一种深度回收排烟余热的气‑气‑水组合式换热器的制作方法

本实用新型涉及天然气冷热电三联供系统的配套设备，尤其涉及一种深度回收天然气冷热电三联供系统排烟余热的气—气—水组合式换热器。

背景技术：

根据国务院发布《大气污染防治行动计划规定》具体指标是：到2017年，全国地级以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10％以上；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25％、20％、15％左右。为实现以上目标具体措施是加大综合治理力度，减少多污染物排放；其中节能产品的创新开发与产业化应用是重要措施之一。

天然气分布式能源在国际上发展迅速，但我国天然气分布式能源尚处于起步阶段。推广天然气分布式能源冷热电三联供系统，可以优化天然气利用，并能发挥对电网和天然气管网的双重削峰填谷作用，增加能源供应安全性。具有重要的现实意义和战略意义。因为天然气分布式能源的节能减排效果受到换热设备制约，它的性能决定能源的利用率。因此换热器换热性能的研究备受世界政府和研究机构的高度重视。

近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，人们在传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得飞速发展，并对换热器的设计提出越来越高的要求，以满足各行业的需求。目前，在换热器中，应用最多的是管壳式换热器。虽然管壳式换热器的结构紧凑性、传热强度和单位传热面的金属消耗方面无法与板式或板翅式等紧凑式换热器相比，但壳式换热器具有结构牢固、操作弹性大、可靠程度高、适应性强、制造成本低、清洗方便等特点，所以在工程上广泛使用。长期以来，由于管壳式换热器能够使用众多材料制造，设计形式多样，管壳式换热器往往成为人们的首选。

天然气冷热电三联供系统的排烟余热问题一直是困扰着人们的一个难题，因为若排烟温度较高这一项损失所造成的能源消耗就相当可观，这样对烟气冷却降温措施是必要的，常规的方法是采用喷水降温的方法，把烟气温度从设计烟温126℃降到80℃左右，这样将会有40℃至50℃左右的排烟热量白白浪费，且消耗大量水资源。

传统管壳式换热器存在如下缺点：

(1)虽然管壳式换热器在换热器市场中占主导地位，但面对追求高效传热的今天，传统的管壳式换热器已不再适应当前的发展。目前各国对提高换热器性能的研究的重点是强化传热。强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，很难通过强化管壳传热和壳程传热两方方面得以实现。

(2)从提高换热器换热效率考虑，换热器的总换热量取决于换热系数、换热面积和传热平均温差。管壳内气体侧的换热系数比水侧换热系数低。如果只是单一的提高换热器的换热系数，将无法比较全面的利用烟气中的余热。

(3)采用喷淋水降温的方式，在运行一定时间以后会产生结垢或流道堵塞等故障，需要定期维护，否则会明显地影响换热设备的正常运行。

由于上述问题的存在，本发明人对现有换热器进行研究，以期研制出可大大提高天然气冷热电三联供系统的热效率并且设备结构简单、节水节能，易于维护的新型换热器。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过将发电机组排出的高温烟气在气—水式换热器中与冷却水进行热交换，之后在烟气中温换热段和烟气低温换热段与空气进行热交换，可实现回收天然气发电机组排烟中的水蒸汽的冷凝潜热的同时，又可以把回收的凝结水作为三联供系统中补充循环水使用。通过这种深度回收烟气中余热的方式,充分利用热量，减少天然气的消耗，节水节能，同时还可以减少了污染物的排放，从而完成了本实用新型。

本实用新型目的在于提供以下方面：

(1)一种换热器，该换热器包括换热器壳体16和位于壳体内部的烟气低温换热段13、烟气中温换热段14以及烟气高温换热段15，其中，

所述烟气高温换热段15位于换热器上部，烟气中温换热段14位于换热器中部，烟气低温换热段13位于换热器下部；

所述烟气高温换热段15包括由烟气高温换热段传热管3组成的烟气高温换热段管束，与管束相连接的烟气入口1，以及设置在换热器壳体16上的冷却水出口8和冷却水进口9；

所述烟气中温换热段14包括由烟气中低温换热段传热管6组成的烟气中温换热段管束，以及设置在换热器壳体16上的空气出口10；

所述烟气低温换热段13包括由烟气中低温换热段传热管6组成的烟气低温换热段管束，与该管束相连接的烟气出口7，以及设置在换热器壳体16上的空气进口11；

所述烟气入口1设置在烟气高温换热段15的上侧一端，烟气出口7设置在烟气低温换热段13的下侧一端。

(2)在本实用新型中，通过所述冷却水进口9通入液体冷却介质，冷却介质流经烟气高温换热段管束的换热管外侧后，由冷却水出口8排出，

通过所述空气进口11通入气体冷却介质，气体冷却介质流经烟气低温换热段管束的外侧和烟气中温换热段管束的外侧后，由空气出口10排出。

通过所述烟气入口1通入烟气，烟气流经换热管束内形成的烟气流道，由烟气出口7排出。

(3)在本实用新型中，所述烟气高温换热段传热管3包括钢管17和设于钢管17内部的扭曲带18，

所述烟气中低温换热段传热管6包括钢管17、设于钢管17内部的扭曲带18和焊接在钢管17的外表面上的鳍片19，

所述扭曲带18由薄金属片扭转而成，使流体流经时呈螺旋运动，

所述鳍片19为间隔设置的平行鳍片或螺旋形鳍片，使得传热管有效换热面积大大增加。

(4)在本实用新型中，所述冷却水出口8设置在烟气高温换热段15上端，冷却水进口9设置在烟气高温换热段15下端，

所述空气出口10设置在烟气中温换热段14的上端，空气进口11设置在烟气低温换热段13的下端。

(5)在本实用新型中，所述换热器壳体内部，设有多个折流板4，折流板一端固定在换热器壳体内壁的一端，另一端与换热器壳体内壁之间具有设定距离，使得折流板4与换热器壳体内壁相互配合形成液体冷却介质和气体冷却介质的流通通道。

(6)在本实用新型中，所述换热器壳体16与弧板2相连接，弧板2为多个，其不对称分布于换热器两侧。

根据本实用新型提供的一种深度回收天然气冷热电三联供系统排烟余热的气—气—水组合式换热器，具有如下有益效果：

(1)通过采用气—气—水组合式换热器可将天然气内燃机排烟温度降到35℃左右，避免了传统的喷水降温的方法，因此使用本实用新型提供的换热器既能保证发电设施的正常工作，又可达到节水和节能的目的。

(2)通过设置烟气高温换热段为气—水式换热形式，烟气中低温换热段为气—气式换热形式，将发电机组排出的高温段烟气加热冷却水，再把加热后的水作为采暖使用；中、低温段烟气加热空气，被加热的热空气供给内燃机助燃，在深度回收烟气中的显热和潜热的同时，又可以把回收的凝结水作为三联供系统中补充循环水使用，大大地提高了天然气冷热电三联供系统的热效率，使其超过85％。

(3)通过在一套换热器设备中组合安装两种或两种以上的换热器，充分地发挥不同类型换热器在不同温度段、不同方面的特点和优势，从而实现较为理想的换热效果，且换热器结构合理、紧凑，易于维护，运行可靠。

(4)通过添加扭曲带和鳍片改变传热元件本身的表面形状以及表面处理方法，获得粗糙的表面和扩展表面，增加了流体本身的绕流，使管内流体产生湍流并同时达到扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能。

(5)本实用新型结合内燃机燃烧加热加湿到饱和状态，以促使燃烧温度降低，减少NO_x的生成，使其排烟温度降到35℃左右，最终烟气以接近环境温度的水平排放到大气环境中，这样不但保护环境，也杜绝由此产生雾霾的可能性。

附图说明

图1示出气—气—水组合式换热器示意图

图2示出气—气—水组合式换热器侧向示意图

图3示出烟气高温换热段传热管示意图

图4示出烟气中低温换热段传热管示意图

图5示出烟气中低温换热段传热管侧向示意图

附图标号说明：

1-烟气入口

2-弧板

3-烟气高温换热段传热管

4-折流板

5-预留口

6-烟气中低温换热段传热管

7-烟气出口

8-冷却水出口

9-冷却水进口

10-空气出口

11-空气进口

12-冷凝水出口

13-烟气低温换热段

14-烟气中温换热段

15-烟气高温换热段

16-换热器壳体

17-钢管

18-扭曲带

19-鳍片

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在一个实施方式中，如图1和图2中所示，本实用新型提供一种换热器，所述换热器包括换热器壳体16和位于壳体内部的烟气低温换热段13、烟气中温换热段14以及烟气高温换热段15，其中，

所述烟气高温换热段15位于换热器上部，优选地，烟气高温换热段15至少一个；

所述烟气中温换热段14位于换热器中部，优选地，烟气中温换热段14至少一个；

所述烟气低温换热段13位于换热器下部，优选地，烟气低温换热段13至少一个。

在本实用新型提供的换热器的一个优选实施方式中，所述烟气高温换热段15包括：由烟气高温换热段传热管3组成的烟气高温换热段管束，与管束相连接的烟气入口1，以及设置在换热器壳体16上的冷却水出口8和冷却水进口9；

所述烟气中温换热段14包括由烟气中低温换热段传热管6组成的烟气中温换段管束，以及设置在换热器壳体16上的空气出口10；

所述烟气低温换热段13包括由烟气中低温换热段传热管6组成的烟气低温换热段管束，与该管束相连接的烟气出口7，以及设置在换热器壳体16上的空气进口11；

所述烟气入口1设置在烟气高温换热段15的上侧一端，烟气出口7设置在烟气低温换热段13的下侧一端。

在一个优选的实施方式中，所述烟气高温换热段15为气—水式换热器，所述烟气中温换热段14和烟气低温换热段13气—气式换热器。

优选地，在一套换热器设备中组合安装两种或两种以上的换热器，充分发挥不同类型换热器在不同温度段，不同方面的特点和优势。

在一个优选的实施方式中，如图2所示，所述冷却水出口8设置在烟气高温换热段15上端，冷却水进口9设置在烟气高温换热段15下端，通过冷却水进口9通入液体冷却介质，冷却介质流经烟气高温换热段管束的换热管外侧后，由冷却水出口8排出。

优选地，所述液体冷却介质为冷却水。

在一个优选的实施方式中，如图2所示，所述空气出口10设置在烟气中温换热段14的上端，空气进口11设置在烟气低温换热段13的下端，通过空气进口11通入气体冷却介质，气体冷却介质流经烟气低温换热段管束的换热管外侧和烟气中温换热段管束的换热管外侧后，由空气出口10排出。

优选地，所述气体冷却介质为空气。

在一个优选的实施方式中，如图1所示，所述烟气高温换热段15的上侧一端设有烟气入口1，烟气低温换热段13的下侧一端设有烟气出口7，通过烟气入口1通入烟气，烟气流经换热器管束之间形成的烟气流道，与管外冷却介质逆流进行热交换后，由烟气出口7排出。

在一个优选的实施方式中，所述烟气高温换热段传热管3包括钢管17和设于钢管17内部的扭曲带18，如图3所示，其中，

所述扭曲带18由薄金属片扭转而成，通过设置扭曲带18使得烟气流过管内时形成螺旋运动，提高管内侧的对流换热能力，使得传热元件总传热能力增大。

在一个优选的实施方式中，所述烟气中低温换热段传热管6包括钢管17、设于钢管17内部的扭曲带18和焊接在钢管17的外表面上的鳍片19，如图4和图5所示，其中，

所述鳍片19为间隔设置的平行鳍片或螺旋形鳍片，优选由导热材料制得，通过设置鳍片19使得冷却介质流经管外时形成螺旋运动，增大了管内外有效换热面积，提高管外侧的对流换热能力，使得即使管内烟气温度降低，也能与管外空气充分进行热交换。

在一个优选的实施方式中，如图2所示，所述换热器壳体16下端设有冷凝水出口12，优选地，其设置在烟气出口7下方，以便于回收冷凝的气体。

在一个优选的实施方式中，在所述换热器壳体内部，设有多个折流板4，折流板一端固定在换热器壳体一端内壁上，另一端与换热器壳体内壁之间具有设定距离，使得折流板4与换热器壳体内壁相互配合形成液体冷却介质和气体冷却介质的流通通道，引导介质流向，如图1所示，同时使流体的湍流程度增加。

在一个优选的实施方式中，所述折流板4可按一定换热要求进行设置，优选地，两个相邻的折流板4设置在换热器壳体内部侧壁的不同侧，以便用于提高液体冷却介质和气体冷却介质的湍流程度，增大传热系数，提高传热效率。

在一个优选的实施方式中，所述换热器壳体16与弧板2相连接，弧板2不对称分布于换热器两侧，如图1所示，以便于与换热器管束相配合形成烟气的流通通道和增强热交换效果，优选地，弧板2设置有多个。

在本实用新型中，所述换热器壳体16的侧面设有预留口5，优选地，分别设置在烟气高温换热段15和烟气低温换热段13上，如图1所示，以便于放空和排凝。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。