CN103615907B - 吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器 - Google Patents

Abstract

一种吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，包括换热管束、尾气进口、尾气出口和壳体，换热管束设置在壳体中，尾气进口和出口分别设置在壳体的上部和下部，用于向壳体中输入和输出尾气，所述的壳体上设置吹灰口，所述吹灰口连接吹灰管道，吹灰管道中连接有风机，风机与中央控制器连接，中央控制器通过计算换热管束中换热管的积灰导热热阻来控制风机的频率。该换热器通过控制风机频率，使吹灰时的吹风速度实现自动控制，节约能源，达到环保节能的目的，是一种高效清洁式热量回收装置，具有积灰清理效果好、传热能力强的特点，保证了对流传热效果。

Description

吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器

技术领域

本发明涉及一种能够自动控制吹风速度的用于水泥回转窑余热利用的换热器，属于余热利用换热器技术领域。

背景技术

随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，城市大气质量日益恶化的问题也越发突出，节约能源和减少环境有害物排放的问题迫在眉睫。在常见的热能动力领域中，能耗高、污染严重的主要原因之一是烟气的排烟温度过高，即浪费了大量能源，又造成了环境污染。水泥行业是一个高耗能，高污染的行业。水泥回转窑产生的尾气中含尘浓度高，品质差。水泥回转窑用余热发电系统可对尾气余热进行回收再利用，实现节能减排的目的。但是相关余热发电锅炉中换热设备的积灰现象严重、传热能力较差，清灰困难，这些问题亟待解决。

现有热量回收装置中换热管束的布置方式通常有两种，顺排和叉排，参见图1和图2。流体冲刷顺排和叉排管束时的流场是不同的。叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比顺排时在管间走廊通道的流动扰动剧烈，因此叉排的换热能力比顺排的强。同时，叉排管束的阻力损失大于顺排，对于需要冲刷清洗的管束，顺排有易于清洗的优点。

现有余热利用换热器技术中，用于对吹落换热器内管束上积灰的风机频率无法根据积灰情况自动控制风速，从而造成能源的浪费。

发明内容

本发明针对现有水泥回转窑尾气利用换热设备中积灰严重和对流传热能力较差的问题，提出一种积灰清理效果好、保证对流传热效果的吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器。

本发明的吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，采用以下技术方案：

该换热器，包括换热管束、尾气进口、尾气出口和壳体，换热管束设置在壳体中，尾气进口和出口分别设置在壳体的上部和下部，用于向壳体中输入和输出尾气，壳体上设置吹灰口，吹灰口连接吹灰管道，吹灰管道中连接有风机，风机与中央控制器连接，中央控制器通过计算换热管束中换热管的积灰导热热阻来控制风机的频率；

分别检测尾气进口的尾气温度T_w1、尾气出口的尾气温度T_w2、换热管束进口处流体温度T_l1和换热管束出口处流体温度T_l2，在尾气进口、尾气出口以及尾气进口和尾气出口之间的位置上设置有测量尾气流速的第一流速计，换热管束进口设置有测量换热管束中流体流速的第二流速计，通过测量换热管束中流体流速计算出换热管束中流体体积流量V_l，同时通过测量尾气流速的各个流速计测得的数值的平均值来得到尾气的平均流速；通过计算换热管束中流体的温差和流量得到流体的吸热量，也就是总的换热量Q，Q＝ρV_l*C_p*(T_l2-T_l1)，其中，ρ是换热管束中流体的密度，C_p为换热管束中流体的定压比热容；然后根据总的换热量Q＝K*A*△T_m,得出总的换热系数K，其中△T_m是换热过程的对数平均温差，△T_m=(（T_w1-T_l2）-(T_w2-T_l1))/ln(（T_w1-T_l2）/(T_w2-T_l1))，A是换热面积，根据换热管外径来计算；

根据尾气的平均流速和换热管束内流体的流速与温度从中央控制器中预先存储的数据中得出换热管外壁和内壁的表面传热系数h_w和h_l；预先存储的数据包括换热管束中流体在不同速度、温度下的对换热管内壁面对流传热系数，尾气在不同速度和不同温度下的对换热管外表面的对流传热系数；

中央控制器根据计算的K，h_w和h_l，根据传热公式计算出换热管外的积灰导热热阻R_do：

$\frac{1}{K}=\frac{1}{h_w}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}\frac{d_o}{d_m}+\frac{1}{h_l}\frac{d_o}{d_i}+R_{\mathrm{do}}\frac{d_o}{d_i}$

上述公式中，K为总体传热系数；h_w为换热管外壁的表面传热系数；h_l为换热管内壁的表面传热系数；d_o为换热管外直径；d_i为换热管内直径；d_m为换热管平均直径，等于（d_o+d_i）/2；δ为换热管的壁厚，等于（d_o-d_i）/2；λ为换热管的导热系数；R_do为换热管的积灰导热热阻；

在对换热管束外侧吹灰的时候，中央控制器调取最近一次运行情况，得出目前换热管的积灰导热热阻，根据积灰导热热阻的大小自动选取合适的风机频率；当积灰导热热阻大于预定数值，低于第一数值时，风机以第一频率运行，当积灰导热热阻大于第一数值低于第二数值时，风机以大于第一频率的第二频率运行，当积灰导热热阻大于第二数值低于第三数值时，风机以大于第二频率的第三频率运行，当积灰导热热阻大于第三数值低于第四数值时，风机以大于第三频率的第四频率运行，当积灰导热热阻大于第五数值时，风机以大于第四频率的第五频率运行。

所述换热管束呈菱形排列，壳体呈与换热管束菱形排列相配合的菱形结构，称为菱形壳体，尾气进口设置在菱形壳体的第一夹角位置处，尾气出口设置在菱形壳体的第二夹角位置处，所述菱形壳体的第一夹角的两条边上分别设置1#吹灰口和2#吹灰口，菱形壳体的第二夹角的两条边上分别设置3#吹灰口和4#吹灰口，其中1#吹灰口和3#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，2#吹灰口和4#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，其中1#吹灰口和3#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，2#吹灰口和4#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，其中1#吹灰口3位于所在边的下部，2#吹灰口4位于所在边的上部，3#吹灰口5位于所在边的上部，4#吹灰口6位于所在边的下部，从而使得1#吹灰口3距离尾气进口的距离要大于2#吹灰口4距离尾气进口距离，3#吹灰口5距离尾气出口的距离要大于4#吹灰口6距离尾气出口距离。

换热管束菱形排列的第一夹角顶点上的换热管束设置在尾气进口的下部置并与尾气进口相对，换热管束菱形排列的第二夹角顶点上的换热管束设置在尾气出口的上部并与尾气出口相对，换热管束菱形排列的第一夹角和换热管束菱形排列的第二夹角是对角，水泥回转窑尾气由尾气进口进入，先经过换热管束菱形排列的第一夹角顶点上的换热管束，然后横向冲刷换热管束，再经过换热管束菱形排列的第二夹角顶点上的换热管束，最后从尾气出口排出。

换热管束菱形排列的第一夹角由换热管束菱形排列的第一边和换热管束菱形排列的第二边构成，在第一边方向上的换热管间距（是指相邻换热管的中心轴线之间的距离）为L1，第二边方向上的换热管间距为L2，L1与L2不相等。优选的是，L1是L2的1.3倍。

换热管束菱形排列的第一夹角A、换热管束中的换热管间距L及换热管外径D的关系满足如下公式：

3.7×D>L>2.4×D，其中20mm<D<50mm。

Sin(A/2)=b×(L/D)^c，其中b，c为参数，b为1.65-1.8，c为-0.8至-0.9。

优选的，L=3.2×D，b为1.72，c为-0.815。

本发明是一种高效清洁式热量回收装置，具有积灰清理效果好、传热能力强的特点，保证了对流传热效果，与现有技术相比较，具有如下的优点：

1）通过控制吹灰的风速，达到能源的节约。

2）本发明通过换热管束呈菱形分布，使得换热器具有流动阻力小、便于吹灰、使用寿命长。

3）通过换热管束在两个方向上的换热管束的之间的距离不同的设置，使得换热管束呈顺排错流式换热器，具有换热效果好、易于清洗等优点,是一种适用于回收水泥回转窑尾气热量的换热装备。

4）壳体与管束具有相配合的菱形，可以减少换热区域的死区，同时使得换热过程中的尾气的流速保持相对一致。

5）通过不断的试验，得出了管间距与管径的最佳关系式，满足了换热和减少积灰的需求。

附图说明

图1是现有技术中的换热管束顺排布置的示意图；

图2是现有技术中的换热管束叉排布置的示意图；

图3是本发明的换热管束菱形分布的示意图；

图4是图3中的局部放大的示意图；

图5是图3中沿着菱形结构的上下两个夹角的剖面图；

图6是本发明的换热管束菱形排列与现有技术的插排、顺排的换热系数效果比较图；

图7是风机频率控制流程图；

图8是吹灰形成的漩涡示意图；

图9是吹灰的另一个实施方式。

图中：1、尾气进口，2、尾气出口，3、1#吹灰口，4、2#吹灰口，5、3#吹灰口，6、4#吹灰口，7、换热管束，8、壳体，9、出口集箱，10、进口集箱，11、隔板，12、进口管，13、出口管，14、进口温度传感器，15、出口温度传感器，16、阀门，17、第一夹角顶点换热管，18、第二夹角顶点换热管，19、换热管束菱形排列的第一边，20、换热管束菱形排列的第二边，21、菱形壳体第一直边，22、菱形壳体第二直边，23、菱形壳体第三直边，24、菱形壳体第四直边，25、第三夹角顶点换热管；26、第四夹角顶点换热管，27、5#吹灰口，28、6#吹灰口，29、7#吹灰口，30、8#吹灰接口。

具体实施方式

以下内容中所述的换热管束菱形排列（换热管束由若干换热管组成）和壳体的菱形结构是从垂直于换热管束的中心轴线的切面来看的形状；换热管间距是指相邻换热管的中心轴线之间的距离。

如图3所示，本发明的换热器包括换热管束7、尾气进口1、尾气出口2和壳体8。换热管束7设置在壳体8中，换热管束呈菱形排列，该换热管束菱形排列的第一边19与换热管束菱形排列的第二边20相邻，如图4所示，第一边19与第二边20是由最外侧两排的换热管形成，这两条边上的换热管的截面圆心连线形成的夹角为换热管束菱形排列的第一夹角A（即图3中上部的最外侧的两排换热管形成的夹角），与第一夹角相对的为换热管束菱形排列的第二夹角，另外两个夹角分别为换热管束菱形排列的第三夹角和换热管束菱形排列的第四夹角，四个夹角顶点处分别为第一夹角顶点换热管17、第二夹角顶点换热管18、第三夹角顶点换热管25和第四夹角顶点换热管26。壳体8具有与换热管束7排列相配合的菱形结构，称为菱形壳体，包括菱形壳体第一直边21、菱形壳体第二直边22、菱形壳体第三直边23和菱形壳体第四直边24，菱形壳体第一直边21和菱形壳体第二直边22延伸线形成的夹角为菱形壳体第一夹角，菱形壳体第三直边23和菱形壳体第四直边24延伸线形成的夹角为菱形壳体第二夹角。尾气进口1设置在壳体8上的菱形壳体第一夹角位置处，尾气出口2设置在壳体8上的菱形壳体第二夹角位置处，菱形壳体第一夹角和菱形壳体第二夹角为对角。第一夹角顶点换热管17设置在尾气进口1的位置处，第二夹角顶点换热管18设置在尾气出口2位置处。水泥回转窑尾气从尾气进口1进入，先经过第一夹角顶点换热管17，然后横向冲刷位于第一夹角顶点换热管17和第二夹角顶点换热管18之间的换热管，再经过第二夹角顶点换热管18，最后从尾气出口2排出。

因为是菱形结构，因此换热管束菱形排列的第一夹角和第二夹角相同，同理，菱形壳体的第一夹角和第二夹角相同。

优选的是，菱形壳体的第一夹角大于换热管束菱形排列的第一夹角，这样的设置可以使得尾气在壳体内的流动面积是先增加后减小的幅度大一些，可以保证在下部的尾气速度不断的增加，带走更多的积灰，尽量降低因为流速的减少而导致积灰。

上述余热利用换热器可以应用于水泥回转窑尾气余热利用领域，当然对本领域技术人员来说，并不局限于水泥回转窑尾气余热利用领域，还可以包括其他利用烟气进行余热利用的领域，例如锅炉尾气中。

本发明上述余热利用换热器的换热管束呈菱形布置与图1给出的现有技术中换热管束顺排布置和图2给出的现有技术中换热管束叉排布置的换热系数的对比可以参见图6。从图6可以看出，三种管束布置所产生的壳侧平均表面传热系数均随流速的增加而增加，并且菱形结构布置的平均表面传热系数最大，远远高于其它两种结构的换热器，约是其它两种结构的2-3倍。

采用换热管束呈菱形结构布置的换热器，因为应用于尾气的余热利用领域，因此容易产生积灰现象。因此为了减少积灰的发生，需要合理搭配换热管间距（相邻换热管的中心轴线之间的距离）以及菱形排列的第一夹角A的大小。在换热管直径一定的情况下，减小换热管间距，可以在单位的体积内分配更多的换热管，这能够增加换热面积，加强余热的利用，但是在换热管间距减小的同时，因为尾气流动空间的减小，容易造成积灰，严重时甚至阻塞壳程的换热通道。对于换热管束菱形排列的第一夹角A的大小，也是需要一个合理的范围。如果第一夹角A太小，则相当于沿着尾气流动方向换热管的分布越来越趋近于一条线，使得换热路线过长，容易导致积灰，同时因为单位体积分布的换热管数量明显减少，也导致换热效果的下降，同理，如果第一夹角A太大，则相当于垂直尾气流动方向换热管的分布越来越趋近于一条线，使得尾气需要在横向上流通路径过长，而且需要转的弯度过大，容易导致积灰，同时因为单位体积分布的换热管数量明显减少，也导致换热效果的下降，因此需要对第一夹角A有一个合理的范围。

通过多次试验，在满足换热和阻力两种情况下的调和，得到的合理的换热管的外径D和换热管间距L的关系式为：

3.7×D>L>2.4×D，其中20mm<D<50mm；

优选的，L与D的关系满足如下：L=a×D，a是参数，其中a=3.2。

换换热管束菱形排列的第一夹角A与L和D的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=b×(L/D)^c，其中b，c为参数，b为1.65-1.8，c为-0.8至-0.9。优选的是，b为1.72，c为-0.815。

换热管束菱形排列的第一夹角A为70-110°，最优选的是87°。

作为一个优选的实施例，构成换热管束的菱形的四条边与构成壳体的菱形的四条边互相平行。

如图3和图4所示，沿着换热管束菱形排列的第一边19的方向具有多排换热管，沿着换热管束菱形排列的第二边20的方向具有多排换热管，在第一边19方向上的换热管间距为L1，在第二边20方向上的换热管间距为L2，作为一个优选的实施例，L1与L2不相等，因为如果L1与L2不相等，则换热管束的排列方式就是互相错开，这样可以进一步强化传热。作为一个优选的实施例，L1是L2的1.3倍。在此种倍数下，可以分布更多的换热管，使得整个换热器具有很高的换热系数，同时阻力基本增加不大。当然，作为一个优选的实施例，L1与L2也可以相同。

如果换热管束中最边上的换热管（例如图3中的第一边19和第二边20的换热管）距离壳体8直边的距离如果太近，会导致尾气对流空间太小，容易积灰，但是如果太远，则容易导致大量尾气没有经过换热管束，造成换热死区的扩大，恶化换热。因此对于第一边19的换热管与壳体8直边的最近距离也需要满足一定的条件。通过实验得出最边上的换热管的中心轴线距离壳体8直边的距离S需要满足3.8D>S>4.6D，其中20mm<D<50mm，能够同时满足换热和避免积灰的需求。

对于换热管的材料优选的成分质量百分比如下：

Ni30％；Cr20％；Al6％；C0.03％；B0.016％；Co2％；Ti3％；Nb0.1％；La0.2%；Ce0.2％；余量为Fe。

合金的制造方法为：通过在真空感应炉中按照合金的成分熔炼浇注成锭，然后在1200℃-900℃将合金锭热锻成棒材，在1200℃-900℃热轧成盘材，再在室温按外径规格要求冷拔成不同的丝材。

经测试，上述合金具有很高的导热率，同时具有较高的耐热性，满足了水泥回转窑尾气余热利用换热器中的多方面要求。

作为一个优选的实施例，沿着尾气流动的方向，换热管间距先减小后增大。主要原因是因为随着尾气的流动，同时随着尾气的流通面积是先变大后变小，从而导致尾气的速度是先变小后变大，导致中间尾气速度变小的部分容易积灰，因此可以通过换热管间距的设置使得尾气的速度基本保持不变，可以尽量减少随着尾气的速度的减小而导致在换热器中部的积灰，从而保证积灰的减少。

因为换热管束菱形排列的另外两个角（第三角和第四角）之间的连线的所在的管排（一排换热管）的位置是尾气流通面积最大的地方，因此由尾气进口到第三角和第四角连线之间的换热管间距是不断减小的，从第三角和第四角的连线到尾气出口之间的换热管间距是不断变大的。沿着第三角和第四角之间的连线对称的上部和下部，下部的换热管间距要小于上部的换热管间距。

当然，随着尾气的流动过程，因为冲刷换热管束，使其动能不断的减小，从而导致在上部和下部，即第三角和第四角连线的上部，具有同样流通面积的位置，如果换热管间距分布相同，则上部的尾气速度要明显的大于下部的尾气速度，因此，在相同流通面积情况下，下部的换热管间距要小于上部的换热管间距，从而使得下部的尾气速度保持和上部在相同的流通面积的位置处基本相同。

优选的，同样的流通面积，上部的换热管间距是下部的换热管间距的1.05-1.1倍。

作为一个优选的实施例，在尾气流动的方向上，换热管的最大间距是最小间距的1.3-1.5倍。

但是即使换热管间距不断的增大，换热管间距与换热管外径之间的关系也满足上面的公式。

作为一个优选的实施例，换热管的外壁上设置凸起，随着距离尾气进口1的距离的增加，换热管上凸起的高度越来越高。主要原因是随着沿着尾气的流动方向上，尾气温度在不断的下降，导致换热管束内的流体的吸热量也不断的下降，从而导致随着距离尾气进口1的距离的增加，换热管中流体的温度提升速度也来越慢，因此通过随着距离尾气进口的距离的增加，换热管上凸起的高度越来越高，可以加强换热管的吸热量，保证各换热管中的流体均匀受热，保证加热的流体的温度的一致性和受热的一致性，也避免部分换热管过热或者过冷。

作为一个优选的实施例，换热管外壁上的最大的凸起高度是最小的凸起高度的1.5-1.6倍。

作为优选的，同一根换热管上的凸起高度随着距离尾气进口的距离的不同而不同，这样可以保证同一根换热管上均匀吸热。

作为优选的，同一根换热管上的凸起高度可以相同，但是不同换热管上的凸起高度可以不同。

作为可以替代的实施例，随着距离尾气进口1的距离的增加，换热管上凸起的分布密度越来越大。通过分布密度的增加，可以使得扩展的换热面积随着距离尾气进口的距离越来越大，保证各换热管中的流体均匀受热，保证加热的流体的温度的一致性和受热的一致性，也避免部分换热管过热或者过冷。

本发明的换热器的壳体8还包括吹灰口。如图3所示，与尾气进口1相连的菱形壳体第一直边21和菱形壳体第二直边22上分别设置1#吹灰口3和2#吹灰口4，与尾气出口2相连的菱形壳体第三直边23和菱形壳体第四直边24上分别设置3#吹灰口5和4#吹灰口6；其中1#吹灰口3位于所在菱形壳体第一直边21的下部，2#吹灰口4位于所在菱形壳体第二直边22的上部，3#吹灰口5位于所在菱形壳体第三直边23的上部，4#吹灰口6位于所在菱形壳体第四直边24的下部，从而使得1#吹灰口3距离尾气进口1的距离要大于2#吹灰口4距离尾气进口1的距离，3#吹灰口5距离尾气出口1的距离要大于4#吹灰口6距离尾气出口1的距离。

上述吹灰口可以开通2－4个，通过上述的吹灰口的位置的设置，可以使得吹灰的风在换热器壳体中形成漩涡，如图8所示。每个吹灰口上连接有风机。

如果开通2个吹灰口，则需要开通对边的相对的两个吹灰口，例如1#吹灰口3和3#吹灰口5，或者2#吹灰口4和4#吹灰口6。

通过上述设置的多个吹灰口，可以使得当一个或2个吹灰口不能工作时，其它吹灰口依然可以保持正常的工作。

作为另一个优选的吹灰的实施例，如图9所示，壳体8的四条直边上均设置两个吹灰口，其中5#吹灰口27与1号吹灰口3同位于第一直边21上，但在第一直边21的上部，6#吹灰口28和2#吹灰口4同位于第二直边22上，但在第二直边22的下部，7#吹灰口29和3#吹灰口5同位于第三直边23上，但在第三直边23的下部，8#吹灰口30和4#吹灰口6同位于第四直边24上，但在第四直边24的上部。从而使得5#吹灰口27距离尾气进口1的距离要小于6#吹灰口28距离尾气进口距离，7#吹灰口29距离尾气出口的距离要小于8#吹灰口30距离尾气出口的距离。

通过上述的设置，可以使得吹灰过程中，空气沿着在顺时针和逆时针运动，增加吹灰的力度。图7给出了风机频率控制流程。

水泥回转窑尾气余热利用换热器的具体吹灰过程如下：

1）关闭1#吹灰口3、2#吹灰口4、3#吹灰口5和4#吹灰口6，打开5#吹灰口27、6#吹灰口28、7#吹灰口29和8#吹灰口30，使空气沿着逆时针方向运行，实现逆时针方向吹灰，清除换热管束外表面逆时针方向的积灰；

2）关闭5#吹灰口27、6#吹灰口28、7#吹灰口29和8#吹灰口30，打开1#吹灰口3、2#吹灰口4、3#吹灰口5和4#吹灰口6，使空气沿着顺时针方向运行，实现顺时针方向吹灰，清除换热管束外表面顺时针方向的积灰。

经过多个吹灰循环过程，可全方位、高效清除换热管束7表面的积灰。吹灰口处法兰用于连接吹灰管道，所述的吹灰管连接风机，吹灰用风以及风量的调节通过风机来实现。吹落的积灰进入尾气出口2下方的灰斗储存。

作为优先选的是，每个吹灰口上连接的风机与中央控制器通讯联接，中央控制器根据积灰情况自动调节风机的频率。

中央控制器是根据导热热阻的大小来控制风机的频率的。如果导热热阻过大，则表明积灰严重，则需要加大风机的风量，反之，则需要采用使用的风机频率低一些，节约能源。

在中央控制器中，先预存一部分数据，这些数据包括换热管束中流体在不同速度、温度下的对换热管束内壁面对流传热系数，尾气在不同速度和不同温度下的对换热管束外表面的对流传热系数。考虑到温度对表面传热系数的影响因素变大，则也可以只考虑只存储速度变化下的对流换热系数情况。

对于上述换热系数的取得，可以通过试验或者通过查询现有的对流换热系数表来取得。

如图5所示，所有换热管束的同一端均与进口集箱10连接，另一端与出口集箱9连接，进口集箱10上设置有进口管12，用于向换管热束中输送换热流体，出口集箱9上设置有出口管13，用于将热交换后的换热流体从换热管束中排出。进口管12上设置有阀门16，用于控制进入换热器束的换热流体的流量。进口管12中设置有进口温度传感器14，用于测量进口管12中换热流体的温度。出口管13中设置有出口温度传感器15，用于测量出口管13中换热流体的温度。阀门16采用电动阀门，阀门16、进口温度传感器14和出口温度传感器15均与中央控制器（图中未画出）通讯联接，中央控制器根据出口温度传感器15测量的出口管13中流体的温度来控制阀门16的开度，如果出口管13中流体温度高于设定值，中央控制器控制阀门的开度，提高进入进口集箱10内的流体流量，通过增加流量来减少流体温度的提升；如果出口管13的流体温度低于设定值，中央控制器控制阀门降低开度，减少进入进口集箱10内的流体流量，通过减小流量来使流体温度的提升的更高。

作为优选的，如图5所示，可以通过在进口集箱10和出口集箱9中设置隔板11将整个换热器设置为多个管程。

在尾气进口1处设置有进口尾气温度传感器，在尾气出口2处设置有出口尾气温度传感器，分别检测尾气进口1处的尾气温度T_w1和尾气出口2处的尾气温度T_w2。进口温度传感器14和出口温度传感器15分别检测换热管束进口流体温度T_l1和换热管束出口流体温度T_l2。在尾气进口1、尾气出口2以及壳体8内位于尾气进口1和尾气出口2之间的多个位置均设置有测量尾气流速的第一流速计，在换热管进口处设置有测量换热流体流速的第二流速计。通过测量数值计算出进入换热管束中流体体积流量V_l，同时通过多个测量尾气流速的流速计测得的数值的平均值来得到尾气的平均流速；通过计算流经换热管束的流体的温差和流量可以得到流体的吸热量，也就是总的换热量Q，Q＝ρV_l*C_p*(T_l2-T_l1)，其中，ρ是换热管束中流体的密度，C_p为换热管束中流体的定压比热容；然后根据总的换热量Q＝K*A*△T_m,其中△T_m是换热过程的对数平均温差，△T_m=(（T_w1-T_l2）-(T_w2-T_l1))/ln(（T_w1-T_l2）/(T_w2-T_l1))，K是换热器的总体传热系数，A是换热面积，取换热管外径来计算，得出总的换热系数K。根据尾气的平均流速和换热管内流体的流速、温度从预先存储的数据中得出换热管外壁和内壁的表面传热系数h_w和h_l。中央控制器根据计算的K，h_w和h_l，根据传热公式计算出换热管外侧的积灰导热热阻R_do。

$\frac{1}{K}=\frac{1}{h_w}+\frac{\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{d_o}{d_m}+\frac{1}{h_l}\frac{d_o}{d_i}+R_{\mathrm{do}}\frac{d_o}{d_i}$

上述公式中，K为总体传热系数；h_w为换热管外壁尾气对的表面传热系数；h_l为换热管内流体的表面传热系数；d_o为换热管外直径；d_i为换热管内直径；d_m为换热管平均直径，等于（d_o+d_i）/2；δ为换热管的壁厚，等于（d_o-d_i）/2；λ为换热管的导热系数；R_do为换热管的积灰导热热阻。

在吹灰的时候，中央控制器会调取最近一次运行情况，得出目前换热管的积灰导热热阻，根据积灰导热热阻的大小自动选取合适的风机频率。

本发明还提供了一种测量积灰导热热阻的另一种方法。该方法如下：

1）分别检测尾气进口温度T_w1、尾气出口的尾气温度T_w2、换热管束进口流体温度T_l1和换热管束出口流体温度T_l2；设置在换热管束进口的测量换热管束中流体流速的第二流速计，通过测量数值计算出换热管束中流体体积流量V_l；

2）通过计算换热管束的流体的温差和流量可以得到流体的吸热量，也就是总的换热量Q，Q＝ρV_l*C_p*(T_l2-T_l1)，其中，ρ是换热管束中流体的密度，C_p为换热管束中流体的定压比热容；

3）然后根据总的换热量Q＝K*A*△T_m,其中△T_m是换热过程的对数平均温差，△T_m=(（T_w1-T_l2）-(T_w2-T_l1))/ln(（T_w1-T_l2）/(T_w2-T_l1)),K是换热器的总体传热系数，A是换热面积，取换热管外径来计算，得出总的换热系数K；

4）通过对流换热公式，Q＝h_w*A_w*（T_w1-T_w2）=h_l*A_l*（T_l2-T_l1）计算得到换热管外壁和内壁的表面传热系数h_w和h_l，其中A_w、A_l分别是换热管外壁和内壁的面积；

5）中央控制器根据计算的K，h_w和h_l，根据传热公式计算出管外的积灰导热热阻R_do。。

$\frac{1}{K}=\frac{1}{h_w}+\frac{\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{d_o}{d_m}+\frac{1}{h_l}\frac{d_o}{d_i}+R_{\mathrm{do}}\frac{d_o}{d_i}$

上述公式中，K为总体传热系数；h_w为管外尾气对的表面传热系数；h_l为换热管内流体的表面传热系数；d_o为换热管外直径；d_i为换热管内直径；d_m为换热管平均直径，等于（d_o+d_i）/2；δ为换热管的壁厚，等于（d_o-d_i）/2；λ为换热管的导热系数；R_do为换热管的积灰导热热阻。

在吹灰的时候，中央控制器会调取最近一次运行情况，得出目前换热管束的积灰导热热阻，根据积灰导热热阻的大小自动选取合适的风机频率。

所述换热管束中的流体优选为水。

优选的是，当积灰导热热阻大于预定数值，低于第一数值时，风机以第一频率运行，当积灰导热热阻大于第一数值低于第二数值时，风机以大于第一频率的第二频率运行，当积灰导热热阻大于第二数值低于第三数值时，风机以大于第二频率的第三频率运行，当积灰导热热阻大于第三数值低于第四数值时，风机以大于第三频率的第四频率运行，当积灰导热热阻大于第五数值时，风机以大于第四频率的第五频率运行。

优选的是，可以设置一个提示信息，当换热管的积灰导热热阻大于一定的数值时，自动发出警告信息，提醒需要进行除垢。

当然，因为尾气的成分和速度相对稳定，同时换热流体的流速和进口温度相对也稳定，此时可以采取相对简单的方式进行检测。该方式就是通过检测出口的换热流体的温度来确定换热是否恶化。

如果出口流体温度低于第一温度，则可以判断换热已经恶化，此时需要进行清灰，此时风机按照第一功率进行运行；如果出口流体温度低于比第一温度低的第二温度，则风机按照大于第一功率的第二功率进行运行；如果出口流体温度低于比第二温度低的第三温度，则风机按照大于第二功率的第三功率进行运行；如果出口流体温度低于比第三温度低的第四温度，则风机按照大于第三功率的第四功率进行运行。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，包括换热管束、尾气进口、尾气出口和壳体，其特征是：换热管束设置在壳体中，尾气进口和出口分别设置在壳体的上部和下部，用于向壳体中输入和输出尾气，壳体上设置吹灰口，吹灰口连接吹灰管道，吹灰管道中连接有风机，风机与中央控制器连接，中央控制器通过计算换热管束中换热管的积灰导热热阻来控制风机的频率；

分别检测尾气进口的尾气温度T_w1、尾气出口的尾气温度T_w2、换热管束进口处流体温度T_l1和换热管束出口处流体温度T_l2，在尾气进口、尾气出口以及尾气进口和尾气出口之间的位置上设置有测量尾气流速的第一流速计，换热管束进口设置有测量换热管束中流体流速的第二流速计，通过测量换热管束中流体流速计算出换热管束中流体体积流量V_l，同时通过测量尾气流速的各个流速计测得的数值的平均值来得到尾气的平均流速；通过计算换热管束中流体的温差和流量得到流体的吸热量，也就是总的换热量Q，Q＝ρV_l*C_p*(T_l2-T_l1)，其中，ρ是换热管束中流体的密度，C_p为换热管束中流体的定压比热容；然后根据总的换热量Q＝K*A*△T_m,得出总的换热系数K，其中△T_m是换热过程的对数平均温差，△T_m＝((T_w1-T_l2)-(T_w2-T_l1))/ln((T_w1-T_l2)/(T_w2-T_l1))，A是换热面积，根据换热管外径来计算；

根据尾气的平均流速和换热管束内流体的流速与温度从中央控制器中预先存储的数据中得出换热管外壁和内壁的表面传热系数h_w和h_l；预先存储的数据包括换热管束中流体在不同速度、温度下的对换热管内壁面对流传热系数，尾气在不同速度和不同温度下的对换热管外表面的对流传热系数；

中央控制器根据计算的K，h_w和h_l，根据传热公式计算出换热管外的积灰导热热阻R_do：

$\frac{1}{K}=\frac{1}{h_w}+\frac{\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{d_o}{d_m}+\frac{1}{h_l}\frac{d_o}{d_i}+R_{\mathrm{do}}\frac{d_o}{d_i},$

上述公式中，K为总体传热系数；h_w为换热管外壁的表面传热系数；h_l为换热管内壁的表面传热系数；d_o为换热管外直径；d_i为换热管内直径；d_m为换热管平均直径，等于(d_o+d_i)/2；δ为换热管的壁厚，等于(d_o-d_i)/2；λ为换热管的导热系数；R_do为换热管的积灰导热热阻；

在对换热管束外侧吹灰的时候，中央控制器调取最近一次运行情况，得出目前换热管的积灰导热热阻，根据积灰导热热阻的大小自动选取合适的风机频率；当积灰导热热阻大于预定数值，低于第一数值时，风机以第一频率运行，当积灰导热热阻大于第一数值低于第二数值时，风机以大于第一频率的第二频率运行，当积灰导热热阻大于第二数值低于第三数值时，风机以大于第二频率的第三频率运行，当积灰导热热阻大于第三数值低于第四数值时，风机以大于第三频率的第四频率运行，当积灰导热热阻大于第五数值时，风机以大于第四频率的第五频率运行。

2.根据权利要求1所述的吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，其特征是：所述换热管束呈菱形排列，壳体呈与换热管束菱形排列相配合的菱形结构，称为菱形壳体，尾气进口设置在菱形壳体的第一夹角位置处，尾气出口设置在菱形壳体的第二夹角位置处，所述菱形壳体的第一夹角的两条边上分别设置1#吹灰口和2#吹灰口，菱形壳体的第二夹角的两条边上分别设置3#吹灰口和4#吹灰口，其中1#吹灰口和3#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，2#吹灰口和4#吹灰口所在的菱形壳体的边是相对的两条边，其中1#吹灰口3位于所在边的下部，2#吹灰口4位于所在边的上部，3#吹灰口5位于所在边的上部，4#吹灰口6位于所在边的下部，从而使得1#吹灰口3距离尾气进口的距离要大于2#吹灰口4距离尾气进口距离，3#吹灰口5距离尾气出口的距离要大于4#吹灰口6距离尾气出口距离。

3.根据权利要求2所述的吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，其特征是：所述换热管束菱形排列的第一夹角顶点上的换热管束设置在尾气进口的下部置并与尾气进口相对，换热管束菱形排列的第二夹角顶点上的换热管束设置在尾气出口的上部并与尾气出口相对，换热管束菱形排列的第一夹角和换热管束菱形排列的第二夹角是对角，水泥回转窑尾气由尾气进口进入，先经过换热管束菱形排列的第一夹角顶点上的换热管束，然后横向冲刷换热管束，再经过换热管束菱形排列的第二夹角顶点上的换热管束，最后从尾气出口排出。

4.根据权利要求2所述的吹风速度自动控制的水泥回转窑余热利用换热器，其特征是：所述换热管束菱形排列的第一夹角A、换热管束中的换热管间距L及换热管外径D的关系满足如下公式：

3.7×D>L>2.4×D，其中20mm<D<50mm；

Sin(A/2)＝b×(L/D)^c，其中b，c为参数，b为1.65-1.8，c为-0.8至-0.9。