一种换热装置 |
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| 申请号 | CN202311470895.0 | 申请日 | 2023-11-07 | 公开(公告)号 | CN117516222A | 公开(公告)日 | 2024-02-06 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 符泰然; 辛成运; 周托; 彭威; | ||||
| 摘要 | 本公开提供一种换热装置，包括：第一管件，适用于容纳循环工质通过，以用作换热装置的冷侧，第一管件的位于换热装置的热侧内的部分被构造成沿与用作热源的热 流体 的流向相 正交 的方向布置；第二管件，可旋转地套设于第一管件的位于热侧内的部分的外侧，并与第一管件形成热交换；其中，第二管件的外壁设置有螺旋状的翅片，翅片具有相背离的第一面及第二面，翅片随第二管件旋转，使第一面或第二面面对热流体的来流方向，以使翅片的迎 风 面可调节。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种换热装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种换热装置技术领域[0001] 本公开涉及用于余热回收的烟气冷却器技术领域，更具体地，涉及一种换热装置。 背景技术[0002] 烟气冷却器是一种安装于烟道下游的、用于对热能利用设备所排放的烟气进行余热回收的换热装置。为提升在烟气冷却器的换热效果，往往在烟气冷却器的气侧的管路上配置翅片，以增加管路与烟气的换热面积。其中，以H型翅片式和螺旋翅片式的应用最为广泛。 [0003] 但是由于复杂的烟道结构和多变的运行工况，所配置的翅片常会产生积灰及磨损问题。积灰影响了烟气冷却器的换热效果，而磨损则可能导致爆管问题的产生，从而限制了烟气冷却器的运行稳定性及使用寿命。 [0004] 为至少部分解决上述问题，现有技术中往往通过材料改进提高管件的抗磨损能力，再通过对翅片的尺寸、形状及布局设计减少积灰的产生，或者通过配置声波或蒸汽清洁设备被动式的处理积灰，但这种被动式的防灰及清灰方式的效果较差、成本较高，依然无法有效协同解决上述问题。发明内容 [0006] 本公开的实施例的提供了一种换热装置，包括：第一管件，适用于容纳液态的循环工质通过，以用作换热装置的冷侧，上述第一管件的位于上述换热装置的热侧内的部分被构造成沿与用作热源的热流体的流向相正交的方向布置；第二管件，可旋转地套设于上述第一管件的位于上述热侧内的部分的外侧，并与上述第一管件形成热交换；其中，上述第二管件的外壁设置有螺旋状的翅片，上述翅片具有相背离的第一面及第二面，上述翅片随上述第二管件旋转，使上述第一面或上述第二面面对上述热流体的来流方向，以使上述翅片的迎风面可调节。 [0007] 根据本公开的实施例，上述第二管件及上述第一管件之间限定环形的腔体，上述腔体内填充有换热工质，以与上述热流体及上述循环工质形成热交换。 [0008] 根据本公开的实施例，上述第二管件上设置有与上述腔体连通的输入口和/或输出口，以向上述腔体内填充或导出上述换热工质。 [0009] 根据本公开的实施例，上述第二管件上设置有与上述腔体连通的测压口，上述测压口内适用于配置测压装置，以检测上述腔体的上述换热工质的压力。 [0010] 根据本公开的实施例，换热装置还包括致动装置，被构造成驱动至少一部分上述第二管件绕上述第二管件的轴线旋转，以调节上述迎风面。 [0012] 根据本公开的实施例，上述第二管件的轴向的两端与上述第一管件之间配置有旋转密封件，以将上述第二管件可旋转地固定于上述第一管件的外侧，并使上述换热工质被密封于上述腔体内。 [0013] 根据本公开的实施例，换热装置包括多个平行间隔设置的第一管件，多个上述第一管件顺次连通形成一个换热管路。 [0014] 根据本公开的实施例，上述换热管路被构造成呈S形布置。 [0015] 根据本公开的实施例，换热装置包括至少多个上述换热管路。 [0016] 根据本公开的实施例，换热装置还包括壳体，上述壳体内限定用作上述热侧的换热腔，上述换热腔适用于容纳并引导上述热流体沿第一方向通过。 [0017] 根据本公开的实施例，上述热流体包括外部产生的烟气。 [0018] 根据本公开的实施例，上述第二管件可旋转地安装于上述壳体的上。 [0019] 根据本公开的实施例，上述第二管件包括未设置上述翅片的光杆部，上述光杆部及上述壳体之间配置有旋转密封件。 [0020] 根据本公开提供的换热装置，配置有翅片的第二管件可旋转地安装于第一管件上，以使翅片的第一面或第二面可调节至面对热流体的来流方向的位置，从而翅片的迎风面及背风面可互换。这样，在背风面产生积灰的状态下，可使其调整为迎风面，从而主动地清除原背风面上的积灰，并在积灰清除的过程中，利用积灰形成的积灰区提升第二管件的抗磨损的能力。附图说明 [0021] 图1是根据本公开的一种示意性实施例的换热装置的结构图； [0022] 图2是图1所示的示意性的实施例的换热装置的翅片的迎风面调节的使用状态图； [0023] 图3是图1所示的示意性的实施例的换热装置的右视视角的结构图； [0024] 图4是图1所示的示意性的实施例的换热装置的第一管件及第二管件的装配关系的立体图；以及 [0025] 图5是图4所示的示意性的实施例的换热装置的径向视角的示意图，示出了第一面及第二面。 [0026] 所述附图中，附图标记含义具体如下： [0027] 1、换热管路； [0028] 11、第一管件； [0029] 111、进水口； [0030] 112、出水口； [0031] 12、第一密封轴承； [0032] 13、第二密封轴承； [0033] 14、第二管件； [0034] 141、翅片； [0035] 1411、第一面； [0036] 1412、第二面； [0037] 142、测压口； [0038] 143、输入口； [0039] 144、输出口； [0040] 2、壳体； [0041] 21、烟气进气端；以及 [0042] 22、进气排气端。 具体实施方式[0043] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。 [0044] 在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。 [0045] 在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。 [0046] 在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。 [0047] 在热能利用设备的烟道下游配置换热装置是一种被广泛应用的余热回收手段，即可用于对烟道内的烟气进行冷却，又可对烟气中的余热进行回收。但基于复杂的烟道结构及多变的运行工况，适用于与烟道中的烟气进行换热的换热装置多面临严重的积灰及磨损问题。其中，积灰会导致换热装置的冷侧与热侧的换热效率下降，而磨损则可能导致管件的爆管情况的发生。 [0048] 针对上述的积灰问题，目前，多通过对管件的翅片形状、尺寸、结构，以及管件的布置方式进行设计，从而减少积灰的产生，或者通过配置诸如声波或蒸汽清洁设备被动的清除积灰；而针对上述的磨损问题，目前，多通过对管件及翅片的材料改进，以提升换热装置的抗磨损能力。 [0049] 基于上述技术手段中的翅片设计及配置的清洁设备，虽在一定程度上可延缓积灰的时间，但依然难以克服由于积灰聚集所形成的积灰区的产生。而材料的改进也受限于换热装置的换热性能及成本限制的综合设计，因此，产生的效果有限。 [0050] 上述技术手段中对于换热器解决的积灰问题及防磨损问题的所采用的技术手段是相独立的。而在实际的使用场景中，积灰的产生及换热装置的抗磨损能力具有关联性。因此，如何基于换热装置的积灰及磨损问题进行整体性协同设计，以减少积灰的产生并提升换热装置的抗磨损能力成为亟待解决的技术问题。 [0051] 为此，本公开基于整体上的发明构思，提供一种换热装置，以至少部分解决上述问题。 [0052] 图1是根据本公开的一种示意性实施例的换热装置的结构图。 [0053] 本公开提供一种换热装置，如图1所示，包括第一管件11及第二管件14。第一管件11适用于容纳液态的循环工质通过，以用作换热装置的冷侧，第一管件11的位于换热装置的热侧内的部分被构造成沿与用作热源的热流体的流向相正交的方向布置，以与热源形成错流换热。第二管件14可旋转地套设于第一管件11的位于热侧内的部分的外侧，并与第一管件11形成热交换。其中，第二管件14的外壁设置有沿第二管件的轴向呈螺旋状布置的翅片141，翅片141具有相背离的第一面1411及第二面1412，翅片141被构造成随第二管件14旋转，使第一面1411或第二面1412面对热流体的来流方向，以使翅片141的迎风面可调节。 [0054] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，换热装置包括多个第一管件11(含外部套设的第二管件14)。详细地，多个第一管件11被构造成沿热流体的流向相正交的方向错排或顺排布置。 [0055] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，换热装置中的每个管件均采用第一管件11(含外部套设的第二管件14)。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0056] 在另一种示意性的实施例中，换热装置中的一部分管件采用第一管件11(含外部套设的第二管件14)。进一步的，另一部分管件采用单层的第三管件(图中未示出)，第三管件包括但不限于被构造成光管结构或外部配置有翅片的单层管结构。其中，第一管件11(含外部套设的第二管件14)可布置于换热装置中的易发生积灰或易发生磨损的区域，这样有利于降低换热装置的成本。基于对换热装置的研究，尤其是针对热能利用设备产生的高温烟气的进行余热回收的烟气冷却器的研究，烟气冷却器(相当于本公开的换热装置)的不同特征位置具有不同的损伤特征。将管件(即图1所示的第二管件14及形成于第二管件的外侧翅片141)的面对烟气的来流方向的一侧(如图1所示的上侧)定义为迎风面，而与迎风面向背的另一侧(如图1所示的下侧)定义为背风面。其中，烟气中夹带的粉尘及颗粒主要作用于第二管件14及翅片141的迎风面一侧，从而导致磨损情况多产生于管件(即图1所示的第二管件14及形成于第二管件的外侧翅片141)的迎风面上；而第二管件14及翅片141的背风面一侧，则由于第二管件14的迎风面对烟气的阻挡形成颗粒聚集形成积灰，并逐步蔓延形成积灰区。 [0057] 图2是图1所示的示意性的实施例的换热装置的翅片的迎风面调节的使用状态图。 [0058] 基于上述研究的发现，换热装置的积灰问题及磨损问题具有关联性，为此本公开的实施例中，通过配置有翅片的第二管件14可旋转地安装于第一管件11上，可使翅片141的第一面1411及第二面1412可调节的面对热流体(如烟气)的来流方向(如图1所示的由上向下)设置，从而使翅片141的迎风面及背风面可互换(如图1和图2所示)。这样，在背风面(如图1所示的下端面)形成积灰的状态下，通过调节第二管件14(含翅片141)的角度(包括但不限于180°)使原背风面(如图1所示的下端面)面对来流方向，用作迎风面(如图2所示的上端面)，从而利用热流体(如烟气)清吹并未稳定积累的积灰，以对至少一部分积灰进行清除；并且，由于积灰还阻碍了热流体(如烟气)与第二管件14的表面的直接接触，因此，还相应提高了第二管件14的抗磨损能力，从而在管件所使用的材料不变的条件下，延长了换热装置的使用寿命，有利于防止爆管情况的发生。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0059] 例如，本公开的换热装置的另一种示意性实施例，还可应用于液体流体的换热中。 [0060] 根据本公开的实施例，如图1所示，包括多个平行间隔设置的第一管件11，多个第一管件11顺次连通形成一换热管路1。 [0061] 根据本公开的实施例，如图1所示，换热管路1被构造成呈S形布置。 [0062] 根据本公开的实施例，如图1所示，包括多个换热管路1。 [0063] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，热流体被构造成沿第一方向(如图1所示的由上向下)流动。进一步的，多个第一管件11被构造成沿与第一方向相正交的第二方向(如图1所示的左右方向)延伸布置。更进一步的，多个第一管件11沿热流体的流动方向平行间隔设置，以形成错流布置，从而和热流体进行较为充分的换热。 [0064] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，第一管件11包括设置于换热装置的热侧内的直管部及设置于换热装置的热侧外的弯管部。详细地，弯管部包括但不限于被构造成光管结构。进一步，在第一管件11的两端(如图1所示的做上端及左下端)分别配置有进水口111及出水口112。其中，进水口111及出水口112分别与外部的循环工质源(包括但不限于储存有循环工质的液箱、泵机、阀门及管路等)连通，以使循环工质在换热装置的热侧及外部形成循环。 [0065] 在一种示意性的实施例中，多个第一管件11可一体形成如图1所示的S形的换热管路1，也可将一部分第一管件11作为一个换热管路单元(例如，将如图1所示的相邻的两个第一管件11作为一个相连通的换热管路单元，而其他第一管件11作为另一个相连通的换热管路单元)。 [0066] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，换热装置内可配置有多个换热管路。详细地，多个换热管路可沿与第一方向及第二方向均正交的第三方向(如图1所示的面向纸面的方向)均匀间隔布置。 [0067] 根据本公开的实施例，如图1所示，换热装置还包括壳体2，壳体2内限定用作热侧的换热腔，换热腔适用于容纳并引导热流体沿第一方向通过。 [0068] 根据本公开的实施例，如图1所示，热流体包括外部产生的烟气。 [0069] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，换热装置所配置的壳体2设置有烟气进气端21及烟气排气端22。详细地，烟气进气端21与烟气排气端22对向设置(如图1所述的上下面对设置)，以使通过壳体2的烟气沿如图1所示的第一方向(如图1所示的上下方向)流动。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0070] 例如，壳体2被构造成弧形、U形或其他形状，以使通过壳体2形成的流道的热流体具有至少两个不同的流动方向。基于该壳体2和/或形成的流道，可在壳体2中配置多组具有不同延伸方向的第一管件11，以使不同的第一管件11适应于壳体2内的不同位置的热流体的流向(即使每个第一管件11的延伸方向与该部分的热流体的流向正交设置)。 [0071] 再如，壳体2可集成于外部的其他装置之上，详细地，如可将换热装置直接布置于外部的热能利用设备的尾气排出口内，从而将尾气排出口的外壁用作换热装置的壳体2。 [0072] 图3是图1所示的示意性的实施例的换热装置的第一管件及第二管件装配关系的立体图。 [0073] 根据本公开的实施例，如图3所示，第二管件14及第一管件11之间限定环形的腔体，腔体内填充有换热工质，以与热流体及循环工质形成热交换。 [0074] 在一种示意性的实施例中，如图3所示，第一管件11及第二管件14均被构造成圆管结构。详细地，第二管件14套设于第一管件11的外部，以在第一管件11的外壁及第二管件14的内壁之间形成圆环形的腔体。进一步的，该腔体内密封有换热工质，换热工质适用于被换热装置的热源(如烟气)加热，并用作对第一管件11内的循环工质加热的热源，以使换热装置的热侧及冷侧形成热交换。 [0075] 在一种示意性的实施例中，循环工质包括但不限于采用水。进一步的，换热工质包括但不限于采用纯净水或其他任一种适用于蓄热的热媒(优选采用无毒，且传热系数高的工质，以在受热和冷却的状态下可处于气液两相状态)。 [0076] 这样的实施方式中，第一管件11及第二管件14之间所形成的腔体内填充的换热工质，适用于间接的使换热装置的热侧及冷侧形成热交换，与此同时，又通过第二管件14将第一管件11包围，使第一管件11与外部的热流体(如烟气)形成隔离。这样，即使在长时间的使用过程中发生爆管，也仅会导致腔体内的部分换热工质泄漏，而第一管件11内的循环工质依然可稳定运行，并且，由于循环工质不会在爆管时外泄，而所泄漏的换热工质十分有限，因此，也不会对换热腔内造成大面积的冲刷，从而避免被冲刷脱落的积灰或粉尘对流道造成不可控制的阻塞，便于对换热装置进行检修。 [0077] 图4是图1所示的示意性的实施例的换热装置的右视视角的结构图。 [0078] 根据本公开的实施例，如图4所示，第二管件14的轴向的两端与第一管件11之间配置有旋转密封件，以将第二管件14可旋转地固定于第一管件11的外侧，并使换热工质被密封于腔体内。 [0079] 根据本公开的实施例，如图4所示，第二管件14可旋转地安装于壳体2的上。 [0080] 根据本公开的实施例，如图4所示，第二管件14还包括未设置翅片141的光杆部，光杆部及壳体2之间配置有旋转密封件。 [0081] 在一种示意性的实施例中，第二管件14与第一管件11之间设置的旋转密封件，以及第二管件14与壳体2之间设置的旋转密封件包括但不限于采用密封轴承(即如图1所示的第一密封轴承12及第二密封轴承13)。详细地，密封轴承的内环及外环适应性的配置于第一管件11、第二管件14及壳体2所形成的安装孔内。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0082] 例如，旋转密封件还可采用其他具有滑动密封功能(如密封圈与槽结构)的装置。 [0084] 根据本公开的实施例，如图1和图4所示，第二管件14上设置有与腔体连通的输入口143和/或输出口144，以向腔体内填充或导出换热工质。 [0085] 在一种示意性的实施例中，如图1所示，第二管件14的轴向一端(如图1所示的左端)设置有输入口143，以向腔体内注入换热工质。进一步的，第二管件14的轴向另一端(如图1所示的右端)设置有输出口144，以向外部抽取换热工质。 [0086] 根据本公开的实施例，如图1和图4所示，第二管件14上设置有与腔体连通的测压口142，测压口142内适用于配置测压装置，以检测腔体内的换热工质的压力。 [0087] 在一种示意性的实施例中，如图1和图4所示，测压口142设置于第二管件14上，适用于配置如压力表等测压装置，以检测腔体内的换热工质的压力。进一步的，由于该换热装置处于密封的空间内，为此，所配置的测压装置优选采用非直接读取的方式进行信号采集(即将所采用的压力信号输出至外部的采集装置进行读取)。 [0088] 这样的实施方式中，测压口142适用于监测腔体内的换热工质的压力，一方面，可用于判断第二管件14是否发生泄漏；另一方面，可依据所监测的压力，适时的补充或排出腔体内的一部分换热工质，以调节其工作状态，有利于提高传热能力和/或减少换热工质的注入量。 [0089] 根据本公开的实施例，图中未示出，换热装置还包括致动装置，被构造成驱动至少一部分第二管件14绕第二管件14的轴线旋转，以调节迎风面。 [0090] 在一种示意性的实施例中，致动装置包括但不限于采用可通过人为操作输出扭矩的驱动方式。 [0091] 例如，致动装置采用蜗轮及蜗杆机构，其中，蜗轮同轴的设置于第二管件14的外侧，蜗杆的操作端设置于换热装置的壳体2之外。 [0092] 这样的实施方式中，操作人员可通过对蜗杆的控制驱动第二管件14随蜗轮旋转，以调节相应角度。并且，由于蜗轮及蜗杆还具有自锁功能，因此，还可使第二管件14保持在适合的位置，从而锁止迎风角。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0093] 在另一种示意性的实施例中，致动装置包括但不限于采用机械输出扭矩的驱动方式。例如，通过周向驱动机构(如电机)驱动齿轮组或皮带皮轮；或如，通过直线执行机构(如液压缸)驱动齿轮及齿条及其他任一种适用于驱动第二管件14旋转的机构。 [0094] 根据本公开的实施例，图中未示出，换热装置还包括和致动装置通讯连接的控制装置，被构造成向致动装置输出控制信号，以使第二管件14旋转或保持在一位置。 [0095] 图5是图4所示的示意性的实施例的换热装置的径向视角的示意图，示出了第一面及第二面。 [0096] 在一种示意性的实施例中，如图5所示，控制装置包括但不限于采用可逻辑编程控制器(即PLC)，响应于该控制装置，致动装置可采用步进电机。详细地，可逻辑编程控制器被构造成和步进电机的控制器通讯连接，以向步进电机输出脉冲控制信号。这样，步进电机基于可编程逻辑控制器输出脉冲控制信号的频率和/或脉冲数，使步进电机的输出端旋转相应的步距角，从而使第二管件14已知并可控的旋转并维持在某一角度(包括但不限于90°)以使翅片141的第一面1411或第二面1412作为迎风面。 [0097] 这样的实施方式中，依据第二管件14的初始位置，将第二管件14的角度与步进电机的步距角相关联。通过对步进电机的控制第二管件14(含翅片141)定角度旋转，从而可控并可知的调节翅片141的角度，使翅片141的第一面1411或第二面1412作为迎风面(相应的另一面作为背风面)，以解决第一面1411及第二面1412所面临的积灰或磨损问题。 [0098] 在一种示意性的实施例中，基于上述控制装置，还可在换热装置上配置相应的控制逻辑。 [0099] 例如，可通过控制装置时序性的控制第二管件14旋转。如设定为2小时旋转180°。应当理解，本公开的实施例不限于此。 [0100] 例如，换热装置还可配置监测装置以检测第二管件14的表面的使用情况(如是否发生积灰和/或积灰程度)。详细地，监测装置包括但不限于采用视频和/或图片采集设备，如红外摄像头。进一步的，监测装置还被配置成与控制装置通讯连接，控制装置可响应于监测装置的监测结果经致动装置控制第二管件14旋转，如通过监测装置采集到第二管件14的用作迎风面1411的第一面出现积灰，则控制第二管件14旋转180°，以使第二管件14的第二面1412用作迎风面。 [0101] 再如，至少一部分第二管件14可被构造成独立于其他第二管件14被驱动。比如，一部分第二管件14未发生积灰则可在其他第二管件14旋转时不发生旋转；或如，一部分第二管件14的发生积灰的位置与其他第二管件14发生积灰的周向位置不同(如收到相邻的第二管件14的影响，形成的涡流导致的积灰位置的差异)，则可使一部分第二管件14的旋转角度与其他第二管件14的旋转角度不同。 [0102] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。 |
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