一種船用熱管型余熱經濟器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種船用熱管型余熱經濟器，包括：熱管，熱管外側環繞布置肋形熱管管束；煙氣旁通腔，設置在所述熱管的一端，所述煙氣旁通腔內部采用消聲材料的結構；煙氣擋板閥，設置在煙氣進口處，檢測余熱經濟器的出水溫度。本發明提供的船用熱管型余熱經濟器，能夠在較低的總體需求內實現艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進行冬季供暖及其余熱利用手段，起到良好的節能減排效果。
【專利說明】
一種船用熱管型余熱經濟器
技術領域
[0001] 本發明涉及水面艦船節能減排技術領域，特別涉及一種船用熱管型余熱經濟器。
【背景技術】
[0002] 與柴油機煙氣進行換熱的余熱利用設備，應具有:阻力損失小；易清理積灰;體積 重量小；非供暖工況時無需額外冷卻耗能；最好還能兼顧消音功能。傳統的余熱經濟器由 于煙氣通過煙管內進行換熱，因此換熱表面難以強化，導致管子數量較多，煙氣流速較高， 一般為20m/s，宏觀上的影響就是余熱經濟器體積、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一步 增大了總體空間需求。同時，傳統余熱經濟器的固有結構決定了其消音能力有限，原艦船消 音裝置無法取消，導致設備配置繁冗，阻力損失進一步增大。目前水面艦船缺乏高效合理置 換這部分余熱資源的技術手段。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種船用熱管型余熱經濟器，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] 為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是:提供一種船用熱管型余熱經濟器， 包括:熱管，熱管外側環繞布置肋形熱管管束;煙氣旁通腔，設置在所述熱管的一端，所述煙 氣旁通腔內部采用消聲材料的結構;煙氣擋板閥，設置在煙氣進口處，檢測余熱經濟器的出 水溫度。
[0005] 進一步地，經濟器熱水側設有安全閥。
[0006] 進一步地，系統管路設置壓力釋放閥。
[0007] 進一步地，煙氣側翅片節距達到10.2mm。
[0008] 進一步地，煙氣流速變化為20m/s-6m/s-20m/s。
[0009] 進一步地，經煙氣加熱后，控制余熱經濟器熱水出口溫度為85 °C -95 °C。
[0010] 進一步地，熱管冷凝段留有總管長5%長度的預留段。
[0011] 進一步地，所述熱管頂端排氣閥下具有CuO吸氫劑。
[0012] 本發明提供的船用熱管型余熱經濟器，能夠在較低的總體需求內實現艦船余熱高 效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進行冬季供暖及其余熱利用手段，起到 良好的節能減排效果。
【附圖說明】
[0013] 下面結合附圖對發明作進一步說明： 圖1為本發明實施例提供的船用熱管型余熱經濟器的結構示意圖； 圖2為本發明實施例提供的套管熱水結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的船用熱管型余熱經濟器作進一步詳 細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均 采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例 的目的。
[0015] 本發明的核心思想在于，本發明提供的船用熱管型余熱經濟器，能夠在較低的總 體需求內實現艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進行冬季供暖 及其余熱利用手段，起到良好的節能減排效果。
[0016] 圖1為本發明實施例提供的船用熱管型余熱經濟器的結構示意圖。參照圖1，提供 一種船用熱管型余熱經濟器，包括:熱管11，熱管11外側環繞布置肋形熱管管束12;煙氣旁 通腔13,設置在所述熱管11的一端，所述煙氣旁通腔13內部采用消聲材料15的結構;煙氣擋 板閥14，設置在煙氣進口處，檢測余熱經濟器的出水溫度。
[0017] 具體地，基于熱管技術，設計的船用熱管型余熱經濟器采用熱管技術做熱橋之后， 接觸煙氣側的外表面可以通過環形肋片進行換熱強化，從而節約空間體積，降低煙氣流速 至6m/s左右，從而降低沿程阻力損失。當熱管元件損壞時，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。設置自動控制的煙氣擋板閥 14，檢測余熱經濟器供水水溫，實現煙氣流量自動控制。經煙氣加熱后，控制余熱經濟器熱 水出口溫度85°C_95°C。部分負荷時，煙氣擋板閥自動關小;在無需制熱時，煙氣擋板閥自動 關閉，系統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 濟器之內，雖然經濟器整體體積有所增大，但是相比帶有旁通閥的傳統余熱經濟器，整體空 間需求減小。同時煙氣旁通腔13內部可做消音結構，達到25dB的消音效果。煙氣換熱側煙氣 流速變化為20m/ s-6m/s(迎面風速)-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構完善消音功能，經濟器之后無需消音器。該裝置能夠在較低 的總體需求內實現艦船余熱高效置換，能夠充分、高效、可靠地利用艦船排煙余熱進行冬季 供暖及其余熱利用手段，起到良好的節能減排效果。同時，由于煙氣在管外大空間內進行換 熱，因此設備外殼可方便設置入孔，在停機時易于人員檢修及清灰。
[0018]熱管余熱經濟器可根據煙氣酸露點溫度，調整換熱管煙氣側管壁溫度，使之高于 該溫度，從而防止金屬壁面出現結露而產生的酸露點腐蝕和灰堵。在保持換熱管傳熱效率 基礎上，增大換熱管廢氣側換熱面積，以合理確定管壁溫度，確保經濟器能夠長壽命地工 作。熱管冷凝段留有總管長5%長度的預留段，以防設備長期運行后氫氣等不凝性氣體的產 生，保證設備長期穩定高效運行;熱管頂端排氣閥下具有CuO吸氫劑，用于吸收管內以氫氣 為代表的不凝性氣體，延長熱管使用壽命。有質量保證的熱管其連續使用壽命可達12-15年 以上。
[0019]圖2為本發明實施例提供的套管熱水結構示意圖。參照圖2,熱水側采用套管結構， 被加熱水在套管21與熱管22之間的縫隙內流過，吸收熱管22放出的熱量，將水加熱。由于采 用套管結構，被加熱介質在管間流動，使設備水側能承受較高的壓力，熱水側總體換熱空間 需求較小，并且設備液體負荷增加較小。
[0020]熱管傳熱計算方法如下： 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 設定值，為煙氣質量流量，^^為煙氣定壓比熱容。
[0021 ]熱水量％，根據熱平衡計算，14 = 口溫度，P為水出口溫度，% i為水定壓比熱容。
[0022] 管內工質溫度估算，煙氣入口處:餘=(5 _戰鎖十難，取乳：=3: 煙氣出□處:士雜_巧):/ (1:摘，取n=3; 當工質溫度在30-200°C區間內時，使用水作為熱管工質較為合適。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， 為工質的飽和蒸汽壓；攜帶極限確定所需的管徑：
其中，_為工質飽和液體密度，外為工質飽和蒸汽密度。辦邊邊為表面張力系數。
[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 殼最大應力％吼，[亡0.5%^ 0
[0025] 通常熱管用于煙氣換熱場合時，煙氣側采用環形翅片管強化換熱，水側采用光管 即可，翅片管核心參數包括:光管外徑光管內徑：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&的取值參考。選擇煙氣側入口質量流速，水的流速&，水入 口的質量流速％.%。
[0027] 表 1
加熱段和冷卻段經濟長度比的選擇為：
，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，[%] = 230°C，&小于&是熱管安全工 作的基本判據。
[0029] 確定煙氣側迎風面積-
綜合設備布置條件，確定迎風區域長(熱管加熱段長）、寬，為=|，確定L1后，根據 長度比式
確定L2,并且預留合理的絕熱段L0。
[0030] 第一排管子根數：
SS1為設定合理的管間距；第一排管傳熱面積： ，選擇總傳熱系數K0,計算對數平均溫差AT;計算總傳熱面積：
，管子根數及排數：《 = 4 / 管子排數：
，實際傳熱面積：戽=，水側 單管程所需流通面積：
[0031] 煙氣中點溫度：石=0.5_ (?；' +7；"），查取煙氣熱物理參數：密度：
水側平均溫度：7^ = 0.孓（7J +75]，查取水的熱物理參數：密度：
煙氣側管外放熱系數計算或v，$為最窄流通面積與迎風面積的比值。
[0032] 確定最窄截面處質量流速，= 。
[0033] 以翅片外表面煙氣側計算放熱系數：
爾士繩#，，矽為翅片效率，通常可取0 ?85; 確定水側最窄流通截面面積及最窄流通截面質量流速C^maK，計算水側對流換熱系數：
總傳熱系數計算
，需考慮管壁熱阻及污垢 熱阻； 傳熱面積計算：
，煙氣流動阻力計算：
管壁溫度的計算應以煙氣出口側最末一排管的光管外壁溫度為準，
[0034] 膨脹室消音計算
，式中，TL為消聲量dB，m為擴張 比，|為擴張比，sm鉍為周期函數； 吸聲材料消音計算如式：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]在本發明實施例中，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，煙氣標準工況流量為19800 kg/h(5.5kg/s)，根據熱工計算，最大低溫側傳熱 能力為674kW。熱管式余熱熱水器設計工況點按照7000kg/h熱水需求量選擇，參數如下：煙 氣量為19800 kg/h (5.5kg/s )，煙氣進換熱器溫度為323°C，煙氣出換熱器溫度為240°C， 高溫側傳熱量為520 kW，低溫側傳熱量為490 kW，進水溫度為20°C，出水溫度為80°C，加熱 水量為7000kg/h。表2為500 kW余熱經濟器熱工計算結果。
[0037]表 2
表3為熱管換熱計算結果，經濟器熱水側設有安全閥，系統管路設置壓力釋放閥，以保 證系統的安全。
[0038]表3
經濟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熱 管工質能夠正常回流，經濟器殼體主要材質選用316L (022Crl7Nil2Mo2)。選取合適的煙氣 流速，既能保證設備的自清灰能力，又不會因流速過高而使阻力增大，嚴重磨損管壁。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。適當增大煙氣側翅片節距 達到10.2_，在正常運行條件下，可以防止積灰搭橋。
[0039] 控制熱管管壁溫度，設備在設計要求的工況下熱管管壁最低溫度在110°C以上，避 免出現露點腐蝕。為防止水側管壁面結垢，熱管熱水側集箱留有清污口，可依據實際運行情 況，適時清除集箱內污垢，保證設備長期穩定高效運行。
[0040] 煙箱外殼設置檢修口，檢修時可將封板泄下，對熱管進行檢查及清灰。
[0041 ] 在本發明實施例中，設備外形尺寸長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，傳統余熱經濟器，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 管技術強化換熱后，余熱經濟器在體積、重量、阻力上的優勢是明顯的。因此，本發明實施例 提供的結合消音功能的船用熱管型余熱經濟器在艦船余熱利用領域具有良好的應用前景。
[0042]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的精 神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍 之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，包括： 熱管，熱管外側環繞布置肋形熱管管束； 煙氣旁通腔，設置在所述熱管的一端，所述煙氣旁通腔內部采用消聲材料的結構； 煙氣擋板閥，設置在煙氣進口處，檢測余熱經濟器的出水溫度。2. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，經濟器熱水側設有安全 閥。3. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，系統管路設置壓力釋放 閥。4. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，煙氣側翅片節距達到 10.2mm〇5. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，煙氣流速變化為20m/s-6m/s_20m/s〇6. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，經煙氣加熱后，控制余熱 經濟器熱水出口溫度為85°C_95°C。7. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，其特征在于，熱管冷凝段留有總管長5% 長度的預留段。8. 如權利要求1所述的船用熱管型余熱經濟器，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
【發明人】林芃, 汪婦歡, 韓偉
【申請人】中國艦船研究設計中心