热管束同心套管余热回收锅炉.pdf

本发明涉及一种热管束同心套管余热回收锅炉，包括热交换器、汽包或热水箱、烟气集热箱、管道系统，其特征是：热交换器是热管束同心套管热交换器，在烟气集热箱的上侧盖板上安装有一组以上的热交换器，热交换器的金属热管插在烟气集热箱的烟气集热流道中，各组热交换器的内管相互间用管道系统串联、串并联或并联连接，且在至少一组热交换器的内管的一个管口上接有锅炉上水管接口、至少一组热交换器的内管的一个管口用连接管与汽包或热水箱连通。其优点是：把同心内套管做为余热锅炉的循环列管，余热回收利用效率高，结构紧凑，性能可靠，是小温差废热回收利用的理想装置。该装置即可产生中高温蒸汽，也可产生高温热水或组合使用。可广泛用于高能耗工业如化工，石油，电力，煤炭，建材等行业节能减排和环境保护。

1、  一种热管束同心套管余热回收锅炉，包括热交换器、汽包或热水箱、烟气集热箱、管道系统，其特征是：热交换器是热管束同心套管热交换器，热交换器由外套管、内管、金属热管、工作流体组成，内管直径小于外套管，内管插在外套管中，外套管两端缩口并与内管同心焊接在内管上密封，一排金属热管等间距地连接在外套管上，每根金属热管均为一端密封另一端与外套管连通，外套管与金属热管间的空腔抽真空后在每根金属热管内充入工作流体；烟气集热箱两端分别设烟气进口和烟气出口，在烟气集热箱的上侧盖板上安装有一组以上的热交换器，热交换器的金属热管插在烟气集热箱的烟气集热流道中，各组热交换器的金属热管相互平行，各组热交换器的内管相互间用管道系统串联、串并联或并联连接，且在至少一组热交换器的内管的一个管口上接有锅炉上水管接口、至少一组热交换器的内管的一个管口用连接管与汽包或热水箱连通。

2、  根据权利要求1所述的热管束同心套管余热回收锅炉，其特征是：金属热管与烟气集热箱的烟气集热流道的轴线垂直置于烟气集热流道中。

3、  根据权利要求1所述的热管束同心套管余热回收锅炉，其特征是：在金属热管上设有翅片。

4、  根据权利要求1所述的热管束同心套管余热回收锅炉，其特征是：在热管束同心套管热交换器的内管和外套管间、每两个相邻的金属热管之间的位置设半圆形挡流板。

热管束同心套管余热回收锅炉
技术领域：
本发明涉及一种热管束同心套管余热回收锅炉。
背景技术：
近10年来中国经济快速发展，人民生活不断提高，对能源的需求和消耗亦随之快速增长。一次能源消耗主要有煤、石油和天然气等化石燃料。由于我国石油储量有限，目前将近50％的原油依靠进口，加之新一轮的石油危机，煤依然是我国主要的燃料动力来源，燃煤引起的环境问题已成为我国可持续发展战略中的必须认真对待的问题。我国政府近来十分关注能源资源和环境问题，并积极采取对策，鼓励开发可再生能源和节能技术，这是我国持续发展的必经之路。二氧化碳排放导致的全球暖化和环境的污染日益严重，发达国家相比，我国单位产品的综合能耗远高于平均水平，这对我国续发展的道路将是一个严重的挑战。降低单位产品的综合能耗，节约能源，加强环境保护，势在必行。
中低温尾气/烟气排放在各行业广泛存在，大部分没有很好利用，或直接排放，造成能源的浪费和对环境的污染。由于国内热回收技术相对落后，回收效率低，导致回收的热量品位较低，利用价值不高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种利用热管原理的同心套管冷凝器-两相流热交换器结构，把同心内套管做为余热锅炉的循环列管，从而实现余热回收段和锅炉的一体化的热管束同心套管余热回收锅炉。本发明余热回收利用效率高，结构紧凑，性能可靠，是小温差废热回收利用的理想装置。该装置即可产生中高温蒸汽，也可产生高温热水或组合使用。可广泛用于高能耗工业如化工，石油，电力，煤炭，建材等行业节能剑排和环境保护。
本发明的目的是由以下方式实现的：
本发明的热管束同心套管余热回收锅炉包括热交换器、汽包或热水箱、烟气集热箱、管道系统，其特征是：热交换器是热管束同心套管热交换器，热交换器由外套管、内管、金属热管、工作流体组成，内管直径小于外套管，内管插在外套管中，外套管两端缩口并与内管同心焊接在内管上密封，一排金属热管等间距地连接在外套管上，每根金属热管均为一端密封另一端与外套管连通，外套管与金属热管间的空腔抽真空后在每根金属热管内充入工作流体；烟气集热箱两端分别设烟气进口和烟气出口，在烟气集热箱的上侧盖板上安装有一组以上的热交换器，热交换器的金属热管插在烟气集热箱的烟气集热流道中，各组热交换器的金属热管相互平行，各组热交换器的内管相互间用管道系统串联、串并联或并联连接，且在至少一组热交换器的内管的一个管口上接有锅炉上水管接口、至少一组热交换器的内管的一个管口用连接管与汽包或热水箱连通。
上述热管束同心套管热交换器与烟气集热箱的最佳结合方式是：金属热管与烟气集热箱的烟气集热流道的轴线垂直置于烟气集热流道中，以使烟气垂直流过热管束交换器的热管截面，当然也可以与烟气集热箱的烟气集热流道呈一定的角度置于烟气集热流道中；金属热管与烟气集热箱上侧盖板接触部位设密封环，密封环装在烟气集热箱上侧盖板的锥孔中，通过高温密封材料压紧密封，以防烟气泄漏。
在上述热管束同心套管热交换器的金属热管上设有翅片。
在上述热管束同心套管热交换器的内管和外套管间、每两个相邻的金属热管之间的位置设半圆形挡流板，防止工作流体的冷凝液在冷凝过程中在热管之间的窜流，从而造成热管性能的不均匀化，以至于提前烧干。半圆形挡流板的上部整体相通。
上述热管束同心套管热交换器的内管表面应做等离子化处理，以降低表面能量，实现管外的滴状冷凝，提高传热系数。
本发明的优点是：
1、独创的同心套管冷凝器-多热管排相变热交换器结构，巧妙利用同心内管做为余热锅炉的蒸发列管，实现了余热回收段和锅炉蒸发的一体化，不仅提高了余热回收利用效率，而且，结构紧凑可靠，维修更换方便。
2、一体化的多热管排结构，使同一烟气流道截面上的温度均匀化，避免局部过冷或过热。所有热管共享同心套管冷凝器，结构合理，冷凝面积大，自动调整每支热管的热负荷，总传热量大。
3、在内管和外套管间设半圆形挡流板，防止冷凝液的在冷凝过程中在热管之间的窜流，从而造成热管性能的不均匀化，以至于提前烧干。
4、利用焊于翅片热管上的梯形压紧结构，挤入烟气流道顶板上带有高温密封材料的锥边孔中，密封烟气。结构简单，易于安装。
5、热管排可用不同的材料制成适用于高温、中温和低温的环境，或耐不同烟气腐蚀特性，安装于烟道的前段，中段和后段，有利于提高余热回收的温度，设备的安全可靠性和使用寿命。从而降低设备的造价和运行成本。
6、工作流体可根据设备的操作温度和热管排所选的材料，选择适合的工作流体，从而保证了装置的使用寿命和性能。
7、内管表面等离子化处理，降低了表面能量，实现了管外的滴状冷凝，提高传热系数。高效翅片管吸收高温烟气的热量，在管内蒸发并延翅片管向上到同心套管的内隙并在内套管管外滴状冷凝，热量被在内管的两相流吸收蒸发，进入汽包或热水箱。由于相变的高效传热和装置的一体化，装置的热回收效率高。
8、由于热管排的结构和热流的单独性，装置根据用途和烟气特性，实现串联，并联和串并联；有效的降低息痛流动阻力，提高蒸汽或热水的温度，控制烟气出口温度，提高了热回收率和防止了烟气露点以下的腐蚀。
9、在烟道的高温、中温、低温段，安装可使用不同特性的热管排，可以提高装置的安全，可靠性，降低装置的成本。
10、本发明可用于蒸汽余热回收锅炉，也可用于热水余热回收锅炉。
附图说明：
图1是本发明的热交换器的内管相互间串并联连接的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图；
图4是本发明的工作原理示意图；
图5是本发明的热交换器的内管相互间并联连接的结构示意图；
图6是本发明的热交换器的内管相互间串联连接的结构示意图。
图中：1.上水总管，2.热交换器连接水管，3.汽-液两相加热连接水管，4.外套管，5.汽包连接管，6.高温烟气进口，7.液位计，8.汽包，9.压力计及接口，10.蒸汽出口，11.安全阀及接口，12.排污阀接口，13.热管束同心套管热交换器，14.烟气集热箱，15.低温烟气出口，16.密封环，17.汽包支撑架，18.翅片，19.金属热管，20.工作流体，21.冷凝液，22.内管，23.挡流板，24.汽-液两相流，25.气-液分离区，26.蒸汽，27.汽液分离器。
具体实施方式：
下面参照附图对本发明作进一步描述：
附图1、2、3，是所示的是本发明的热交换器的内管相互间串并联连接的一种结构形式，其主体结构是由多组热管束同心套管热交换器13、汽包8、烟气集热箱14、支撑机构17及管道系统组成。多组热管束同心套管热交换器13的金属热管19与烟气集热箱14的烟气集热流道的轴线垂直置于烟气集热流道中，烟气垂直流过热管束交换器的热管截面。热管19上的密封环16座落于烟气集热箱14上盖板的锥孔中，通过高温密封材料压紧密封，以防烟气泄漏。上水总管1和热交换器连接水管2以串联方式连接置于烟气集热箱14烟气集热流道尾段的热交换器13的内管，做为上水的预热段。预热段出口管与用汽-液两相加热连接水管3并联连接置于集热箱14前段的热交换器连接。从热管束热交换器出来的管用汽包连接管5连接汽包8的底部，产生的蒸汽从蒸汽出口10导出。
余热回收过程简述为，当高温烟气流入集热箱进口6，垂直通过置于前段的热管束热交换器的截面而被冷却降温。较低温度烟气在下游进一步与热管束进行热交换，预热进入蒸发段的软化水。烟气出口温度通过上水的流量控制，以高于烟气的露点温度从低温烟气出口15排出装置。
本发明的工作原理如图-5所示，当高温烟气流流过垂直置于烟道中的热交换器的翅片热管时，翅片18吸收烟气中的热量，传导到密封于热管内的工作流体20，流体20吸收热量而蒸发，向上流到内管22、外套管4的间隙并在内管22的表面滴状冷凝。冷凝放出的热量加热内管22中流过的被预热的水而沸腾，形成蒸汽或两汽-液两相流24。蒸汽或两汽-液两相流流入汽包8，进行汽-液分离，导出蒸汽。与传统热管余热回收装置不同，该装置利用热管束交换器中的内管做为余热锅炉的循环列管，实现了余热回收段和锅炉蒸发段的巧妙一体化，所以，余热回收利用效率高，尤其适合于较小温差余热回收利用，是中低温余热回收利用技术的一大突破。
工业窑/炉排烟尾气的特性和指标大不相同，余热回收利用的方式也有所不同。根据废烟气的温度和物理化学特性，热管束同心套管余热回收锅炉中的热管束交换器的连接方式可设计三种：(1)并联：锅炉一次上水并行连接所有热管束集热器，而且都通向汽包或热水箱，如图-5所示。其结构特点，每组热管束交换器相对独立，一次水并行流过所有冷凝器，流阻较小，前排管束温度较低，后排冷却效果好，产汽能力差。做为热水余热回收锅炉，对尾气的冷却效果好，热水回收效率高。(2)串并联型：如图-1，2，3所示，其发明点在于：1)利用烟气后段的较低的温度，预热一次上水，有利于前段的汽化，提高产汽能力和压力；2)前段交换器蒸汽温度和汽化率高，水汽夹带少，可产生高温蒸汽；3)调节一次上水量，可有效控制烟气出口温度，防止烟气低于露点温度造成的腐蚀；(3)串联：如图-6所示，所有热管束交换器首尾相连，上水从一端进入交换器的内管，汽-水混合物从另一端进汽包或热水箱。该种连接方式的特点在于：1)流速快，传热效果好，易于控制流量和烟气出口温度，不利的是系统的流动阻力较高。
实施例：
钢-水螺旋翅片热管束同心套管蒸汽余热回收锅炉
结构：10排热管束同心套管热交换器；每排热管束交换器由12根螺旋翅片热管组成；
热管束同心套管热交换器连接方式：串-并联；
热管束同心套管热交换器材料：锅炉钢；
工作流体：纯水+除气剂；
使用温度：20℃-+400℃。