CN102636050A

CN102636050A - 一种紧凑式烟气余热回收换热装置

Info

Publication number: CN102636050A
Application number: CN2012101294130A
Authority: CN
Inventors: 高学农; 陆应生; 张正国; 方玉堂
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种紧凑式烟气余热回收换热装置，包括烟气进口、烟气出口、余热回收流体进口、余热回收流体出口、换热管、管板、封箱和外壁；换热管为经过机械加工形成具有2-4个椭圆状或扁平状流通通道的多通道结构，同一换热管内的椭圆状或扁平状流通通道被换热管挤压凹陷形成的管内凸肋分隔成单独的通道；换热管在水平和垂直方向上间隔排列，相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为1-10毫米，在垂直方向上的间距为3-10毫米。本发明多通道换热管结构增强了烟气和管内热回收流体的传热，从而提高了烟气余热回收的效率，减少余热回收装置的体积，节省制造成本，克服烟气余热回收热管或翅片管换热效率低、体积庞大的缺陷。

Description

一种紧凑式烟气余热回收换热装置

技术领域

本发明涉及余热回收换热设备与技术领域，具体是指一种紧凑式烟气余热回收换热装置。

背景技术

节能减排是我国国民经济发展的一项重要决策，国家制定的能源中长期发展规划纲要中也将节能减排作为我国能源战略发展的重点之一。我国能源的利用效率与国际先进水平差距很大，造成能源利用效率低的原因主要包括热能转换装备技术落后、废热和余热利用效率低等。

绝大部分工业过程以及民用的燃气器具等都是以热量的形式消耗着大量能源，以余热形式散失到环境的能量占工业总能耗的50％以上。据统计我国每年约有相当于5000万吨标准煤以上的工业余热待回收利用。此外，这些余热直接地排放到环境中，不仅白白地浪费了可贵的能源资源，而且余热载体及其相关污染物的排放还带来严重的环境影响。然而由于烟气成分的复杂以及气体换热效率的低下，这部分余热的回收利用难度也相对较大。目前，工业中一般采用普通翅片管换热器和热管换热器来回收这一部分余热。普通翅片管换热器是将一定形状的金属片嵌套在普通金属管上，或者采用高频焊和浸焊的方式使其与金属管连接更紧固。这种方式的缺点是翅片与换热管之间存在一定的接触热阻，影响换热效率，同时使用大量金属片，增加了材料的消耗，也使得换热设备的压降增大，设备的抗腐蚀性能降低。热管换热器虽然有很好的抗腐蚀性能，但是总换热系数低，设备体积庞大，制造成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑式烟气余热回收换热装置，以克服现有烟气余热回收常用的热管或翅片管换热器效率低、体积庞大等缺陷。

本发明利用椭圆状或扁平状多通道结构换热管不但提高了单位体积内烟气与换热管表面的接触面积，而且挤压了管内流体的热边界层，使管内被加热流体温度梯度集中在近壁面分布更加均匀，使得换热器变得更为紧凑。同时，烟气在横掠过其具有波纹的表面时产生一定的压力梯度，提高了烟气的湍流程度，增强了传热，从而提高了烟气余热回收的效率。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种紧凑式烟气余热回收换热装置，包括烟气进口、烟气出口、余热回收流体进口、余热回收流体出口、换热管、管板、封箱和外壁；分别与两块管板连接，两块管板位于两块封箱内侧；多根换热管左右两端分别经过两块管板与封箱连通，两封箱为空腔结构，在封箱内设置有隔板，隔板将封箱间隔成多个封闭的腔体，封箱顶部和底部分别设有余热回收流体进口和余热回收流体出口；所述换热管为紫铜管或不锈钢管，经过机械加工形成具有2-4个椭圆状或扁平状流通通道的多通道结构，同一换热管内的椭圆状或扁平状流通通道被换热管挤压凹陷形成的管内凸肋分隔成单独的通道；所述换热管在水平和垂直方向上间隔排列，相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为1-10毫米，在垂直方向上的间距为3-10毫米。

为进一步实现本发明目的，所述换热管优选为不锈钢管，经过机械加工形成具有4个椭圆状流通通道的多通道结构。

所述换热管中相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离优选为2毫米，在垂直方向上的间距优选为5毫米。

所述换热管优选为不锈钢管，经过机械加工形成具有2个扁平状流通通道的多通道结构。

所述换热管中相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为2毫米，在垂直方向上的间距为5毫米。

所述封箱与管板之间优选采用螺栓和密封圈进行连接和密封。

本发明所述的余热回收流体可以是生活用热水以及工业过程中需要加热的各种液态物料等。

本发明的工作原理是：废热烟气由烟气入口进入，流经换热管外壁、管板与换热装置壁面构成的换热通道，并与换热管内的余热回收流体通过换热管的壁面进行热交换，烟气温度降低，由烟气出口排出；余热回收流体由其入口进入管箱，在两个管箱内隔板的作用下，蛇形通过各排换热管的管内通道，并与换热管外的废热烟气通过换热管的壁面进行热交换，余热回收流体温度升高，由其出口排出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.本发明采用工业普通圆形换热金属管经过机械加工挤压等工艺制造成多椭圆状或扁平状多通道结构，可使管内被加热流体分布均匀，温度梯度集中于换热避免附近，烟气气体则在外侧与椭圆或扁状多通道的波纹表面垂直流动，产生一定的压力梯度，增强烟气气体的湍流，提高换热效率。同时与普通圆管、椭圆管和扁管等异型管换热器相比，利用椭圆状或扁平状多通道结构换热管可使单位体积内烟气与换热管表面的接触面积提高1倍以上。使得本发明具有换热系数高、结构紧凑的特点。

2.本发明的制造与工艺尤其适用耐腐蚀的不锈钢、合金钢、钛钢等金属材质，克服普通翅片管换热器或热管换热器所存在的耐腐蚀性能差或总换热系数低等缺陷。在保证其高效余热回收效率的同时，也可以提高了换热装置的安全、环保性，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明紧凑式余热回收换热装置结构示意图。

图2是本发明两种换热管结构示意视图。

图3-1是本发明带有椭圆状孔的管板结构示意图。

图3-2是本发明带有扁平状孔的管板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种紧凑式烟气余热回收换热装置，包括烟气进口7、烟气出口1、余热回收流体进口2、余热回收流体出口6、换热管3、管板4、封箱5和外壁8；两封箱5分别与两块管4板连接，两块管4板位于两块封箱5内侧；多根换热管3左右两端分别经过两块管板4与封箱5连通，各换热管3在水平和垂直方向上均按一定间距整齐排列并且两端分别焊接在两块管板4上，相邻两换热管3外壁在水平方向上的间距离为1-10毫米，在垂直方向上的间距为3-10毫米。管板与换热管的排列方式对应开有与换热管截面形状及大小相同的孔，换热管两端可以穿过这些孔并与管板进行焊接。两管板4外侧的封箱5为空腔结构，在封箱5内设置有隔板9，隔板9将封箱5间隔成多个封闭的腔体，封箱5与管板4之间采用螺栓和密封圈进行连接和密封，封箱5顶部和底部分别设有余热回收流体进口2和余热回收流体出口6，隔板9将一排或多排传热管内流体流向分隔为若干组，相邻两组传热管内的流体流向相反。多根换热管3的前后端以及上下端为外壁8，外壁8与管板4组成空腔结构，换热管3位于该空腔结构中，空腔结构的上下端分别设有烟气出口1和烟气进口7；换热管3的外壁、管板4与换热装置外壁8组成烟气的换热通道；换热管3内壁、管板4与封箱5组成热水的换热通道。

如图2所示，换热管为紫铜管或不锈钢管，经过机械加工形成具有2-4个椭圆状或扁平状流通通道的多通道结构，同一换热管内的椭圆状或扁平状流通通道被换热管因挤压凹陷形成的管内凸肋分隔成单独的通道。这种经机械加工成的具有2-4个椭圆状或扁平状流通通道的多通道结构的换热管，不仅克服了原换热管管内的流体流速过低的缺陷，又使得流体的滞留热边界层受到压缩，滞留层的厚度变薄，提高了管内流体的对流换热系数；同时，相邻两换热管3外壁之间的间距按照烟气的可凝性物质含量、密度、导热系数等物性参数和流速的不同而设计为1-10毫米，有效地利用了各换热管外壁间的波纹状通道结构，促进烟气滞留层的扰动，提高烟气的对流换热系数。现普遍采用的管翅式烟气余热回收装置，其翅片因接触热阻的存在而换热效率低，金属翅片消耗了更多材料，压力损耗大，使得其制造和运行成本都比较高。采用多通道结构换热管的紧凑式烟气余热回收装置其加工过程简单，不需要消耗额外的金属材料，既具有很高的换热效率又能节省制造和运行成本。

如图3-1和3-2所示，两块管板开有与换热管截面形状及大小相同的椭圆状或扁平状孔，换热管两端可以穿过这些孔并与管板进行焊接。

实施例1

紧凑式烟气余热回收换热装置用于燃气热水器中，回收燃气热水器烟气余热。其中，换热管是采用机械挤压成型的方法将12mm直径的光滑不锈钢圆管加工成具有3个椭圆状流通通道的多通道结构，同一换热管内的椭圆状流通通道被换热管因挤压凹陷形成的2组相对应的凸肋分隔成3个单独的通道，加工后换热管的长径为16mm，短径为6mm。相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为2毫米，在垂直方向上的间距为5毫米。通过碰焊使换热管因挤压凹陷形成的管内2组相对应的凸肋之间因瞬间强电流而产生高温的作用而熔合，进一步提高换热管的机械强度。

燃气热水器中的烟气经燃气燃烧，并与冷水换热后，温度降至160℃，由烟气进口7进入烟气余热回收换热装置，流经换热管3外壁、管板4与换热装置壁面8构成的换热通道，并与换热管3内的水通过壁面进行热交换，烟气温度由160℃降低至60-80℃，烟气最终由烟气出口1排出；被燃气加热温度升至38-42℃的热水由余热回收流体进口2进入封箱5，在两个封箱5内隔板9的作用下，蛇形(折叠式)通过各排换热管3的管内通道，并与换热管3外的烟气通过换热管壁面进行热交换，水温升高至42-48℃(该温度范围是有所变化，一般高于42℃，即使由余热回收流体进口2进入封箱5的水有42℃，要维持到由余热回收流体出口6流出的水还有42℃，也需要进行热交换)，并由余热回收流体出口6流出供日常生活使用。本实施例的紧凑式烟气余热回收换热装置替代现有广东万家乐燃气具有限公司12U系列冷凝式燃气热水器的烟气余热换热器效果如表1所示。

表1

表1中所述胚管为加工本发明换热管的原管；原换热器大小(长×宽×高)为340×100×100mm，采用换热管数量为25根，现换热器大小为170×76×65mm，采用换热管数量为30根，根据已知换热管半径和数量可计算出两换热器的换热管表面积分别为0.31和0.19平方米。由于热水和烟气的流量及进出口温度可以测量，根据传热计算公式很容易得到换热系数。换热器成本包括材料成本和加工成本，按换热器消耗不锈钢材料每公斤按30元计算，加工成本普通换热器约40元/台，耗材约4公斤，成本约为160元/台。本发明换热管与换热器的加工成本将增加约20元/台，耗材节省约1公斤，因而成本约150元。

采用本发明具有3个椭圆状通道结构的换热管，管内的热水流速比原换热管提高了2倍以上，比普通变曲面的椭圆管或扁管相比流速提高1倍以上，能使管内热水的滞留热边界层受到压缩，滞留层的厚度变薄，提高了管内热水的对流换热系数；同时，由于管外烟气流速较高且含有大部分可以凝结的水蒸汽，流体的滞留热边界层在3mm左右，而将相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为2毫米，在垂直方向上的间距为5毫米，可有效地利用各换热管外壁间约2mm宽的波纹状通道结构，促进烟气滞留层的扰动，提高烟气的对流换热系数。

从表1可以看出，要满足冷凝式燃气热水器国家能效标准的要求，采用本发明替代现有12U系列冷凝式燃气热水器的烟气余热换热器，如换热管材和换热管胚管管径相同，本发明单位体积内的换热管表面积是普通换热器的2.48倍，总换热系数比普通换热器提高了40-50％。同时，本发明的生产成本也比普通换热器低。

实施例2

图1-3的紧凑式烟气余热回收换热装置用于石油化工重油加氢重整中，回收重油加氢重整高温尾气余热。进入换热管3内壁、管板4与封箱5组成流体的换热通道中余热回收流体为石脑油。

如图1所示，两管板4外侧的原料油通道采用封箱结构，在封箱5内设置有隔板9，隔板9将一排或多排传热管3分隔为若干组，封箱5与管板4之间采用螺栓和密封圈进行连接和密封，封箱5上留有余热回收流体进口2和余热回收流体出口6。

本实施例，石油化工重油加氢重整高温尾气余热回收装置的换热管是采用机械挤压成型的方法将25mm直径的光滑紫铜管加工成具有2个扁平状流通通道的多通道结构，同一换热管内的扁平状流通通道被换热管因挤压凹陷形成的2组相对应的凸肋分隔成2个单独的通道，加工后换热管的长径约为36mm，短径约为8mm。相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为10毫米，在垂直方向上的间距为10毫米。

200℃高温尾气由烟气进口7进入，流经换热管3外壁、管板4与换热装置壁面8构成的换热通道，并与换热管3内的石脑油通过壁面进行热交换，尾气温度降低至110-120℃，由烟气出口1排出；温度为20-30℃石脑油由余热回收流体进口1进入封箱5，在两个封箱5内隔板9的作用下，蛇形通过各排换热管3的管内通道，并与换热管3外的高温尾气通过壁面进行热交换，石脑油温度升高至80-90℃，由余热回收流体出口6排出进入后续的处理工艺。本实施例与桂林新艺制冷设备有限责任公司生产的HES600-0.6-210-6/25-4普通烟气余热换热器效果对比情况如表2所示。

表2

表2中原换热器大小(长×宽×高)为2400×1000×1250mm，采用换热管数量为1120根，现换热器大小为800×800×600mm，采用换热管数量为1440根，根据已知换热管半径和数量可计算出两换热器的换热管表面积分别为210和90平方米。由于石脑油和高温尾气的流量及进出口温度可以测量，根据传热计算公式很容易得到换热系数。工业普通换热器成本按800元/平方米换热面积计算，约为168000元/台。本发明换热管与换热器的成本按1200元/平方米换热面积计算，约108000元/台。

采用本发明具有2个扁平状通道结构的换热管，管内的石脑由流速比原换热管提高了3倍以上，比普通变曲面的椭圆管或扁管相比流速提高1.5倍以上，能使管内石脑油的滞留热边界层受到压缩，滞留层的厚度变薄，提高了管内石脑油的对流换热系数；同时，由于管外高温尾气的流速不高且含可凝成份少，高温尾气的滞留热边界层在6-8mm左右，而将相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为10毫米，在垂直方向上的间距为10毫米，可有效地利用各换热管外壁间约5mm宽的波纹状通道结构，促进高温尾气滞留层的扰动，提高高温尾气的对流换热系数。

从上表2可以看出，采用本发明替代普通烟气余热换热器，如换热管材和换热管胚管管径相同，本发明单位体积内的换热管表面积是普通换热器的3.32倍，总换热系数比普通换热器提高了140-230％。同时，本发明的生产成本也比普通换热器大大降低。

Claims

1.一种紧凑式烟气余热回收换热装置，包括烟气进口、烟气出口、余热回收流体进口、余热回收流体出口、换热管、管板、封箱和外壁；两封箱分别与两块管板连接，两块管板位于两块封箱内侧；多根换热管左右两端分别经过两块管板与封箱连通，两封箱为空腔结构，在封箱内设置有隔板，隔板将封箱间隔成多个封闭的腔体，封箱顶部和底部分别设有余热回收流体进口和余热回收流体出口；其特征在于：所述换热管为紫铜管或不锈钢管，经过机械加工形成具有2-4个椭圆状或扁平状流通通道的多通道结构，同一换热管内的椭圆状或扁平状流通通道被换热管挤压凹陷形成的管内凸肋分隔成单独的通道；所述换热管在水平和垂直方向上间隔排列，相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为1-10毫米，在垂直方向上的间距为3-10毫米。

2.根据权利要求1所述的紧凑式烟气余热回收换热装置，其特征在于：所述换热管为不锈钢管，经过机械加工形成具有4个椭圆状流通通道的多通道结构。

3.根据权利要求2所述的紧凑式烟气余热回收换热装置，其特征在于：所述换热管中相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为2毫米，在垂直方向上的间距为5毫米。

4.根据权利要求1所述的紧凑式烟气余热回收换热装置，其特征在于：所述换热管为不锈钢管，经过机械加工形成具有2个扁平状流通通道的多通道结构。

5.根据权利要求4所述的紧凑式烟气余热回收换热装置，其特征在于：所述换热管中相邻两换热管外壁在水平方向上的间距离为1-10毫米，在垂直方向上的间距为3-10毫米。

6.根据权利要求1所述的紧凑式烟气余热回收换热装置，其特征在于：所述封箱5与管板4之间采用螺栓和密封圈进行连接和密封。