CN116615628A - 一种包含与第一阶段管箱连接的风筒管道的非加压热交换装置，该管箱包括连接到第一和第二阶段间传热箱的管道；及其相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种非加压热交换装置，包括风筒管道(1)，其具有从燃烧器到燃烧腔的第一入口，风筒管道(1)与热传递第一阶段管箱(2)相连，管箱(2)包括热传递第一阶段管道(3)，管道(3)与第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)相连接，传热箱(4)还同时物理连接到热传递第二阶段管道(5)，其中第二阶段的管道结构物理连接到传热箱(6)上，传热箱(6)包括通往加热器烟囱的出口。还公开了热交换器的用途及流程。

Description

一种包含与第一阶段管箱连接的风筒管道的非加压热交换装 置，该管箱包括连接到第一和第二阶段间传热箱的管道；及其 相关方法
本发明描述
本发明对应一种高传热功率且低能耗的非加压热交换装置。该交换器包括风筒管道(1)，其具有从燃烧器到燃烧腔的第一入口，风筒管道(1)与热传递第一阶段管箱(2)相连，管箱(2)包括热传递第一阶段管道(3)，管道(3)与第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)相连接，传热箱(4)还同时物理连接到热传递第二阶段管道(5)，其中第二阶段的管道结构物理连接到传热箱(6)上，传热箱(6)包括通往加热器烟囱的出口。
上述热交换器的应用无限制，适用于所有需要无压热水或空气的领域。采用该热交换装置，可以将家用和/或工业用水加热到30-75℃。同时，该热交换装置加热空气时，温度可以达到30-210℃。
技术领域
本发明涉及一种与热交换器相关，更具体地，涉及一种非加压热交换装置。
背景技术
热交换器是一种散热器类型的装置，用于在两种或多种流体之间、或在(流动或不流动的)流体和固体的表面之间、亦或在固体颗粒和流体之间传递热能。
热交换器通常用于加热或冷却流体，以及蒸发或冷凝一种或多种流体。在其他应用中，该装置用于回收或去除热能、杀菌消毒、巴氏杀菌、分馏、蒸馏、浓缩、结晶或控制某一过程流体部分的温度(Aiyubbhai A.等人，2013)。
热交换器的种类
热交换器的类型有多种，主要的分类参数基于传递过程中流体间是否接触进行分类：
-直接接触式热交换器：热量通过两种流体之间的直接接触传递，产生流体组合或物理混合物。这种类型的交换器不包括存储系统或组件。由于流体在接触时会受到污染，其用途相当有限，通常用于冷却塔，即使水和大气之间直接物理接触也没关系。
-间接接触式热交换器或回热器：不同温度(热和冷)的流体间进行热交换，但没有直接接触。为此，这种类型的设备包括通过隔板或物理空间隔离流体的组件，以及通过热交换器的表面或阵列来存储和释放热能的组件。在这种类型的交换器中，采用隔离流体的隔板通过对流和传导进行热量传递。
加压系统的示例为加压蒸汽发生锅炉，其将蒸汽通过盘管循环到储罐。这种类型的结构在其运行过程中会导致能量损失，这意味着获得所需温度的运行成本更高和时间更长。
非加压装置
加压装置通常体积庞大、价格昂贵且效率低下。另一选项就是非加压热交换罐，这种设备更加经济、简单、易于安装、运行高效且清洁。
申请US6557774(B1)描述了一种非加压空间加热系统和装置，通过该系统和装置，加热的流体可以通过插入到结构(比如房屋)之中的盘管进行循环。该系统包括能够加热液体的水箱，水箱中又包含与接收加热液体的热水箱相连的管道。此外，该系统还包括释放管道内空气的装置。空气的释放使液体在整个系统中连续循环，通过结构与大气保持隔离状态，避免进入空气和形成气泡。
申请CN202719778(U)描述了一种太阳能热水器，这种设备不能承受压力，由储水罐和热交换装置组成，该储水罐和热交换装置相互连接。热交换装置由热交换水箱、集热管和换热管组成。
申请CN103574946(U)描述了针对太阳能热水器的非加压热交换系统。整个系统包括水箱、安装在水箱箱体内的热交换装置以及与热交换装置相连的中间衬套。该设备还包括可视液位计，并在中间衬套的上端安装了中间注入管道。通过申请CN103574946(U)所述的非封闭式的热交换器式分体太阳能水箱，用户可以方便地监测热交换介质数量的变化情况。
现有非加压交换器的问题在于只适用传热表面积较小、不太复杂的小型设备，因此传热效率更低。
附图说明
图1、非加压热交换器的代表性结构图。图a)示出了热交换器的正视图，包括(1)第一阶段管道与第二阶段管道的传热箱以及(2)第二阶段管道到烟囱排气口的传热箱。
图b)示出了(1)非加压热交换器燃烧腔与热传递第一阶段管道的连接以及(2)通往腔内燃烧器的入口，所示尺寸为本发明实现方式之一。
图2、非加压热交换器的结构技术图。热交换装置组件的技术图：通往第一阶段管箱的燃烧腔管道的入口(1)、热传递第一阶段管箱(2)、热传递第一阶段管道(3)、第一与第二阶段管道之间的传热箱(4)、热传递第二阶段管道(5)以及具有通往燃烧器烟囱出口(6)的第二阶段管道传热箱。
具体实施例
本发明涉及一种高能量传递功率的非加压热交换装置或非加压热交换器。
非加压热交换装置由一系列不锈钢管及碳钢管组成，不锈钢用于水场景，碳钢用于空气场景。具体地，交换装置包括与燃烧腔中燃烧器相连接的风筒管道(1)，风筒管道(1)与第一阶段管道(3)的第一传热箱(2)相连，第一阶段管道(3)截止于与第二阶段管道(5)相连的第二传热箱(4)，第二阶段管道(5)截止于与排气烟囱出口(6)相连的第三传热箱。
本发明非加压热交换装置在气体流动过程中经历三个阶段或传热区域，达到不同的温度。热传递第一阶段管道(3)中，温度可高达800℃；热传递第二阶段管道(5)中，温度可达到400℃；在加热器烟囱的出口位置(6)，气体温度为150℃。
本发明中提出的特定设计基于所需能耗之间的比率，该能耗将决定火焰的直径和长度，并由此确定热交换区域的尺寸和交换器所需的管道数量。具体而言，热交换装置不同组件的空间布局、尺寸和比例能够确定更好或更大的传热面积，并利用流向烟囱的气流，使得热交换过程更加高效。
为此，第一阶段管道(3)的面积应与风筒管道面积的3/5成比例，第二阶段管道(5)的面积应与风筒管道面积的2/5成比例。各部件间的比例以及物理空间排列允许已经定义的流体温度：在热交换第一阶段管道(3)中达到800℃，在热交换第二阶段管道(5)中达到400℃，加热器烟囱的出口位置(6)气体温度为150℃。
该热交换装置由一系列的不锈钢管及碳钢管组成，不锈钢用于水场景，碳钢用于空气场景。
所述热交换器的设计、运行类型(非加压系统)以及每个组件的布置允许交换装置具有更好的能量传递效率、更短的运行时间以及更少的能耗(更低的燃料量成本)。也就是说，就其运行而言，存在更高效且更便宜的热交换器。
上述热交换装置的应用没有限制，适用于所有需要无压水或热空气的领域。该交换器可以将家用和/或工业用水加热到75℃，且无需加压。
作为本发明实现方式之一，交换器在水场景可达到30-75℃的温度，在空气场景则可达到30-210℃的工作温度，实现了作业区域高效统一。还提出了一种热交换器的结构，其组件的物理排列方式可实现上述高工作温度。
一种流体热交换流程，作为本发明范围的一部分，该流程包括：
a)将气体供给根据权利要求1-4所述热交换装置，其中所述气体被吸入入口风筒管道(1)，以被抽到包括热传递第一阶段管道(3)的热传递第一阶段管箱(2)中，热传递第一阶段温度达到800℃。
b)所述气体被吸入第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)中以及热传递第二阶段管道(5)中，其中温度达到400℃。
c)所述气体继续被吸入包括所述加热器烟囱(6)出口的传热箱中，其中出口气体温度为150℃。
根据本发明所述的包括储水箱和非加压热交换装置的非加压热水器是本发明范围的一部分，其中储水箱和设备热交换装置是在闭合电路中安装和连接。其中，热水器可以是但不限于太阳能的或电的。
本发明中描述交换器是“非加压的”时，意味着其由没有加压的交换器构成。
当描述非加压热交换器具有更好的能量传递效率时，意味着传热过程更有效。其中效率对应于能量效率和时间效率。中心火焰温度为1,300℃，出口烟囱的气体温度为150℃，从而节约了设备的消耗及能量。
上述热交换器的应用没有限制，适用于所有需要无压力水或热空气的领域。该热交换装置可以将家用和/或工业用水加热到30-75℃。同时，该热交换装置加热空气，温度可以达到30-210℃。
能量效率比(交换器/商用蓄能器)对应于给定时间内本发明交换器所消耗的柴油量(L)或气体量与商用蓄能器所消耗的燃料量的比值。
时间效率比(交换器/商用蓄能器)对应于本发明交换器达到40℃所需的时间与商用蓄能器达到相同条件所用时间的比值。
根据本发明热交换装置与商用蓄能器的运行对比试验结果，将1000升水加热至40℃，使用热交换装置的所需的运行时间比商用蓄能器的少3.68倍。
在另一理论对比中，将所述交换器的运行情况与容量为1000加仑(3784.3升)的Maqpower SIOUX系列设备进行了比较，其消耗量为300万英热单位(BTU)或879KW(756,493.21千卡)。该能耗值远高于所公开的热交换设备，即热交换器4500升2小时内消耗106,063.02千卡。
该热交换装置在设计和运行方面呈现出更好的特性，其具有更高的能量传递效率、更短的运行时间，从而降低了运行能耗。此外，由于所述装置的部件空间布局，还实现了工作温度的均匀性。
以下给出的应用示例示出了非加压热交换器的运行情况，且并未限制其范围。
应用示例
示例1：非加压热交换器以及包括该设备的热水器
本发明提出了一种非加压热交换器，根据其结构和设计，该设备具有较高的能量传输功率。
该热交换装置由风筒管道(1)组成，具有从燃烧腔到燃烧器的第一入口，风筒管道(1)与热传递第一阶段管箱(2)相连，管箱(2)包括热传递第一阶段管道(3)，管道(3)与第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)相连接，传热箱(4)还同时物理连接到热传递第二阶段管道(5)，其中第二阶段的管道结构物理连接到传热箱(6)上，传热箱(6)包括通往加热器烟囱的出口。
空间上，热传递第一阶段管箱(2)在其结构上包括从燃烧器通往燃烧腔管道的入口(1)并与热传递第一阶段管道(3)的第一结构相连接，第一结构与在第一和第二阶段管道之间工作的传热箱(4)相连接。同时，热传递第二阶段管道(5)的第二结构与传热箱(4)相连接，实际构成了第二阶段管道传热箱的一部分，该传热箱(6)还包括通往加热器烟囱的出口(详见图1及图2)。
根据能量需求，可以制造不同尺寸的交换装置。根据热交换装置，在确定管道尺寸时，应考虑其各部件之间的比例，如下所示：
-第一阶段管道(3)的面积应该与风筒管道面积的3/5成比例对应，
-第二阶段管道(5)的面积应该与风筒管道面积的2/5成比例对应。
上述比例及部件物理空间排列使得热传递第一阶段管道(3)温度达到800℃，热传递第二阶段管道(5)达到400℃，加热器烟囱出口(6)气体温度为150℃。
示例2：本发明85000k/cal每小时燃烧器用的热交换装置
在本发明的一种实现方式中，可以根据以下测量标准和各部件的直径制造热交换装置，用于85000k/cal每小时的燃烧器：
1)风筒管道：直径300mm，长度550mm，厚度3mm；
2)第一传热箱：高度901mm，宽度520mm，深度200mm；
3)第一阶段管道：28根，长度为350mm，直径为40mm；
4)第二传热箱：宽度960mm，高度401mm，深度200mm；
5)第二阶段管道：18根，长度为350mm，直径为40mm；
6)第三传热箱：宽度440mm，高度401mm，深度200mm。
示例3：热交换器与商用热交换设备的效率对比
本应用示例示出了发明人提出的热交换器与型号为Jumbo 1000、功率112千瓦的Trotter商用热交换设备或蓄能器运行情况进行的实验对比。
该实验包括根据交换器和商用蓄能器的运行时间确定输出和回流温度。取样在正常运行和不停机的情况下进行。
燃料消耗根据安装的喷嘴大小来确定，此处为1.5加仑/小时，即5.68L。
根据这个尺寸计算该装置所产生的能量、运行时间以及两台设备的能耗参数(表1)。
表1、热交换器与商用热交换设备的效率对比参数
根据发明人所描述的热交换器和具备上述特性的商用蓄能器的运行情况对比实验信息，计算得出两种设备的能量效率和时间效率比：
能量效率比 时间效率比
(交换器/商用蓄能器) (交换器/商用蓄能器)
1.10/1 3.68/1
以上数值表示使用所公开的交换器加热1000升水需要更少的能量，时间上，热交换器把1000升的水加热到40℃所需运行时间比商用蓄能器缩短了3.68倍。
在另一理论对比中，将发明人提出的交换器运行情况与容量为1000加仑(3784.3升)的Maqpower SIOUX系列设备进行了比较，其消耗量为300万英热单位(BTU)或879KW，折千卡运行能量，Maqpower设备耗能756,493.21千卡。该能耗值远高于所公开的热交换设备，即4500升2小时内106,063.02千卡。因此，该热交换器呈现出改进的设计和运行特性，可实现更高的能量传输效率，从而降低了运行能耗。

Claims (8)

1.一种非加压热交换装置，其特征在于，包括：
风筒管道(1)，具有从燃烧器到燃烧腔的第一入口，所述风筒管道(1)与热传递第一阶段管箱(2)相连，所述管箱(2)包括热传递第一阶段管道(3)，所述管道(3)与第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)相连接，所述传热箱(4)还同时物理连接到热传递第二阶段管道(5)，其中第二阶段的管道结构物理连接到传热箱(6)上，所述传热箱(6)包括通往加热器烟囱的出口。
2.根据权利要求1所述的非加压热交换装置，其特征在于，第一阶段管道(3)的面积与风筒管道面积的3/5成比例对应，且第二阶段管道(5)的面积与风筒管道面积的2/5成比例对应。
3.根据权利要求1和2所述的非加压热交换装置，其特征在于，热传递第一阶段管道(3)的温度达到800℃。
4.根据权利要求1-3所述的非加压热交换装置，其特征在于，热传递第二阶段管道(5)的温度达到400℃。
5.根据权利要求1-4所述的非加压热交换装置，其特征在于，加热器烟囱出口(6)的温度为150℃。
6.根据权利要求1-5所述的非加压热交换器，其特征在于，用于获得30-75℃的工作水温，运行高效且均匀。
7.根据权利要求1-5使用非加压热交换器，其特征在于，用于获得30-210℃的工作空气温度，运行高效且均匀。
8.一种流体热交换流程，其特征在于，所述流程包括：
a)将气体供给根据权利要求1-5所述的热交换装置，其中所述气体被吸入所述入口风筒管道(1)，以被抽到包括热传递第一阶段管道(3)的热传递第一阶段管箱(2)中，所述热传递第一阶段的温度达到800℃；
b)所述气体被吸入第一和第二阶段管道之间的传热箱(4)中以及热传递第二阶段管道(5)中，其中温度达到400℃；
c)所述气体继续被吸入包括所述加热器烟囱(6)出口的传热箱中，其中所述出口气体温度为150℃。
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