CN101724481A - 插入式列管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插入式列管换热器，包括裸露且平行安装的多组换热列管，每组换热列管包括进水管和回水管，并且进水管和回水管在端部连通，每组换热列管在进水管与回水管的连通端形成自由端，进水管进口端通过分水器与进水总管相连通，回水管出口端通过集水器与回水总管相通。这种插入式列管换热器，可在确保安全和避免氧化的前提下实现高温炭粉的冷却，保障了高温炭粉产品质量，同时又极大地提高了生产效率，除可用于高温炭粉的冷却外，还可以用于其它颗粒或粉体物料的换热。

Description

插入式列管换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器，具体来说是一种插入式的列管换热器，用于对粉体或颗粒状物料进行冷却或加热，特别是一种适用于炭粉冷却的换热器。

背景技术

在炭粉生产加工过程中，根据工艺要求，该粉体冷却目标是使全部物料冷却至氧化温度(例如100℃)以下。

高温炭粉化学性质稳定性差，例如与空气接触会与氧气发生氧化反应生成CO和CO₂，与水接触会生成水煤气。因此高温炭粉的冷却是一个难题，特别是微米级的炭粉。

目前常用的方法是将炭粉体放置于一个容器内，上面覆盖一定厚度(例如100mm)的惰性的颗粒状材料以隔绝空气，进行自然冷却。然而炭粉特别是微米级颗粒的炭粉本身热传导性极差，自身就是很好的保温材料，传热系数很低，所以采用自然冷却方式降温效果很差，以长×宽×高＝1800mm×800mm×800mm立方体的微米级炭粉为例，经过试验，完全靠自然降温，冷却至100℃所需时间不低于50天，毫无生产效率可言，造成生产周期极长、成本很高。

因此对于高温微米级炭粉的冷却需要解决如下问题：

(1)冷却过程中炭粉不能流动，要保持上面覆盖的惰性颗粒状材料相对静止以隔绝空气。

(2)结构要相对简单，与炭粉接触部位要尽量减少焊接、密封接口等，以避免冷却水泄漏，且要便于经常检查是否有泄漏发生。

(3)有足够的换热面积，以提高冷却效果。

然而，目前的冷却设备都难以满足上述要求。

发明内容

针对高温炭粉冷却存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的用于炭粉等粉体换热用的换热器，以解决炭粉类材料生产过程中冷却时间太长的问题。

本发明采用如下技术解决方案：一种插入式列管换热器，包括裸露且平行安装的多组换热列管，每组换热列管包括进水管和回水管，并且进水管和回水管在端部连通，每组换热列管在进水管与回水管的连通端形成自由端，进水管进口端通过分水器与进水总管相连通，回水管出口端通过集水器与回水总管相通。

所述的每组换热列管中的进水管和回水管可以连接为U形结构。比较理想的是进水管和回水管为同轴心的内管和外管构成的套管结构，其中内管为进水管，内管与外管之间的环隙形成回水通道，外管自由端封合，内管自由端在外管内开口或者加工有出水孔。这种套管结构相对于U形结构来说，不但使得整个换热列管外表为光滑的直圆管，有利于插入炭粉中，而且在拔出时不易带出物料。另一个优点是即使内管有泄漏也不会影响炭粉，减少了向炭粉中漏水的可能，而且便于焊接和装配加工。

所述的外管自由端最好加工成楔形或锥形，以减小插入阻力，便于容易地插入炭粉堆内。

外管采用传热系数高的金属管以提高传热效率，为减少采用套管结构进水与回水通过内管管壁直接换热造成的热效率低问题，所述的内管可以采用传热系数低的非金属材料或者是内管采用双层结构，中间夹层内有保温材料层或者抽真空，或者采用由传热系数低的高分子有机材料和金属构成的复合材料。

所述的分水器可以为连接在进水总管和各进水管入口端之间的支管，更理想的是分水器可以为一个进水箱，各进水管是连接在进水箱的面板上并与进水箱内的进水室相连通，以简化结构和降低流体阻力。

所述的集水器可以连接在各回水管出口和回水总管之间的回水支管，更理想的是采用一个回水箱，各回水管连接在回水箱的面板上与回水箱内的回水室相连通，以简化结构和降低流体阻力，同时便于装配，这种结构特别适合于采用套管式结构。

所述的进水箱和回水箱可以为一个密封式水箱，中部由隔板分隔成两个腔室，构成所述的进水室和回水室，所述的进水管穿过所述的回水室固定在所述的隔板上，隔板焊接在水箱侧壁上。

所述的进水箱和回水箱为两个独立的敝口箱体，所述的进水箱和回水箱以敞口相向的方式通过法兰连接在一起，所述的固定有内管的隔板边缘被夹在进水箱和回水箱法兰之间，将进水箱与回水箱内部空间隔离，且在隔板与进水箱法兰和回水箱法兰之间有垫片。这种结构隔板连同其上安装的内管可以方便地拆下，以便于进行检修维护。

也可以将固定有内管的隔板焊接在进水箱底部形成面板，使进水箱形成密封式水箱，进水箱与回水箱通过法兰连接，使进水箱构成回水箱的封头，这种结构不但同样能够将内管从外管取出以便于进行检查、检修、维护，而且装卸方便。

进一步地，为使得换热器容易地插入炭粉，在所述的换热器顶部还安装有震捣器，使炭粉松动，减少换热列管向下插入的阻力。

本发明的这种插入式列管换热器，由于各组换热列管裸露且端部为自由端，因此能够插入炭粉中，也能够方便地抽出，以对炭粉进行冷却，由于是竖直插入，插入过程和冷却过程中不会破坏上面覆盖的惰性颗粒层，能够达到冷却过程中隔绝空气的效果。另外由于换热列管裸露，因此每次使用前都可以检查换热列管是否有泄漏，以避免冷却水与高温炭粉接触。换热列管的数量和间距可以根据需要增减以满足换热面积的要求。这种换热器的换热列管裸露，结构简单，便于加工，成本低。本发明除可用于炭粉的冷却外，还可以用于其它颗粒或粉体物料的冷却，当然也可用于升温。

附图说明

图1为本发明的插入式列管换热器的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为换热列管的其它实施方式示意图。

图4和图5为水箱的其它实施方式结构示意图。

图中，1外管，2内管，3水箱，4回水室，5进水室，6隔板，7震捣器支撑架，8进水总管，9震捣器，10回水总管，31回水箱，31a回水箱法兰，32进水箱，32a进水箱法兰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以助于理解本发明的内容。

如图1所示，是本发明的插入式列管换热器的较佳实施例，包括裸露且平行安装的多组换热列管，每组换热列管包括同心安装的外管1和内管2，外管1下端为自由端且封死，内管2下端在外管内开口使内管和外管在下端的自由端连通。内管2构成进水管，外管1构成回水管。

内管2(即进水管)进口端通过进水室5与进水总管8相连通，以使冷却水通过进水总管8和进水室5向各进水管均匀供冷却水。回水管出口通过回水室4与回水总管10相通以使经过换热后的冷却水由回水室汇集并由回水总管10排出。

如图1所示，外管1自由端加工成楔形，形成一尖部以便于向下插入物料(炭粉)堆内。

外管1采用不锈钢管，传热好且耐腐蚀。为减少进水与回水之间直接通过内管2传热影响冷却效果，内管2也可以采用传热系数更低的非金属管，或者内管2为金属管与非金属复合成的复合管，或者内管带有保温隔热层或者抽真空的夹层结构。通常由于冷却水在列管内停留时间较短，而物料温度较高，因此内管与外管之间的水的传热对冷却效果影响较小，为简化结构降低加工制造成本，而不必考虑内管与外管之间水的传热，所以内管也采用不锈钢管。

水箱3中部焊接一块隔板6将水箱内部空间隔开构成两个腔室，形成进水室5和回水室4，构成进水管的内管2穿过外管1和回水室4固定在隔板6上以与进水室5相通，外管1焊接在水箱底部的箱板上。回水总管10则开在回水室4侧壁上。为使进水室向各进水管分配水量尽可能均匀，进水总管8还如图1和图2所示由支管分成四路向进水室5不同方位进水。这种结构进水室5起到一个向各进水管(内管2)分流的分水器作用，而回水室4则相当于一个集水器。

图4则示出了另一种水箱结构，水箱由上部进水箱32和下部的回水箱31组合而成，进水箱32和回水箱31以敞口相向的方式通过法兰32a、31a连接在一起，固定有内管的隔板6边缘被夹在进水箱32和回水箱31法兰之间，将进水箱与回水箱内部空间隔离，且在隔板与进水箱法兰和回水箱法兰之间有垫片。这样可以将隔板连同内管一起取出以进行维修、维护。为保证安装时内管与外管同心，在回水箱法兰内有凹槽，使隔板6连同垫片一起放置于凹槽内，以避免安装时偏向一侧，通过限定隔板6的准确位置以保证内管与外管的相对位置准确性。

图5则示出了另一种水箱结构，是将固定有内管的隔板6焊接在进水箱32底部形成面板，使进水箱32为封闭箱体。回水箱31敞口，回水箱31与进水箱32通过法兰31a、32a连接，使进水箱构成回水箱的封头，法兰之间有垫片进行密封。这种方式安装简便，同样能够实现将内管与外管分离，以进行内管的检修、维护。同样法兰31a、32a采用凹凸法兰面配合以保证安装时的准确定位。

由图1和图2所示，在换热器的水箱3顶部上方还通过震捣器支撑架7安装有一个震捣器9，通过震捣器使换热器震动，以使换热列管周围物料松动减少下插阻力。

图3示出了换热列管的另一种实施方式，进水管和回水管U形连接，但这种方式插入物料时阻力较大，而且进水管和回水管间隙较小时焊接也不方便。

上述构件除震捣器及震捣器支撑架外均为不锈钢材质。震捣器支撑架上焊装吊耳，震捣器电机接生产区工作电源，进水管接有压水源，回水管接回水池。

冷却方式为将换热列管逐渐插入待冷却物料中，由水循环带走热量实现降温。插入动力由设备自重和水的重量以及震捣器提供。

如图2所示，该实施例中换热列管采用11×5＝55个换热列管位于整个换热器的下部，呈矩阵分布，面积大约为1550mm×620mm，此面积略低于冷却对象的水平截面1800mm×800mm。换热列管外管为Φ51mm不锈钢管，内管为Φ32mm不锈钢管，换热列管伸出回水室长度为900mm。

工作方式简述：

高温微米级炭粉放置于长×宽×高＝1800mm×800mm×800mm的立方体容器内，该容器四侧壁及底面均为良好的保温体型材料，上面覆盖100mm厚度的惰性的颗粒状材料。该粉体上层表面温度在500℃，中心温度在2000℃左右。

开启进水总管阀门，使水从有压水源依次流经进水总管8、进水室5，进入换热列管的内管2；再由换热列管的自由端底部开口进入外管1、回水室4，最后由回水总管10进入回水池，经过冷却降温后重复循环使用，以降低水消耗量。

将插入式列管换热器(下简称换热器)用行吊移动至在待冷却区的上方，缓慢下放，使换热器的换热列管在换热器及所含水的重量下逐渐插入惰性保温层进入待冷却物料高温炭粉。随插入深度的加大，换热列管所受的粉料(惰性保温层和待冷却料)的阻力也逐渐变大，插入一定深度可能会抵消换热器及所含水重，从而使换热器换热列管无法自然下行。此时可拆除吊绳，开启震捣器，与换热列管接触的粉体在震捣器的作用下松动，摩擦力变小，换热列管继而下行。

用电偶实时测量列管插入最深区域的最高温度t，设定行进温度t1＝500℃，驻扎温度t2＝800℃.当t小于t1时，控制换热器继续下行，以使换热列管可以接触到更高温度的待冷却物料；当t大于t2时，则使换热器驻扎在原地，以保护换热列管不被高温造成损伤。直至插到物料底部。当物料温度低于冷却目标100℃，结束工作。

实施效果：经过48小时冷却，物料底部侧壁温度较高在80～100℃，中心温度接近环境温度。

该实施方式在安全生产的前提下，保障了产品质量(不被空气和水氧化)，同时又极大地提高了生产效率(较自然降温)。

Claims (10)

1.一种插入式列管换热器，其特征在于：包括裸露且平行安装的多组换热列管，每组换热列管包括进水管和回水管，并且进水管和回水管在端部连通，每组换热列管在进水管与回水管的连通端形成自由端，进水管进口端通过分水器与进水总管相连通，回水管出口端通过集水器与回水总管相通。

2.如权利要求1所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的进水管和回水管为同轴心的内管和外管构成的套管结构，其中内管为进水管，外管为回水管，外管自由端封合，内管自由端在外管内开口或者加工有出水孔。

3.如权利要求2所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的外管自由端加工成楔形或锥形。

4.如权利要求2或3所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述外管为金属管，内管为金属管或非金属管，或者内管为金属管与非金属复合成的复合管，或者内管带有保温隔热层。

5.如权利要求1至3中之一所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述分水器为一个进水箱，各进水管是连接在进水箱的面板上与进水箱内的进水室相通。

6.如权利要求1至3中之一所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的集水器是一个回水箱，各回水管连接在回水箱的面板上与回水箱内的回水室相连通。

7.如权利要求5所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的集水器是一个回水箱，各回水管连接在回水箱的面板上与回水箱内的回水室相连通。

8.如权利要求7所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的进水箱和回水箱为一个密封水箱，中部由隔板隔成两个腔室构成所述的进水室和回水室，所述的进水管穿过所述的回水室固定在所述的隔板上以与进水室相通，隔板焊接在水箱侧壁上。

9.如权利要求7所述的插入式列管换热器，其特征在于：所述的进水箱和回水箱以敞口相向的方式通过法兰连接在一起，所述的固定有内管的隔板边缘被夹在进水箱和回水箱法兰之间将进水箱与回水箱内部空间隔离，且在隔板与进水箱法兰和回水箱法兰之间有垫片；或者将固定有内管的隔板焊接在进水箱底部形成面板，进水箱与回水箱通过法兰连接，使进水箱构成回水箱的封头。

10.如权利要求1至3中之一所述的插入式列管换热器，其特征在于：还包括一个震捣器安装在换热器的顶部。

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