一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统

摘要

本发明提供了一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，热流体从内管流过，回流冷流体从内外管之间的环形空间流过，内管外壁和外管外壁都包有保温层，内管外壁的保温层外包一层中间管，为了吸收内管及外保温层的膨胀，中间管与内管外壁的保温层留有一定的间隙。本发明克服了传统输热中冷、热管外壁面均向周围环境介质散热的问题，热流体损失的热量都被冷流体带回，仅冷流体通过外管向周围介质散热，由于冷流体的外管壁与环境介质的温度梯度小于传统方式的热流体的外管管壁与环境介质的温度梯度，避免了热流体管壁与环境介质的大温差散热，从而大大减少了输热管道的散热损失。

权利要求

1.一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：包括有中空的外管（2）和内管（1），内管（1）的两端分别连接供热来源端的热流体出口（3）和热用户端的热流体入口（4），外管（2）的两端分别连接热用户端的冷流体出口（5）和供热来源端的回流冷流体入口（6），内管（1）的外壁包覆有内管保温层（7），外管（2）的外壁包覆有外管保温层（8），内管保温层（7）外壁套有中间管（9），中间管（9）与外管（2）之间形成中空的环形空间。

2.如权利要求1所述的基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：所述中间管（9）与内管保温层（7）之间留有细小的间隙。

3.如权利要求1所述的基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：所述中间管（9）与外管（2）之间沿轴向设置有多个支撑架（10），所述外管（2）内侧设置有槽道，所述支撑架（10）的一端固定连接在中间管（9）上，另一端移动地连接在外管（2）的槽道内。

4.如权利要求3所述的基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：在所述支撑架（10）上均匀设置小孔，使外管（2）中被支撑架（10）分隔开的工质可以互相流动。

5.如权利要求1所述的基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：前后内管（1）之间采用法兰盘（11）连接，前后中间管（9）之间采用带有外螺纹的对丝（12）连接，前后外管（2）之间采用法兰盘（13）连接。

6.如权利要求1所述的基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其特征在于：安装过程中内管，中间管，外管的接头不对齐。

说明书

一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热量传输交换装置，特别是一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统。

背景技术

[0002] 在工农业生产和日常生活中，供热有着广泛的应用，与我们的生产和生活息息相关。传统的输热方式多为架空管道或地沟管道，输送热流体管道和回流冷流体管道各自独立，仅是在各自管道外壁包有保温层裸露在环境中，但冷热管道保温层的外壁面温度仍然高于环境温度，散热量较大，尤其是热管道的散热量更大，造成很大的热量浪费。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，其热损失小、结构紧凑、工艺简单且可靠性强。

[0004] 本发明基于逆流热交换原理的输热三层套管系统，包括有中空的外管和内管，内管的两端分别连接供热来源端的热流体出口和热用户端的热流体入口，外管的两端分别连接热用户端的冷流体出口和供热来源端的回流冷流体入口，内管的外壁包覆有内管保温层，外管的外壁包覆有外管保温层，内管保温层外壁套有中间管，中间管与外管之间形成中空的环形空间。

[0005] 作为本发明的优选实施例，所述中间管与内管保温层之间留有细小的间隙；

[0006] 作为本发明的优选实施例，所述中间管与外管之间沿轴向设置有多个支撑架，所述外管内侧设置有槽道，所述支撑架的一端固定连接在中间管上，另一端移动地连接在外管的槽道内；

[0007] 作为本发明的优选实施例，在所述支撑架上均匀设置小孔，使外管中被支撑架分隔开的工质可以互相流动。

[0008] 作为本发明的优选实施例，前后内管之间采用法兰盘连接，前后中间管之间采用带有外螺纹的对丝连接，前后外管之间采用法兰盘连接；

[0009] 作为本发明的优选实施例，安装过程中内管，中间管，外管的接头不对齐。

[0010] 本发明基于逆流热交换原理的输热三层套管系统至少具有以下优点：通过本发明装置进行热传输时，热流体从内管中流过，冷流体从中间管与外管之间的环形空间中流过。因为回流冷流体的温度一般情况下大于周围环境的温度，即热流体与冷流体的传热温差小于冷流体与环境气体的传热温差，所以热流体向冷流体的散热要小于使用传统管道时热流体向周围环境的散热，这样既可以减小热流体在输送过程中热量的损失，同时，这部分损失的热量被冷流体带回，避免了散失到环境中造成浪费，最大限度地减少热量输送过程的损失。

附图说明

[0011] 图1为本发明基于逆流热交换原理的输热三层套管系统的结构示意图；

[0012] 图2为图1中沿A-A向的剖视图；

[0013] 图3为安装过程中内管的连接方式图；

[0014] 图4为安装过程中中间管的连接方式图；

[0015] 图5为安装过程中外管的连接方式图。

[0016] 图中的标号如下表示：

[0017]1 内管 2 外管
3 供热来源端的热流体出口 4 热用户端的热流体入口
5 热用户端的冷流体出口 6 供热来源端的回流冷流体入口
7 内管保温层 8 外管保温层
9 中间管 10 支撑架
11 内管法兰盘 12 对丝
13 外管法兰盘

具体实施方式

[0018] 下面结合附图，对本发明基于逆流热交换原理的输热三层套管系统做详细描述：

[0019] 参见附图1至图5所示，本发明基于逆流热交换原理的输热三层套管系统包括有中空的外管2和内管1，内管1的两端分别连接供热来源端的热流体出口3和热用户端的热流体入口4，外管2的两端分别连接热用户端的冷流体出口5和供热来源端的回流冷流体入口6，内管1的外壁包覆有内管保温层7，外管2的外壁包覆有外管保温层8，内管保温层7外壁套有中间管9，为了吸收内管1和内管7保温层的膨胀，中间管9与内管保温层7之间留有一定的间隙，而中间管9与外管2之间形成的中空的环形空间。

[0020] 热量传输时，热流体从内管1中流过，冷流体从中间管9与外管2之间的环形空间中流过。因为回流冷流体的温度一般情况下大于周围环境的温度，即热流体与冷流体的传热温差小于冷流体与环境气体的传热温差，所以热流体向冷流体的散热要小于使用传统管道时热流体向周围环境的散热，这样既可以减小热流体在输送过程中热量的损失，同时，这部分损失的热量被冷流体带回，避免了散失到环境中造成浪费，最大限度地减少热量输送过程的损失。

[0021] 需要说明的是：由于输热过程中，输送热流体管道的温度要明显高于环境的温度，而传统输热管道中的热损失主要是输送热流体管道向环境的散热损失和输送冷流体管道向环境的散热损失，显然，热流体管道向环境的散热损失要大于冷流体管道向环境的散热损失。在本发明结构中，内管1和中间管9之间包覆有内管保温层7，减少了内管热流体向内管1和中间管9之间冷流体的导热量，同时也降低了外管2外表面的温度，减少了外管2向周围环境散热，进而减少整个系统的热损失。另外，中间管9与外管2之间的支撑是由沿轴向布置的支撑架10完成的，在支撑架10上每隔一定距离打有小孔，使外管2中被支撑架10分隔开的工质可以互相流动，保证环形空间内的流体压力和温度分布均匀，因此，本发明可以有效减少输送热流体管道的热损失并把这部分热损失由回流冷流体带回，大幅度地减少散热损失。

[0022] 所述内管保温层7由保温效果较好的石棉材料制成，具体厚度应视输热距离和冷热流体的温差而确定，在达到保温要求的前提下应尽可能减少厚度，从而减少整体尺寸。

[0023] 供热热流体从内管1中流过，向热用户供热之后流体温度降低，成为回流冷流体，从外管2与中间管9的环形空间内流回。在传统供热方式中，热流体管道和冷流体管道都只是外包保温层后就置于环境中，两个管道都向外界散热，尤其是热流体管道，由于流体温度较高，导致外包保温层外部温度仍然较高，向外界散热量较大。本发明的输热管道，冷流体流经的外管2套于热流体流经的内管1外部，因为回流冷流体的温度仍高于环境介质温度，且内外管1、2之间装有保温层，所以内管1中热流体的散热量要小于传统供热中热流体管道直接置于环境介质中的散热量，使得热流体流经输热管道的温度降低值减小，减少热量输送过程中的热损失；同时，这部分散热又被冷流体带回，降低了直接散失给环境造成热量损失。其中，外管2外包覆的外管保温层8减少了回流冷流体向环境的散热。

[0024] 由于传统供热中主要的热量损失来自热流体管道，而本发明中热流体管道损失的热量不仅减少，而且大部分被回流冷流体带回，冷流体损失的热量与传统供热时相差较小，从而大大提高了整体效率，减少了散热损失。内管外壁包覆的内管保温层，减少了内管内热流体向中间管9与外管2之间环形空间冷流体的导热量，保证热流体品质，同时也避免了外管2中冷流体由于吸热温度上升从而造成外管2外表面的温度上升，控制了外管冷流体向环境的散热，减少整个系统的热损失。采用本发明的输热管道，还可以减少安装成本，避免了传统供热管道需要架设两根管道的情况，节省空间。

[0025] 本发明输热三层套管在制造和安装过程中采取以下措施保证该技术的顺利实施：输热套管的内管1、中间管9与外管2是分体结构，内管1和外管2两端分别与内管法兰盘
11和外管法兰盘13焊接，中间管9两端均有一段内螺纹，以利于在安装过程中管道采取不同的连接方式。当内管1外壁包覆内管保温层7后，套上中间管9和外管2，内管1、中间管
9与外管2均可以相对运动，而且内管1、中间管9与外管2的长度不等，即安装过程中各个管道的接头不能对齐，有利于由内到外进行管道的安装施工，供热管道的起始端（供热来源端）和终端（热用户端）分别安装在内管1的两端。

[0026] 安装过程由内向外，内管1通过内管法兰盘11连接，然后在内管1的外壁加内管保温层7，内管保温层的厚度大于内管法兰盘11的尺寸；然后将中间管9套在内管1保温层外，中间管9采用带有外螺纹的对丝12连接，对丝12套在保温后的内管1上，保证两段中间管9紧密连接；然后套上外管2，外管2与内管1的连接方式一致，采用外管法兰盘13连接，安装好后包覆外管保温层8。内管1、中间管9与外管2在供热管道安装前均可以相对运动，在供热管道安装后则相对固定。内管保温后仍与中间管9之间留有一定的间隙，既可以吸收内管1及内管保温层7的受热膨胀，还可以保证在安装过程中中间管9与内管1之间留有余地，中间管9与外管2之间的支撑是由沿轴向的支撑架10完成的，该支撑架10与中间管9焊接成一体，在外管2内侧布置支撑架的槽道，以利于在安装过程中中间管9和外管2之间的相对运动。在支撑架10上每隔一定距离打孔，保证环形空间内的流体压力和温度分布均匀。

[0027] 下面，结合实施例具体说明：

[0028] 实例1：保温材料取石棉绒，导热系数为0.077W/(m·K)，供热距离为10000米，环-4境温度为0℃，供热热源段热流体出口蒸汽温度为255.8℃，压力为4×10 Pa，质量流量为
10kg/s，热用户端冷流体出口温度为130℃。

[0029] （1）若采用传统供热管道，分别设置输送热流体管道和回流冷流体管道，管道外径为150mm，保温层厚度为60mm。设热用户端热流体入口温度为t1，则管道平均温度为为简化计算，认为管壁的热阻与保温层相比可以忽略，用管道的平均温度进行计算。设保温层外壁面平均温度为t2，则有

[0030]

[0031] Φ2'=cm(300-t1)

[0032] Φ3'=h(t2-0)

[0033] 其中

[0034] 式中：

[0035] Φ1'——管道向保温层外壁散失的热流量/W；

[0036] Φ2'——管道中流体温度降低过程中散失的热流量/W；

[0037] Φ3'—保温层外壁向环境散失的热流量/W；

[0038] r1——管道外径/m；

[0039] r2——管道加装保温层后的外径/m；

[0040] λ——保温层导热系数/W·(m·K)-1；

[0041] l——管道长度/m；

[0042] c——工质比热容/J·（kg·K）-1；

[0043] m——工质质量/kg；

[0044] h——保温层外壁面对流传热表面传热系数/W·(m2·K)-1；

[0045] Gr——格拉晓夫数；

[0046] Pr——普朗特数；

[0047] Nu——努赛尔数。

[0048] 易知稳态时Φ1'=Φ2'=Φ3'，先假定保温层外壁面平均温度t2，经过多次迭代，计算得热用户端热流体入口温度t1=221.3℃，热流体管道保温层外壁面平均温度为t2=43.2℃，损失热量Φ=1698897W。

[0049] 对回流冷流体进行考虑，同理进行计算可得供热热源端冷流体入口温度为95.9℃，冷流体管道保温层外壁面平均温度为22.7℃，损失热量Φ=738139W。

[0050] （2）采用本发明中的套管管道之后，设热流体平均温度为t3，冷流体平均温度为t4，外管保温层外壁面温度为t5，内管外径仍为150mm，内管外壁的保温层厚度为60mm，外管外径经计算得为308mm，外管外包保温层的厚度为60mm，根据传统管道中的计算结果，首先假定冷流体平均温度为110℃，有

[0051]

[0052] Φ2=cm(300-t热入口)

[0053]

[0054] Φ4=h(t5-0)

[0055] Φ5=cm(130-t冷入口）

[0056] 式中：

[0057] Φ1——热流体透过内管保温层向冷流体传导的热流量/W；

[0058] Φ2——内管中热流体流动中温度降低过程散失的热流量/W；

[0059] Φ3——外管中冷流体向外包保温层外壁散失的热流量/W；

[0060] Φ4——外管外包保温层外壁面向环境散失的热流量/W；

[0061] Φ5——外管中冷流体流动中温度降低过程散失的热流量/W；

[0062] r1——内管外径/m；

[0063] r2——内管加装保温层后外径/m；

[0064] r3——外管外径/m；

[0065] r4——外管加装保温层后外径/m；

[0066] t热入口——热用户端热流体入口温度/℃；

[0067] t冷入口——供热热源端冷流体入口温度/℃；-1

[0068] λ——保温层导热系数/W·(m·K) ；

[0069] l——管道长度/m；-1

[0070] c——工质比热容/J·（kg·K） ；

[0071] m———工质质量/kg；2 -1

[0072] h——管道对流传热表面传热系数/W·(m·K) 。

[0073] 稳态时，Φ1=Φ2，Φ3=Φ4，Φ5=Φ1-Φ3，经过多次迭代后可得，外管保温层外壁面温度为26.5℃，供热热源端冷流体入口温度为117.6℃，热用户端热流体入口温度为231.1℃，高于使用传统供热管道时的221.3℃，较大程度地提高了向热用户的供热品质，向外界环境的散热损失Φ=1294276W，小于使用传统供热管道时的Φ=1698897+738139=2437036W，减少热损失约为46.8%。

[0074] 实例2：保温材料取石棉绒，导热系数为0.077W/(m·K)，供热距离为10000米，环-4境温度为0℃，供热热源段热流体出口蒸汽温度为255.8℃，压力为4×10 Pa，质量流量为
10kg/s，热用户端冷流体出口温度为50℃。

[0075] （1）若采用传统输热管道，分别设置输送热流体管道和回流冷流体管道，管道外径为150mm，保温层厚度为60mm。同实例1中的计算方法，多次迭代后可得热用户端热流体入口温度t1=221.3℃，热流体管道保温层外壁面平均温度为t2=43.2℃，损失热量Φ热=1698897W。

[0076] 同理可得供热热源端冷流体入口温度为36.3℃，冷流体管道保温层外壁面平均温度为11.7℃，损失热量Φ冷=257654W。

[0077] （2）采用本发明中的套管管道之后，同实例1中的计算方法，经过多次迭代后可得，外管保温层外壁面温度为17.6℃，供热热源端冷流体入口温度为88.9℃，热用户端热流体入口温度为224.4℃，高于使用传统供热管道时的221.3℃，提高了向热用户的供热品质，向外界的散热损失Φ=747117W，小于传统供热管道时的Φ=1698897+257654=1956551W，减少热损约为61.8%

[0078] 实例3：保温材料取石棉绒，导热系数为0.077W/(m·K)，供热距离为10000米，环-4境温度为20℃，供热热源段热流体出口蒸汽温度为255.8℃，压力为4×10 Pa，质量流量为
5
10kg/s，热用户端冷流体出口温度为130℃，压力为2.7×10Pa。

[0079] （1）若采用传统输热管道，分别设置输送热流体管道和回流冷流体管道，管道外径为150mm，保温层厚度为60mm。同实例1中的计算方法，多次迭代后可得热用户端热流体入口温度t1=225.7℃，热流体管道保温层外壁面平均温度为t2=60.4℃，损失热量Φ热=1436699W。269.48℃，热流体管道保温层外壁面平均温度为t2=67.3℃，损失热量Φ热=1789183W。

[0080] 同理可得供热热源端冷流体入口温度为101.4℃，冷流体管道保温层外壁面平均温度为40.1℃，损失热量Φ冷=622421W。

[0081] （2）采用本发明中的套管管道之后，同实例1中的计算方法，经过多次迭代后可得，外管保温层外壁面温度为44.6℃，供热热源端冷流体入口温度为127.4℃，热用户端热流体入口温度为234.9℃，高于使用传统供热管道时的225.7℃，提高了向热用户的供热品质，向外界的散热损失Φ=1207457W，小于传统供热管道时的Φ=1789183+622421=2411604W，减少热损约为49.9%。

[0082] 以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。