一种纳米流体烟气余热回收装置

1.本发明属于热管换热器领域，尤其是涉及一种使用纳米流体沸腾强化传热技术的高效烟气余热回收装置。


背景技术：

2.换热器是一种在不同温度下两种或者两种以上的流体之间实现换热的设备，本发明基于烟气余热回收的背景，工业烟气的余热资源回收是缓解能源匮乏的重要手段。目前高温烟气的回收利用难度小且回收利用率高，中低温烟气热能品位低，能级较小，回收利用率低。而在发电厂、石化企业中均大量存在中低温烟气（200℃左右），虽然它们温度比较低，但数量却很庞大，现有的热能回收设备因为尺寸较大，投资回收期较长，不利于余热资源的回收利用。
3.传统换热器采用水、油等作为换热工质，其换热效率低下，很难满足工业需求。近些年纳米流体作为新型换热工质，受到了研究者的广泛关注，其具有高导热性的特点，契合换热工质所需。纳米流体的蒸发沸腾含有相变过程。有研究表明，与纯水相比，纳米颗粒的存在能够影响流体的蒸发沸腾性质。研究人员认为纳米颗粒的存在能够增强传热性质，提高气泡成核密度，从而提高纳米流体的蒸发量。基于以上理论，提出了一种纳米流体烟气余热回收装置。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种纳米流体烟气余热回收装置，旨在克服现有烟气余热装置的不足之处而提供一种结构简单、工作效率高、使用寿命长，能将中低温烟气余热回收的一种纳米流体烟气余热回收装置。
5.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种纳米流体烟气余热回收装置，包括上冷壳、下热壳、过渡管、冷凝管及蒸发管；所述下热壳的两侧分别设有热风进口与热风出口；所述上冷壳的两侧分别设有冷风进口与冷风出口；所述上冷壳与下热壳通过分隔板连接；所述分隔板采用带孔板式结构；所述冷凝管与蒸发管依次分别固定设于上冷壳及下热壳腔体内；所述冷凝管的下端口通过固定设于分隔板上的过渡管与蒸发管的上端口相连通；在所述蒸发管内装有纳米流体超导换热工质。
6.进一步地，本发明所述过渡管可采用内设旋翼叶片的扭曲片管结构。
7.进一步地，本发明所述纳米流体超导换热工质为al2o
3-sio2/水基混合纳米流体超导换热工质。
8.进一步地，本发明所述al2o
3-sio2/水基混合纳米流体超导换热工质包括al2o3、sio2与基液；其中al2o3与sio2质量比为1：1；al2o3的平均粒径为40nm，sio2的平均粒径为20nm；所述基液为纯水；所述al2o3与sio2构成的纳米流体的质量分数为0.5%。
9.进一步地，本发明所述蒸发管与冷凝管以错位布置方式依次分别固定设于上冷壳
及下热壳腔体内。
10.进一步地，本发明在所述冷风进口、冷风出口、热风进口及热风出口处分别固定设有汇聚斗。
11.进一步地，本发明所述蒸发管与冷凝管的外壁分别设有翅片。
12.进一步地，本发明所述冷壳与热壳的材质为高热阻材料。
13.进一步地，本发明所述分隔板、过渡管、冷凝管、蒸发管及翅片均采用导热材料，且在内外表面均镀有防腐层。
14.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：（1）本发明通过风冷的方式对冷凝管进行冷凝，回收热空气二次利用，同时避免了水资源的浪费。
15.（2）本发明蒸发管内装有纳米流体换热工质，基于纳米流体沸腾强化换热理论，避免润湿性显著改善，气泡成核时间提前，同时纳米颗粒剧烈地做不定向运动，破坏传热边界层，显著提升传热效果。
16.（3）本发明扭曲片管段使得气态工质不单单附着在冷凝腔内侧壁上，使得气态工质产生旋流冲刷壁面，增强扰动，破环传热边界层，提高传热效果。
17.（4）本发明汇聚斗使得流体在通过热壳或者冷壳时，由于空间地突然增大，流体速度会骤减，能增加流体与蒸发管或冷凝管的接触时间，提高换热效果。
18.（5）本发明蒸发管、冷凝管、翅片均由导热材料制成，导热材料使得管壁与冷热空气及纳米流体换热性增强。管壁表面镀有防腐层，增加了使用寿命。
19.（6）本发明冷热流体以错位对流的方式进入到换热器中，提升了接触时间，提高换热性能。
20.（7）本发明还具有有装置体积小、便于安装及应用的优点。
21.表1冷风速度与出口温度关系。
22.附图说明
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
24.图1为本发明结构整体示意图；图2为本发明扭曲片管段示意图；图3为本发明al2o
3-sio2/水基混合纳米流体导热系数示意图。
25.图中：1、上冷壳；2、下热壳；3、分隔板；4、过渡管；5、冷凝管；6、蒸发管；7、汇聚斗；
8、翅片；9、冷风进口；10、冷风出口；11、热风进口；12、热风出口；13、旋翼叶片。
具体实施方式
26.如图所示，纳米流体烟气余热回收装置，包括上冷壳1、下热壳2、过渡管4、冷凝管5及蒸发管6；所述下热壳2的两侧分别设有热风进口11与热风出口12；所述上冷壳1的两侧分别设有冷风进口9与冷风出口10；所述上冷壳1与下热壳2通过分隔板3连接；所述分隔板3采用带孔板式结构；所述冷凝管5与蒸发管6依次分别固定设于上冷壳1及下热壳2腔体内；所述蒸发管6与冷凝管5垂直于分隔板3，布置方式为错位布置；所述冷凝管5的下端口通过固定设于分隔板3上的过渡管4与蒸发管6的上端口相连通；在所述蒸发管6内装有纳米流体超导换热工质。
27.本发明所述过渡管4采用内设旋翼叶片9的扭曲片管结构。本发明所述纳米流体超导换热工质为al2o
3-sio2/水基混合纳米流体超导换热工质。本发明所述al2o
3-sio2/水基混合纳米流体超导换热工质包括al2o3、sio2与基液；其中al2o3与sio2质量比为1：1；al2o3的平均粒径为40nm，sio2的平均粒径为20nm；所述基液为纯水；所述al2o3与sio2构成的纳米流体的质量分数为0.5%。本发明所述蒸发管6与冷凝管5以错位布置方式依次分别固定设于上冷壳1及下热壳2腔体内。本发明在所述冷风进口9、冷风出口10、热风进口11及热风出口12处分别固定设有汇聚斗7。本发明所述蒸发管6与冷凝管5的外壁分别设有翅片8；所述翅片8均匀布外接于蒸发管6于冷凝管5的外壁。本发明所述冷壳1与热壳2的材质为高热阻材料。本发明所述分隔板3、过渡管4、冷凝管5、蒸发管6及翅片8均采用导热材料，且在内外表面均镀有防腐层。
28.本发明在使用时，引进冷热流体分别进入上冷壳1和下热壳2，本发明的应用背景为烟气余热回收，固冷壳流通的部分为空气，下热壳2流通的部分为高温油页岩烟气。
29.工作时，高温油页岩烟气自热风进口11进入下热壳2，蒸发管6与进入到下热壳2的高温油页岩烟气进行热量交换，同时蒸发段6上固接有翅片8，均匀布置的翅片8增加换热面积及加强了热量传递效果。蒸发管6吸收热量后与其内部装有的纳米流体进行热量交换，而与蒸发管6及其外壁固接翅片8进行过热量交换降温后的烟气通过热风出口12流出下热壳。纳米流体在蒸发管6内吸热升温，在温度逐渐上升达到100℃时开始剧烈沸腾。沸腾产生大量的气态工质通过过渡管4产生旋流向上进入冷凝管5，在这个过程中蒸发管6的管壁继续吸热，使得产生的气态工质达到过热状态。在冷凝管5内，旋转上升的气态工质冲刷热管冷凝管5内壁进行热量交换，冷凝管5外壁接有翅片8，与通过冷风入口9进入到上冷壳1的冷空气进行热量交换散热，加热后的冷空气再通过冷风出口10流出。在冷凝管5内降温液化的气态工质附着在冷凝管5的内壁上，在重力作用下降温冷凝成为液体顺着管壁流回蒸发管6。本发明可以通过调控冷风进口速度来控制回收的温度。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上
述术语在本发明中的具体含义。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。