本发明属于强化烟气传热传质、提高能量利用效率、节能环保领域，具体涉及一种多维度组合模块化铸造冷凝强化换热器。
背景技术
近年来，全球能源问题日益突出，化石能源的不可再生性决定了节能环保是人类面临的重大课题。因此高效节能环保己成为全球能源利用的发展方向。我国是能源生产和消费的大国，节能减排、提高能源利用效率、加强环境保护是我们面临的重要任务。目前大多电站的排烟温度较高，没有充分利用烟气中水蒸气的潜热，降低了热效率。冷凝换热器通过进一步降低排烟温度，降低烟气中的水分压使之冷凝，充分吸收水蒸气中的潜热，具分析计算，加装冷凝换热器将8吨天然气炉的排烟温度从85℃降至45℃其潜热占总换热量的73.27％。冷凝换热器是吸收烟气中水蒸气潜热的关键部件，强化热交换器传热，提高传热效率对高效热利用、节能环保具有至关重要的作用。
另一方面，传统燃煤发电或工业以及集中供热机组的脱硫塔仍排出接近饱和水蒸气的含各种酸性气体污染物的烟气，极易导致湿烟囱，出现白色烟羽的现象。最新的研究也表明白色烟羽的危害诸多，锅炉排烟含水量和溶解颗粒物的急剧增加，造成大气中水蒸气、硫酸盐和硝酸盐气溶胶颗粒物含量上升，成为雾霾产生的重要原因。同时白色烟羽中含有大量的水蒸气，造成水资源的浪费。若加以冷凝回收，可解决华北西北地区火力发电厂的缺水问题，节约宝贵的水资源。上海、浙江、邯郸、天津等地纷纷出台地方性烟羽治理新规。湿法脱硫后的烟气呈气液固三相混合物，其中气相中水蒸气含量相对饱和，并包含nox、sox、h2so4、hno3、h2so3、hcl、hf等酸性污染物；烟气中携带有20～50g/nm3的水溶液液滴，液滴中存在cl-、so42-、no3-、f-等多种离子，总体呈弱酸性；固体颗粒物含量为5～20mg/nm3，存在形式为粒径5m以下的极细颗粒物，主要成分为硅酸盐、caso4等。这些污染物能够诱导雾霾的产生，是致使我国大气污染严重的原因之一。
目前冷凝热交换器主要为焊接型的螺旋翅片管、h型翅片管和针形管等冷凝热交换器，焊接之后的换热器在冷凝水活性离子和焊接残余应力的双重作用会发生应力腐蚀开裂(scc)，而铸造的模块化冷凝换热器能有效地避免焊接工艺使用，兼具安装方便，易于检修，设计灵活等多种优势。尤其是cl-离子含量小于100mg/l时，铸铝硅合金具有较好的抗腐蚀能力，铸铝硅导热系数比较高，是碳钢的5倍，不锈钢的8倍，冷凝换热器非常紧凑，显著提高冷凝换热系数，极大地减轻设备重量。
目前，已投运的燃油燃气、生物质蒸汽锅炉和热水锅炉的排烟温度仍高达85℃以上，甚至达到140℃，大量的显热和潜热被白白浪费掉，使用本冷凝换热器专利可以极大地节约清洁燃料，节能减排，实现保卫蓝天的重要任务，未来本专利提出的冷凝换热器结构无论应用于新建还是改造都具有极大的市场前景。
技术实现要素：
为了解决上述目前广泛采用焊接冷凝热交换器需要解决焊接工艺带来的容易开裂的难题，并强化热交换器的传热、传质能力，充分利用各种化石燃料燃烧后的烟气中水蒸气的汽化潜热，减小排烟湿度和烟羽现象，本发明提供一种多维度组合模块化铸造冷凝强化换热器。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种多维度组合模块化铸造冷凝强化换热器，包括通过螺杆4连接的多个模块化换热元件1，通过螺杆4连接在多个模块化换热元件1上端的上端变径烟道2、下端的下端变径烟道6，连接在多个模块化换热元件1侧面的水管3和水道堵头5；
所述模块化换热元件1包含进出口流体接口11，纵向固定耳121、横向固定耳122及位于横向固定耳122对角线上的定位销13，模块化换热元件1的端面开有密封槽14，模块化换热元件1顶端与底端均有烟气分流肋片151和烟气导流肋片152，烟气导流肋片152间的烟气通道型面上充满针翅16，基板17内有多回程的冷工质通道18，流体侧肋片191与导流筋192分别分布于冷工质通道18的非弧段及转角过渡段，冷工质通道18转角过渡中心处开有贯通模块化换热元件1左右端面的型砂工艺孔110。
所述进出口流体接口11为变径凸台设计，有效减少抛光加工面面积，凸台表面开有螺纹孔及密封槽，用以连接螺栓，保证模块化换热元件1与水管3紧密连接，防止冷工质渗漏。
所述密封槽14开设在模块化换热元件1的上下端面及前或后任一端面，这些端面在开槽前经铣床加工并进一步打磨抛光，确保端面平整并同处于一个面上，密封槽14为2～5mm宽的方形槽，加工完密封槽14后根据其具体的尺寸生产配套的密封垫圈或直接涂塞具弹性、耐高温特性的密封胶，经穿过纵向固定耳121、横向固定耳122的螺杆4使多个模块化换热元件1之间和上端变径烟道2、下端变径烟道6紧密连接，起到密封烟气侧通道防止漏气的作用。
所述烟气分流肋片151分布于基板17的顶端及底端，能够将烟气等量分流，有效减少烟气流动滞止区，烟气分流肋片151为加强烟气导流肋片152结构强度的横向肋片；烟气导流肋片152均匀排布在基板17的上下圆弧段，为具有提高导热系数和导流功能的等翅高且截面呈半圆形或长方形、按一定的间距规则排列的纵向肋片。
所述针翅16为单一或多种截面形状的组合型翅片，采用均匀的一排或两排为一组的高低错列针翅型设计，能够有效地防止烟气走廊现象，针翅16采用单一截面呈圆形的针翅，或截面呈圆形的针翅与能够有效撕裂冷凝水液膜、强化表面传热传质能力的截面呈菱形针翅组合形式，或在冷凝换热起始段选用30°～60°截面呈腰圆形的齿形翅片，加强沿模块化换热元件1长度方向上烟气对翅片的冲刷，及对冷凝液膜的扰动以强化传热传质性能，或在烟气冷凝段的启凝后1/3分界处添加截面为三角形钝体突起起到沿模块化换热元件1宽度方向上冷凝液膜的扰动，针翅16的高度和错列间距及针翅16的组合分布根据模拟计算及实验具体确定。
所述基板17的厚度为4～10mm，铸造型面均与水平呈90～100°的夹角，能够有效地保证在换热过程中烟气降温与水蒸汽冷凝时烟气的流速依旧保持一致，防止换热效果变差及积灰堵塞等不良现象。
所述冷工质通道18为4～8个管程，呈腰圆形截面，有8～16mm高的流体侧肋片191按一定间距均匀分布在冷工质通道18的非弧段，能有效增大冷工质侧换热面积，强化传热传质性能；冷工质通道18的转角处有3～5个一组，呈腰圆形截面的连接冷工质通道18前后壁面的导流筋192设计，具有强化冷工质对冷工质通道18的转角处厚边界层的冲刷，增大对冷工质扰动强化传热传质能力并加强冷工质通道18的结构强度的作用；冷工质通道18需进行热力及流动阻力计算具体确定其截面的形状参数及管程。
所述烟气分流肋片151和基板17包括上下半圆弧段采用表面纵向波纹设计，基板17在烟气导流肋片152间的烟气通道表面采用表面横向波纹设计；波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形，增大模块化换热元件1的换热面积并增强流体扰动，提高传热效果，在具体制作生产时根据制作成本，换热效率和工质流动情况选择波纹形状并确定各个表面波纹长度与高度。
所述上端变径烟道2可根据进口烟气来流方向具体定制其进口方向，所述下端变径烟道6底部具有一定的斜度，保证冷凝液能顺利通过u型管排除，防止冷凝液长期淤积造成腐蚀。
所述模块化换热元件1采用一维、二维、三维的模块化连接组合，能够组合成各种体积形状，满足现有实际换热需求，对于整体换热器而言采用串联及并联形式布置。
所述模块化换热元件1采用整体铸造工艺，根据烟气污染物在冷凝液中的cl-、so42-、no3-和f-多种活性离子成分，选用铸铝硅合金、铸铁、铸316(l)、317(l)奥氏体不锈钢、2205/2507/2707双相不锈钢、高铬镍钼合金等一系列耐腐蚀材料进行多维模块化组合；为防止电化学腐蚀，冷凝换热段采用同一种材料；所述模块化换热元件1烟气侧壁面构建超疏水膜或搪瓷喷涂膜，使固体壁面具有超疏水性、自清洁性和耐腐蚀性，使元件烟气侧壁面耐腐蚀、耐磨损性能提高，表面光洁度提高，防积灰；根据冷凝换热器内各部位换热与腐蚀情况确定相对应各部位模块化换热元件1的选材，以保冷证凝换热器内各部分抗腐蚀性能、换热效果最佳且综合制造成本最低；上端变径烟道2、水管3、水道堵头5、下端变径烟道6选用成本低廉的abs、pe、pvc、pp或ptfe。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、本发明采用铸造工艺制造模块化换热元件有效地避免焊接工艺使用，兼具安装方便，易于检修，同时换热单元件可进行一维、二维、三维的模块化连接组合，能够组合成各种大小形状，满足各种换热需求，设计灵活；
2、本发明采用烟气导流肋片提高烟气侧导热系数并对烟气导流保证烟气良好的流动性，采用均匀的一排或两排为一组的高低错列的多种截面形状的组合型翅片及冷凝段的钝体突起设计，可有效地防止烟气走廊现象并降低组装难度同时能够加强烟气对翅片的冲刷，及利用钝体突起对冷凝液膜的强烈换向形成前后侧液膜形成冷凝液膜射流强烈对冲针翅和固体表面、撕裂液膜以强化传热传质性能，这是传统结构所不具备的最大优势，传统结构烟道两侧液膜只是顺着各自壁面向下流动，仅依靠针翅扰流撕裂液膜，缺少两侧烟道壁面液膜的液体强烈对冲、射流冲击的强烈强化传热传质的作用。
3、本发明可根据冷凝换热器内各部位换热与腐蚀情况具体采用对应的最佳耐腐蚀材料，保证凝换热器内各部分抗腐蚀性能、换热效果最佳且综合制造成本最低，同时可在元件烟气侧壁面亦可采用超疏水或搪瓷喷涂技术，使元件烟气侧壁面耐腐蚀、耐磨损性能提高，表面光洁度提高防积灰；
4、本发明中基板上下半圆弧段、冷凝换热段钝体突起可采用表面纵向波纹设计，基板上具有针翅的表面及冷工质通道内流体侧肋片和非弧段壁面可采用表面横向波纹设计，增大换热面积并增强流体扰动，提高传热效果。
附图说明
图1为多维度组合模块化铸造冷凝强化换热器结构示意图。
图2a-2g为圆形与菱形截面组合型针翅的模块化换热元件示意图，其中图2a为立体图，图2b为侧视图，图2c为主视图，图2d为侧剖视图，图2e为高低错列针翅示意图，图2f为冷工质通道示意图，图2g为基板铸造型面与水平所呈角度示意图。
图3为圆形与菱形截面针翅和齿形翅片组合形式的模块化换热元件示意图。
图4为烟气冷凝段的启凝后约1/3分界处截面为三角形钝体突起示意图。
图5为具有截面呈半圆形的烟气侧肋片的模块化换热元件示意图。
图6为烟气分流肋片、基板上下半圆弧段表面纵向波纹，基板在烟气导流肋片间的烟气通道表面横向波纹示意图。
图7为矩形、锯齿形、或正弦函数波形表面波纹示意图。
图8为模块化换热元件沿其宽度方向的一维连接组合示意图。
图9为模块化换热元件沿其宽度及高度方向的纵向二维连接组合示意图。
图10为模块化换热元件沿其宽度及长度方向的横向二维连接组合示意图。
图11为模块化换热元件沿其长、宽、高度方向的三维连接组合示意图。
图12为整体换热器布置示意图，其中图12a为串联布置示意图，图12b为并联布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述：
如图1所示，本发明一种多维度组合模块化铸造冷凝强化换热器，包括通过螺杆4连接的多个模块化换热元件1，通过螺杆4连接在多个模块化换热元件1上端的上端变径烟道2、下端的下端变径烟道6，连接在多个模块化换热元件1侧面的水管3和水道堵头5。
实施案例一
模块化换热元件1包含进出口流体接口11，纵向固定耳121、横向固定耳122及位于横向固定耳122对角线上的定位销13，模块化换热元件1的端面开有密封槽14，模块化换热元件1顶端与底端均有烟气分流肋片151和烟气导流肋片152，烟气导流肋片152间的烟气通道型面上充满针翅16，基板17内有多回程的冷工质通道18，流体侧肋片191与导流筋192分别分布于冷工质通道18的非弧段及转角过渡段，冷工质通道18转角过渡中心处开有贯通模块化换热元件1左右端面的型砂工艺孔110。
所述进出口流体接口11为变径凸台设计，如图2a、图2b所示，有效减少抛光加工面面积，凸台表面开有螺纹孔及密封槽，用以连接螺栓，保证模块化换热元件1与水管3紧密连接，防止冷工质渗漏。
所述密封槽14开设在模块化换热元件1的上下端面及前或后任一端面，如图2a、图2c所示，这些端面在开槽前经铣床加工并进一步打磨抛光，确保端面平整并同处于一个面上，密封槽14为2～5mm宽的方形槽，加工完密封槽14后根据其具体的尺寸生产配套的密封垫圈或直接涂塞具弹性、耐高温等特性的密封胶，经穿过纵向固定耳121、横向固定耳122的螺杆4使多数模块化换热元件1之间和上端变径烟道2、下端变径烟道6紧密连接，起到密封烟气侧通道防止漏气的作用。
所述烟气分流肋片151分布于基板17的顶端及底端，能够将烟气等量分流，有效减少烟气流动滞止区，烟气分流肋片151为加强烟气导流肋片152结构强度的横向肋片；烟气导流肋片152均匀排布在基板17的上下圆弧段，是具有提高导热系数和导流功能的等翅高且截面长方形如图2a所示，按一定的间距规则的排列的纵向肋片。
所述针翅16为单一或多种截面形状的组合型翅片，如图2d、图2e所示，采用均匀的一排或两排为一组的高低错列针翅型设计，能够有效地防止烟气走廊现象，针翅16可采用单一截面呈圆形的针翅，或如图2c所示，截面呈圆形的针翅与能够有效撕裂冷凝水液膜、强化表面传热传质能力的截面呈菱形针翅组合形式，针翅的高度和错列间距及针翅组合分布需根据模拟计算及实验具体确定。
所述基板17厚度为4～10mm，铸造型面均与水平呈90～100°的夹角如图2g所示，经过合理的模拟计算与实验分析得出的最适夹角能够有效地保证在换热过程中烟气降温与水蒸汽冷凝时烟气的流速依旧保持一致，防止换热效果变差及积灰堵塞等不良现象。
所述冷工质通道18，如图2d所示可为4～8个管程，呈腰圆形截面，有8～16mm高的流体侧肋片191按一定间距均匀分布在冷工质通道18的非弧段，能有效增大冷工质侧换热面积，强化传热传质性能，如图2f所示冷工质通道18的转角处有3～5个一组，呈腰圆形截面的连接冷工质通道18前后壁面的导流筋192设计，具有强化冷工质对冷工质通道18的转角处厚边界层的冲刷，增大对冷工质扰动强化传热传质能力并加强冷工质通道18的结构强度的作用，冷工质通道18需进行热力及流动阻力计算具体确定其截面的形状参数及管程。
所述烟气分流肋片151和基板17包括上下半圆弧段可采用表面纵向波纹设计如图6所示，基板17在烟气导流肋片152间的烟气通道表面可采用表面横向波纹设计；如图7所示波纹形式为锯齿形、矩形、或正弦函数波形等，增大模块化换热元件1的换热面积并增强流体扰动，提高传热效果，在具体制作生产时应根据制作成本，换热效率和工质流动情况选择合适的波纹形状并确定各个表面波纹长度与高度。
所述上端变径烟道2可根据进口烟气来流方向具体定制其进口方向，所述下端变径烟道6底部具有一定的斜度，保证冷凝液能顺利通过u型管排除，防止冷凝液长期淤积造成腐蚀。
实施案例二
图3为圆形与菱形截面针翅和齿形翅片组合形式的模块化换热元件示意图。
在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
所述针翅16为截面呈圆形与菱形的针翅，同时在冷凝换热起始段选用30°～60°截面呈腰圆形的齿形翅片，可加强沿模块化换热元件1长度方向上烟气对翅片的冲刷，及对冷凝液膜的扰动以强化传热传质性能。
实施案例三
图4为烟气冷凝段的启凝后约1/3分界处截面为三角形钝体突起示意图。
在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
实施案例四
图5为具有截面呈半圆形的烟气侧肋片的模块化换热元件示意图。
在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
所述烟气导流肋片152均匀排布在基板17的上下圆弧段，是具有提高导热系数和导流功能的等翅高且截面半圆形，按一定的间距规则的排列的纵向肋片。
所述基板17的烟气冷凝段的启凝后约1/3分界处还可以添加截面为三角形或其他合理形状的钝体突起，起到沿模块化换热元件1宽度方向上冷凝液膜的扰动以强化传热传质性能。
实施案例五
图8为模块化换热元件沿其宽度方向的一维连接组合示意图。
在本实施例中，可采用上述任一案例中的模块化换热元件1结构进行连接组合。
所述模块化换热元件1可采用沿其宽度方向进行一维连接组合，形成长度固定，总宽度可变的冷凝换热器。
实施案例六
图9为模块化换热元件沿其宽度及高度方向的纵向二维连接组合示意图。
在本实施例中，对于与实施案例五相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
所述模块化换热元件1可采用沿其宽度方向及高度方向进行二维纵向连接组合，形成长度固定，总宽度、高度可变的冷凝换热器。
实施案例七
图10为模块化换热元件沿其宽度及长度方向的横向二维连接组合示意图。
在本实施例中，对于与实施案例五相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
所述模块化换热元件1可采用沿其宽度方向及长度方向进行二维横向连接组合，形成高度固定，总宽度、长度可变的冷凝换热器。
实施案例八
图11为模块化换热元件沿其长、宽、高度方向的三维连接组合示意图。
在本实施例中，对于与实施案例五相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
所述模块化换热元件1可采用沿其长、宽、高三个方向进行三维连接组合，形成总长度、宽度、高度可变的冷凝换热器。
实施案例九
图12为整体换热器布置示意图，其中图12a为串联布置示意图，图12b为并联布置示意图。
对于由模块化换热元件1组成的整体换热器而言，可以采用串联及并联形式等灵活布置。