CN102954484B - 紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置 - Google Patents

紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通用的炉、窑、烘烤炉或蒸馏炉中利用余热的装置领域，具体为一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置。一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，包括辐射管(1)，辐射管(1)上设有排烟管(11)，其特征是：还包括集管(2)、集管套管(21)、支管(3)、支管套管(31)、进气环箱(4)、进气管(41)、出气环箱(5)和出气管(51)，支管(3)穿过集管套管(21)和集管(2)贯通连接，排烟管(11)穿过支管套管(31)和支管(3)贯通连接，进气环箱(4)和集管套管(21)贯通连接，出气环箱(5)和支管套管(31)贯通连接。本发明节省操作空间，余热利用率高，安全系数高，使用寿命长。

Description

紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置
技术领域
本发明涉及通用的炉、窑、烘烤炉或蒸馏炉中利用余热的装置领域，具体为一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置。
背景技术
工业炉窑是广泛应用于冶炼、化工行业的加热设备，间接加热式工业炉窑以以燃烧燃气获得热量，以辐射管为加热元件，运行时会排放出大量的高温烟气，如直接排入大气，不仅浪费热能资源，而且对环境也有污染。目前多采用将高温烟气和待预热气体共同导入换热器内，使高温烟气和待预热气体在换热器内发生热交换，从而达到利用烟气余热的目的。筒状辐射换热器是可用于烟气热量回收的一种热交换装置，其结构如图1所示，由集管2、集管套管21、进气管41和出气管51组成，集管套管21套在集管2外，进气管41和出气管51都和集管套管21贯通连接。使用时，从工业炉窑排出的高温烟气在集管2内流动，待预热气体从进气管41输入后沿着集管2和集管套管21之间的环形间隙流动，被高温烟气加热后再从出气管51输出。这种结构，烟气的流向单一，因此预热气体的范围有限，适用场合也受到限制。此外，工业炉窑所用的辐射管数量众多，而且排布非常紧凑，每个辐射管前的空间较为狭小，同时，由于和辐射管连接的管路包括空气管路、燃气管路、烟气管路等多种管路，炉前管路显得尤为复杂。目前辐射管前的管路大多采用如下布置方式：空气管路和燃气管路通过各自的集管输送到一组辐射管的上方，再从集管上分出支管并使支管引至每个辐射管前，烟气管路分别和每个辐射管的烟气支管连接，汇集到一组辐射管上方的烟气集管后再和烟道连接。这种结构的特点是每个辐射管前都布置了空气支管、燃气支管和烟气支管，一方面烟气支管内高温烟气的余热不能及时回收利用，造成工业炉窑前烟气管路的温度过高，现场操作环境恶劣；另一方面，烟气管路长期处于高温环境中，管路的薄弱环节易出现裂缝，外界空气易被吸入到烟气管路中，若遇到烟气中未完全燃烧的可燃成分即有可能在烟气管路中引起二次燃烧，甚至会导致爆炸事故，存在重大安全隐患。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种热量利用率高、操作环境友好、安全可靠的热交换装置，本发明公开了一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，包括辐射管，辐射管上设有排烟管，其特征是：还包括集管、集管套管、支管、支管套管、进气环箱、进气管、出气环箱和出气管，集管套管套在集管外，支管套管套在支管外，支管穿过集管套管和集管贯通连接，排烟管穿过支管套管和支管贯通连接，集管套管的外侧套有进气环箱，进气环箱和集管套管贯通连接，进气环箱上设有进气管，支管套管的外侧套有出气环箱，出气环箱和支管套管贯通连接，出气环箱上设有出气管。
所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：还包括集管膨胀节、集管翅片、支管膨胀节、支管法兰、支管套管法兰和伸缩套管，集管上串联集管膨胀节，集管的外侧面上设有集管翅片，支管上位于支管和集管贯通处的前端串联一个支管膨胀节，支管膨胀节的一端通过支管法兰和支管密封连接，支管套管上围绕着支管膨胀节之处串联一个伸缩套管，伸缩套管的一端通过支管套管法兰和支管套管密封连接。
所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：相邻的集管膨胀节之间，和集管贯通连接的支管的数量为2～5个。
所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：相邻的进气环箱之间，和集管贯通连接的支管的数量为2～5个。
所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：集管外径是集管套管内径的50%～90%，集管翅片的高度是集管外侧面和集管套管内侧面形成的环形间隙宽度的20%～80%，支管外径是支管套管内径的50%～90%。
本发明使用时，集管和烟道连接，从辐射管排出的高温烟气经排烟管进入支管，经支管进入集管，最终汇入烟道并排入大气。待预热气体从进气环箱上的进气管流入集管外壁和集管套管内壁形成的环形间隙内，随后流入支管外壁和支管套管内壁形成的环形间隙内，在此流动过程中，高温烟气和待预热气体隔着集管或支管发生热交换，待预热气体被高温烟气加热，并从出气环箱的出气管流出。待预热气体可以是空气，也可以是燃气。
本发明将气体的输送管道全部采用双层套管式结构，集管和支管构成烟气管路，集管和集管套管之间的环形间隙以及支管和支管套管之间的环形间隙构成待预热气体管路，烟气管路位于内层，待预热气体管路位于外层，烟气管路和待预热气体管路既是气体的输送管道，又是回收烟气余热的热交换场所，同时由于待预热气体的持续冷却作用，高温烟气管路无需进行外保温，集管套管和支管套管的直径都大为减小，这样可以大幅度节约炉气空间，优化炉窑前的管道布置和操作环境。本发明可节约工业炉窑前1/3以上的操作空间，彻底解决炉气管路太多无法合理布置的问题，同时又实现了高温烟气的余热回收利用，降低炉前管路表面温度，能有效降低管壁温度20℃～100℃，减少安全隐患，优化操作环境，节能率可达到5%～20%，大幅度提高能源利用率。
由于烟气管路的温度高于待预热气体管路的温度，因而烟气管路的膨胀量也大于待预热气体管路的膨胀量，这样双层套管之间存在热应力，如不及时释放易损坏管路，为此设置了集管膨胀节和支管膨胀节，使得发生热膨胀时可以及时释放热应力。
为了提高热交换效率，在待预热气体的入口处设置进气环箱，这样一方面可以减少待预热气体的阻力损失，另一方面可以强迫待预热气体在进气环箱的套管内旋流前进，强化热交换作用。
为了实现支管和集管的双层的密封连接，在支管套管上串联伸缩套管，安装时，先将伸缩套管收缩，这时可方便地安装串联在支管上的支管膨胀节和支管法兰，随后将伸缩套管拉伸并和支管套管用支管套管法兰密封连接。这样能保证现场的装拆方便。
本发明的有益效果是：结构紧凑，节省操作空间，余热利用率高，安全系数高，使用寿命长。
附图说明
图1是现有技术筒状辐射换热器的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是加设有膨胀节、法兰、翅片和伸缩套管的本发明的结构示意图；
图4是图3中集管和支管连接的一个分支的结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，包括辐射管1、集管2、集管套管21、支管3、支管套管31、进气环箱4、进气管41、出气环箱5和出气管51，如图2所示，具体结构是：辐射管1上设有排烟管11，集管套管21套在集管2外，支管套管31套在支管3外，支管3穿过集管套管21和集管2贯通连接，排烟管11穿过支管套管31和支管3贯通连接，集管套管21的外侧套有进气环箱4，进气环箱4和集管套管21贯通连接，进气环箱4上设有进气管41，支管套管31的外侧套有出气环箱5，出气环箱5和支管套管31贯通连接，出气环箱5上设有出气管51。集管2外径是集管套管21内径的50%～90%，本实施例取80%；相邻的进气环箱4之间，和集管2贯通连接的支管3的数量可以为2～5个，本实施例取2个。
本实施例使用时，集管2和烟道连接，从辐射管1排出的高温烟气经排烟管11进入支管3，经支管3进入集管2，最终汇入烟道并排入大气。待预热气体从进气环箱4上的进气管41流入集管2外壁和集管套管21内壁形成的环形间隙内，随后流入支管3外壁和支管套管31内壁形成的环形间隙内，在此流动过程中，高温烟气和待预热气体隔着集管2或支管3发生热交换，待预热气体被高温烟气加热，并从出气环箱5的出气管51流出。待预热气体可以是空气，也可以是燃气。
 实施例2
一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，包括辐射管1、集管2、集管套管21、支管3、支管套管31、进气环箱4、进气管41、出气环箱5和出气管51，还包括集管膨胀节22、集管翅片23、支管膨胀节32、支管法兰33、支管套管法兰34和伸缩套管35，如图3和图4所示，具体结构是：集管2上串联集管膨胀节22，集管2的外侧面上设有集管翅片23，支管3上位于支管3和集管2贯通处的前端串联一个支管膨胀节32，支管膨胀节32的一端通过支管法兰33和支管3密封连接，支管套管31上围绕着支管膨胀节32之处串联一个伸缩套管35，伸缩套管35的一端通过支管套管法兰34和支管套管31密封连接。相邻的集管膨胀节22之间，和集管2贯通连接的支管3的数量可以为2～5个，本实施例取2个。其他结构和使用方法都和实施例1同。高温烟气的流动路线如图4中的实心箭头所示，待预热气体的流动路线如图4中的空心箭头所示，为简便清晰起见，图4中支管法兰33和支管套管法兰34都省略未予标出。

Claims (4)

1.一种紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，包括辐射管(1)、集管(2)、集管套管(21)、支管(3)、支管套管(31)、进气环箱(4)、进气管(41)、出气环箱(5)和出气管(51)，辐射管(1)上设有排烟管(11)，集管套管(21)套在集管(2)外，支管套管(31)套在支管(3)外，支管(3)穿过集管套管(21)和集管(2)贯通连接，排烟管(11)穿过支管套管(31)和支管(3)贯通连接，
集管套管(21)的外侧套有进气环箱(4)，进气环箱(4)和集管套管(21)贯通连接，进气环箱(4)上设有进气管(41)，支管套管(31)的外侧套有出气环箱(5)，出气环箱(5)和支管套管(31)贯通连接，出气环箱(5)上设有出气管(51)，其特征是：还包括集管膨胀节(22)、集管翅片(23)、支管膨胀节(32)、支管法兰(33)、支管套管法兰(34)和伸缩套管(35)，
集管(2)上串联集管膨胀节(22)，集管(2)的外侧面上设有集管翅片(23)，
支管(3)上位于支管(3)和集管(2)贯通处的前端串联一个支管膨胀节(32)，支管膨胀节(32)的一端通过支管法兰(33)和支管(3)密封连接，
支管套管(31)上围绕着支管膨胀节(32)之处串联一个伸缩套管(35)，伸缩套管(35)的一端通过支管套管法兰(34)和支管套管(31)密封连接。
2.如权利要求1所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：相邻的集管膨胀节(22)之间，和集管(2)贯通连接的支管(3)的数量为2～5个。
3.如权利要求1所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：相邻的进气环箱(4)之间，和集管(2)贯通连接的支管(3)的数量为2～5个。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的紧凑型热应力补偿式辐射管热交换装置，其特征是：集管(2)外径是集管套管(21)内径的50%～90%，集管翅片(23)的高度是集管(2)外侧面和集管套管(21)内侧面形成的环形间隙宽度的20%～80%，支管(3)外径是支管套管(31)内径的50%～90%。
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