CN105091018A - 耐高温、高效空气换热器 - Google Patents

耐高温、高效空气换热器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空气换热器，包括：上风箱，上管板，换热管，下管板，下风箱，上下管板和隔热材料，上风箱与上管板焊接连接，下风箱与下管板焊接连接；换热管上、下两端分别与上、下管板焊接连接；上、下管板上浇注有隔热材料，覆盖所述焊接连接的焊缝。通过本发明使换热器风箱与管板之间、管板与换热管之间不容易产生裂缝，延长换热器使用寿命。

Description

耐高温、高效空气换热器
技术领域
本发明涉及轧钢加热炉或热处理炉余热回收领域，具体涉及一种安装于轧钢加热炉或热处理炉烟道内，回收废烟气中的热能，用于预热助燃空气的换热器。
背景技术
轧钢加热炉和热处理炉排放的烟气温度有600℃～1000℃，换热器是回收高温烟气中的热量，用于预热助燃空气降低轧钢加热炉和热处理炉能耗的核心。
换热器的核心是换热器在高温辐射下的使用寿命和换热效率。
现有换热器管板与高温烟气直接接触，由于换热器高温侧烟气温度很高，因此引起常规换热器高温侧上下管板与风箱板连接处焊缝热胀开裂，影响换热器的使用寿命和性能。
换热器的换热效率高低就是换热器的综合传热系数的高低。换热器换热介质的流动见图1，烟气在换热管壁外流动，空气从换热管中流动，烟气和空气的热交换是通过换热器换热管壁间接进行。因此在相同条件下需要提高换热器的综合传热系数需要让空气在流动过程充分和换热管壁接触。现有换热器也有在换热管中插入插件，提高空气在流动过程中和管壁的接触，相比光管式换热器综合传热系数提高很多，但只能达到23～33w/m2·℃。
因此本发明提出了一种回收轧钢加热炉和热处理炉高温烟气中的热能，并且预热助燃空气的预热器即换热器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种新型结构的空气换热器，用以解决原有换热器在高温下风箱和管板、管板与换热管之间容易开裂的问题，并且提高换热器整体换热效率，增加换热器综合传热系数。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
1.适当加高换热器风箱，把管板向风箱内缩进30～80mm，然后在管板与烟气接触面浇筑上隔热材料，使烟气和换热器管板没有直接接触；
2.本发明根据换热器空气的流动特性，发明了一种新型的旋流片式插入件，使空气通过换热管内时产生旋转，保证空气的附壁流动。
在上述技术方案的基础上，本技术方案可作如下调整：
进一步，所述管板与烟气接触面的隔热材料厚度根据烟气温度作调整，隔热材料厚度一般为30～80mm。
进一步，所述新型螺旋片式插入件，可根据换热管有效长度、换热管管径、换热管所在区域烟气温度等调节螺距大小，旋流片插入件螺距一般为1～6Φd(Φd为换热管通径)，旋流片插入件厚度为(1～2mm)。
本发明采用如下技术方案：
一种空气换热器，包括：
上风箱装置，包括两个水平并排布置并且互不直接连通的第一上风箱和第二上风箱，其中第一上风箱具有冷空气进口，用于接收来自换热器外部的冷空气，第二上风箱具有热空气出口，用于排出换热器内部的热空气，第一和第二上风箱均由金属壁围成；
第一金属上管板，用于密封第一上风箱的底部；
第二金属上管板，用于密封第二上风箱的底部，其中第一金属上管板与第二金属上管板基本在同一水平面上并且分别与第一和第二上风箱的金属壁焊接在一起；
由金属壁和金属下管板构成的封闭式下风箱，其中金属下管板与下风箱的金属壁焊接在一起并用于密封下风箱的顶部；
由多个竖向延伸的换热管形成的换热管阵列，所述多个换热管向上延伸穿过相应的第一金属上管板或第二金属上管板并与其密封焊接在一起，且向下延伸穿过下管板并与其密封焊接在一起；
其中，第一上管板向上伸入第一上风箱中并因此高出第一上风箱的金属壁的下缘，第二上管板向上突入第二风箱中并因此高出第二上风箱的金属壁的下缘；下管板向下伸入下风箱中并因此低于下风箱的金属壁的上缘，
第一上管板、第二上管板与分别第一上风箱、第二上风箱的金属壁之间所形成的缩进空间以及下管板与下风箱的金属壁之间所形成的缩进空间中均浇注有隔热材料。
所述的换热器，优选的：换热管内的空气由烟换热管外的烟气加热，烟气流动方向垂直于换热管的延伸方向。
所述的换热器，优选的：还包括旋流片式插入件，固定在换热管中。
所述的换热器，优选的：旋流片式插入件为螺旋导流片。
所述的换热器，优选的：隔热材料原料包括：结合剂、粉料、骨料和烧结剂。
所述的换热器，优选的：
结合剂为水泥，重量百分比15％；
粉料为黏土质粉料，重量百分比为32％；
骨料为黏土质骨料，重量百分比为50％；
烧结剂为软质黏土，重量百分比为3％。
所述的换热器，优选的：黏土质骨料的直径小于15mm。
所述的换热器，优选的：水泥为CA-50水泥。
一种换热器，包括：上风箱，上管板，换热管，下管板，下风箱，下管板和隔热材料，其中：
上风箱与上管板焊接连接，下风箱与下管板焊接连接；
换热管上、下两端分别与上、下管板焊接连接；
上、下管板上浇注有隔热材料，覆盖所述焊接连接的焊缝。
所述的换热器，优选的：还包括旋流片式插入件，固定换热管中。
所述的换热器，优选的：
上、下管板上均匀开设多排孔，上、下管板上的孔对称设置，多根换热管一端插入上、下管板其中之一上的孔，另一端插入另一管板上的对称设置的孔；
换热管管壁与上、下管板之间通过焊接连接。
所述的换热器，优选的：旋流片式插入件为螺旋导流片。
所述的换热器，优选的：上、下管板分别与上、下风箱一体成型制作而成。
本发明的有益效果是：
1、通过管板与烟气接触面的隔热材料可以使烟气对管板的腐蚀基本没有，然后烟气不和管板直接接触，降低了风箱和管板连接处焊缝的温度，保护该处焊缝不会因热胀而引起开裂；
2、本发明的新型旋流片插入件，可以根据换热管有效长度、换热管管径、换热管所在区域烟气温度等调节螺距大小，最大限度的保证空气在换热管内的附壁流动，从而达到更高的综合传热系数。
3、换热器结构通过以上改进后，使用寿命比原有空气换热器延长1～2年；综合传热系数更可达27～40w/m2·℃，比原有换热器提高15～30％。
附图说明
图1为现有技术换热器示意图；
图2为本发明所述空气换热器的结构示意图；
图3为图1的I局部放大图；
图4为本发明的旋流片式插入件示意图。
图2中，各标号所代表的部件列表如下：
1、上风箱，2、上管板，3、换热管，4、下管板，5、下风箱，6、上下管板隔热材料，7、旋流片式插入件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，本实施例给出了一种安装于轧钢加热炉或热处理炉烟道内，回收高温烟气中的余热，用于预热助燃空气的换热器。换热器由上风箱装置1，上管板2，换热管3，下管板4，下风箱5，上下管板隔热材料6，旋流片式插入件7等组成。上风箱装置1，上管板2，换热管3，下管板4，下风箱5均为金属制成，可选的是铁或钢。
如图2所示，上风箱装置1包括第一上风箱和第二上风箱，第一上风箱和第二上风箱水平并排布置并且互不直接连通(相互独立或隔离)，其中第一上风箱具有冷空气进口，用于接收来自换热器外部的冷空气，第二上风箱具有热空气出口，用于排出换热器内部的热空气，第一和第二上风箱均由金属壁围成。
换热管3与上管板2、下管板4固定连接，上管板2与上风箱装置1固定连接，下管板4与下风箱5固定连接，隔热材料6固定在上管板2、下管板4烟气侧，旋流片式插入件7固定在换热管3内，形成空气换热器的整体。空气通过第一上风箱(上风箱装置低温侧)的冷空气入口进入换热管3(低温侧)，旋流片式插入件7使通过换热管3内的空气产生旋流，保证空气3换热管内3的附壁流动；同时高温烟气在上管板2、下管板4之间流过；此时高温烟气和换热管3产生热交换，同时换热管和3空气产生热交换，以此达到预热空气的目的。同样当空气和烟气在低温侧完成间接的热交换后，空气通过下风箱5进入换热管3(高温侧)，完成热交换后，通过第二上风箱(上风箱装置高温侧)的热空气出口排出。
上管板2包括第一金属上管板和第二金属上管板，分别用于密封第一上风箱的底部和密封第二上风箱的底部，其中第一金属上管板与第二金属上管板基本在同一水平面上并且分别与第一和第二上风箱的金属壁焊接在一起。
下风箱5是由金属壁和金属下管板构成的封闭式下风箱，其中金属下管板4与下风箱的金属壁焊接在一起并用于密封下风箱的顶部。
换热管3是由多个竖向延伸的换热管形成的换热管阵列，所述多个换热管向上延伸穿过相应的第一金属上管板或第二金属上管板并与其密封焊接在一起，且向下延伸穿过下管板4并与其密封焊接在一起。其中，第一上管板向上突入第一上风箱中并因此高出第一上风箱的金属壁的下缘(下边缘)，伸入距离为3-8cm；第二上管板向上突入第二风箱中并因此高出第二上风箱的金属壁的下缘(下边缘)，伸入距离为3-8cm；下管板向下伸入下风箱中并因此低于下风箱的金属壁的上缘(上边缘)，伸入距离为3-8cm。由此第一上管板、第二上管板分别与第一上风箱或第二上风箱的金属壁之间形成缩进空间，下管板4与下风箱的金属壁之间形成缩进空间，在上述缩进空间中均浇注有隔热材料。
如图3所示，换热管3与上管板2焊接固定连接，上管板2与上风箱装置1焊接固定连接，旋流片式插入件7固定在换热管3内，烟气在上下管板之间流动。第一金属上管板缩进入第一上风箱内，使得第一金属板高于第一上风箱金属壁的下边缘，缩进距离为3-8cm；第二金属上管板缩进入第二上风箱内，使得第二金属板高于第二上风箱金属壁的下边缘，缩进距离为3-8cm；金属下管板4缩进入下风箱5内，使得下管板4低于下风箱5的金属壁的上边缘，缩进距离为3-8cm。在上述缩进空间中均浇注有隔热材料。
第一金属上管板与第二金属上管板分别与第一和第二上风箱的金属侧壁焊接在一起，形成中空的箱体，下管板4与下风箱5侧壁焊焊接在一起，形成中空的箱体，以上焊接连接处为焊缝。上、下管板2、4上均匀开设多个孔，上、下孔对称设置，多根换热管3插入上、下管板2、4其中之一上的孔，穿过换热空间进入另一管板上的对称设置的孔。换热管3管壁与上、下管板2、4之间在插入孔处通过焊接连接，换热管3与上、下管板2、4的连接处为焊缝。另外，为减少焊接焊缝，上、下管板也可以分别与上、下风箱1、5一体成型制作而成(如铸造)，仍然保留上述的缩进距离。此时仅存在管板与换热管之间的焊缝，使得换热器整体耐热强度大大加强。
在上、下管板2、4上浇注隔热材料，隔热材料覆盖全部焊缝，所述焊缝包括：上风箱装置1、下风箱5分别和上、下管板2、4连接处的焊缝，上、下管板2、4与换热管3之间的焊缝。由于管板2、4外有隔热材料，所以，高温烟气和上管板2、上风箱装置1、下管板4、下风箱5没有直接接触，与焊缝也没有直接接触，同时降低焊缝温度，使换热器风箱与管板之间、管板与换热管之间不容易产生裂缝，延长换热器使用寿命。隔热材料厚度由烟气温度决定，一般为30～80mm。
如图4所示，本实施例给出了相应的旋流片式插入件，为一种螺旋导流片的结构，加工时可以对一根长片状材料如扁钢，固定其两端，在两端施加扭矩，使之按螺旋盘绕的方式形成。例如，螺旋片式插入件是由1～2mm厚钢板根据换热管的内径尺寸和长度下料，由机器加工成螺旋片型式，然后插入固定在换热管内。当空气进入换热管内时，螺旋片插件使空气强制性的旋转，然后产生离心力，让空气附着换热管管壁作螺旋运动，让空气充分和换热管管壁接触，带走换热管管壁的热量，从而提高换热器的综合传热性能。
旋流片式插入件使空气沿旋流片插入件在换热管内作螺旋流动，以固定的切线动能在换热管内流动，保证空气在换热管内的附壁流动，使换热器具有更高的换热效率。根据换热管有效长度、换热管管径、换热管所在区域烟气温度等调节旋流片插件螺距大小，可调节空气喷出的切线动能。空气通过旋流片在换热管作螺旋运动，其切向流向大幅度提高了空气与换热管的热交换速度，从而降低了换热管的温度，延长换热器寿命和换热效率。为更好地换热，还可以在旋流片式插入件7的旋流片上开设多个小孔，直径3-5mm为宜。
下面对隔热材料的原料进行说明：
实施例1.隔热材料原料包括：结合剂、粉料、骨料和烧结剂。具体的，按重量百分比，采用以下材料：
1、结合剂(CA-50水泥)15％，购自于郑州市新兴特种水泥厂。
2、黏土质粉料32％，购自于新密市正阳铸造材料厂。
3、黏土质骨料(<15mm)50％，购自于郑州信德元耐火材料有限公司。
4、软质黏土烧结剂3％，购自于灵寿县巨石矿产品加工厂。
浇注时，将隔热材料原料与适量水(可为隔热材料原料总重的10％)充分混合均匀后得到浇注料，浇注到上、下管板2、4上，使得隔热材料覆盖全部焊缝。此隔热材料具有一定的抗酸侵蚀能力，耐火度在1250℃左右。
实施例2.隔热材料原料包括：基质、骨料、结合剂，各物料的重量百分比是：基质20-30％、骨料60-65％、结合剂5-15％，。
其中，所述的基质由刚玉粉，Al2O3粉、SiO2粉和石墨粉组成，基质中各组分的重量百分比是：
刚玉粉：23-35％，优选33％
Al2O3粉：30-35％，优选31％
SiO2粉：20-24％，优选21％
石墨粉：15-20％，优选15％
所述的结合剂由纯铝酸钙水泥组成。
浇注时，将隔热材料原料与适量水(可为隔热材料原料总重的5％)充分混合均匀后得到浇注料，浇注到上、下管板2、4上，使得隔热材料覆盖全部焊缝。由于采用石墨粉，起到除去钾钠等低熔点物质的作用，因此隔热材料耐火度在1450℃左右。

Claims (8)

1.一种空气换热器，包括：
上风箱装置，包括两个水平并排布置并且互不直接连通的第一上风箱和第二上风箱，其中第一上风箱具有冷空气进口，用于接收来自换热器外部的冷空气，第二上风箱具有热空气出口，用于排出换热器内部的热空气，第一和第二上风箱均由金属壁围成；
第一金属上管板，用于密封第一上风箱的底部；
第二金属上管板，用于密封第二上风箱的底部，其中第一金属上管板与第二金属上管板基本在同一水平面上并且分别与第一和第二上风箱的金属壁焊接在一起；
由金属壁和金属下管板构成的封闭式下风箱，其中金属下管板与下风箱的金属壁焊接在一起并用于密封下风箱的顶部；
由多个竖向延伸的换热管形成的换热管阵列，所述多个换热管向上延伸穿过相应的第一金属上管板或第二金属上管板并与其密封焊接在一起，且向下延伸穿过下管板并与其密封焊接在一起；
其中，第一上管板向上伸入第一上风箱中并因此高出第一上风箱的金属壁的下缘，第二上管板向上突入第二风箱中并因此高出第二上风箱的金属壁的下缘；下管板向下伸入下风箱中并因此低于下风箱的金属壁的上缘，
第一上管板、第二上管板与分别第一上风箱、第二上风箱的金属壁之间所形成的缩进空间以及下管板与下风箱的金属壁之间所形成的缩进空间中均浇注有隔热材料。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：
换热管内的空气由烟换热管外的烟气加热，烟气流动方向垂直于换热管的延伸方向。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：还包括旋流片式插入件，固定在换热管中。
4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于：旋流片式插入件为螺旋导流片。
5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：隔热材料原料包括：结合剂、粉料、骨料和烧结剂。
6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于：
结合剂为水泥，重量百分比15％；
粉料为黏土质粉料，重量百分比为32％；
骨料为黏土质骨料，重量百分比为50％；
烧结剂为软质黏土，重量百分比为3％。
7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于：黏土质骨料的直径小于15mm。
8.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于：水泥为CA-50水泥。
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