一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，包括：熱管，熱管外側(cè)環(huán)繞布置肋形熱管管束；煙氣旁通腔，設(shè)置在所述熱管的一端，所述煙氣旁通腔內(nèi)部采用消聲材料的結(jié)構(gòu)；煙氣擋板閥，設(shè)置在煙氣進(jìn)口處，檢測余熱經(jīng)濟(jì)器的出水溫度。本發(fā)明提供的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，能夠在較低的總體需求內(nèi)實(shí)現(xiàn)艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進(jìn)行冬季供暖及其余熱利用手段，起到良好的節(jié)能減排效果。
【專利說明】
一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水面艦船節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 與柴油機(jī)煙氣進(jìn)行換熱的余熱利用設(shè)備，應(yīng)具有:阻力損失?。灰浊謇矸e灰;體積 重量小；非供暖工況時(shí)無需額外冷卻耗能；最好還能兼顧消音功能。傳統(tǒng)的余熱經(jīng)濟(jì)器由 于煙氣通過煙管內(nèi)進(jìn)行換熱，因此換熱表面難以強(qiáng)化，導(dǎo)致管子數(shù)量較多，煙氣流速較高， 一般為20m/s，宏觀上的影響就是余熱經(jīng)濟(jì)器體積、重量、阻力損失太大，700kg/h余熱鍋爐， 熱量折合約440kW，干重5.5t，濕重達(dá)8.5t，排煙阻力損失lOOOPa左右。無論是體積重量還是 阻力損失，均無法滿足艦船用要求。另外，需要配置三通閥門進(jìn)行工況切換，確保冬季供暖 工況以外，不至于在夏季另外開啟冷卻水栗增加能耗，三通閥門及排氣旁路的配置進(jìn)一步 增大了總體空間需求。同時(shí)，傳統(tǒng)余熱經(jīng)濟(jì)器的固有結(jié)構(gòu)決定了其消音能力有限，原艦船消 音裝置無法取消，導(dǎo)致設(shè)備配置繁冗，阻力損失進(jìn)一步增大。目前水面艦船缺乏高效合理置 換這部分余熱資源的技術(shù)手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，以解決目前水面艦船缺乏高 效合理置換部分余熱資源的問題。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:提供一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器， 包括:熱管，熱管外側(cè)環(huán)繞布置肋形熱管管束;煙氣旁通腔，設(shè)置在所述熱管的一端，所述煙 氣旁通腔內(nèi)部采用消聲材料的結(jié)構(gòu);煙氣擋板閥，設(shè)置在煙氣進(jìn)口處，檢測余熱經(jīng)濟(jì)器的出 水溫度。
[0005] 進(jìn)一步地，經(jīng)濟(jì)器熱水側(cè)設(shè)有安全閥。
[0006] 進(jìn)一步地，系統(tǒng)管路設(shè)置壓力釋放閥。
[0007] 進(jìn)一步地，煙氣側(cè)翅片節(jié)距達(dá)到10.2mm。
[0008] 進(jìn)一步地，煙氣流速變化為20m/s-6m/s-20m/s。
[0009] 進(jìn)一步地，經(jīng)煙氣加熱后，控制余熱經(jīng)濟(jì)器熱水出口溫度為85 °C -95 °C。
[0010] 進(jìn)一步地，熱管冷凝段留有總管長5%長度的預(yù)留段。
[0011] 進(jìn)一步地，所述熱管頂端排氣閥下具有CuO吸氫劑。
[0012] 本發(fā)明提供的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，能夠在較低的總體需求內(nèi)實(shí)現(xiàn)艦船余熱高 效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進(jìn)行冬季供暖及其余熱利用手段，起到 良好的節(jié)能減排效果。
【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明作進(jìn)一步說明： 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的套管熱水結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提出的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器作進(jìn)一步詳 細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均 采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例 的目的。
[0015] 本發(fā)明的核心思想在于，本發(fā)明提供的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，能夠在較低的總 體需求內(nèi)實(shí)現(xiàn)艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進(jìn)行冬季供暖 及其余熱利用手段，起到良好的節(jié)能減排效果。
[0016] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1，提供 一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，包括:熱管11，熱管11外側(cè)環(huán)繞布置肋形熱管管束12;煙氣旁 通腔13,設(shè)置在所述熱管11的一端，所述煙氣旁通腔13內(nèi)部采用消聲材料15的結(jié)構(gòu);煙氣擋 板閥14，設(shè)置在煙氣進(jìn)口處，檢測余熱經(jīng)濟(jì)器的出水溫度。
[0017] 具體地，基于熱管技術(shù)，設(shè)計(jì)的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器采用熱管技術(shù)做熱橋之后， 接觸煙氣側(cè)的外表面可以通過環(huán)形肋片進(jìn)行換熱強(qiáng)化，從而節(jié)約空間體積，降低煙氣流速 至6m/s左右，從而降低沿程阻力損失。當(dāng)熱管元件損壞時(shí)，僅僅是該根熱管元件失效而停止 傳熱，不會影響熱水器整體性能，而且對動力裝置沒有影響。設(shè)置自動控制的煙氣擋板閥 14，檢測余熱經(jīng)濟(jì)器供水水溫，實(shí)現(xiàn)煙氣流量自動控制。經(jīng)煙氣加熱后，控制余熱經(jīng)濟(jì)器熱 水出口溫度85°C_95°C。部分負(fù)荷時(shí)，煙氣擋板閥自動關(guān)小;在無需制熱時(shí)，煙氣擋板閥自動 關(guān)閉，系統(tǒng)無需熱井及冷卻海水栗此類額外耗能部件。將煙氣旁通腔13整合至熱管余熱經(jīng) 濟(jì)器之內(nèi)，雖然經(jīng)濟(jì)器整體體積有所增大，但是相比帶有旁通閥的傳統(tǒng)余熱經(jīng)濟(jì)器，整體空 間需求減小。同時(shí)煙氣旁通腔13內(nèi)部可做消音結(jié)構(gòu)，達(dá)到25dB的消音效果。煙氣換熱側(cè)煙氣 流速變化為20m/ s-6m/s(迎面風(fēng)速)-20m/s，與翅片間的煙氣繞流共同起到消音效果，煙氣 出口空間同樣可做成消音結(jié)構(gòu)完善消音功能，經(jīng)濟(jì)器之后無需消音器。該裝置能夠在較低 的總體需求內(nèi)實(shí)現(xiàn)艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進(jìn)行冬季 供暖及其余熱利用手段，起到良好的節(jié)能減排效果。同時(shí)，由于煙氣在管外大空間內(nèi)進(jìn)行換 熱，因此設(shè)備外殼可方便設(shè)置入孔，在停機(jī)時(shí)易于人員檢修及清灰。
[0018]熱管余熱經(jīng)濟(jì)器可根據(jù)煙氣酸露點(diǎn)溫度，調(diào)整換熱管煙氣側(cè)管壁溫度，使之高于 該溫度，從而防止金屬壁面出現(xiàn)結(jié)露而產(chǎn)生的酸露點(diǎn)腐蝕和灰堵。在保持換熱管傳熱效率 基礎(chǔ)上，增大換熱管廢氣側(cè)換熱面積，以合理確定管壁溫度，確保經(jīng)濟(jì)器能夠長壽命地工 作。熱管冷凝段留有總管長5%長度的預(yù)留段，以防設(shè)備長期運(yùn)行后氫氣等不凝性氣體的產(chǎn) 生，保證設(shè)備長期穩(wěn)定高效運(yùn)行;熱管頂端排氣閥下具有CuO吸氫劑，用于吸收管內(nèi)以氫氣 為代表的不凝性氣體，延長熱管使用壽命。有質(zhì)量保證的熱管其連續(xù)使用壽命可達(dá)12-15年 以上。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的套管熱水結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖2,熱水側(cè)采用套管結(jié)構(gòu)， 被加熱水在套管21與熱管22之間的縫隙內(nèi)流過，吸收熱管22放出的熱量，將水加熱。由于采 用套管結(jié)構(gòu)，被加熱介質(zhì)在管間流動，使設(shè)備水側(cè)能承受較高的壓力，熱水側(cè)總體換熱空間 需求較小，并且設(shè)備液體負(fù)荷增加較小。
[0020]熱管傳熱計(jì)算方法如下： 煙氣最大可回收熱量為：〇! = (3 - 其中，為煙氣入口溫度，為煙氣出口溫度 設(shè)定值，為煙氣質(zhì)量流量，^^為煙氣定壓比熱容。
[0021 ]熱水量％，根據(jù)熱平衡計(jì)算，14 = 口溫度，P為水出口溫度，% i為水定壓比熱容。
[0022] 管內(nèi)工質(zhì)溫度估算，煙氣入口處:餘=(5 _戰(zhàn)鎖十難，取乳：=3: 煙氣出□處:士雜_巧):/ (1:摘，取n=3; 當(dāng)工質(zhì)溫度在30-200°C區(qū)間內(nèi)時(shí)，使用水作為熱管工質(zhì)較為合適。通常采用碳鋼管作 為管殼。采用重力式熱管，不加毛細(xì)吸液芯。
[0023] 管徑需要通過音速極限以及攜帶極限確定管徑最低值，音速極限確定所需的管 徑，
，其中，ge為單根熱管傳熱量，r為汽化潛熱，外為蒸汽的密度， 為工質(zhì)的飽和蒸汽壓；攜帶極限確定所需的管徑：
其中，_為工質(zhì)飽和液體密度，外為工質(zhì)飽和蒸汽密度。辦邊邊為表面張力系數(shù)。
[0024] 管壁最小壁厚較核：
其中，S為管壁厚度，為水鋼熱管的許用壓力，管 殼最大應(yīng)力％吼，[亡0.5%^ 0
[0025] 通常熱管用于煙氣換熱場合時(shí)，煙氣側(cè)采用環(huán)形翅片管強(qiáng)化換熱，水側(cè)采用光管 即可，翅片管核心參數(shù)包括:光管外徑光管內(nèi)徑：4/mm，翅片外徑翅片高 e 1 J 度:H/mm，翅片厚度:_CTv/mm，翅片間隙:Y/mm，翅化比:連'。
[0026] 表1為總傳熱系數(shù)&的取值參考。選擇煙氣側(cè)入口質(zhì)量流速，水的流速&，水入 口的質(zhì)量流速％.%。
[0027] 表 1
加熱段和冷卻段經(jīng)濟(jì)長度比的選擇為：
，其中，:欠i為氣體在翅片管外對流， ^3=4U X P，尤2為水在管外對流，尤2為2000至3000。
[0028] 安全長度比
，水作為工質(zhì)，[%] = 230°C，&小于&是熱管安全工 作的基本判據(jù)。
[0029] 確定煙氣側(cè)迎風(fēng)面積-
綜合設(shè)備布置條件，確定迎風(fēng)區(qū)域長(熱管加熱段長）、寬，為=|，確定L1后，根據(jù) 長度比式
確定L2,并且預(yù)留合理的絕熱段L0。
[0030] 第一排管子根數(shù)：
SS1為設(shè)定合理的管間距；第一排管傳熱面積： ，選擇總傳熱系數(shù)K0,計(jì)算對數(shù)平均溫差A(yù)T;計(jì)算總傳熱面積：
，管子根數(shù)及排數(shù)：《 = 4 / 管子排數(shù)：
，實(shí)際傳熱面積：戽=，水側(cè) 單管程所需流通面積：
[0031] 煙氣中點(diǎn)溫度：石=0.5_ (?；' +7；"），查取煙氣熱物理參數(shù)：密度：
水側(cè)平均溫度：7^ = 0.孓（7J +75]，查取水的熱物理參數(shù)：密度：
煙氣側(cè)管外放熱系數(shù)計(jì)算或v，$為最窄流通面積與迎風(fēng)面積的比值。
[0032] 確定最窄截面處質(zhì)量流速，= 。
[0033] 以翅片外表面煙氣側(cè)計(jì)算放熱系數(shù)：
爾士繩#，，矽為翅片效率，通?？扇? ?85; 確定水側(cè)最窄流通截面面積及最窄流通截面質(zhì)量流速C^maK，計(jì)算水側(cè)對流換熱系數(shù)：
總傳熱系數(shù)計(jì)算
，需考慮管壁熱阻及污垢 熱阻； 傳熱面積計(jì)算：
，煙氣流動阻力計(jì)算：
管壁溫度的計(jì)算應(yīng)以煙氣出口側(cè)最末一排管的光管外壁溫度為準(zhǔn)，
[0034] 膨脹室消音計(jì)算
，式中，TL為消聲量dB，m為擴(kuò)張 比，|為擴(kuò)張比，sm鉍為周期函數(shù)； 吸聲材料消音計(jì)算如式：燈=1.6以(：/以/)，式中，(：為吸聲材料周長，3為吸聲材料截 面積，L為吸聲長度。
[0035] 裝置本身隔聲效果計(jì)算如式:及:=刺g〇3/)- 42 5，式中，m為材料密度乘以厚度，f 為聲波頻率。
[0036]在本發(fā)明實(shí)施例中，煙氣入口溫度為323°C，煙氣流量為5.5kg/s，排煙溫度由323 °C降至200°C，煙氣標(biāo)準(zhǔn)工況流量為19800 kg/h(5.5kg/s)，根據(jù)熱工計(jì)算，最大低溫側(cè)傳熱 能力為674kW。熱管式余熱熱水器設(shè)計(jì)工況點(diǎn)按照7000kg/h熱水需求量選擇，參數(shù)如下：煙 氣量為19800 kg/h (5.5kg/s )，煙氣進(jìn)換熱器溫度為323°C，煙氣出換熱器溫度為240°C， 高溫側(cè)傳熱量為520 kW，低溫側(cè)傳熱量為490 kW，進(jìn)水溫度為20°C，出水溫度為80°C，加熱 水量為7000kg/h。表2為500 kW余熱經(jīng)濟(jì)器熱工計(jì)算結(jié)果。
[0037]表 2
表3為熱管換熱計(jì)算結(jié)果，經(jīng)濟(jì)器熱水側(cè)設(shè)有安全閥，系統(tǒng)管路設(shè)置壓力釋放閥，以保 證系統(tǒng)的安全。
[0038]表3
經(jīng)濟(jì)器熱管管束與煙氣管道傾斜30度角，以確保船體在最大傾角及最大搖擺幅角時(shí)熱 管工質(zhì)能夠正常回流，經(jīng)濟(jì)器殼體主要材質(zhì)選用316L (022Crl7Nil2Mo2)。選取合適的煙氣 流速，既能保證設(shè)備的自清灰能力，又不會因流速過高而使阻力增大，嚴(yán)重磨損管壁。熱管 基管的厚壁充分考慮腐蝕和磨損裕度，以延長管壁的使用年限。適當(dāng)增大煙氣側(cè)翅片節(jié)距 達(dá)到10.2_，在正常運(yùn)行條件下，可以防止積灰搭橋。
[0039] 控制熱管管壁溫度，設(shè)備在設(shè)計(jì)要求的工況下熱管管壁最低溫度在110°C以上，避 免出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕。為防止水側(cè)管壁面結(jié)垢，熱管熱水側(cè)集箱留有清污口，可依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情 況，適時(shí)清除集箱內(nèi)污垢，保證設(shè)備長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。
[0040] 煙箱外殼設(shè)置檢修口，檢修時(shí)可將封板泄下，對熱管進(jìn)行檢查及清灰。
[0041 ] 在本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)備外形尺寸長X寬X高為1600 X 1370 X 2660，干重約3.5 頓，濕重約4頓，阻力損失~350Pa。相比之下，傳統(tǒng)余熱經(jīng)濟(jì)器，在相似的換熱量情況下，直徑 X高為§1530 X 4300，干重約5.5頓，濕重約8.5頓，阻力損失為lOOOPa。由此可見，采用了熱 管技術(shù)強(qiáng)化換熱后，余熱經(jīng)濟(jì)器在體積、重量、阻力上的優(yōu)勢是明顯的。因此，本發(fā)明實(shí)施例 提供的結(jié)合消音功能的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器在艦船余熱利用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0042]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，包括： 熱管，熱管外側(cè)環(huán)繞布置肋形熱管管束； 煙氣旁通腔，設(shè)置在所述熱管的一端，所述煙氣旁通腔內(nèi)部采用消聲材料的結(jié)構(gòu)； 煙氣擋板閥，設(shè)置在煙氣進(jìn)口處，檢測余熱經(jīng)濟(jì)器的出水溫度。2. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，經(jīng)濟(jì)器熱水側(cè)設(shè)有安全 閥。3. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，系統(tǒng)管路設(shè)置壓力釋放 閥。4. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，煙氣側(cè)翅片節(jié)距達(dá)到 10.2mm〇5. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，煙氣流速變化為20m/s-6m/s_20m/s〇6. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，經(jīng)煙氣加熱后，控制余熱 經(jīng)濟(jì)器熱水出口溫度為85°C_95°C。7. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，熱管冷凝段留有總管長5% 長度的預(yù)留段。8. 如權(quán)利要求1所述的船用熱管型余熱經(jīng)濟(jì)器，其特征在于，所述熱管頂端排氣閥下具 有CuO吸氫劑。
【文檔編號】F28D15/02GK105841530SQ201610253177
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】林芃, 汪婦歡, 韓偉
【申請人】中國艦船研究設(shè)計(jì)中心