CN102859310B - 模组化热管热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于从热气体向冷气体传输热量的热管热交换器（12，12’），所述热管热交换器包括壳体，所述壳体具有：第一腔室（14），用于通过其供应热气体；第二腔室（20），用于通过其供应冷气体；以及多个热管（26），在第一腔室（14）与第二腔室（20）之间延伸以便将热量从热气体传输至冷气体。热管热交换器（12，12’）还包括可移除地布置在壳体中的一个或者多个热管筒（36）。每个热管筒（36）包括框架（38），所述框架具有用于支撑多个热管（26）的支撑面板（40）；当热管筒（36）布置在壳体中时，支撑面板（40）布置成使得支撑面板（40）与位于第一腔室（14）和第二腔室（20）之间的隔离壁配合以在第一和第二腔室（14，20）之间形成不透气的隔离。热管（26）穿过支撑面板（40）且以不透气的方式固定至支撑面板。

Description

模组化热管热交换器
技术领域
本发明通常涉及一种用于将热量从热气体传输至冷气体的热管热交换器，特别用在用于预热燃烧空气和/或燃烧气体的热回收装置中。
背景技术
热回收系统用于多种工业中，以从一种介质中回收热量并且将其传输至另一种介质。用一种气体的过剩的热量去预热另一种气体能够减小能量消耗并且因此也更加环境友好。
一种这样的热回收系统是例如在US 4,434,004中所披露的，其涉及用于回收和重复利用来自于热废气（尤其是来自于冶金过程中的废气以及来自于温暖的气体）的热量的方法和设备。温暖的或者热的废气将它们的保留热量传输至竖直放置的热管的下部。然后冷空气或者冷气体被引导通过所述热管的上部，因此将所述热管的热量传输至所述冷空气或者冷气体。所述设备包括下腔室和上腔室，通过所述下腔室供应热气体，通过所述上腔室供应冷气体。热管竖直布置在所述两个腔室中并且从一个腔室延伸进入另一个腔室。当热气体穿过所述下腔室的时候，来自于该热气体的热量被所述热管的下部吸收，因此冷却所述热气体。在热管中，热量从所述热管的下部传输至上部。经过所述上腔室的冷气体被经过所述热管的更热的上部加热。
热管热交换器由于它们的非常快速的热传输而通常被使用。然而，同其它类型的热交换器一样，它们确实面临着被流体中的污物、灰尘以及颗粒积垢和污染的问题。这种污物确实可以沉积在所述热管的热传输表面上并且因此减小所述热管与待加热或者冷却的流体之间的热传输效率。此外，随着越来越多的污物沉积，所述热管热交换器变得阻塞并且通过所述热交换器的压降随之增加。
因此需要周期性地执行所述热回收系统的停工维护以清理污染物并且打开通过所述热交换器的流动通路。由于大量的热管布置在这种热交换器中，因此所述热管的清理通常是非常耗费时间的过程。此外，难以到达所述热交换器中的多种区域这种情况也不便于所述清理过程。延长的停工周期必然导致生产损失和高操作成本。
发明目的
本发明的目的是提供一种热管热交换器，其避免上面的缺点。
发明内容
这个目的由本发明的一种热管热交换器实现。
用于从热气体向冷气体传输热量的热管热交换器包括壳体，所述壳体具有：第一腔室，用于通过其供应热气体；第二腔室，用于通过其供应冷气体；以及多个热管，所述热管在第一腔室和第二腔室之间延伸以便将热量从热气体传输至冷气体。根据本发明的一个重要方面，隔离面板布置在所述第一腔室和第二腔室中以便将所述腔室分成热管隔间，所述隔离面板布置在基本平行于通过所述腔室的气流的平面中，热管筒可移除地布置在所述壳体中的热管隔间中。每个热管筒均包括框架，所述框架具有用于支撑多个热管的支撑面板。所述支撑面板被布置成，当所述热管筒布置在所述壳体中时，所述支撑面板与位于所述第一腔室和第二腔室之间的隔离壁相配合以在所述第一腔室和第二腔室之间形成不透气的隔离；此外，所述热管穿过所述支撑面板并且以不透气的方式固定至所述支撑面板。
一个或者多个隔离面板将气流的横截面分成两个或者更多个更小的横截面。沿宽度将所述腔室分割成更小的隔间通过减小流动导致的振动（这种振动可导致所述热交换器的结构崩塌）而增强了所述热交换器的声学特性。在本发明的所述热交换器中，极大地减小了所述热管的振动，因此避免了这种结构崩塌。
根据本发明，所述热管在热管筒中被捆绑在一起以便于所述热交换器维护。所述热交换器被分成多个热管隔间，每个热管隔间被设计和构造为在其中容纳一个热管筒。
这种热管筒安装在所述热交换器中，使得所述热管筒的支撑面板与所述隔离壁齐平。所述支撑面板连接至所述隔离壁以在所述第一腔室与第二腔室之间形成隔离。
在停工维护期间，可以检查所述热管。如果一个或者多个所述热管筒需要维护，例如由于具有坏掉的热管或者严重污染的热传输表面，则可以将所涉及的热管筒从所述热交换器中取出。然后可将替换的热管筒安装在所述热交换器之中并且可使所述热传输系统返回工作。可以在所述热交换器的外面清理或者维修所损坏的热管筒，因此不会延长所述热回收系统的停工周期。事实上，现在所述维护的大多数耗时部分都可以在所述热交换器的外面执行，而所述热交换器能处于工作中。通过提供一种具有可更换的热管筒的模组化热管热交换器，可以极大地减小所述热回收系统的停工周期。
所述热管筒的支撑面板优选地通过可移除焊接连接至所述隔离壁，以在所述第一腔室和第二腔室之间形成不透气的密封。在将所述热管筒安装在所述热交换器上之后执行周向的可移除焊接。在从所述热交换器中移除所述热管筒之前，可以破坏这种周向焊接。应当注意到可以通过其它合适的方式（诸如例如螺栓）实现支撑面板与隔离壁之间的连接。可以在支撑面板与隔离壁之间布置密封元件以在所述第一腔室与第二腔室之间形成不透气密封。
所述热交换器优选地包括位于所述第二腔室的外壁中的第一开口和位于所述第一腔室与第二腔室之间的隔离壁中的第二开口；所述第一开口和第二开口的布置和尺寸允许通过其供应热管筒。所述第一和第二开口允许所述热管筒容易且快速地供给至所述热交换器中或者从所述热交换器移除。
有利地，所述热管通过螺钉和埋头螺母机构固定至所述支撑面板，所述支撑面板的两侧上设有金属垫片以提供不透气连接，然而，当为了维护和更换的目的而更换所述热管时，该连接可以被松开。
附图说明
现在将参考附图通过实例的方式描述本发明，其中：
图1：是根据本发明具有两个热管热交换器的热回收系统的立体图；
图2：是图1热回收系统去掉它的转换罩的立体图；
图3：是用于图1热回收系统的热管筒的立体图；以及
图4：是图3的热管筒的框架的立体图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的具有两个热管热交换器12，12’的热管回收系统10的优选实施例。热交换器12，12’中的一个可以用于预热燃烧气体，而热交换器12，12’中的另一个可以用于预热燃烧空气。
每个热交换器12，12’包括具有第一端口16和第二端口18的第一腔室14以及具有第三端口22和第四端口24的第二腔室20。在图中所示的实施例中，所述第二腔室20竖直布置在所述第一腔室14之上。多个热管26（通常几千个）竖直布置在所述第一和第二腔室14，20中。这些热管26通常在所述第二腔室20的整个高度上延伸，穿过隔离壁（在图1中不可见）从所述第二腔室20到达所述第一腔室14且在所述第一腔室14的整个高度上延伸。通过所述热交换器的空气或气体流动可以是分别从所述第一和第三端口16，22至所述第二和第四端口18，24。然而，优选地，所述热交换器以逆流（counter-flow）模式操作，其中通过所述热交换器的空气或者气体流动分别是从所述第一和第四端口16，24至所述第二和第三端口18，22。
根据本发明，所述热管26在热管筒中捆绑在一起以方便热交换器的维护。图1中所示的热交换器12沿气体流动方向被分成三个热管模组28，28’，28”，每个热管模组沿垂直于所述气体流动方向被再次分成两个热管隔间30，30’。每个热管隔间30，30’均被设计和构造为在其中容纳一个热管筒。
在图2中更清楚地示出了所述热管模组28，28’，28”和热管隔间30，30’，所述图2示出了图1的热回收系统10，其中用于与管子连接的转换罩已经被移除。图2还示出了位于所述第一腔室14与第二腔室20之间的隔离壁。
还能看出，隔离面板34布置在所述热管隔间30，30’之间。这些隔离面板34处于与穿过所述热交换器12，12’的气流平行的方向上，并且将气流的横截面分成两个更小的横截面。沿其宽度将所述腔室14，20分成更小的隔间通过减小流动导致的振动而增强了所述热交换器的声学特性。在本发明的所述热交换器12，12’中，所述热管的振动被极大地减小，因此减小由热交换器产生的噪音污染。所述隔离面板34优选地可移除地布置，使得在停工维护期间可以将它们移除以有助于接近所述热管26。可以设置不止一个隔离面板34以将气流的横截面分成多于两个的更小横截面。
如上所述，根据本发明，所述热管26在热管筒36中捆绑在一起，在图3中更详细地示出了其中的一个。现在参考图3和图4更详细地描述所述热管筒36，图4示出了图3的热管筒36移除了全部热管的情况。
所述热管筒36包括安装在框架38中的多个热管26（其几百个）。这种框架38包括具有上表面42和下表面44的支撑面板40，所述上表面在安装时面对所述第二腔室20，所述下表面在安装时面对所述第一腔室14。所述支撑面板40包括多个孔，用于使单个热管26从中穿过。提供连接装置（在下面对其进行更详细的描述）以将每个热管26固定至所述支撑面板40。所述框架38还包括具有孔的多个辅助面板46，所述孔使单个热管26从中穿过。所述辅助面板46平行于所述支撑面板40布置并且与所述支撑面板以及彼此之间具有预定的距离。所述辅助面板46的孔具有足够大的直径以允许所述热管26连同其相关的散热片从中通过，而不会在所述辅助面板46与所述热管26之间形成固定连接。事实上，所述辅助面板46的目的主要是将相邻的热管26保持以预定的距离彼此分开。所述辅助面板46起到距离引导件的作用并且在操作期间保持所述热管有序（in line）。
如图4中所示的，所述支撑面板40和所述辅助面板46通过四个连接杆48连接在一起。所述支撑面板40、所述辅助面板46以及四个连接杆48（例如通过焊接）牢固地连接在一起以形成所述热管筒36的框架38。
所述热管26牢固地连接至所述支撑面板40并且，为了避免气体从腔室14，20中的一个转移到另一个中，所述热管的连接应该是不透气的。多种连接方式是已知的，诸如例如将所述热管直接焊接至所述支撑面板；用密封环进行挤压和紧固；或者拧进所述支撑面板中。然而，优选地，使用螺钉和埋头螺母机构，其中通过一侧上的螺钉头和另一侧上的埋头螺母而在所述支撑面板的两侧上实现不透性（tightness，密封性）。金属垫片优选地设置在所述支撑面板40的两侧上，位于所述螺钉头与所述支撑面板40的上表面42之间以及位于所述埋头螺母与所述支撑面板40的下表面44之间。
所述螺钉和埋头螺母机构具有以下优点：可以将单个热管26从所述支撑面板40移除和更换。因此可以容易地更换损坏的热管。此外，在所述支撑面板40的上表面42与下表面44之间形成不透气密封，因此来自所述第一腔室14的气体不会与来自所述第二腔室20的气体混合。如果所述气体中之一是燃烧气体，则这是特别重要的。
为了安装和移除所述热管筒36，所述热交换器设置有位于所述第二腔室20的外壁52中的第一开口50。第二开口布置在所述第一腔室14与第二腔室20之间的隔离壁中。
在安装期间，热管筒36通过所述第一开口50和所述第二开口竖直下放进入所述热交换器12，12’中。所述支撑面板40下降至所述隔离壁的高度以封闭所述第二开口。优选地，在所述支撑面板40焊接至所述隔离壁之前，所述支撑面板40的边缘在整个周边上搁置在所述隔离壁上，从而在所述支撑面板40与所述隔离壁之间形成不透气连接。在安装在所述热交换器12、12’中后，所述热管26的下部布置在所述第一腔室14中，并且当热气体被供应通过所述第一腔室14时用作蒸发器，而所述热管26的上部布置在所述第二腔室20中并且当冷气体被供应通过所述第二腔室20时用作冷凝器。
在例行停工维护期间，可以通过布置在所述热交换器12，12’的侧壁中的检修孔和检视窗检查所述热管26。如果例如由于具有损坏热管或者严重污染的热传输表面的原因而导致一个或者多个所述热管筒36需要维护，可以通过破坏所述支撑面板40与所述隔离壁之间的焊接并通过将所述损坏的热管筒36从所述热交换器12，12’中取出而移除相关的热管筒36。然后将更换的热管筒36安装到所述热交换器中并且可以使所述热传递系统返回工作。可以在所述热交换器的外部清理和修理所述损坏的热管筒36，因此不会延长所述热回收系统的中断周期。事实上，现在，维护的大部分耗时部分均可以在所述热交换器的外部执行，而所述热交换器保持处于工作中。通过提供具有可更换的热管筒的模组化热管热交换器，可以极大地减小所述热回收系统的中断周期。
应当注意到，本描述涉及一种与热炉装置相关的热交换器。这种热交换器通常具有两个腔室14，20，所述两个腔室中的一个竖直布置在另一个上面。然而在本发明的范围中，能够几乎水平地所述两个腔室14，20中的一个放置在另一个旁边。然而所述热管应相对于水平面存在轻微的倾斜度（例如至少5°）。这种布置也可以用于其它应用诸如例如发电厂。
参考标记的目录
10热回收系统34隔离面板
12热管热交换器               36热管筒
14第一腔室                   38框架
16第一端口                   40支撑面板
18第二端口                   42上表面
20第二腔室                   44下表面
22第三端口                   46辅助面板
24第四端口                   48连接杆
26热管                       50第一开口
28热管模组                   52外壁
30热管隔间                   56检视窗

Claims (26)

1.用于从热气体向冷气体传输热量的热管热交换器，所述热管热交换器(12，12’)包括壳体，所述壳体具有：
第一腔室(14)，用于通过其供应热气体；
第二腔室(20)，用于通过其供应冷气体；以及
多个热管(26)，其在所述第一腔室(14)与所述第二腔室(20)之间延伸以便将热量从所述热气体传输至所述冷气体，
其特征在于
隔离面板(34)布置在所述第一和第二腔室(14，20)中以将所述腔室(14，20)分成热管隔间(30，30’)，所述隔离面板(34)布置在平行于通过所述腔室(14，20)的气流的平面中，通过一个热管隔间(30，30’)的所述气流的方向平行于通过相邻热管隔间(30，30’)的所述气流的方向，并且
热管筒(36)可移除地布置在所述壳体中的所述热管隔间(30，30’)中；其中每个热管筒(36)包括框架(38)，所述框架具有用于支撑多个热管(26)的支撑面板(40)；所述支撑面板(40)被布置成，当所述热管筒(36)布置在所述隔间(30，30’)中时，使得所述支撑面板(40)与位于所述第一腔室(14)和所述第二腔室(20)之间的隔离壁配合，以在所述第一腔室(14)和第二腔室(20)之间形成不透气的隔离；所述热管(26)穿过所述支撑面板(40)且以不透气的方式固定至所述支撑面板。
2.根据权利要求1所述的热管热交换器，其中，所述热管筒(36)的所述支撑面板(40)通过焊接连接至所述隔离壁，以在所述第一腔室(14)和第二腔室(20)之间形成不透气密封。
3.根据权利要求2所述的热管热交换器，其中，通过破坏所述支撑面板(40)与所述隔离壁之间的所述焊接并通过将损坏的所述热管筒(36)从所述热交换器(12，12’)中取出而移除所述热管筒(36)。
4.根据权利要求1所述的热管热交换器，其中，所述热管筒(36)的所述支撑面板(40)通过螺栓连接至所述隔离壁，密封元件布置在所述支撑面板(40)与所述隔离壁之间以在所述第一腔室(14)和第二腔室(20)之间形成不透气密封。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热管热交换器，其中，所述框架(38)还包括一个或者多个辅助面板(46)，每个辅助面板(46)均包括多个孔，用于容纳从中通过的热管(26)，所述孔被布置为对所述热管(26)提供引导件且将所述热管(26)保持彼此平行。
6.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，所述热管(26)设置有散热片且所述辅助面板(46)的所述孔具有足够大的直径以允许所述热管(26)连同所述散热片从中穿过。
7.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，所述框架包括一个或者多个连接杆(48)，所述连接杆用于将所述支撑面板(40)和所述辅助面板(46)连接于所述连接杆。
8.根据权利要求6所述的热管热交换器，其中，所述框架包括一个或者多个连接杆(48)，所述连接杆用于将所述支撑面板(40)和所述辅助面板(46)连接于所述连接杆。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的热管热交换器，其中，所述热交换器(12，12’)包括位于所述第二腔室(20)的外壁(52)中的第一开口(50)和位于所述第一腔室(14)与第二腔室(20)之间的所述隔离壁中的第二开口；所述第一和第二开口的布置和尺寸允许通过其供给热管筒。
10.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，所述热交换器(12，12’)包括位于所述第二腔室(20)的外壁(52)中的第一开口(50)和位于所述第一腔室(14)与第二腔室(20)之间的所述隔离壁中的第二开口；所述第一和第二开口的布置和尺寸允许通过其供给热管筒。
11.根据权利要求6所述的热管热交换器，其中，所述热交换器(12，12’)包括位于所述第二腔室(20)的外壁(52)中的第一开口(50)和位于所述第一腔室(14)与第二腔室(20)之间的所述隔离壁中的第二开口；所述第一和第二开口的布置和尺寸允许通过其供给热管筒。
12.根据权利要求8所述的热管热交换器，其中，所述热交换器(12，12’)包括位于所述第二腔室(20)的外壁(52)中的第一开口(50)和位于所述第一腔室(14)与第二腔室(20)之间的所述隔离壁中的第二开口；所述第一和第二开口的布置和尺寸允许通过其供给热管筒。
13.根据权利要求1至4中的任一项所述的热管热交换器，其中，当所述热管筒(36)安装在所述热交换器(12，12’)中时，所述支撑面板(40)焊接至所述隔离壁。
14.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，当所述热管筒(36)安装在所述热交换器(12，12’)中时，所述支撑面板(40)焊接至所述隔离壁。
15.根据权利要求6所述的热管热交换器，其中，当所述热管筒(36)安装在所述热交换器(12，12’)中时，所述支撑面板(40)焊接至所述隔离壁。
16.根据权利要求12所述的热管热交换器，其中，当所述热管筒(36)安装在所述热交换器(12，12’)中时，所述支撑面板(40)焊接至所述隔离壁。
17.根据权利要求1至4中的任一项所述的热管热交换器，其中，检修孔和检视窗(56)布置在所述热交换器(12，12’)的侧壁中。
18.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，检修孔和检视窗(56)布置在所述热交换器(12，12’)的侧壁中。
19.根据权利要求6所述的热管热交换器，其中，检修孔和检视窗(56)布置在所述热交换器(12，12’)的侧壁中。
20.根据权利要求16所述的热管热交换器，其中，检修孔和检视窗(56)布置在所述热交换器(12，12’)的侧壁中。
21.根据权利要求1至4中的任一项所述的热管热交换器，其中，所述热管(26)通过螺钉和埋头螺母机构固定至所述支撑面板(40)。
22.根据权利要求5所述的热管热交换器，其中，所述热管(26)通过螺钉和埋头螺母机构固定至所述支撑面板(40)。
23.根据权利要求6所述的热管热交换器，其中，所述热管(26)通过螺钉和埋头螺母机构固定至所述支撑面板(40)。
24.根据权利要求20所述的热管热交换器，其中，所述热管(26)通过螺钉和埋头螺母机构固定至所述支撑面板(40)。
25.根据权利要求21所述的热管热交换器，其中，金属垫片设置在螺钉的螺钉头与所述支撑面板(40)的上表面(42)之间；和/或埋头螺母与所述支撑面板(40)的下表面(44)之间。
26.根据权利要求24所述的热管热交换器，其中，金属垫片设置在螺钉的螺钉头与所述支撑面板(40)的上表面(42)之间；和/或埋头螺母与所述支撑面板(40)的下表面(44)之间。
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