CN101660765A - 一种组合式高温空气预热装置 - Google Patents

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孙锐
原丰贞
廖坚
宋新朝
吴少华
朱群益
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Abstract

一种组合式高温空气预热装置，它涉及一种高温空气预热装置。本发明解决了现有的高温空气预热装置存在的换热效果差、易损坏、造价昂贵和换热管束在运行中易产生较大的温差应力的问题。本发明的陶瓷换热管的进口端穿过陶瓷壳体进口端的阶梯孔与空气入口风罩连通，陶瓷换热管的进口端套装有压紧弹簧，陶瓷换热管的出口端穿过陶瓷壳体与空气出口风罩连通；金属壳体安装在陶瓷壳体的下端面上，集气箱安装在金属壳体的外壁上，U型金属换热管的进口端穿过金属壳体与进气集气箱连通，U型金属换热管的出口端穿过金属壳体与出气集气箱连通。本发明换热效果好、结构简单且造价低，同时本发明消除了换热管在运行中产生的较大的温差应力。

Description

一种组合式高温空气预热装置
技术领域
本发明涉及一种高温空气预热装置，具体地说是一种利用烟气的热量来加热燃烧所需空气的热交换设备，是为燃烧挥发分较低、反应性较差、发热值较低的固体燃料的高温空气燃烧装置使用的高温空气预热器。
背景技术
对于采用低热值固体燃料的燃烧系统，如果不对助燃空气进行有效预热，很难满足工业加热和燃料的有效燃尽的要求。在对助燃空气进行有效预热后，完全可以满足工业加热的高温要求和难燃固体燃料的高效燃尽。目前，我国工业锅炉烟气余热回收普遍使用的管式空气预热器对助燃空气进行预热，空气走壳程，烟气走管程，实现错流间壁传热，换热管束固定在上下管板之间。空气预热器一般由金属材料或陶瓷材料制成，由于普通金属材料耐温性能较差，一般只能布置在尾部低温烟道中，出口被加热空气最高温度不超过450℃，而如果要提高预热空气温度，就得选用非常昂贵的材料，这在经济上不合理；而采用陶瓷材料的空气预热器，由于陶瓷材料的换热效果较差，预热空气的最高温度也不会太高。此外，换热管束中各管之间存在烟气流量和温度的差异，使各管的热膨胀量不等，再加上管壳之间的不等量膨胀，使换热管束在运行中产生很大的温差应力。使用一段时间后很容易发生管板与管的焊接部位断裂，设备损坏。国外为解决这一问题，采取了复杂的单管补偿方法和优质钢材，使该设备结构复杂，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的高温空气预热装置存在的换热效果差、易损坏、造价昂贵和换热管束在运行中易产生较大的温差应力的问题，进而提供一种组合式高温空气预热装置。
本发明的技术方案是：一种组合式高温空气预热装置由陶瓷换热器、空气转接管和金属换热器组成；所述陶瓷换热器包括空气出口风罩、陶瓷壳体、陶瓷换热管束、多个压紧弹簧和空气入口风罩；所述金属换热器包括金属壳体、金属换热管束、空气出口接管、集气箱、中间隔板和空气入口接管；所述陶瓷壳体的上端开有烟气进口，所述陶瓷壳体的进口端面上安装有空气入口风罩，所述陶瓷壳体的出口端的端面上安装有空气出口风罩，所述陶瓷换热管束固装在陶瓷壳体内，所述陶瓷换热管束由多根陶瓷换热管组成，每根陶瓷换热管的进口端均穿过陶瓷壳体进口端的阶梯孔与空气入口风罩连通，每根陶瓷换热管的进口端均套装有压紧弹簧，所述压紧弹簧的一端抵靠在陶瓷壳体进口端的阶梯孔的台阶端面上，压紧弹簧的另一端抵靠在陶瓷换热管进口端的台阶端面上，每根陶瓷换热管的出口端均穿过陶瓷壳体与空气出口风罩连通；所述金属壳体安装在陶瓷壳体的下端面上，且与陶瓷壳体连通，所述金属壳体的下端面上开有烟气出口，所述集气箱安装在金属壳体的外壁上，所述中间隔板安装在集气箱内，且将集气箱分隔为进气集气箱和出气集气箱，所述空气入口接管安装在进气集气箱的外壁上且与进气集气箱连通，所述空气出口接管安装在出气集气箱的外壁上且与出气集气箱连通，所述空气转接管的一端与空气出口接管连通，所述空气转接管的另一端与空气入口风罩连通，所述金属换热管束固装在金属壳体内，金属换热管束由多根U型金属换热管组成，每根U型金属换热管的进口端均穿过金属壳体与进气集气箱连通，每根U型金属换热管的出口端均穿过金属壳体与出气集气箱连通。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的金属换热器具有气密性好，传热效率高，制造技术成熟的优点，而陶瓷换热器作为高温余热回收装置，换热器具有良好的耐高温、耐腐蚀及抗热冲击性能。陶瓷与金属组合式的空气预热装置集中了陶瓷材料和金属材料的优点，用陶瓷材料承受高温烟气热冲击，用金属材料提高换热综合热效率，达到有效的组合。本发明换热效果好、结构简单、使用寿命长且造价低，同时本发明通过采用压紧弹簧和U型金属换热管消除了换热管在运行中产生的较大的温差应力。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视剖视图(图中的实心箭头为空气流方向，空心箭头为烟气流向)，图2是图1的a处局部放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种组合式高温空气预热装置由陶瓷换热器10、空气转接管16和金属换热器11组成；所述陶瓷换热器10包括空气出口风罩4、陶瓷壳体5、陶瓷换热管束、多个压紧弹簧8和空气入口风罩9；所述金属换热器11包括金属壳体1、金属换热管束、空气出口接管12、集气箱13、中间隔板14和空气入口接管15；所述陶瓷壳体5的上端开有烟气进口5-3，所述陶瓷壳体5的进口端面上安装有空气入口风罩9，所述陶瓷壳体5的出口端的端面上安装有空气出口风罩4，所述陶瓷换热管束固装在陶瓷壳体5内，所述陶瓷换热管束由多根陶瓷换热管6组成，每根陶瓷换热管6的进口端均穿过陶瓷壳体5进口端的阶梯孔5-1与空气入口风罩9连通，每根陶瓷换热管6的进口端均套装有压紧弹簧8，所述压紧弹簧8的一端抵靠在陶瓷壳体5进口端的阶梯孔5-1的台阶端面5-2上，压紧弹簧8的另一端抵靠在陶瓷换热管6进口端的台阶端面6-1上，每根陶瓷换热管6的出口端均穿过陶瓷壳体5与空气出口风罩4连通；所述金属壳体1安装在陶瓷壳体5的下端面上，且与陶瓷壳体5连通，所述金属壳体1的下端面上开有烟气出口1-1，所述集气箱13安装在金属壳体1的外壁上，所述中间隔板14安装在集气箱13内，且将集气箱13分隔为进气集气箱13-1和出气集气箱13-2，所述空气入口接管15安装在进气集气箱13-1的外壁上且与进气集气箱13-1连通，所述空气出口接管12安装在出气集气箱13-2的外壁上且与出气集气箱13-2连通，所述空气转接管16的一端与空气出口接管12连通，所述空气转接管16的另一端与空气入口风罩9连通，所述金属换热管束固装在金属壳体1内，金属换热管束由多根U型金属换热管2组成，每根U型金属换热管2的进口端均穿过金属壳体1与进气集气箱13-1连通，每根U型金属换热管2的出口端均穿过金属壳体1与出气集气箱13-2连通。陶瓷换热器10可多个在烟气流程上串联布置，各个陶瓷换热器10之间的预热空气由内衬耐高温材料的连接管输送，最终达到设备要求的烟温降和高温空气的预热温度。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷换热管6采用再结晶SiC材料制成。如此设置，提高了陶瓷换热管的气密性和防腐性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷换热管6为经过渗Si处理的陶瓷换热管。如此设置，陶瓷换热管的气密性和防腐性能更高。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷换热器10还增加有多个内插件7，每根陶瓷换热管6内均安装有内插件7。由于SiC换热管处于900℃～1200℃的烟气流中工作，相对于SiC换热管外烟气对SiC换热管壁的辐射和对流作用的综合传热系数而言，SiC换热管内空气侧的对流换热器系数较小，显然，SiC换热管的热阻主要来源于SiC换热管内空气侧，通过在SiC换热管内安装内插件，通过内插件的黑度大、流体阻力小和角系数大的特性有效吸收了SiC换热管壁的辐射能，从而提高内插件的温度，再以对流方式将热量传递给空气，相当于扩大了空气侧的传热面积，同时，内插件增加了SiC换热管内流体的扰动，提高了SiC换热管内对流传热膜系数。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的金属换热器11还增加有折流板3，所述折流板3安装在金属壳体1内，且与U型金属换热管2呈45°角设置。如此设置，使烟气呈湍流状态横流过金属换热管束，增强了传热效率。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
本发明的高温空气预热装置的工作过程如下(参见图1)：常温空气通过空气入口接管15进入进气集气箱13-1中，然后进入金属换热器11中，空气在U型金属换热管2中流动，与U型金属换热管2外的烟气进行对流换热，空气被加热到400℃左右后流回出气集气箱13-2中，从空气出口接管12流出，再通过空气入口风罩9进入陶瓷换热器10中，初步预热了的空气在陶瓷换热管6中流动，与陶瓷换热管6外的高温烟气进行换热，被加热到600℃～800℃以上后从空气出口风罩4排出；高温烟气从炉膛出口出来后，直接进入陶瓷换热器10的壳程，与陶瓷换热管6内已经被初步预热了的空气进行换热，在陶瓷换热器中被冷却至500℃以下后烟气进入金属换热器11，与U型金属换热管2内的空气进行对流换热，在折流板3的作用下呈湍流状态流过，最后被空气冷却到较低的温度，排出预热装置。本发明压紧弹簧8的采用消除了由于温差应力导致的陶瓷换热管6的热胀冷缩，在空气入口侧的低温段，用压紧弹簧8将陶瓷换热管6压紧固定，这种结构既能吸收陶瓷换热管6的膨胀，又能很好的实现滑动密封。在烟气低温段，采用普通碳素钢金属换热器，换热管采用单回程U型金属换热管。U型金属换热管一端固定，另一端为自由端，自由端可任意伸缩。折流板3安装在金属壳体1内，与U型金属换热管2呈45°角，使烟气呈湍流状态横流过金属换热管束，增强了传热效率。

Claims (5)

1、一种组合式高温空气预热装置，它由陶瓷换热器(10)、空气转接管(16)和金属换热器(11)组成；其特征在于：所述陶瓷换热器(10)包括空气出口风罩(4)、陶瓷壳体(5)、陶瓷换热管束、多个压紧弹簧(8)和空气入口风罩(9)；所述金属换热器(11)包括金属壳体(1)、金属换热管束、空气出口接管(12)、集气箱(13)、中间隔板(14)和空气入口接管(15)；所述陶瓷壳体(5)的上端开有烟气进口(5-3)，所述陶瓷壳体(5)的进口端面上安装有空气入口风罩(9)，所述陶瓷壳体(5)的出口端的端面上安装有空气出口风罩(4)，所述陶瓷换热管束固装在陶瓷壳体(5)内，所述陶瓷换热管束由多根陶瓷换热管(6)组成，每根陶瓷换热管(6)的进口端均穿过陶瓷壳体(5)进口端的阶梯孔(5-1)与空气入口风罩(9)连通，每根陶瓷换热管(6)的进口端均套装有压紧弹簧(8)，所述压紧弹簧(8)的一端抵靠在陶瓷壳体(5)进口端的阶梯孔(5-1)的台阶端面(5-2)上，压紧弹簧(8)的另一端抵靠在陶瓷换热管(6)进口端的台阶端面(6-1)上，每根陶瓷换热管(6)的出口端均穿过陶瓷壳体(5)与空气出口风罩(4)连通；所述金属壳体(1)安装在陶瓷壳体(5)的下端面上，且与陶瓷壳体(5)连通，所述金属壳体(1)的下端面上开有烟气出口(1-1)，所述集气箱(13)安装在金属壳体(1)的外壁上，所述中间隔板(14)安装在集气箱(13)内，且将集气箱(13)分隔为进气集气箱(13-1)和出气集气箱(13-2)，所述空气入口接管(15)安装在进气集气箱(13-1)的外壁上且与进气集气箱(13-1)连通，所述空气出口接管(12)安装在出气集气箱(13-2)的外壁上且与出气集气箱(13-2)连通，所述空气转接管(16)的一端与空气出口接管(12)连通，所述空气转接管(16)的另一端与空气入口风罩(9)连通，所述金属换热管束固装在金属壳体(1)内，金属换热管束由多根U型金属换热管(2)组成，每根U型金属换热管(2)的进口端均穿过金属壳体(1)与进气集气箱(13-1)连通，每根U型金属换热管(2)的出口端均穿过金属壳体(1)与出气集气箱(13-2)连通。
2、根据权利要求1所述一种组合式高温空气预热装置，其特征在于：陶瓷换热管(6)采用再结晶SiC材料制成。
3、根据权利要求2所述一种组合式高温空气预热装置，其特征在于：所述陶瓷换热管(6)为经过渗Si处理的陶瓷换热管。
4、根据权利要求3所述一种组合式高温空气预热装置，其特征在于：所述陶瓷换热器(10)还包括多个内插件(7)，每根陶瓷换热管(6)内均安装有内插件(7)。
5、根据权利要求1、2、3或4所述一种组合式高温空气预热装置，其特征在于：所述金属换热器(11)还包括折流板(3)，所述折流板(3)安装在金属壳体(1)内，且与U型金属换热管(2)呈45°角设置。
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