一种用于可流动高温介质降温的耦合换热器及换热系统的制作方法

本发明属于热交换设备，特别是使用热管技术的旋流换热设备。尤其是涉及一种用于可流动高温介质降温的耦合换热器及换热系统。

背景技术

在电站锅炉、窑炉、炼钢炉等烟气排放设备中，为实现烟气排放无烟羽，需要对烟气进行降温除水。现有的工艺中有直接气液接触喷淋降温、利用循环水与烟气换热降温以及利用冷空气与热烟气换热降温。（1）直接气液接触喷淋降温设备的降温效果好，烟气阻力小，但该工艺在降低烟温的同时增加了烟气的湿度，为烟气后续工艺段的除水增加了能耗。（2）利用循环水与烟气换热降温的设备优点是可以降低烟气的温度，同时不会增加烟气的湿度，但该工艺的循环水使用量大且循环水在冷却塔内降温的同时容易产生二次烟羽。（3）利用冷空气与热烟气换热降温同样可以降低烟气温度且不影响烟气的湿度，但因空气的热焓值低，消耗的风量大且设备体积大。

申请号为cn201210554294.3的专利提出了一种能够有效防止烟囱出现腐蚀、烟羽等情况的相变换热器。该专利中提出的工艺可有效降低烟气的温度并利于烟气出口降低烟羽的现场，但该工艺是耦合高温段和低温段的烟气，对烟气不同工艺段的温度要求较高且工艺设计较复杂，系统控制的节点参数多。

申请号为cn201721541198.x的专利提出一种烟气用的高效换热器，该专利中涉及的换热器是具有槽钢框架，在槽钢框架的前后两侧设有侧挡风板，左管板与右管板之间设有若干换热管。换热管均为扭曲型管，有利于提高换热管外壁处的传热效率。但该换热只考虑了换热管的外型结构，没有提及换热管内的结构，循环水在换热管内的流动边界层厚，要求换热的温度差大。且该专利未提及换热管的均流性问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提供一种用于可流动高温介质降温的耦合换热器及换热系统，通过高效换热器实现对高温介质，尤其是烟气温度的降低并最终实现降烟羽的目标。该换热器具有换热效率高，工艺流程简单，且无二次白烟产生等特点。

本发明的技术方案如下：

一种用于可流动高温介质降温的耦合换热器，该换热器包括依次连通设置的高温介质入口、高温介质换热腔和高温介质出口，在所述高温介质换热腔中设置有换热管，换热管入口与换热器内壁围成换热介质输入腔，换热管出口与换热器内壁围成换热介质输出腔，所述换热介质输入腔和换热介质输出腔均与高温介质换热腔不连通，所述换热介质输入腔通过换热管与换热介质输出腔连通；所述换热介质输入腔上设置换热介质入口和气体入口，所述换热介质输出腔上设置换热介质出口和气体出口。

进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述气体入口处设置有散流器。

进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述换热管内部设置有扰流片。

进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述换热管外表面设置有翅片。

更进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述换热介质输入腔内沿气体流动方向设置用于均匀分布气体的多孔板气体分布器。

更进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述扰流片为螺旋片，弹簧筋或矩形凸台。

更进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述多孔板气体分布器为带有均匀排布的通孔的板。

进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，换热介质具有可流动性。

更进一步地，所述的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，所述扰流片设置在换热管内部，并与换热管内壁在垂直方向上存在一定的偏移角度。

一种可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，包括循环水储存容器和设置在烟道上的权利要求1所述的换热器；所述换热器的高温介质入口和高温介质出口分别与烟道连接，所述循环水储存容器的出水口通过管道与所述换热器的换热介质入口连接，所述换热器的换热介质出口通过管道与循环水储存容器连通。

进一步地，所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，循环水储存容器的出水口与换热器的换热介质入口之间的管道上设置有循环泵。

进一步地，所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，循环水储存容器的入水口通过管道与水源连接。

进一步地，所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，所述换热器的换热介质输入腔内设置有喷嘴，所述循环水储存容器的出水口通过管道与所述喷嘴连接。

进一步地，所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，所述换热器的气体入口设置有风机。

更进一步地，所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，循环水储存容器与水源连接的管道上设置有供水泵。

本发明提供的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，利用可流动的高温介质与换热介质进行换热，换热后的换热介质温度升高，然后可以直接回收换热介质进而利用回收的热能，或通过气体入口通入气体，通过气体与换热介质的二次换热，最终将热能转化成高温气体的热能，进而再进行进一步利用。

本发明提供的用于可流动高温介质降温的耦合换热器中，通过散流器及多孔板气体分布器的设置，使得气体进入换热介质输入腔后，实现均匀分布，进而增大了气体换热的均一性，进一步提高换热效率；通过扰流片的设置，能够使得换热介质进入换热管中，在流动过程中，通过扰流片的离心作用，换热介质尽可能粘贴于换热管内壁，而在换热管外表面设置翅片，进一步增大了换热面积，通过内外结构设置的协同作用，使得换热介质更加充分的与高温介质进行换热，提高了换热效率。

散流器为带有一定倾斜角和间距的矩形薄片。主要是为了分散气体流场；气流分布器为带有均匀排布的孔的气体均流板，目的在于再次优化气体流场。

本发明提供的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，利用高温烟气作为高温介质，通过水作为换热介质，同时利用喷嘴将循环水储存容器中的水喷入换热介质输入腔，进一步提升了换热效率，具体涉及以下几方面的工作原理：

工作原理一：循环水在循环泵的输送下，从喷嘴出口雾化成小水滴，液滴均匀的布满换热介质输入腔的上方，液滴在流入换热管内部的过程中，扰流片具有破坏液体流动的层流并可将液体分散在换热管内壁的表面并成膜状，高温烟气通过换热管时，换热管将高温烟气的热量传递给管内的液体，液体受热后部分蒸发，又因为换热管的外壁带有翅片，所以热烟气与换热管的接触面积大，传热效率高。

工作原理二：循环水在高温烟气的传热过程中，水的温度升高并有部分的水蒸气。冷空气在风机的输送下进入换热器的换热介质输入腔中，通过散流器和多孔板气体分布器将冷空气均匀的送入换热介质输入腔内部，温度升高后的循环水通过与冷空气的直接接触换热，因为空气与循环水存在温差和湿度差，空气吸收循环水的热量同时部分循环水和水蒸气扩散至空气中，空气的温度和湿度升高，循环水的温度降低一边再次循环利用。

以上所述的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统通过以下方式实现：

换热器安装在烟气管道上，烟气从换热器的高温介质入口进入，从换热器的高温介质出口流出。循环水储存容器中的循环水在循环泵的作用下输送至喷嘴处并在换热管上方雾化成小液滴，液滴均匀进入换热管的内。循环水通过换热管后由换热器的换热介质出口进入循环水储存容器。风机的出口与换热器的气体入口相连，空气流场在散流器和多孔板气体分布器的作用下流场均匀的进入换热管内，冷空气与循环水在管内进行传质传热，将循环水的部分热量吸收至空气中，同时空气的湿度和温度均增加且循环水的温度降低后便于再次循环利用。

本发明提供的换热器的换热管外壁有翅片且内部有扰流片，当空气和循环水在管内流动时，循环水在扰流片的离心力作用下甩向管内壁成液膜状，而且空气流在扰流片的作用下湍流程度高，有利于循环水与空气的热交换和物质交换，该换热管有利于烟气与循环水的换热以及循环水和空气的热交换，传热效率高。因空气与循环水的直接接触，部分循环水传递至空气中并随着换热器的气体出口排放至外部环境。通过供水泵可以持续向循环水储存容器内补充水分，以弥补循环水中散失的水分确保循环水系统的持续运行。

根据不同的烟气量和烟气温降值不同，可将多个模块的换热器进行组合使用，不同的模块可通过管道的连接汇至总管道。系统运行稳定后，循环水储存容器输入的流量可通过循环水储存容器内的液位高度反馈控制，烟气的出口温度可通过循环水的流量和风机的风量进行连锁控制，该系统装置可实现自动化运行。

本发明提供的用于可流动高温介质降温的耦合换热器是以冷空气为载体，不断的从换热介质中带走热量水分，并最终达到降低高温介质温度的目的，该换热器具有结构简单、操作方便、设备可模块化生产、传质传热效率高等特点。

本发明提供的可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统在完成烟气温度降低的目标上，换热管内同时有循环水流和空气流，实现了循环水在换热管内升温和降温过程。节约了冷却塔设备并避免了二次白色烟羽产生。

本发明通过对换热管的结构优化，换热管内有气体流和液体流，循环水在换热管内的气流推动以及扰流件的扰动下可在换热管内壁上成膜，换热管外表面设置的翅片，增加了换热面积，协同换热管内扰流片的设置极大增加了烟气与循环水的换热效率。

附图说明

图1为实施例1中用于可流动高温介质降温的耦合换热器示意图；

图2为实施例2中用于可流动高温介质降温的耦合换热器示意图；

图3为实施例2中用于可流动高温介质降温的耦合换热器中换热管示意图；

图4为实施例3中可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统示意图；

以上图1-图4中，1为高温介质入口，2为高温介质换热腔，21为换热管，211为扰流片，212为翅片，3为高温介质出口，4为换热介质输入腔，41为换热介质入口，42为气体入口，43为散流器，44为多孔板气体分布器，5为换热介质输出腔，51为换热介质出口，52为气体出口，6为循环水储存容器，7为循环泵，8为喷嘴，9为风机，10为供水泵。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的用于可流动高温介质降温的耦合换热器示意图，该换热器包括依次连通设置的高温介质入口1、高温介质换热腔2和高温介质出口3，在所述高温介质换热腔2中设置有换热管21，换热管入口与换热器内壁围成换热介质输入腔4，换热管出口与换热器内壁围成换热介质输出腔5，所述换热介质输入腔4和换热介质输出腔5均与高温介质换热腔2不连通，所述换热介质输入腔4通过换热管21与换热介质输出腔5连通；所述换热介质输入腔4上设置换热介质入口41和气体入口42，所述换热介质输出腔5上设置换热介质出口51和气体出口52。

本实施例提供的用于可流动高温介质降温的耦合换热器，可流动的高温介质从高温介质入口进入换热器，在高温介质换热腔内与换热管内的换热介质进行热交换，换热介质通过换热介质入口进入换热介质输入腔中，然后经换热管流入换热介质输出腔中。在换热管中，高温介质与换热管中的换热介质进行热交换，换热介质为可流动并流过换热管的换热介质，从气体入口通入的气体再与换热后的换热介质进行二次热交换，最终将热能通过气体携带出来。换热介质与气体进行换热后温度降低，可以再次循环利用与高温介质进行循环换热。

本实施例利用两次热交换过程，最终将高温介质中的热能通过气体换热出来，能够使得换热介质处于持续循环换热状态中，实现了连续换热的过程。

实施例2

本实施例为在实施例1基础上的进一步改进，如图2所示，气体入口处设置有散流器43，换热介质输入腔内沿气体流动方向设置用于均匀分布气体的多孔板气体分布器44，多孔板气体分布器44为带有均匀排布的通孔的板，能够对流过的气体产生均流的作用，通过散流器43与多孔板气体分布器44的协同作用，气体在与换热介质进行二次换热时处于均流均一的状态，因此能够全面并迅速地和换热介质进行二次换热。如图3所示，换热管21内部设置有扰流片211，扰流片211可以为螺旋片，弹簧筋或矩形凸台形状，其与换热管内壁在垂直方向上存在一定的偏移角度，在换热介质流经换热管的过程中，遇到扰流片会产生离心作用力，使得换热介质更大程度上贴于换热管内壁，从而增大了换热接触面积，提高了换热效率。同时换热介质贴合换热管内壁后更有利于气体从换热管内通过，完成二次换热的过程。换热管外表面设置有翅片212，该翅片212的设置极大增大了换热管与高温介质的换热接触面积，并协同换热管内设置的扰流片对换热介质的作用，共同提高换热效率。

实施例3

本实施例3为基于实施例2的基础上提供了一种可用于烟气降温的高效耦合水气换热系统，如图4所示，该系统包括循环水储存容器6和设置在烟道上的以上实施例2所述的换热器；所述换热器的高温介质入口和高温介质出口分别与烟道连接，循环水储存容器6的出水口通过管道与换热器的换热介质入口连接，所述换热器的换热介质出口通过管道与循环水储存容器6连通。其中循环水储存容器的出水口与换热器的换热介质入口之间的管道上设置有循环泵7；循环水储存容器6的入水口通过管道与水源连接，该管道上设置供水泵10；换热器的换热介质输入腔内设置有喷嘴8，所述循环水储存容器的出水口通过管道与所述喷嘴8连接；换热器的气体入口设置有风机9。

本实施例中循环水储存容器内的循环水在循环泵的输送下由换热器的换热介质入口进入喷嘴处，循环水在从喷嘴喷出时，液体分散为不同粒径的液滴并布满整个换热介质输入腔，液体粒径大小为200μm—2000μm。常温常压空气在风机的输送下进入换热器的换热介质输入腔内，空气先后经过散流器和多孔板气体分布器后气体流场均匀从换热管顶部进入换热管内，其中散流器的倾斜角为5-25度多孔板的孔隙率为60%-90%。烟气的入口温度范围为60℃-180℃。高效换热器中的换热管外壁具有翅片，换热管的内部具有不同类型的扰流件，其中翅片的高度为3mm-30mm，翅片的间距为10mm-50mm，扰流件可以是螺旋布置或竖直布置，换热管排列方式为圆形，正三角形或矩形排列。循环水经过列管换热器时在扰流件以及空气的带动下在换热管内形成水膜，高温烟气通过换热管的热传导将部分热量传递给循环水，由于换热管内形成的水膜换热效率高，循环水吸收的热量一部分将部分循环水蒸发为水蒸气，另一部分转化为循环水的显热。冷空气与循环水在换热管内流动的过程中，蒸发掉的循环水进入空气内，同时空气与循环水的直接接触过程中再次将循环水的温度降低至设计值，空气增湿增温后排放至环境中，空气的出口温度为35-50℃。从换热管内流出的循环水进入循环水储存容器并再次进行换热循环。供水泵持续向循环水储存容器内补充水源以平衡循环水与空气接触过程中的部分水损失。

本实施例中提供的系统的目的是为了降低烟气温度，烟气的出口温度通过调节空气的流量和循环水的流量连锁控制，系统中循环水的损失量由供水泵补给，供水的流量与循环水储存容器内的液位连锁控制，具体控制的方式可通过变频电机控制或管道的调节阀门控制等。