本發(fā)明涉及換熱器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種翅片管換熱器及其應(yīng)用和余熱鍋爐。

背景技術(shù)：

當(dāng)今礦物質(zhì)能源日趨短缺，人類居住環(huán)境也遭受的嚴(yán)峻破壞，尤其溫室氣體排放，所造成人類生存環(huán)境問題也日益凸顯，地球平均氣溫上升，冰川逐漸縮小融化，海平面不斷上升，正一步一步危及島國，威脅沿海城市的安全，這已是不爭事實。我國日益嚴(yán)重的霧霾問題久久得不到解決，嚴(yán)重影響人們身體健康，使人們患肺癌幾率大幅上升，霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重難以從根本上得到解決，原因在于是我國工業(yè)化進(jìn)程加快，向大氣排放的廢氣日益增多所致，而自然界本身自發(fā)因素居少。我們也知道人類所使用的能源差不多會有80%以上是需要經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換的過程，熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備主要依靠換熱設(shè)備來實現(xiàn)的。人類許多活動及生產(chǎn)實踐都離不開能源，而我國大多數(shù)能源來自礦物質(zhì)能源，礦物質(zhì)能源消耗會產(chǎn)生導(dǎo)致對環(huán)境不利的氣體排放。由此我國竭力倡導(dǎo)對清潔能源開發(fā)與利用，同時大力研究開發(fā)節(jié)能設(shè)備新產(chǎn)品新技術(shù)，而熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備當(dāng)屬節(jié)能減排最為關(guān)鍵的設(shè)備。熱管就是屬于這種高效熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備之一，且使用面非常廣，主要應(yīng)用于熱電廠、冶煉廠、食品化工、醫(yī)藥、建材生產(chǎn)企業(yè)等。從過去采用毛細(xì)管虹吸形式熱管，發(fā)展到今天重力式熱管，再到套管式徑向傳熱式熱管以及磁力熱管等等，種類繁多，按結(jié)構(gòu)形式可區(qū)分為：普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。發(fā)明人注意到徑向傳熱式熱管具有許多傳統(tǒng)重力式熱管無法比擬優(yōu)勢，在現(xiàn)有產(chǎn)品使用情況來看，套管式熱管不僅具有生產(chǎn)成本低廉，其換熱效率是傳統(tǒng)重力熱管1.2倍，雖然套管徑向傳熱式熱管的發(fā)明專利國內(nèi)外已經(jīng)有十幾個了，但未發(fā)現(xiàn)有三層套管式熱管。

我們知道熱量是由高溫處向低溫處傳遞的，溫差是傳熱的動力，人們生產(chǎn)實踐都是希望熱能從一個介質(zhì)朝另一個介質(zhì)方向傳遞或從一端向另一端傳遞，具有指定性和目標(biāo)性的，因為熱分子運動不具備方向性，所以在換熱過程中我們盡可能使分子熱能傳遞朝我們需要方向傳遞，就必須減小同側(cè)介質(zhì)溫差，加大兩側(cè)需要熱能交換的平均溫差，這是有利于換熱的，也是符合場協(xié)同理論的，場協(xié)同理論告訴我們：當(dāng)兩流體采用逆流換熱方式時，若速度場橫截面均勻一致時，還有溫度梯度場在換熱橫截面大小相等時，其溫度梯度場和速度場的矢量和夾角余弦值趨于零，那么場協(xié)同是最理想的，其換熱效率也是最佳的。所以我們盡量把換熱形式變得使同側(cè)熱流弱化，異側(cè)換熱熱流最大化，因為熱分子運動是沒有方向性可言，也無法去阻止同側(cè)由溫差導(dǎo)致熱能選擇無益的同側(cè)方向傳遞，只有優(yōu)化兩側(cè)流體流動方式，使溫度梯度場趨于均勻一致，從而贏得換熱效率最大化。

目前各種余熱鍋爐是回收煙氣熱量的一種裝置，為提供熱能回收效率，其使用范圍廣泛，多采用熱管組成的換熱器進(jìn)行熱量回收的鍋爐，中國專利ZL200820167661.3公開了一種套管式余熱鍋爐，現(xiàn)有技術(shù)中由于需要增大換熱面積導(dǎo)致了換熱器往往體積太大，而且換熱效率還不高，往往通過換熱以后的熱水由于循環(huán)時間太久也導(dǎo)致了水溫不高，效率低下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)不足，根據(jù)場協(xié)同理論，提供一種傳熱效率高，軸向長度短，體積小的翅片管換熱器。

本發(fā)明還提供所述翅片管換熱器的應(yīng)用，應(yīng)用于余熱和低溫?zé)嵩础?/p>

本發(fā)明還提供一種設(shè)有所述翅片管換熱器的余熱鍋爐。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種翅片管換熱器，包括進(jìn)水管、出水管和連接所述進(jìn)水管和出水管的熱管，所述熱管還設(shè)有管板用于固定熱管，所述熱管采用并聯(lián)或串聯(lián)的方式與進(jìn)水管和出水管連接；

所述熱管包括不同直徑的第一層內(nèi)管、第二層內(nèi)管和外管，所述第一層內(nèi)管和第二層內(nèi)管組成雙層內(nèi)管，所述第一層內(nèi)管套有第二層內(nèi)管；所述外管套有雙層內(nèi)管；所述第一層內(nèi)管和第二層內(nèi)管相通；所述第一層內(nèi)管和外管之間為封閉結(jié)構(gòu)并構(gòu)成環(huán)形通道熱管，所述第一層內(nèi)管工作介質(zhì)可以與環(huán)形通道熱管工作介質(zhì)進(jìn)行換熱；所述環(huán)形通道熱管與外部進(jìn)行換熱；所述雙層內(nèi)管工作介質(zhì)循環(huán)進(jìn)出都在所述熱管的一端用于實現(xiàn)雙層內(nèi)管同側(cè)同工作介質(zhì)逆流換熱，所述環(huán)形通道熱管內(nèi)設(shè)有內(nèi)管翅片，所述內(nèi)管翅片設(shè)在第一層內(nèi)管上，所述內(nèi)管翅片不與外管內(nèi)壁接觸，所述內(nèi)管翅片與外管內(nèi)壁間距為0.1～1mm，所述內(nèi)管翅片上設(shè)有裂口，形成氣體的通道用于氣體自由流動，所述熱管的外壁設(shè)有外管翅片；所述雙層內(nèi)管的工作介質(zhì)可以是水，所述環(huán)形通道熱管工作介質(zhì)為水、氟利昂、甲醇、丙酮、油等一種或多種介質(zhì)。

本發(fā)明熱管采用三層套管結(jié)構(gòu)形式，首先是熱管的外管通過吸收煙氣熱能或外界其它熱能，致使外管與雙層內(nèi)管之間的環(huán)形通道熱管工作介質(zhì)汽化，已汽化了具有潛熱的工作介質(zhì)無須沿著較長的軸向方向運動而流向冷凝端，而是沿著徑向軸心短距離流動去傳遞熱能，并可迅速無阻力地向著軸心短距離流動，把潛熱釋放給第一層內(nèi)管的水，自己又重新冷凝成液體，就這樣反復(fù)汽化、冷凝，周而復(fù)始地相變運動著，冷凝段與蒸發(fā)段均在環(huán)形通道熱管中；而第一層內(nèi)管的水獲得環(huán)形通道熱管內(nèi)工作介質(zhì)潛熱后又沿徑向方向傳遞給第二層內(nèi)管里的水。而通過第一層內(nèi)管水與第二層內(nèi)管水逆流同介質(zhì)換熱后，這雙層內(nèi)管內(nèi)的水軸向溫差會變小，從而減少了不利的換熱因素，把軸向溫差縮小就會相應(yīng)增大徑向平均溫差，可提高換熱效率。

本發(fā)明熱管設(shè)計加強了兩種逆流換熱方式的結(jié)合緊密度，第一種是雙層內(nèi)管在軸向空間上同介質(zhì)換熱的逆流，第二種是徑向上雙層內(nèi)管同介質(zhì)和環(huán)形通道熱管4介質(zhì)在時間上的逆流換熱，從而實現(xiàn)了兩維度逆流換熱方式，致使整體平均換熱溫差變得最大化，這是有助于提高熱管換熱效率的，熱管單位換熱量的體積得到縮小，并降低了熱管成本。

本發(fā)明熱管采用三層套管結(jié)構(gòu)方式的熱管，與現(xiàn)有套管式熱管及傳統(tǒng)的重力式熱管不同之處在于更進(jìn)一步加強了徑向傳熱能力，增大徑向傳熱深度（換熱流程），使徑向兩側(cè)傳熱介質(zhì)平均溫差最大化，并極大削弱同側(cè)軸向傳熱不利因素，充分利用場協(xié)同理論，把溫度梯度場與流體速度場很好有機協(xié)同起來，使熱流密度向著熱管徑向方向傳遞，設(shè)有內(nèi)管翅片和外管翅片，增強了熱管傳熱能力，以使氣液兩側(cè)換熱能力趨于平衡，提高熱管綜合換熱能力，縮小設(shè)備單位換熱量體積，并且換熱系數(shù)也得到很大的提高，可節(jié)約熱能，熱管生產(chǎn)企業(yè)可降低生產(chǎn)成本，設(shè)備運行企業(yè)可得到能耗降低。

本發(fā)明因為熱管的內(nèi)管介質(zhì)循環(huán)進(jìn)出口是在同一端，所以熱管組合方式簡單，可以把熱管倒立成排組合，也可以垂直組合以及橫放組合。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)水管和出水管都位于熱管的一端，并且可拆卸地與熱管連接；由于進(jìn)水管和出水管都位于熱管的一端，安裝方便靈活，而可拆卸連接使得換熱器維修、清理煙垢也容易許多,而且還可以縮小換熱器體積，靈活布置進(jìn)水管和出水管的位置。

優(yōu)選地，所述第二層內(nèi)管兩端均為開口結(jié)構(gòu)，所述進(jìn)水管與第二層內(nèi)管相連接，所述出水管與第一層內(nèi)管一端連接，所述第一層內(nèi)管的另一端為封閉結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述第一層內(nèi)管和第二層內(nèi)管之間還設(shè)有第一隔熱層，所述第一隔熱層工作介質(zhì)循環(huán)進(jìn)出口處；由于工作介質(zhì)進(jìn)出都在熱管的一端，因此在熱管內(nèi)設(shè)有第一隔熱層以避免把換來的較高溫度熱量被較低溫度同介質(zhì)流體吸走，并把溫度降下來。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)水管與出水管之間還設(shè)有第二隔熱層，防止進(jìn)水管與出水管之間存在熱交換。

優(yōu)選地，所述進(jìn)水管與出水管之間平行排列，所述進(jìn)水管、出水管均與熱管垂直，多種熱管組合排列方式可以適應(yīng)不同的需要，可以根據(jù)實際情況調(diào)整以保證換熱器能達(dá)到體積小、布置方便、換熱面積最大的效果。

本發(fā)明提供一種所述翅片管換熱器的應(yīng)用，應(yīng)用于余熱和低溫?zé)嵩吹睦茫凰龀崞軗Q熱器可以針對工業(yè)廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量，還可以應(yīng)用在低溫?zé)嵩矗缤寥罒嵩?、生活廢水等，通過熱交換處理以后，一方面可以減少余熱排放對環(huán)境的影響，另一面可以充分利用余熱，實現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換供人類再次使用。

本發(fā)明還提供一種設(shè)有所述翅片管換熱器的余熱鍋爐，包括翅片管換熱器、鍋筒和設(shè)置鍋筒外的煙道，所述翅片管換熱器設(shè)置在煙道內(nèi)，所述進(jìn)水管與冷水接口連接，所述出水管與鍋筒連接。

本發(fā)明余熱鍋爐中翅片管換熱器進(jìn)水管通入冷水，然后與高溫廢煙進(jìn)行熱交換以后水溫升高通過出水管排出到鍋筒中作為二次利用。

優(yōu)選地，所述熱管與煙道垂直，由于熱管屬于徑向傳熱，因此與煙道垂直能保證熱管與高溫廢煙的換熱面積最大，換熱效率最高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明翅片管換熱器屬徑向傳熱換熱器，它具有傳熱效率高，軸向長度短，體積小，單位換熱重量輕優(yōu)勢。

本發(fā)明翅片管換熱器無須設(shè)置吸芯，可借助第一層內(nèi)管的內(nèi)管翅片導(dǎo)流凝結(jié)水流到外管的內(nèi)壁上吸熱并得到蒸發(fā)，從而可以使外管整個內(nèi)壁成為相變液體吸熱蒸發(fā)表面積，比之常規(guī)套管式熱管吸熱而蒸發(fā)的表面積要大許多，因為常規(guī)套管式熱管液體相變介質(zhì)是沉積在熱管底部的，其蒸發(fā)表面積非常有限，對比離心套管式熱管亦然如此，不過該類套管式熱管雖然蒸發(fā)表面積有些增大，這是靠躺臥放置的，致使其使用方式受到限制，相較采用吸芯來導(dǎo)流凝結(jié)水的熱管其液體阻力要小許多。

本發(fā)明翅片管換熱器沒有絕熱段，外管與第一層內(nèi)管間封閉所形成的環(huán)形通道熱管沒有絕熱段，從而使本發(fā)明熱管集約化程度大幅提高，也相應(yīng)降低了成本，使蒸汽以非常短距離方式流動，減少蒸汽流動阻力，加快了循環(huán)速度。

本發(fā)明翅片管換熱器設(shè)置內(nèi)管翅片以加強第一層內(nèi)管外壁氣相側(cè)換熱能力，使氣液兩側(cè)換熱能力趨于平衡，可降低成本，提高換熱效率。

本發(fā)明翅片管換熱器雙層內(nèi)管工作介質(zhì)進(jìn)出口設(shè)計在同一端便于安裝與維修，熱管垂直倒立皆適宜，其使用范圍進(jìn)一步得到擴大。

本發(fā)明翅片管換熱器冷凝段與蒸發(fā)段融為一體均設(shè)在環(huán)形通道熱管中，縮小了整個熱管體積及長度，同時蒸汽流程阻力減小，冷凝液流動阻力也變小，致使氣-液相變循環(huán)速度得到加快。

本發(fā)明翅片管換熱器散熱方式可靈活多樣，既可以采用遠(yuǎn)距離方式，也可以采用就近方式散熱，同樣，既可以采用風(fēng)冷散熱，也可以采用水冷方式散熱，根據(jù)實際情況選擇。

本發(fā)明翅片管換熱器雙層內(nèi)管工作介質(zhì)采用逆流換熱，逆流換熱平均溫差可實現(xiàn)最大化，可使雙層內(nèi)管軸向溫差變小，減小同側(cè)傳熱的不利因素。

本發(fā)明翅片管換熱器作為在余熱、低溫?zé)嵩搭I(lǐng)域的應(yīng)用，一方面可以減少工業(yè)廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量排放對環(huán)境的影響，另一面可以充分利用余熱、低溫?zé)嵩?，實現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換供人類再次使用。

本發(fā)明余熱鍋爐采用熱管組成的所述翅片管換熱器進(jìn)行熱量回收，所述翅片管換熱器體積小可以靈活布置在煙道上，而且熱管屬于徑向傳熱極大地增加了在煙道中與廢煙的換熱面積，提高了換熱效率；熱管采用逆流換熱，逆流換熱平均溫差可實現(xiàn)最大化，解決了傳統(tǒng)余熱鍋爐中因為換熱以后的熱水由于循環(huán)時間太久也導(dǎo)致了水溫不高的問題；并且本發(fā)明余熱鍋爐不需要再設(shè)置水套管，進(jìn)一步地約了成本。

附圖說明

圖1 實施例1翅片管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 實施例1Ⅰ部分放大圖。

圖3 實施例1Ⅱ部分放大圖。

圖4 實施例1翅片管換熱器剖視圖。

圖5 實施例2翅片管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 實施例3余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發(fā)明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。

實施例1

如圖1～4所示，本實施例提供一種翅片管換熱器，包括進(jìn)水管2、出水管3和連接進(jìn)水管2和出水管3的熱管1，熱管1還設(shè)有管板4用于固定熱管1，熱管1采用并聯(lián)的方式與進(jìn)水管2和出水管3連接；

熱管1包括不同直徑的第一層內(nèi)管12、第二層內(nèi)管11和外管13，第一層內(nèi)管12和第二層內(nèi)管11組成雙層內(nèi)管，第一層內(nèi)管12套有第二層內(nèi)管11；外管13套有雙層內(nèi)管；第一層內(nèi)管12和第二層內(nèi)管11相通；第一層內(nèi)管12和外管13之間為封閉結(jié)構(gòu)并構(gòu)成環(huán)形通道熱管17，第一層內(nèi)管12工作介質(zhì)可以與環(huán)形通道熱管17工作介質(zhì)進(jìn)行換熱；環(huán)形通道熱管17與外部進(jìn)行換熱；雙層內(nèi)管工作介質(zhì)循環(huán)進(jìn)出都在熱管1的一端用于實現(xiàn)雙層內(nèi)管同側(cè)同工作介質(zhì)逆流換熱，環(huán)形通道熱管17內(nèi)設(shè)有內(nèi)管翅片14，內(nèi)管翅片14設(shè)在第一層內(nèi)管12上，內(nèi)管翅片14不與外管13內(nèi)壁接觸，內(nèi)管翅片14與外管13內(nèi)壁間距為0.5mm，內(nèi)管翅片14上設(shè)有裂口，形成氣體的通道用于氣體自由流動，熱管1的外壁設(shè)有外管翅片15；內(nèi)管翅片14圍著第一層內(nèi)管12外壁呈梅花狀分布，熱管1上還設(shè)有連接法蘭16。雙層內(nèi)管的工作介質(zhì)為水，環(huán)形通道熱管17工作介質(zhì)為氟利昂。

進(jìn)水管2和出水管3都位于熱管1的一端，并且可拆卸地與熱管1連接,第二層內(nèi)管12兩端均為開口結(jié)構(gòu)，進(jìn)水管2與第二層內(nèi)管11相連接，出水管3與第一層內(nèi)管12一端連接，第一層內(nèi)管12的另一端為封閉結(jié)構(gòu),第一層內(nèi)管12和第二層內(nèi)管11之間還設(shè)有第一隔熱層31，第一隔熱層31設(shè)在進(jìn)水管2和出水管3進(jìn)出口處,進(jìn)水管2與出水管3之間還設(shè)有第二隔熱層21,進(jìn)水管2與出水管3之間平行排列,進(jìn)水管2、出水管3均與熱管1垂直。

本實施例環(huán)形通道熱管17優(yōu)于現(xiàn)行熱管絕熱段結(jié)構(gòu)形式，并形成蒸發(fā)段包圍冷凝段結(jié)構(gòu)方式，使之變得更加緊湊,由此可以百分之百實現(xiàn)此間快速相變傳熱方式，由汽化吸收潛熱再到冷凝釋放潛熱，這比導(dǎo)熱方式實現(xiàn)熱傳遞效率要高得多，潛熱釋放與潛熱吸收過程是躍遷式實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，一般熱導(dǎo)體傳熱方式是無法比擬的，簡直不是一個數(shù)量級的傳熱。

本實施例設(shè)有第一隔熱層31和第二隔熱層21避免了把換來的較高溫度熱量被較低溫度同介質(zhì)流體吸走，并把溫度降下來的問題。

本實施例設(shè)有內(nèi)管翅片14，這不僅有利于加速水蒸汽的冷凝速度，也有利于氣液兩側(cè)換熱能力趨于平衡，因為氣態(tài)流體比液態(tài)流體換熱系數(shù)低許多，增加水蒸氣換熱面積，有利于兩側(cè)換熱能力平衡，也相對減少了金屬材料的消耗量，使熱管變得更加緊湊些，體現(xiàn)單位體積換熱能力的增強；而且內(nèi)管翅片14在這里可以替代管內(nèi)的吸芯，內(nèi)管翅片14與外管13內(nèi)壁距離適當(dāng)?shù)娇梢源钅Y(jié)水水橋，用于將第一層內(nèi)管11的液態(tài)水通過內(nèi)管翅片14導(dǎo)流到外管13內(nèi)壁吸熱而蒸發(fā)。

本實施例翅片管采用三層套管結(jié)構(gòu)方式的熱管，與現(xiàn)有套管式熱管及傳統(tǒng)的重力式熱管不同之處在于更進(jìn)一步加強了徑向傳熱能力，增大徑向傳熱深度（換熱流程），使徑向兩側(cè)傳熱介質(zhì)平均溫差最大化，并極大削弱同側(cè)軸向傳熱不利因素，充分利用場協(xié)同理論，把溫度梯度場與流體速度場很好有機協(xié)同起來，使熱流密度向著熱管徑向方向傳遞，設(shè)有內(nèi)管翅片14和外管翅片15，增強了熱管傳熱能力，以使氣液兩側(cè)換熱能力趨于平衡，提高熱管綜合換熱能力，縮小設(shè)備單位換熱量體積，并且換熱系數(shù)也得到很大的提高，可節(jié)約熱能，熱管生產(chǎn)企業(yè)可降低生產(chǎn)成本，設(shè)備運行企業(yè)可得到能耗降低。

實施例2

如圖5所示，本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，熱管1采用串聯(lián)的方式與進(jìn)水管2和出水管3連接。

實施例3

如圖6所示，本實施例提供一種設(shè)有所述翅片管換熱器的余熱鍋爐，包括翅片管換熱器、鍋筒106和設(shè)置鍋筒外的煙道104，翅片管換熱器設(shè)置在煙道104內(nèi)，進(jìn)水管102與冷水接口105連接，出水管103與鍋筒106連接，熱管101與煙道104垂直。

本實施例是翅片管換熱器在工業(yè)余熱上的一個應(yīng)用，本發(fā)明翅片管換熱器不需要外殼，體積較小，能夠非常靈活的布置在煙道104內(nèi)，而且熱管101與煙道104垂直充分利用了徑向傳熱這一特征，實現(xiàn)了最大的換熱面積，同時進(jìn)水管102與冷水接口105連接，通入冷水作為工作介質(zhì)，出水管103與鍋筒106連接，輸出換熱以后的熱水至鍋筒106中作為二次利用，不需要額外增加新的水循環(huán)設(shè)備，成本較低，換熱效果好。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護之內(nèi)。