CN1035885A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于粉末状固体材料和气体进行热交换的罐状热交换器，包括一个中空的圆柱形中心部件(1)，其上装有一个切向设置的气体入口(3)，一个圆锥形底部(2)，其上装有一个材料出口(5)，一个向下取向的气体出口(4)，一个凹面朝着中心部件的拱形上部(7，7′)，其上至少装有一个材料入口(8)；向下取向的气体出口(4)起始口沿轴线方向安装，成为罐内的中心管道，其上装有环形挡板(6)，这些部件的构成使得热交换器有最佳的工作状况。

Description

本发明涉及一种热交换器，这种类型的热交换器用于粉末状固体材料和气体之间进行热交换。举例来说，这种热交换器可用于矿物原料的预热，这些矿物原料最终要经受燃烧工序，而预热可以用燃烧工序排出的热气体来实现。
粉末状固体材料的预热可以在旋流分离系统中进行，该系统包括有数个园柱旋流分离器，这些旋流分离器有一条竖直或水平的主轴线和一个园锥形底部，其下端有一个固体材料的出口，如Duda的第20章所述，见水泥数据手册（Cement-Data-Book），第一卷，1985年第三版，Bauverlag    GmBH，Wiesbaden    und    Berlin。
在以前的工艺中，立式旋流分离器通常在顶部有一园形顶板，或者在拱形旋流分离器顶部有一园形开口。一个排气管道即“中心管道”穿过顶板或顶部开口向下延伸入旋流分离器的园柱体中。悬浮在气体中的固体材料通过悬浮物入口沿切线方向送入园柱体中，由于气体的旋转运动，其中的固体材料由于离心力而抛向罐壁，被罐壁挡住而不滑到园锥形底部并从材料出口中排出，同时，气体通过中心管道从罐中排出。这样的热交换器已公布在西德专利DE1，913，305，瑞典专利SE221，971，4，245，981和西德专利DE1，286，696中。在这种典型的分离器中，热交换是通过顺流热交换来实现的，在这种热交换过程中，材料和气体流一起在分离器中旋转流动。为了使材料在燃烧工序前，获得所希望的预热温度，通常必须采用多个顺流热交换器串联，例如，对于水泥原料的预热来说，通常需要四级或五级，这就会迫使水泥厂要有很高的建筑物，需要消耗十分可观的建筑材料。
在逆流交换热交换的情况下，如英国专利GB-A988，284或丹麦专利申请号1600/85所述，沿切线方向输入的气体的向心运动与在分离器轴线附近输入的材料的离心运动正好方向相反，以求获得比传统立式旋流分离器更好的热交换效果，而且，在预热器中采用卧式逆流分离器有助于限制预热器结构的高度。然而，卧式旋流分离器也有其缺点，具体地说，就是其分离率低于传统的旋流分离器。
因此，本发明的目的是提供一个有竖直主轴线并按逆流原理工作的热交换器，这种热交换器不仅在材料分离方面，而且在热交换方面都有足够高的效率，至少可以代替两级旋流分离预热器。
按照本发明，这一目的是通过如下的一种热交换器来实现的，这种热交换器包括一个带有向下渐尖的园锥形底部的园柱形中心部件，一个凹面朝向中心部件并构成热交换器上部边界的拱形上部，一个安装在园柱形部件壁上的切向设置的气体入口，至少一个起始口沿轴线方向安装的气体出口，即中心管道，上述入口和出口的共同作用使气体在罐内形成螺旋形气流，至少一个安装在上部的材料入口和一个安装在底部较低位置的材料出口;材料入口和出口的安装要能给予输入热交换器的粉末状固体材料一个离心动量，使得材料与热交换器中朝排气管道向心流动的气体逆向流动，进行热交热;这种热交换器的特点在于，沿轴线方向安装的气体出口是一条向下部取向的管道，至少一开始是从其在罐内的中心位置向下延伸，然后穿过园锥形底部，中心部件的半径b处于下述范围之内：1.5d＜b＜3.0d，其中d是排气管道的直径，排气管道的上端和热交换器上部顶端的距离a在下述范围内：2d＜a＜5d。
预热器上部的设计具有上面所指定的尺寸，其部分原因是为了使热交换在轴向变得较长，这样可以使罐内的气体产生较低的朝着排气管道的径向速度，降低已处理的材料的输送速度，提高热交换器的分离率，另部分原因是，与原先工艺的热交换器相比，由于施加到微粒上的离心力和重力的合力的结果，获得了一个经改进的材料流，使得微粒不仅在轴向而且在径向与气体流逆向流动。
热交换器的排气管道的向下取向可以确保气体轴向速度和切向速度的最佳配合，因此，管道延伸并穿过园锥形底部。由于在热交换器中产生的向下的轴向速度，材料会下降并在热交换器中扩散开;由于切向速度，材料被抛向罐壁，材料在罐壁附近与最热的气体相接触并从气体中分离出来。通过适当地调整排气管道的上端和热交换器上部顶端的距离，这两种效果可以互相配合。
热交换器在其拱形上部的顶端至少装配有一个材料入口，材料入口与旋流分离器轴线的水平距离可达气体出口管道直径的1.5倍，材料入口的倾斜方向与气流方向一致，与水平面的倾斜角度小于90度。气流形成一个从气体入口到中心管道的向心的径向势能涡流，因此，当材料从上述涡流中心附近输入时，气体与材料之间在径向产生一个逆流运动，而材料微粒，由于其密度比气体高得多，被离心力抛向罐壁。
热交换器的排气管道即中心管道的安装，要使得热交换器内部的管道上部入口位于园柱形中心部件下端平面的上方，其距离为中心管道内径的0至2倍。为了增强热交换的效果，在靠近排气管道入口的地方，管道上装配有一个隔热材料的环形挡板，环形挡板可以与水平面成40°至70°的角度，并向园锥形底部的内壁延伸，这样在上述内壁与环形挡板之间形成一个环形狭缝。已分离的材料可以通过这一狭缝进入材料出口。环形挡板为热交换器空腔内部的气体和材料的运动提供了更为匀称的状况，排除了对园锥形底部中心出口处运动的干扰。而且，环形挡板能促使抛向罐内壁的材料进入气体的最高温度区域。
按照热交换器的另一个实施例，一个缩短的园锥形底部、环形挡板的下侧和排气管道一起，构成了尺寸较小的容器罐，这样可以确保实现热交换器的高度有明显减小。在这种情况下，环形挡板和园锥形底部之间的环形狭缝将已分离的材料输送到用来传输热材料的风动槽式传输机。
下面参考附图，对本发明作更为详尽的解释，这些附图是概略性的图解说明，其用来说明实施例的非限制性的实例。其中，
图1是带有园锥形底部的热交换器的正视图;
图2是上部设计与图1不同的热交换器的正视图;
图3是图1所示的热交换器的顶视图;
图4显示了一个带有缩短了的园锥形底部的热交换器。
图1和图2所示的热交换器包括有一个罐，该罐有一个有竖直轴线的中空园柱形中心部件1：一个向下渐尖的园锥形底部2，其上设置有材料出口5;一个气体入口3，安装在中心部件1的壁上，用于将气体沿切线方向输入到罐中;以及一个形状如拱形盖的上部7或7′，凹面朝着中心部件。图1所示的热交换器具有一个椭园形上部，而图2所示的热交换器具有一个截园锥形上部。在罐的内部装有一个轴向排气管道即中心管道4，管道向下延伸并穿过上述园锥形底部2的壁。罐的半径b处于如下范围：1.5d＜b＜3.0d，其中d是罐内排气管道的内径，中心部件1中的排气管道4的上端与热交换器上部顶端的合适距离a在下述范围内：2d＜a＜5d。
在热交换器上部的顶端有一个材料入口8，其开口与罐的竖直轴线的水平距离g在如下范围内：0＜g＜1.5d，入口设计成一个园管，不伸延到罐内，和水平面形成一个小于90°的角度，倾斜方向和罐内的螺旋气流的运动方向相同。距离g和倾斜角度β使得罐内的材料和气体在径向产生最佳的逆流运动。热交换器的顶端可能有几个材料入口，图中只画出了一个。
在图3中，点划线箭头表示气流从入口3沿切线方向输入，朝着罐的中心部件1内轴线安置的出口4的运动，而虚线箭头表示从材料入口8加入的材料朝着罐壁的离心运动。
为了获得热交换的最佳气流速度，气体出口即中心管道4向下延伸并穿过园锥形底部2。同时，为了确保气体和材料在罐内的最佳运动状态，罐内的中心管道上安装有环形挡板6，环形挡板安装在靠近排气管道的入口，与水平面形成的角度α在如下范围：40°＜α＜70°，环形挡板6向园锥形底部的内壁延伸，与内壁形成环形狭缝9，材料可以通过该狭缝9进入到材料出口5。举例来说，环形狭缝的宽度可以是150毫米。当采用环形挡板时，伸入到罐内的中心管道入口4在园柱形罐的中心部件下端以上的高度f通常在如下范围：0＜f＜2.0d。
根据本发明，热交换器的一个可供选择的实施例如图4所示，该实施例包括一个截园锥形上部7′，材料入口8和气体入口3，其特点在于带有一个大大缩短了的园锥形底部2，因此，上述缩短了的底部2、环形挡板6的下侧和中心管道4构成了较小尺寸的热交换器。在这个实施例中，已分离的材料通过环形狭缝9进入图中未显示的用来传输热材料的风动槽式传输机，然后，输送到工厂的下一处理段。

Claims (4)

1、一种罐状热交换器，包括一个园柱形中心部件(1)，一个向下渐尖的园锥形底部(2)，一个凹面朝向中心部件并构成热交换器上部边界的拱形上部(7)，一个安装在园柱形中心部件壁上的沿切线方向设置的气体入口(3)和至少一个起始口沿轴线方向安装的气体出口(4)，两者使气体在罐内形成螺旋形气流，至少一个安装在罐上部的材料入口(8)，和一个安装在罐下部的材料出口(5)；材料入口和出口的安装要能给予输入热交换器粉末状固体材料一个离心动量，使得材料与热交换器中朝排气管向心流动的气体逆向流动，进行热交换，这种热交换器的特点在于，沿轴线方向安装的气体出口管道是一条向下取向的管道(4)，该管道至少一开始是从其在罐内的中心位置轴向往下延伸的，然后穿过罐的园锥底部(2)；中心部件(1)的半径b处于下述范围内：1.5d＜b＜3.0d，其中d是排气管道(4)的直径；排气管道(4)的上端和热交换器上部(7)的顶端的距离a在下述范围内：2d＜a＜5d。
2、根据权利要求1的热交换器，其特点在于，位于上部（7）的顶端的材料入口（8），其倾斜方向与罐内的螺旋形气流的运动方向相同;材料入口与水平面的倾斜角度β小于90°：材料入口与热交换器竖直轴线合适的水平距离g在如下范围内：0＜g＜1.5d。
3、根据权利要求1或2的热交换器，其特点在于，园柱形中心部件（1）内的排气管道（4）的上端与园柱形中心部件下端平面的距离f在如下范围内：0＜f＜2.0d，在靠近上述排气管道上端的地方，装配有一个隔热材料的环形挡板（6），该环形挡板与水平面成40°至70°的倾斜角度，并向园锥形底部（2）的内壁延伸，环形挡板的四周与上述底部形成一环形狭缝（9）。
4、根据前述权利要求中任一项的热交换器，其特点在于，罐的园锥形底部（2）被缩短，经缩短的园锥形底部、环形挡板（6）的下侧、以及两者形成的环形狭缝（9）和管道（4）一起构成较小尺寸的容器罐。
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