法兰式接口与烟道进出口相连，形成热流体的流动路径；冷流体通道可给水加热，用来给室内供暖，或者通空气来给空气进行预热等，实现对余热回收，不会引起热力设备背压的增大，保证热力设备的正常运行。

本发明热管换热器强调一体化的结构形式，整体相当于一个热管，热流道管束与冷流道管束分别作为蒸发侧与冷凝侧，冷热流体在管内流动，很大程度上减少了流动阻力，并且也增大了受热面积。普通热管换热器由多根热管与冷热流道两个结构组成，热管的蒸发段与冷凝段分别插入冷热流体通道，在冷热流体通道内与流体换热实现热量传递，流道内由于有热管插入段存在，流动阻力较大。本申请整体可看做是一个热管，冷热流体管束分别作为冷凝段与蒸发段，流体在热管内流动时直接将热量传递给相变腔体内的工质，实现热量的传递。流体在管束内流阻较小且换热面积较大，提高了换热效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低流阻重力热管换热器，包括相变腔体、冷热流体管束、相变工质、变截面通道；其特征在于：

相变腔体是一个密闭腔体，密封腔体内的上部布置冷流体管束，密封腔体内的下部布置热流体管束，冷、热流体管束两端与相变腔体两端的壁面焊接，在安装有冷、热流体管束的相变腔体对应侧面上开有用于和冷、热流体管束内部联通的开孔；相变腔体内充灌相变工质，相变工质要浸没整个热流体管束，且相变工质的液面要高于热流体管束的整体高度，同时相变工质的液面不直接接触冷流体管束，且保证设备运行过程中热流体管束一直被浸没；变截面通道以焊接的方式分别覆盖相变腔体两端的冷、热流体管束的进出口。

2.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，所述相变工质要浸没热流体管束并超出热流体管束最高点2-5厘米，冷流体管束底部距离相变工质液位2厘米以上。

3.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，所述变截面通道连接相变腔体一端的宽度等于相变腔体的宽度，该端的高度不小于相应冷、热流体管束中最低点到最高点的距离，使得变截面通道的该端能够完全覆盖住相应的管束。

4.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，所述变截面通道远离相变腔体的一端为法兰形状；所述变截面通道远离相变腔体的一端为圆形截面，与相变腔体交界位置为矩形截面或圆形截面，以能覆盖相应排布的管束为准。

5.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，该低流阻重力热管换热器的运行流程为：在热管(相变腔体)内，相变工质浸泡热流体管束，包裹整个热流体管束的所有管道，热流体通过底部变截面通道进入热管内的热流体管束，每个热流体管道与腔体底部的液相工质均进行换热，相变工质吸热蒸发变为气相；冷流体通过热管内的上部变截面通道进入冷流体管束，相变腔体内由吸热蒸发的气相工质包裹冷流体管束所有管道的外表面，每个冷流体管道均与气相工质直接接触换热，能最大限度地在冷流体管束表面凝结，将热量传递给所有冷流体管道内的冷流体，冷凝后的工质在重力作用下重新流入相变腔体底部，完成循环；此过程中不会对冷热流体管束内相应流体的流动造成影响，因此为低流阻状态；冷热流体采用逆流流动方式。

6.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，所述相变工质为水、导热姆换热剂或钠；所述相变腔体水平放置，冷流体管束高于热流体管束；管束排列方式为“一”字形、“U”字形或“回”字形。

7.根据权利要求1所述的低流阻重力热管换热器，其特征在于，所述的低流阻重力热管换热器能用于既有热力设备的余热回收改造。

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