CN101196381B - 具有除尘功能的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有除尘功能的管壳式换热器。它包括壳体，位于壳体中心的一根中心管，位于壳体两端的上、下管板，连接于上、下管板之间的传热管束，两个管板分别与上、下封头相接，在两个管板之间设置有连续螺旋折流板，传热管束平行穿过折流板，两端分别固定在上、下管板上，在管束外围设置有除尘分离衬筒，衬筒和壳体之间有作为尘粒的沉降空间的间距，尘粒沉降空间沿轴向分层设置2-5个水平环形集尘盘，对应于每个集尘盘、在壳体上均布有排尘孔，排尘孔通过除尘引出管与集尘环管相连。本发明使换热器兼顾有除尘功能，降低了设备的投资成本，实现了提高经济效益和保护环境的有机结合；大大提高了换热器的换热效率，且使换热器的壳程阻力降低。

Description

具有除尘功能的管壳式换热器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种换热器，本发明也涉及一种除尘器，具体地说是一种同时具有换热和除尘功能的换热器。

(二)背景技术

煤作为燃料，约占我国能源消费结构的76％。煤在工业锅炉、化工、建材、冶金等行业的各种炉窑中燃烧后，会产生大量含有固体粉尘颗粒的废气和余热，这不仅造成能源的浪费，也对周围环境产生污染。

我国有几十万台中小型锅炉及相当数量的工业炉窑，其中很大一部分锅炉和炉窑缺乏空气预热和除尘装置。据测试，锅炉的实际运行效率一般只有50％-67％，而对一些典型炉窑的热效率进行测试的结果表明，加热炉30％-55％，锻造炉10％，熔化炉15％-40％，玻璃搪瓷窑6％-23％，烧成窑23％-47％。可以看出，这些锅炉和炉窑的效率很低，造成极大的能源浪费，同时也对环境带来严重的废热和粉尘污染。

要解决这个问题，一般需要在含尘烟道道上同时安装余热回收换热器和粉尘分离器。对于企业来说，这无疑会大大增加投资成本和运行成本。尤其是粉尘分离器，由于不能产生直接的经济效益，使企业的投资积极性大为降低。

为了能较好地兼顾环保、节能和企业自身的经济效益，专利申请号为94115818.7的专利文件中，公开了一种“涡旋除尘热交换方法及装置；专利申请号为93228230.X的专利申请文件中公开了一种“管道式除尘热管换热器”。其中前者是在离心式除尘分离器的内壁加设换热盘管，换热器的有效传热面积受到很大限制；后者是利用倾斜的热管外翅片进行除尘，这种方法存在尘粒的二次携带和翅片集灰积垢的可能。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种兼有换热器与除尘双重功能，使在大量回收工业余热获得经济效益的同时，不需要另行投资购买、安装除尘设备就可以实现除尘和保护环境目标的具有除尘功能的管壳式换热器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括一个换热器壳体，位于壳体中心的一根中心管，位于壳体两端的上、下管板，连接于上、下管板之间的传热管束，两个管板分别与上、下封头相接，在两个管板之间设置有连续螺旋折流板，传热管束平行穿过折流板，两端分别固定在上、下管板上，在管束外围设置有除尘分离衬筒，衬筒和壳体之间有作为尘粒的沉降空间的间距，尘粒沉降空间沿轴向分层设置2-5个水平环形集尘盘，壳体上与每个集尘盘对应的位置均布有排尘孔，排尘孔通过除尘引出管与集尘环管相连。

本发明还可以包括：

1、所述的除尘分离衬筒是一轴向分段、周向均布开设圆孔带或竖直狭缝带的多孔圆筒，除尘分离衬筒上有与壳程进口接管和壳程出口接管相连的两个孔，圆孔带或竖直狭缝带开设在壳程进口接管及集尘盘的下方。

2、所述的集尘盘为环形结构，其内缘与除尘分离衬筒的外壁相切，其外缘与换热器壳体的内壁面相切。

3、所述的连续螺旋折流板是由多个周期的螺旋片对接点焊连接而成，每个周期的螺旋片沿中心管轴向上升一个螺距，螺旋片首尾相接，形成连续的正螺旋面，螺旋面是左旋或右旋。

4、管程的进、出口接管分别设置在下封头和上封头上。

5、管程的进、出口接管均设置在下封头上，两者之间通过设置在下封头内的隔板隔离。

在这种螺旋折流板管壳式换热器内，螺旋折流板环绕中心管外缘成螺旋状连续展开，其内、外缘分别与中心管外壁和分离衬筒内壁相切，形成连续的螺旋形通道，使气体在通道中产生连续的螺旋流动，由此产生的离心力使气体连续不断的改变流动方向，从而加强了气体的纵向混合，对换热有利。螺旋流动产生的二次流强烈冲刷管束，使换热得到强化的同时，也使换热器更加不容易结垢。另外，由于壳侧气体的流动方向变化是连续的，不存在突变流动，因此可以使流动压降显著减小。总之，换热器采用连续螺旋折流板后，可以在很大程度上消除传统弓形折流板换热器所具有的流动阻力大、存在流动死区、换热效率低、易结垢、容易引起管束振动等缺点。与此同时，由于尘粒的密度远大于气体的密度，因此，尘粒在随气体流动的过程中，会在离心力的作用下向螺旋形流道的外缘聚集，并通过分离衬筒上的狭缝(或小孔)进入沉降区，从而达到除尘的目的。另外，气体中的尘粒也会在惯性力的作用下而与流道中的传热管壁面、折流板壁面、中心管壁面、分离衬筒壁面等发生碰撞，进而导致尘粒的沉降。这些尘粒也会在离心力的作用下向外移动进入沉降区，使换热器的除尘效率得到进一步提高。

所述的换热器可以是气-气换热器，也可以是气-水换热器。当为气-气换热器时，换热器的管程和壳程均采用单流程布置，这时管程的进、出口分别设置在下封头和上封头上；当为气-水换热器时，换热器的管程采用双流程布置，这时管程的进、出口均设置在下封头上。

所述的换热器壳程进、出口接管是这样布置的：上侧的进口接管和下侧的出口接管均穿过壳体和除尘分离衬筒，并与二者通过焊接连接，接管的外侧母线与除尘分离衬筒相切。含尘气体从上部进气管沿切向进入除尘分离衬筒内，然后沿螺旋形通道向下流动，在最下部的螺旋折流板端部沿切向进入出口接管，流出换热器。在此方案中，中心管的两端是堵死的。这样的进出口设计既有利于减少流动阻力，也有利于使主流气体更好地沿换热器通道产生螺旋流动，提高除尘效果。

与现有换热器相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过结构上的合理设计使换热器兼顾有除尘功能，降低了设备的投资成本，较好地实现了提高经济效益和保护环境的有机结合；

2、本发明大大提高了换热器的换热效率，且使换热器的壳程阻力降低；

3、本发明既适合于气-气换热器，也适合于气-水换热器。

(四)附图说明

图1是本发明的气-气除尘换热器的结构示意图；

图2是本发明的气-水除尘换热器的结构示意图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是除尘分离衬筒的展开图；

图6是图5的局部放大图；

图7是螺旋折流片展开图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图4，具有除尘功能的管壳式换热器的组成包括一个换热器壳体4，位于壳体中心的一根中心管12，位于壳体两端的上、下管板11、2，连接于上、下管板之间的传热管束7，两个管板分别与上、下封头9、1相接，在两个管板之间设置有连续螺旋折流板13，传热管束平行穿过折流板，两端分别固定在上、下管板上，在管束外围设置有除尘分离衬筒6，衬筒和壳体之间有作为尘粒的沉降空间的间距，尘粒沉降空间沿轴向分层设置3个水平环形集尘盘5，对应于每个集尘盘、在壳体上均布有排尘孔，排尘孔通过除尘引出管19与集尘环管3相连，引出管上设置有排尘阀门14。同时结合图5-6，所述的除尘分离衬筒是一轴向分段、周向均布开设圆孔带或竖直狭缝带21的多孔圆筒，圆孔带或竖直狭缝带开设在壳程进口接管、分层集尘盘的下方。所述的集尘盘为环形结构，其内缘与除尘分离筒的外壁相切，其外缘与换热器壳体的内壁面相切。连续螺旋折流板是由多个周期的螺旋片对接点焊连接而成，每个周期的螺旋片沿中心管轴向上升一个螺距，螺旋片首尾相接，形成连续的正螺旋面，螺旋面是左旋或右旋。

在换热器壳体4内，螺旋折流板13环绕中心管12成螺旋状展开，其内、外缘分别与中心管12的外壁和除尘分离衬筒6的内壁相切。传热管7保持与中心管12同轴平行地穿过螺旋折流板13上的管孔，两端分别固定在上、下管板11和2上，两个管板又分别与上、下封头9、1相接。在管束外围设置有除尘分离衬筒6，除尘分离衬筒6保持与中心管12同轴平行，将换热器内部空间分隔成内部管束空间和外侧环形尘粒的沉降空间，尘粒沉降空间分层设置有水平环形集尘盘5，在壳体与集灰盘相应位置均布有除尘引出管19，除尘引出管19又与集尘环管3相连。

换热器可以是图1所示的气-气换热器，也可以是如图2所示的气-水换热器。当为气-气换热器时，换热器的管程和壳程均采用单流程布置，这时管程的进、出口接管17、10分别设置在下封头1和上封头9上；当为气-水换热器时，换热器的管程采用双流程布置，这时管程的进、出口接管17、10均设置在下封头1上，两者之间通过设置在下封头1内的隔板18予以隔离。

如图5-6所示，除尘分离衬筒6是由矩形薄金属板沿纵向分段、横向均匀开设矩形除尘狭缝21和与壳程进出口接管8、15相连的孔20、22，然后卷制焊接而成。除尘分离衬筒6同轴安装在中心管12和换热器壳体4之间，换热器壳程上侧的进口接管8和下侧的出口接管15均穿过壳体4和除尘分离衬筒6，且接管的外侧母线与除尘分离衬筒相切，并通过焊接固定连接。

工作时，高温含尘气体从上部进气管8沿切向进入除尘分离衬筒6内，然后沿由中心管12、螺旋折流板13和除尘分离衬筒6构成的螺旋形通道向下流动。在此过程中，高温气体在把热量传递给待预热的冷流体(空气或水)的同时，也使尘粒在离心力和惯性力的作用下向螺旋形流道的外缘聚集，并通过分离衬筒6上的狭缝(或小孔)21进入沉降区，堆积在由集尘盘5、分离衬筒6和换热器壳体4构成的环形集尘腔内，从而达到除尘的目的。经过冷却和除尘的气体在螺旋形流道的末端，沿切向进入换热器下部的管程出口接管15，流出换热器。当待预热的工质是空气，则冷空气由管程入口接管17进入由下封头1和下管板2构成的入口水室，然后流过传热管7内侧，与壳侧的高温气体完成热量交换，最后经由上管板11和上封头9构成的出口水室及出口接管10流出换热器。当待预热的工质是水，则冷水由管程入口接管17进入由下封头1、下管板2和隔板18构成的入口水室，然后流经一半数量的传热管7内侧，与壳侧的高温气体完成热量交换，经由上管板11和上封头9构成的出口水室后，又返回另一半数量的传热管内侧与壳侧的高温气体进行热量交换，最后经由下封头1、下管板2和隔板18构成的出口水室及出口接管10流出换热器。

如图7所示给出了制作一个螺距长度的螺旋折流片展开图。为了叙述方便，定义：螺旋折流板外径为D、螺距为H、板宽为c；中心管外径为d；螺旋折流片展开图外半径为R、内半径为r、切角为α；螺旋折流片展开图外缘长度为a、内缘长度为b。实际加工时，先按下列各式计算相关参数：

$a=\sqrt{{\left(\mathrm{\πD}\right)}^2+H^2}$

$b=\sqrt{{\left(\mathrm{\πd}\right)}^2+H^2}$

$c=\frac{D-d}{2}$

$r=\frac{\mathrm{bc}}{a-b}$

R＝r+c

$\mathrm{\α}=360(1-\frac{a}{2\mathrm{\πR}})$

根据计算得到的R、r和α值，按如图5所示的展开图用金属板制作螺旋片坯料，然后将每一板片对接焊接连成一体，套在一外径为d的定位导杆上一次拉伸成型，再按节距截取，制成螺旋折流板片。将数片拉伸成型的螺旋片叠放在一起，安装到特制的加工模具上，先用铣刀划窝定位，然后用长钻头钻出所需尺寸的管孔，进而完成螺旋折流板单片的加工。将加工好的穿孔螺旋片首尾点焊连接，安装到换热器上就构成所需要的连续螺旋折流板13。螺旋面可以是左旋的，也可以是右旋的。

Claims (6)

1.一种具有除尘功能的管壳式换热器，它包括一个换热器壳体，位于壳体中心的一根中心管，位于壳体两端的上、下管板，连接于上、下管板之间的传热管束，两个管板分别与上、下封头相接，其特征是：在两个管板之间设置有连续螺旋折流板，传热管束平行穿过折流板，两端分别固定在上、下管板上，在管束外围设置有除尘分离衬筒，衬筒和壳体之间有作为尘粒的沉降空间的间距，尘粒沉降空间沿轴向分层设置2-5个水平环形集尘盘，壳体上与每个集尘盘对应的位置均布有排尘孔，排尘孔通过除尘引出管与集尘环管相连。

2.根据权利要求1所述的具有除尘功能的管壳式换热器，其特征是：所述的除尘分离衬筒是一轴向分段、周向均布开设圆孔带或竖直狭缝带的多孔圆筒，除尘分离衬筒上有与壳程进口接管和壳程出口接管相连的两个孔，圆孔带或竖直狭缝带开设在壳程进口接管及集尘盘的下方。

3.根据权利要求2所述的具有除尘功能的管壳式换热器，其特征是：所述的集尘盘为环形结构，其内缘与除尘分离衬筒的外壁相切，其外缘与换热器壳体的内壁面相切。

4.根据权利要求3所述的具有除尘功能的管壳式换热器，其特征是：所述的连续螺旋折流板是山多个周期的螺旋片对接点焊连接而成，每个周期的螺旋片沿中心管轴向上升一个螺距，螺旋片首尾相接，形成连续的正螺旋面，螺旋面是左旋或右旋。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的具有除尘功能的管壳式换热器，其特征是：管程的进、出口接管分别设置在下封头和上封头上。

6.根据权利要求1-4任何一项所述的具有除尘功能的管壳式换热器，其特征是：管程的进、出口接管均设置在下封头上，两者之间通过设置在下封头内的隔板隔离。

Images