CN100565075C - 热能再生设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热能再生设备，包括主体、高温流体通道和低温流体通道，所述主体包括箱体和平行安装在箱体中的多个脉动热管模块，所述脉动热管模块包括高温工作区和低温工作区；所述高温流体通道连接到箱体上，以使流入的高温流体流经脉动热管模块的高温工作区；所述低温流体通道连接到箱体上，以使流入的低温流体流经脉动热管模块的低温工作区。根据本发明的热能再生设备传热效率高，制造成本低，工作稳定，能够应用于各种余热回收***，且模块的多少可以根据余热回收***的需要灵活增加或减少。

Description

热能再生设备

技术领域

本发明涉及一种热能再生设备，更具体地讲，涉及一种由脉动热管构成的热能再生设备。

背景技术

在工业生产和民用的加热炉中，通常排放出大量的高温废气、废水。这些高温废气废水所散失的热量占总能耗的很大一部分，例如，在玻璃工业熔窑中，排烟所散失的热量约占总能耗的1/3。这种高温废气废水的排放，不仅是一种能源的浪费，而且造成环境的污染。

为了对废水废气进行余热回收，提出了很多余热回收方法和设备。目前，应用较广的是将热管换热器用作热能再生设备。热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝(轧)翅片管经清洗并抽成高真空后注入液态工质而成。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。

然而，传统热管式热能再生设备具有如下缺点：(1)热管制造工艺复杂，成本高，单位传热效能相对较低。对于普通钢水热管还有因析氢现象而导致的工作寿命降低；而对于铜水热管，制造成本更高、结构强度变低，因此不能适应高温废热的回收。(2)翅片结构制造复杂，成本高。翅片诱导的边界层厚，流速低，降低了有效传热系数，并造成积灰问题，从而增加了***维护周期和成本。(3)单一整体***且无模块化设计，使用同一类热管作为传热部件。其导致热管在热气来流和去流方向受热不均衡，热回收再生效率较低。其中，来流方向上的热管难以充分发挥在高温下传热效能，去流方向上需考虑尺寸的限制而减少对热能的回收率。***故障的检测、维修和热管元件的更换也因此更为复杂。

因此，需要提供一种工作稳定、制造成本低、工艺简单的热能再生设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉动热管式热能再生设备、脉动热管模块以及一种余热回收***，以解决现有技术中的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种热能再生设备，包括主体、高温流体通道和低温流体通道。所述主体包括箱体和平行安装在箱体中的多个脉动热管模块，所述脉动热管模块包括高温工作区和低温工作区；所述高温流体通道连接到箱体上，以使流入的高温流体流经脉动热管模块的高温工作区；所述低温流体通道连接到箱体上，以使流入的低温流体流经脉动热管模块的低温工作区。

其中，脉动热管模块可包括：脉动热管，由多个U形金属管串联而成；固定夹板，分别安装在脉动热管的两端，用于将脉动热管固定在箱体中；分隔件，安装在脉动热管的中部，用于使高温流体和低温流体隔开。

根据本发明的一方面，所述热能再生设备还可包括安装在箱体内壁上的绝热材料。

其中，多个脉动热管模块可被分为至少两组，每组脉动热管模块的脉动热管中充注不同的工质。所述工质可以是水、水银或金属钠等热管常用工质。

根据本发明的另一方面，还提供了一种脉动热管模块，一种脉动热管模块，包括脉动热管和分隔件，所述脉动热管由多个U形金属管串联而成，并且金属管内充注有工质，该脉动热管模块分为高温工作区和低温工作区，所述分隔件设置在脉动热管模块的高温工作区和低温工作区之间。

根据本发明的另一方面，所述脉动热管模块还包括顶部绝热安装板，该顶部绝热安装板平行于U形金属管，安装在脉动热管的顶部，包括外层的包板和包板内侧的绝热材料；固定夹板，分别安装在脉动热管的两端，用于固定脉动热管；

附图说明

通过下面结合附图对本发明实施例进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是脉动热管的工作原理图；

图2脉动热管、普通热管和金属棒的传热效果比较图；

图3是根据本发明实施例的脉动热管式热能再生设备的结构图；

图4是图3中热能再生设备中的脉动热管模块的结构图；

图5是根据本发明实施例的热能再生设备的正视剖面图；

图6是根据本发明实施例的热能再生设备的侧视剖面图；

图7是示出不同脉动热管充液在各温度端的传热性能的曲线图；

图8是示出脉动热管加工中弯曲部分连接工艺的示出；

图9是根据本发明实施例的热能再生设备的应用示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

本发明提供了一种脉动热管式热能再生设备。在描述本发明实施例的热能再生设备之前，先在下面介绍一下脉动热管的工作原理以及特点。

如图1所示，当脉动热管在一端或某段受热时，由于内部压力在不同弯管区间的瞬间不平衡，使得内部充注的工质产生连续的液体和蒸汽的震荡运动。震荡运动把热量从加热端或部位传递到脉动热管模块的其它部分，并进一步传递到外界环境，从而达到了传热的效果。

经过分析，发现脉动热管具有如下特点：(1)工质相变和单相强制对流混合传热，传热效率高。(2)热管直径小，相对表面积大，散热或进一步热交换时无需额外的散热片或热交换器。在大多数情况下，仅利用脉动热管的表面面积就可以进行有效的热交换。(3)热管传热量大。主要两个原因：i、单根传热能力是普通热管的3倍(相同的尺寸)；ii、由于脉动热管是集束使用(单根不工作)，导致更高的传热能力。图2中所示为脉动热管在一传热案例中的实验结果比较。在传递相同的热能时，金属棒和普通热管只在总传热量较小的情况下有优势(总温差低)。脉动热管在中等和高热能传递中表现出非常稳定性能。随着输入热流量的增加，总温差几乎保持不变。(4)制造成本低。由于没有内部的液体吸心结构，工业加工制造上跳过了复杂的烧结过程和工艺，直接对小直径的商业金属毛细管进行加工制作。(5)对特定脉动热管而言，存在一个最理想的工作温度区间。以水为工质的脉动热管为例，在110度到150度之间有最好的传热效果。

本发明利用脉动热管的特点，制作多个独立工作的脉动热管模块，再将多个脉动热管模块平行安装在箱体中，从而制造根据本发明实施例的热管式热能再生设备。

图3是根据本发明实施例的脉动热管式热能再生设备的结构图。图4是图3中热能再生设备中的脉动热管模块的结构图。图5是根据本发明实施例的热能再生设备的正视剖面图。下面参照图3至图5，详细描述根据本发明的脉动热管式热能再生设备以及脉动热管模块的详细结构。

如图3和图5所示，根据本发明的热能再生设备包括：由箱体10和平行安装在箱体10中的多个脉动热管模块20组成的设备主体，所述脉动热管模块20包括由绝热隔离材料隔开的高温工作区和低温工作区；高温流体通道30，连接到箱体10上，使高温流体流过脉动热管的高温工作区；低温流体通道40，连接到箱体上，使低温流体流过脉动热管的低温工作区。流过高温工作区的高温流体使得脉动热管模块内的工质吸热，由于管内不同位置处的工质的压力差，使得工质震荡到脉动热管模块的低温工作区，工质在低温工作区释放热能，从而对流过低温流体通道40的低温流体加热。

虽然在图3和5中所示的热能再生设备的脉动热管模块为方形，但是，在实际应用中，可以根据需要制造成各种形状。

在根据本发明的脉动热管式热能再生设备中，每个脉动热管模块20都是一个单独的脉动热管体系。脉动热管模块一端为热吸收段，即高温工作区，另一端为热释出段，即低温工作区。热吸收段置于高温流体(即，通过高温流体通道30流入的流体)中，热释出段置于低温流体(即通过低温流体通道40流入的流体)中。脉动热管内的工质在高温工作区吸收热量之后，震荡运动到低温工作区释放热量，再震荡运动到高温工作区吸收热量。如此反复，从而完成将热量从高温工作区传递到低温工作区。下面参照附图5，详细描述单个脉动热管模块20的详细结构。

如图4所示，脉动热管模块20包括：脉动热管21，由多个U形金属管串联而成，内部充注有工质；固定夹板22，分别固定在脉动热管21的热吸收段和热释出段；顶部绝热安装板23，安装在脉动热管21的一侧或者侧面，平行于U形金属管；密封块24，平行于固定夹板22，安装在脉动热管21的中部，用于使流经脉动热管模块20的高温工作区的高温流体与流经低温工作区的低温流体隔开。优选地，所述密封块24由弹性材料制成。

脉动热管21由毛细金属管弯制而成，内径可以从1mm到3mm不等。一般情况下，脉动热管直径d的上限由公式(1)给出：

$\mathrm{Bo}=d\sqrt{g({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)/\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，Bo为小于2的无量纲数，ρ_l表示充注的工质的在工作温度下的液体密度，单位为kg/m³，ρ_g表示工质的在工作温度下的气体密度，kg/m³，σ表示充注的工质在工作温度下的表面张力，单位为N/m，g为重力加速度，单位为m/s²。

根据不同的应用设计，毛细金属管可以是单一长管，也可以是多个金属管首尾相连接后弯成。脉动热管的工质充入量在30～85％之间，视具体应用情况而定。毛细金属管材料可以是铜、铝、不锈钢等高导热系数的金属。

两端的固定夹板22固定脉动热管21和箱体10之间的相对位置。每一端的固定夹板22可以由两块板构成，并用螺栓相连接。

顶部绝热安装板23由外层的包板(例如，金属包板)231和下层的绝热材料232构成。绝热材料232可部分镶嵌在外层的包板231中，也可以和外层的包板231平行固定。包板231的两端固定有螺丝孔，安装后固定脉动热管模块20的位置。

脉动热管21中部的密封块24用来阻止高温流体(例如，高温烟气)和低温流体(例如，清洁空气)混合。密封块24可由弹性绝热材料制成，用来保证平行安装的脉动热管模块20之间没有间隙，且使得脉动热管模块20易于安装。密封块24由前后两片组成，中间预留有让脉动热管21穿过的沟槽。密封块24之间的连接可以用耐高温的粘合剂，也可以用耐高温的橡胶卡钉。

图5示出了将脉动热管模块20安装到箱体中制成的热能再生设备的正视剖面图。如图5所示，箱体10内壁附有绝热材料以减少热能通过设备表面的损失。箱体10中间为密封隔离件，即脉动热管模块20上的密封块24，用来隔离高温流体通道中的高温流体和低温流体通道中的低温流体。脉动热管模块20可以采用开路设计，如图5中所示。也可以采用闭路设计，即，使脉动热管首尾相连，形成封闭回路。脉动热管模块20两端的固定夹板，用于固定脉动热管21以及将脉动热管模块20定位在箱体10中，使得在箱体10底部预留一定空间。根据应用的需要，脉动热管21的总弯数可以在10-1000之间，单一模块的热交换量在100-20000瓦之间。

以烟气余热回收为例，烟气的温度随着离出口距离的增加温度不断降低。而对于充注不同工质的脉动热管，具有不同的理想工作温度区间。因此，可以根据不同的应用情况选择使用不同的脉动热管模块或是多种脉动热管模块的组合。在总热流量或烟气温度比较高的情况下，烟气出口端的脉动热管模块可选用高工作温度的热管充液，如：水银或金属钠等。随着高工作温度脉动热管模块吸收和传递热量到进风中，烟气总热流量和温度随之下降。此时，可在靠热能再生设备中间部分布置中等工作温度脉动热管模块。同理，在烟气出口端，由于烟气总热流量和温度的下降，可布置低工作温度脉动热管模块，如：水做工质的脉动热管模块。在大多数情况下，两类工作温度脉动热管模块即可解决高温、高热流下的传热问题。图6示出了采用两类脉动热管模块制作的热能再生设备的侧视剖面图。

高工作温度的脉动热管内充注的工质通常是相应工作温度下饱和压力低的、液体汽化热值大和表面张力大的液体。该液体在高的工作温度中，依旧可以维持足够的表面张力系数和震荡传热的机制。低工作温度的脉动热管内充注的工质通常是适合该工作温度的工作液体，即，相应工作温度下饱和压力低的、液体气化热值大和表面张力相对小的无机或有机工质，如饱和压力和表面张力适中、液体汽化热值大的水和甲醛。低温脉动热管适用于50-200℃的工作区间，中高温脉动热管适用于200-1000℃的工作区间。图7示出了对于各种不同工作温度区间的脉动热管的其工作特性曲线图。如图7所示，在任一脉动热管的工作区间内，有最优化工作温度。脉动热管热能再生设备的设计将尽可能使脉动热管工作在它的最优化工作温度附近。

根据应用场合的不同，可以制作不同宽度的脉动热管模块。对宽的脉动热管模块，脉动热管首尾长度总和可长达100米。通常市场上小直径金属管不超过20米，使得脉动热管中金属管的连接变成制造过程要面对的重要工艺问题。图8表示了现有两种脉动热管的制作方式和三种金属管连接方式。

所述两种脉动热管的制作方式包括：(1)用一根或多根长的小直径金属管弯制而成。在多根长的小直径金属管弯制过程中，根与根之间要焊接并保证真空下密封，如图8中的(a)所示。(2)用多根直管和连接弯管(或是连接模块)相连而成。即脉动热管的直管部分和弯管部分分别加工而成，然后用小直径金属管或者预制金属窄板模块进行连接，如图8中(b)和(c)所示。同样，任何连接处要保证真空下密封。

以上述第二种制作方式为例，连接工艺描述如下：

(1)金属套管相连。套管的内径稍大于被连接管的外径，相连后焊接套管外缘密封。

(2)小直径连接管相连。小直径弯管外径稍小于直管内径，相连后焊接直管外缘密封。

(3)预制金属窄板相连(连接模块，无弯管，和脉动热管模块等高度)。对于一个脉动热管模块，两端各加工一金属窄板，其中预制留给直管相连的孔洞、相邻孔洞的连接槽和密封端盖。所有该脉动热管的直管和预制金属窄板中预留的孔洞相连，并焊接直管和孔洞之间以及端盖和金属窄板连接处而完成相连工艺。通过这种工艺制作的脉动热管外观上没有弯曲的部分，形成类似梯子的结构。

通过上述连接工艺，可以制造各种尺寸的脉动热管式热能再生设备。

根据本发明的脉动热管式热能再生设备相对于传统的热管式热能再生设备具有如下优点：

(1)脉动热管传热能力强：与废烟气工作温度区间相匹配，制造成本低，工作稳定。脉动热管利用工质相变和单相强制对流混合传热，效率和热回收率高。

(2)无翅片结构：因毛细脉动热管表面面积大，应用的总管数多，有效热交换面积可替代传统热交换器管道上的翅片结构。该机构有利于流动湍流在设备内的发展，提高管壁和气体之间的传热系数，减少表面积灰和***维护周期及成本。

(3)独立的模块化设计：每个模块为一个单独的脉动热管体系，独立安装和工作。无翅片脉动热管热能再生设备拥有多个模块(几十个)，模块间平行并从热能再生设备顶部(或侧面)安装，优选地，脉动热管模块平面与流动方向相垂直。单一模块可以随意更换，方便故障处理和维修。设备中模块数量的多少取决于加热炉烟气热能回收功率的大小。在已知功率的条件下，可灵活增加或减少模块数量、进风和排风道的尺寸，以使一种热能再生设备能广泛应用于多种类型和规模加热炉***中。

根据本发明实施例的脉动热管式热能再生设备可以用作工业生产和民用加热炉的热能回收和再利用的设备。图9示出了根据本发明的热能再生设备的应用示意图。如图所示，该设备用于处理加热炉排出的高温废气，回收热能，减少总燃料消耗和污染气体排放。图中经炉堂燃烧后的高温废气在通过排烟道后，进入无翅片脉动热管热能再生设备。脉动热管是该设备的核心元件，可以将废烟气中热能快速、高效地传递到清洁的加热炉进风空气中，从而提高加热炉进风的初始温度，减少空气在加热炉中预热的能源消耗。经该设备的热能再生处理后，加热炉可减少燃料消耗5-15％，对工业中大中型的加热炉尤其有利。

虽然在本发明的描述中，以回收烟气余热为例，但是根据本发明的热能再生设备也可以用于回收高温废水的余热回收等场合。

尽管已经参照本发明的特定优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种改变。

Claims (10)

1、一种热能再生设备，包括主体、高温流体通道和低温流体通道，

所述主体包括箱体和平行安装在箱体中的多个脉动热管模块，该脉动热管模块包括高温工作区和低温工作区；

所述高温流体通道连接到箱体上，以使流入的高温流体流经脉动热管模块的高温工作区；

所述低温流体通道连接到箱体上，以使流入的低温流体流经脉动热管模块的低温工作区，

其中，脉动热管模块包括：

脉动热管，由多个U形金属管串联而成，并且金属管内充注有工质；

固定夹板，分别安装在脉动热管的两端，用于将脉动热管固定在箱体中；

分隔件，安装在脉动热管的中部，用于使高温流体和低温流体隔开。

2、如权利要求1所述的热能再生设备，还包括安装在箱体内壁上的绝热材料。

3、如权利要求1所述的热能再生设备，多个脉动热管模块被分为至少两组，每组脉动热管模块中充注不同的工质。

4、如权利要求1所述的热能再生设备，其中，在高工作温度的脉动热管模块中充注在该工作温度下饱和压力低的、液体汽化热值大和表面张力相对大的工质，在低工作温度的脉动热管模块中充注在该工作温度下饱和压力低的、液体汽化热值大和表面张力相对小的无机或有机工质，

其中，所述工质为水、甲醛、水银或金属钠。

5、如权利要求1或3所述的热能再生设备，其中，所述工质为水、甲醛、水银或金属钠。

6、如权利要求1、3或4所述的热能再生设备，其中，脉动热管模块中充注的工质的体积百分比为30％～85％。

7、如权利要求1所述的热能再生设备，其中，所述分隔件由弹性材料制成。

8、一种脉动热管模块，包括脉动热管、分隔件、顶部绝热安装板和固定夹板，

所述脉动热管由多个U形金属管串联而成，并且金属管内充注有工质，该脉动热管模块分为高温工作区和低温工作区，所述分隔件设置在脉动热管模块的高温工作区和低温工作区之间，顶部绝热安装板平行于U形金属管，安装在脉动热管的顶部，固定夹板分别安装在脉动热管的两端，用于固定脉动热管。

9、如权利要求8所述的脉动热管模块，其中，所述金属管的材料是铜、铝或不锈钢。

10、如权利要求8所述的脉动热管模块，其中，所述脉动热管中充注的工质为水、甲醛、水银或金属钠。

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