管道换热单元及换热器

技术领域

本发明涉及压缩燃气加热装置技术领域，具体涉及一种管道换热单元及换热器。

背景技术

燃气在储存、输送过程中气压较大，在供给时，需要通过调压设备对气压进行降压后，再供给下游压力级别更低的区域。气压降压的过程中，会释放大量的能量，能量的源头之一便是不可逆的气体温度的下降。按照气体压降与温度温降的比例关系，气压每下降0.2MPa，则温度下降1℃，当调压环节存在较高的前后压差时，压降带来的温降会将调压后的气体温度降至0℃以下。

而0℃以下会带来多方面的不利影响：1）气质内水气结冰，造成冰堵，影响供气；2）管道外壁结霜，甚至结冰，破坏管道防腐层，加快钢管的腐蚀；3）低温会影响下游橡胶密封件的密封性能、仪表精确度等。

因此，在大压差调压工况下，需要考虑加热的方式对气体温度进行补偿。目前通常采用的方案包括：水浴式换热器、电加热器等，对调压前的气体先加热，再降压，通过加热对温降差值进行补偿。

但是，采用水浴式换热器或电加热器进行加热，存在设备成本费用较高，运行能源消耗较大的问题，且能源消耗是连续不断产生的，运行费用巨大。以电加热器为例，一个天然气站场，若采用300KW功率的电加热器，则每小时耗电300度，每天折算8小时的高峰运行时间，则每日耗电量为2400度，对用户来说无疑是不小的开支，也是能源的浪费。而水浴式换热器同样涉及能源消耗问题，换热器中的热水介质是需要电或者气对其进行加热后，再通过水介质与天然气进行换热，也存在较大的能源消耗。因此，我们急需研发一种能源耗费低、节能环保的燃气换热器，以增加调压前燃气的温度，避免调压后温度降至0℃以下。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中对燃气加热主要依赖外部热源，能源消耗大的问题，提供一种管道换热单元及换热器，通过管道布局，利用涡流效应加热和大气热传导加热，实现对管道内气体进行加热的功能，该换热器结构设计合理，无需消耗外部能源即可运行，节能环保。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

管道换热单元，包括进气管，所述进气管连接有涡流管喷嘴，所述涡流管喷嘴连接涡旋室，所述涡旋室连接热流管和冷流管，所述热流管经热流出气口连接至总出气口，所述热流出气口内安装有调节阀；所述冷流管连接换热管，所述换热管与大气接触进行换热，后连接至总出气口排出。

进一步地，所述调节阀为温度控制阀。

管道换热器，其特征在于，包括若干个如以上所述的管道换热单元，若干所述进气管一端均与同一进气室连接，另一端分别与涡流管喷嘴连接，所述进气室设总进气口；若干所述热流出气口和若干所述换热管均连接至同一出气室，所述出气室上设总出气口。

进一步地，还包括第一汇气室，所述第一汇气室连接若干所述冷流管的出气端，和若干所述换热管的进气端。

进一步地，还包括第二汇气室，所述第二汇气室与若干所述换热管的出气端连接，并经汇集通道连接至出气室。

进一步地，所述进气室和出气室分设两端，所述第二汇气室靠近进气室设置，所述第一汇气室位于中部，若干所述涡旋室位于所述第一汇气室和出气室之间。

进一步地，所述进气室、第二汇气室、第一汇气室和出气室均为同轴设置的圆柱形腔体。

进一步地，所述汇集通道穿过第一汇气室，与第二汇气室和出气室同轴连通。

进一步地，所述进气管、热流管、冷流管、换热管和汇集通道均平行设置。

进一步地，所述进气室与总进气口之间、出气室和总出气口之间均设有汇流筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明管道换热单元及换热器，通过管道布局及管道结构的设计，利用涡流效应对气体进行加热，并设置换热管对涡流效应中排出的冷流气体部分进行大气换热加热，实现对燃气管道中燃气的加热功能。该换热器结构简单、设计合理，无需提供外部能源即可运行，可有效节约能源，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中管道换热器的立体结构示意图。

图2为本发明中管道换热器的剖示结构示意图。

图3为本发明中管道换热器的工作原理示意图。

图4为涡流管的结构示意图。

图5为本发明中换热器换热管束、第一汇气室、冷流管、汇集通道的结构示意。

图6为本发明换热器中涡流管束的结构示意图。

附图标记：

1、进气室；11、总进气口；12、汇流筒；2、出气室；21、总出气口；3、进气管；31、涡流管喷嘴；4、涡旋室；41、热流管；42、热流出气口；421、调节阀；5、第一汇气室；6、换热管；7、第二汇气室；8、汇集通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种管道换热单元及换热器，该换热单元及换热器可应用于燃气输送管道上，用于对降压调压前的气体进行加热，以补偿后续降压调压时的温降差值。

管道换热单元，包括进气管3，进气管3用于提供管道来气，一端连接有涡流管喷嘴31，涡流管喷嘴31的出口端与涡旋室4连接。涡旋室4的两侧分别连接有热流管41和冷流管51，热流管41和冷流管51相对应同轴设置。热流管41的另一端经热流出气口42连接至总出气口21，热流出气口42内安装有调节阀421，可调节热流出气口42排出气体的流速。冷流管51另一端连接换热管6，换热管6与大气充分接触，可进行换热，然后连接至总出气口21将气体排出。

其中，换热管6应由导热性强的材料制成，如金属材料、铝合金等，可更好的实现气体在换热管6中流动时，与大气进行热交换。

调节阀421可为温度控制阀，可有效控制通过热流出气口42排出气体的温度，保证气体被有效加热。当然，调节阀421也可以是其他流量调节阀，如针型调节阀等。

参见图3和图4，气体经过涡流管喷嘴31、涡旋室4、热流管41、热流出气口42、调节阀421及冷流管51等组成的“涡流管”后，产生涡流效应，实现对部分气体进行加热，并将加热后的部分气体由总出气口21排出；然后另一部分冷流气体再经过换热管6与大气进行换热后由总出气口21排出，实现对通过该管道换热单元的气体进行加热。

涡流效应原理：气流通过进气管3进入涡流管喷嘴31发生喷射，对气流进行加速，使气体在涡旋室4中高速旋转，一部分气体在高速旋转并与室壁摩擦后获得加热效果成为热流，另一部分气体则为冷流，两股气流从涡旋室4进入热流管41，其中，热流贴近热流管41的管壁旋转前进，冷流则沿管中心部分前进。当气流到达热流出气口42中的调节阀421处时，热流经逐渐升温后气压上升，冷流则因气压逐渐降低而受压差影响开始反向运动，热流经调节阀421稳压后从热流出气口42排出。冷流在返回涡旋室4后，因压差影响，向冷流管51方向运行。

如图1至图3所示，管道换热器，包括若干个上述的管道换热单元，其中，所有换热单元的进气管3的前端均与同一个进气室1相连通，后端均分别连接有涡流管喷嘴31及涡旋室4；进气室1设有一个总进气口11，总进气口11通过法兰盘与燃气管道上游连接。若干换热单元的热流出气口42和换热管6均连接至同一个出气室2，出气室2上设一个总出气口21，总出气口21通过法兰盘与燃气管道下游连接。

其中，进气室1和总进气口11之间安装有一圆锥形结构的汇流筒12，燃气管道中的气体由总进气口11进入进气室1后经汇流筒12扩散，使气体更易分散进入各进气管3中。出气室2和总出气口21之间也安装有圆锥形结构的汇流筒12，可使加热后汇集在出气室2内的气体，更好的汇流进入燃气管道中流向下游。

进一步地，管道换热器还包括有第一汇气室5，第一汇气室5与若干换热单元中的冷流管51的出气端相连通，还与若干换热单元中的换热管6的进气端相连通。其中，冷流管51和换热管6分别与第一汇气室5相对应的两侧连通。由冷流管51流出的冷流均汇入第一汇气室5后，再进入换热管6中与大气进行换热。

管道换热器还包括第二汇气室7，第二汇气室7与若干换热管6的出气端连接，且与汇集通道8连接，汇集通道8再连接至出气室2。在换热管6中与大气换热加热后的气流进入第二汇气室7后，由汇集通道8流向出气室2端，经出气室2上的总出气口21排至燃气管道的下游段。

较优地，参见图5，换热管6的数量大于等于冷流管51的数量，在管道换热器中所有的换热管6均匀密集分布形成换热管束，进气端与第一汇气室5连接、出气端与第二汇气室6连接。需与大气进行换热的冷流在第一汇气室5汇合后进入换热管束，在换热管束中进行换热后，再汇合入第二汇气室7中混合由汇集通道8排出，可使冷流均匀的与大气进行换热，使换热器运行更加稳定。

具体地，参见图1至图3，管道换热器中，进气室1和出气室2分设于两端，第二汇气室7靠近进气室1设置，第一汇气室5位于中部；若干涡旋室4位于第一汇气室5和出气室2之间。进气管3由进气室1端向出气室2端延伸，与涡流管喷嘴31及涡旋室4连接；热流管41一端连接涡旋室4，另一端经热流出气口42连接至出气室2；进气管3中气体流动方向与热流管41热流的流动方向一致。冷流管51连接涡旋室4和第一汇气室5，换热管6连接第一汇气室5和第二汇气室7，气流在冷流管51和换热管6中反向流动，即与进气管3中气流流动方向相反。第二汇气室7再经汇集通道8连接至出气室2，汇集通道8中气流流动方向与进气管3中气流流动方向一致。

进气室1、第二汇气室7、第一汇气室5和出气室2优选为圆柱形腔体，且均同轴设置。参见图1和图6，若干涡旋室4、热流管41及冷流管51呈圆柱形结构分布与第一汇气室5和出气室2相适配。若干进气管3分布于第一汇气室5、第二汇气室7的外周。

其中，汇集通道8设于换热器的中，一端连接第一汇气室5中部，另一端连接出气室2中部，穿过第一汇气室5设置。即汇集通道8与第一汇气室5、第二汇气室7和出气室2等同轴设置。

进一步的，参见图1至图3、图5至图6，优选进气管3、热流管41、冷流管51、换热管6和汇集通道8均相互平行设置。汇集通道8位于轴心，换热管6组成的管束位于汇集通道8外围，若干进气管3位于换热管束的外侧；冷流管6和热流管41位于同一圆柱型的圆周表面上，与涡旋室4两侧一一对应。使得换热器的结构更加简洁、设计更加合理。

本发明换热器的运行过程：

该换热器安装于燃气管道上，总进气口11与燃气管道上游端连接，总出气口21与燃气管道下游端连接；气流由总进气口11进入进气室1，在进气室1混合后进入各进气管3，经涡流管喷嘴31喷射加速进入涡旋室4，在涡旋室4内高速旋转，根据涡流效应，一部分气体在高速旋转与室壁摩擦后加热成为热流，另一部分气体则为冷流，两股气流从涡旋室4进入热流管41，其中，热流贴近热流管41的管壁旋转前进，冷流则沿管中心部分前进；当气流到达热流出气口42中的调节阀421处时，热流经逐渐升温后气压上升，冷流则因气压逐渐降低而受压差影响开始反向运动，热流经调节阀421稳压后从热流出气口42排出；冷流在返回涡旋室4后，因压差影响，向冷流管51运行，进入第一汇气室5后再进入换热管6中，通过换热管6与大气接触换热，实现对冷流进行加热，加热后的气体汇入第二汇气室7内混合，然后经汇集通道8排至出气室2，经总出气口21排出。

在上文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。