CN105157452B - 用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，它位于辐射管排烟段，所述换热器包括壳体，所述壳体包括依次连通的连接法兰、排气管和辐射管；所述辐射管另一端开设有烟气进气口；所述排气管的侧壁上分别安装有排烟管和助燃空气出口管，所述壳体内的设置有换热内管，换热内管四周均匀安装有多个与换热内管平行的换热夹套。综上所述，本发明通过燃气辐射管高效换热器的加工制备，使各项高效换热技术与控制手段直接固化到燃气辐射管换热器产品，通过燃气辐射管高效换热器的现场安装调试，优化换热器内烟气流量分配以及卷吸循环烟气量，实现换热器的高效运行，提高烟气余热回收效率。

Description

用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器

技术领域

本发明涉及燃气辐射管加热技术领域，具体地指一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器。

背景技术

辐射管间接加热隔离了炉内加热工件与燃烧气体接触，避免了燃烧气体对加热工件的高温腐蚀，因而在需气氛保护条件下加热的工业炉上得到广泛应用，如带钢连续热处理炉。

最早的辐射管炉是德国在20世纪30年代发明并使用，其结构为单层直管式，水平或垂直穿过炉膛布置，直到50年代初U型辐射管才问世，并在此基础上发展了W型以及排气再循环的P型和O型。由于U型和W型辐射管有效加热面积大、燃料利用率高、控制和操作相对较为容易等优点，因此在大型的带钢连续热处理炉上应用最多。

辐射管加热器的工作原理是利用辐射管烧嘴产生的高温烟气将辐射管加热，再利用辐射管将热量传递给工件，实现对工件的间接加热。辐射管换热器是辐射管的重要部件之一，其作用是回收烟气余热预热助燃空气，提高辐射管烧嘴助燃空气物理热，改善燃气燃烧状态，因而，换热器工作性能的优劣直接影响着辐射管的热效率和壁面温度均匀性以及节能效果、工件加热质量等。

然而，目前燃气辐射管普遍存在排烟温度高的问题，造成了相当的能源浪费，如何在有限的布置空间内提高换热器热效率是广大科研学者关注的重要课题。

为此，为提高辐射管换热器的效率，国内外采用了多种形式来改进换热器的结构，特别是在换热器的外管上的翅片强化传热改进较多，通过换热器表面换热系数的提高，达到降低排烟口烟气温度、提高烟气余热回收率与节能的目的。如：申请号为96218797.6的中国实用新型专利公开了一种喷流换热U型煤气辐射管，该辐射管是由排烟管、喷流管和换热管等组成的换热器，喷流管前部插入换热管内，后部插入排烟管内；空气首先通过管路进入到U型辐射管末端，通过喷流管壁上的小孔垂直喷向温度较高的换热管内壁，换热管外壁上焊接有肋片强化换热，此后，助燃空气流经排烟管内的换热管，继续同烟气进行二次顺流换热，进一步提高助燃空气的预热效果。该技术通过喷流换热和排烟管内的二次换热，有效地提高了助燃空气预热的换热效率，但助燃空气流动阻力大、换热器体积庞大，给现场安装与生产运行带来一定困难，目前在实际生产中未见应用报道。

文献“吴辅民，退火炉辐射管热交换器缺陷对热镀锌生产的影响及缺陷判断方法，四川冶金，2008年，No5”介绍了攀钢现有三条全辐射管立式退火炉生产线换热器的典型缺陷类型及其判断方法，阐述了辐射管换热器的安装布置形式、工作原理与节能降耗的重要意义，辐射管热交换器安装于辐射管加热段W型辐射管顶部烟气出口直管段末端，高温烟气由辐射管末端入口进入换热器，流经外套管与辐射管间通道，从烟气出口排出，通过外套管上外鱼翅状棘片外表面的换热将热量传递给外套管壁，常温助燃空气通过冷风入口，从内套管送达换热器端部，再流经内、外套管间的通道到达热风出口，通过外套管上鱼翅状内棘片内表面换热实现对助燃空气的预热，最高可预热到450℃左右。申请号为201220281653.8的中国实用新型专利公开了一种空气旋流喷射辐射管换热器，它包括外管、内管、四通和辐射管，其特征是外管的内、外壁上均设有旋流翘片，外管位于内管和辐射管之间；助燃空气通过内管送达外管的顶部，再经过外管与内管之间的间隙折回流动，烟气通过外管与辐射管之间的间隙流向排烟口，实现助燃空气与烟气的顺流换热，并通过外管旋流翘片与旋流帽的换热强化，提高助燃空气预热效果。通过与现有技术对比，该专利技术未能增大换热器的换热壁面积，仅是通过部件结构的改进提高换热系数，因而换热效率改善有限，同时加工制造难度与制造成本较高，目前未见实际生产使用的报道。

法孚斯坦因公司通过PCT途径(PCT/IB2009/053860)在中国提交申请号200980135228.9的发明一种用于辐射管式燃烧器的热量回收器，它是由出离段和返回段组成的辐射管换热器，其中，热交换器的出离段包括多根热交换器管，热交换器管平行于连接导道的轴线，用于助燃空气的通过，烟气通过热交换器管与套管之间的通道流动，实现与燃烧空气的逆流换热；此后，空气通过套接管转向引入回返段，并通过对烟气的卷吸混合以及回返段烟气间接换热，继续进行加热，实现助燃空气的高效预热。不难看出该专利技术增大了换热器的换热壁面积，同时还充分利用了烟气卷吸混合加热技术，但结构复杂，制备技术难度大，返回段体积小、换热壁面积增加幅度有限，同时，因结构复杂，辐射管排烟段有限空间未能得到充分利用，目前还未见到实际生产应用的报道。

综合上述可见，目前国内外就辐射管换热器的高效化开展了大量的研究，形成了各具特色的专利技术，但大部分专利技术主要是原技术基础上进行的改进，主要是空气与烟气换热壁面的翅片扩展、折流板延长烟气行程与换热时间、烟气卷吸混合等，在换热壁面积增大方面未有本质性的提高，实际生产中普遍存在的排烟温度高、换热效率低、换热器高温腐蚀等的不足；虽然法孚斯坦因公司公开的专利能够增大换热壁面积，但结构复杂、辐射管内有限空间利用率低、换热器换热壁面积增加幅度有限，也未见实际生产应用。根据文献“冯俊小、王宏宇、吴启明、向顺华，燃气辐射管换热器的结构优化与数值模拟，北京科技大学学报，2003年，No7”报道，增大换热器换热比面积、延长换热行程、消除换热器内流动死区能够提高换热效率。

由此可见，如何在布置空间有限的条件下大幅度提高换热器换热壁面积，同时延长换热行程、简化换热器结构与安装维护，仍需开展进一步的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，该换热器可以大幅度提高换热器有效换热比表面积，其具有结构简单、换热壁面积大、制作方便、换热效率高、使用寿命长等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，它位于辐射管排烟段，所述换热器包括壳体，所述壳体包括依次连通的连接法兰、排气管和辐射管；所述辐射管另一端开设有烟气进气口；所述排气管的侧壁上分别安装有排烟管和助燃空气出口管，所述壳体内的设置有换热内管，所述换热内管的中心线与壳体的中心线重合，且换热内管的一端的助燃空气入口穿过连接法兰伸出壳体外，所述换热内管的另一端端口设置有封堵球冠，所述封堵球冠的外壁上周向均匀开设有2～4个通孔；所述换热内管四周均匀安装有多个与换热内管平行的换热夹套，其中一个换热夹套的侧壁上开设有与助燃空气出口管相互连通的助燃空气通孔，所述换热夹套两端分别安装有换热夹套帽，所述换热夹套一端的换热夹套帽上开设有与通孔对应的通气孔，所述通气孔与通孔之间通过连通管连接。其中，换热内管、连通管、换热夹套、助燃空气通孔和助燃空气出口管连通形成助燃空气流动通道；换热内管与换热夹套之间的间隙以及辐射管与换热夹套之间的间隙构成两道并行的烟气通道。

进一步地，所述换热内管外壁上均匀设置有外螺旋翅片，所述换热内管内设置有呈螺旋形的内插扰流件。

再进一步地，所述换热夹套包括靠近换热内管的内套和靠近壳体的外套，所述内套的内外表面和外套的内表面上均匀设置有棘翅片，所述外套外表面均匀设置有螺旋翅片，所述排烟管和助燃空气出口管对应的换热夹套外壁上平行对称设置有第一内隔板和第二内隔板，所述第一内隔板和第二内隔板均垂直插入换热夹套外壁内，所述第一内隔板和第二内隔板上表面设置有定位圈，所述第一内隔板与排烟管的中轴线重合，所述第一内隔板端部伸入排烟管内，且第一内隔板端部还设置有烟气调节翻板，所述第一内隔板上的定位圈固定在换热夹套外壁上，所述第二内隔板另一端焊接在壳体的内壁上，且第二内隔板设置在助燃空气出口管上方，所述第二内隔板上的定位圈两端分别固定在换热夹套外壁和壳体的内壁上。

再进一步地，所述助燃空气通孔与助燃空气出口管之间安装有助燃空气喷射口，所述助燃空气喷射口为渐缩管结构，其宽口安装在助燃空气通孔上。

再进一步地，所述助燃空气出口管与助燃空气喷射口同轴，所述助燃空气出口管由内至外依次有耐热合金短管、压紧弹簧和外螺纹内方孔圆柱组成，所述外螺纹内方孔圆柱旋入壳体上的螺纹孔内，

再进一步地，所述连接法兰内壁上周向均匀焊接有支撑加固件。

再进一步地，所述支撑加固件呈“L”型结构，所述支撑加固件另一端与换热内管外壁焊接，每个支撑加固件的直角端均与换热夹套另一端的换热夹套帽焊接。

再进一步地，所述换热内管、换热夹套、换热夹套帽、连通管、支撑加固件和助燃空气喷射口与烟气接触的表面均涂敷有高温防腐红外辐射釉层。

再进一步地，所述助燃空气入口的开口处焊接有助燃空气管道连接法兰。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的燃气辐射管高效换热器通过换热内管、换热夹套的结构设计，实现了助燃空气在换热内管外表面、换热夹套内外表面与烟气的直接间壁式换热，在有限布置空间条件下，大幅度扩大了换热器的有效换热壁面积，也实现了换热内管段助燃空气与烟气的逆流换热与换热夹套段的顺流换热，不仅提高了换热器的表面换热系数，同时延长了助燃空气的有效换热行程，大幅度提高了换热器的换热效率。

2、本发明的换热器通过换热内管与换热夹套外套外螺旋翅片的设置，不仅实现了换热壁的翅片换热强化，同时，延长了烟气流动行程与换热时间。

3、本发明的换热器通过换热内管内插件以及换热夹套内空气侧棘翅片的设置，进一步提高了换热器空气侧的换热系数，提高换热器的换热效率。

4、本发明的换热器通过助燃空气入口、换热内管、换热夹套、连通管、助燃空气喷射口、助燃空气出口管构成的助燃空气流动通道以及换热内管与换热夹套之间间隙以及辐射管与换热夹套之间间隙构成两道并行的烟气通道的结构设计，保证了换热器的稳定高效运行，并通过换热器壳体烟气调节翻板，实现两道并行烟气通道中的烟气流量，实现烟气余热的高效回收。

5、本发明的换热器通过换热器中换热内管、换热夹套、换热夹套帽、连通管、支撑加固件和助燃空气喷射口等与烟气接触面的高温防腐红外辐射釉层设置，强化了换热器的结构稳定性、高温烟气与换热壁面的辐射换热，防止金属换热壁面的高温烟气腐蚀，发挥换热强化与延缓换热器腐蚀的双重功能，达到提高换热器效率与使用寿命的目的。

6、本发明的换热器通过助燃空气喷射口和助燃空气出口管的结构设计，实现了预热后助燃空气的高温烟气的卷吸循环混合，进一步提高高温烟气余热回收效率，同时，通过专用工具插入外螺纹内方孔圆柱的方孔内，调节助燃空气出口管旋入深度，控制助燃空气喷射口和助燃空气出口管之间的间隙和高温烟气的卷吸循环量，为辐射管烧嘴的燃烧空燃比精确控制提供了新途径。

综合上述的技术特征实现了燃气辐射管换热器换热壁面积的大幅度提高、壁面换热的明显强化、换热时间与行程的延长、烟气卷吸循环的精确可靠控制以及换热器高温腐蚀速度的显著降低，从而在有限的布置空间内，达到显著提高烟气余热回收效率、延长换热器使用寿命以及降至制作成本的节能综合经济效果。

综上所述，本发明通过燃气辐射管高效换热器的加工制备，使各项高效换热技术与控制手段直接固化到燃气辐射管换热器产品，通过燃气辐射管高效换热器的现场安装调试，优化换热器内烟气流量分配以及卷吸循环烟气量，实现换热器的高效运行，提高烟气余热回收效率，达到改善辐射管炉高质量、低成本、稳定生产以及高效节能的目的，有效地克服了燃气辐射管换热器安装空间有限所引起的换热效率低的固有不足，推广应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明一种燃气辐射管高效换热器结构示意图；

图2为图1的A向示意图；

图3为图1的B局域放大示意图；

图4为图1的C向示意图。

图中，壳体1、连接法兰1.1、排气管1.2、辐射管1.3、烟气进气口1.31、换热内管2、助燃空气入口2.1、助燃空气管道连接法兰2.11、封堵球冠2.2、通孔2.21、外螺旋翅片2.3、内插扰流件2.4、排烟管3、助燃空气出口管4、耐热合金短管4.1、压紧弹簧4.2、外螺纹内方孔圆柱4.3、换热夹套5、内套5.1、外套5.2、棘翅片5.3、螺旋翅片5.4、内隔板5.5(第一内隔板5.5a、第二内隔板5.5b)、助燃空气通孔5.6、换热夹套帽6、通气孔6.1、连通管7、烟气调节翻板8、支撑加固件9、助燃空气喷射口10、高温防腐红外辐射釉层11、定位圈12。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如图1～4所示，一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，它位于辐射管排烟段，换热器包括壳体1，壳体1包括依次连通的连接法兰1.1、排气管1.2和辐射管1.3；辐射管1.3另一端开设有烟气进气口1.31；排气管1.2的侧壁上分别安装有排烟管3和助燃空气出口管4，壳体1内的设置有换热内管2，换热内管2的中心线与壳体1的中心线重合，且换热内管2的一端的助燃空气入口2.1穿过连接法兰1.1伸出壳体1外，换热内管2的另一端端口焊接有封堵球冠2.2，封堵球冠2.2的外壁上周向均匀开设有4个通孔2.21；换热内管2四周均匀安装有4个与换热内管2平行的换热夹套5，其中一个换热夹套5的侧壁上开设有与助燃空气出口管4相互连通的助燃空气通孔5.6，换热夹套5两端分别安装有换热夹套帽6，换热夹套5一端的换热夹套帽6上开设有与通孔2.21对应的通气孔6.1，通气孔6.1与通孔2.21之间通过连通管7连接。其中，换热内管2、连通管7、换热夹套5、助燃空气通孔5.6和助燃空气出口管4连通形成助燃空气流动通道；换热内管2与换热夹套5之间的间隙以及辐射管1.3与换热夹套5之间的间隙构成两道并行的烟气通道。

换热内管2外壁上均匀焊接有外螺旋翅片2.3，换热内管2内安装有呈螺旋形的内插扰流件2.4，外螺旋翅片2.3和换热内管2采用耐热合金材质。

换热夹套5包括靠近换热内管2的内套5.1和靠近壳体1的外套5.2，内套5.1的内外表面和外套的内表面上均匀焊接有棘翅片5.3，外套5.2外表面均匀焊接有螺旋翅片5.4，排烟管3和助燃空气出口管4对应的换热夹套5外壁上平行对称焊接有第一内隔板5.5a和第二内隔板5.5b，第一内隔板5.5a和第二内隔板5.5b均垂直插入换热夹套5外壁内，第一内隔板5.5a和第二内隔板5.5b上表面设置有定位圈12，第一内隔板5.5a与排烟管3的中轴线重合，第一内隔板5.5a端部伸入排烟管3内，且第一内隔板5.5a端部还安装有烟气调节翻板8，第一内隔板5.5a上的定位圈12固定在换热夹套5外壁上，第二内隔板5.5b另一端焊接在壳体1的内壁上，且第二内隔板5.5b焊接在助燃空气出口管4上方，第二内隔板5.5b上的定位圈12两端分别固定在换热夹套5外壁和壳体1的内壁上。换热夹套帽6、内套5.1、外套5.2、棘翅片5.3、螺旋翅片5.4均采用采用耐热合金铸造制备。

助燃空气通孔5.6与助燃空气出口管4之间安装有助燃空气喷射口10，助燃空气喷射口10为渐缩管结构，其宽口安装在助燃空气通孔5.6上，

助燃空气出口管4与助燃空气喷射口10同轴，助燃空气出口管4由内至外依次有耐热合金短管4.1、压紧弹簧4.2和外螺纹内方孔圆柱4.3组成，外螺纹内方孔圆柱4.3旋入壳体1上的螺纹孔内，外螺纹内方孔圆柱4.3通过压紧弹簧4.2与换热器壳体1固定，控制助燃空气出口管4旋入深度，调节助燃空气喷射口10与助燃空气出口管4的间隙和烟气卷吸循环量。

连接法兰1.1内壁上周向均匀焊接有支撑加固件9。支撑加固件由4～8根耐热合金条、棒或管组成。

支撑加固件9呈“L”型结构，支撑加固件9另一端与换热内管2外壁焊接，每个支撑加固件9的直角端均与换热夹套5另一端的换热夹套帽6焊接；

换热内管2、换热夹套5、换热夹套帽6、连通管7、支撑加固件9和助燃空气喷射口10与烟气接触的表面均涂敷有高温防腐红外辐射釉层11，该高温防腐红外辐射釉层11常规的涂釉搪烧釉化方法制备；

助燃空气入口2.1的开口处焊接有助燃空气管道连接法兰2.11。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，它位于辐射管排烟段，所述换热器包括壳体(1)，所述壳体(1)包括依次连通的连接法兰(1.1)、排气管(1.2)和辐射管(1.3)；所述辐射管(1.3)另一端开设有烟气进气口(1.31)；其特征在于：所述排气管(1.2)的侧壁上分别安装有排烟管(3)和助燃空气出口管(4)，所述壳体(1)内设置有换热内管(2)，所述换热内管(2)的中心线与壳体(1)的中心线重合，且换热内管(2)的一端的助燃空气入口(2.1)穿过连接法兰(1.1)伸出壳体(1)外，所述换热内管(2)的另一端端口设置有封堵球冠(2.2)，所述封堵球冠(2.2)的外壁上周向均匀开设有2～4个通孔(2.21)；所述换热内管(2)四周均匀安装有多个与换热内管(2)平行的换热夹套(5)，其中一个换热夹套(5)的侧壁上开设有与助燃空气出口管(4)相互连通的助燃空气通孔(5.6)，所述换热夹套(5)两端分别安装有换热夹套帽(6)，所述换热夹套(5)一端的换热夹套帽(6)上开设有与通孔(2.21)对应的通气孔(6.1)，所述通气孔(6.1)与通孔(2.21)之间通过连通管(7)连接。

2.根据权利要求1所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述换热内管(2)外壁上均匀设置有外螺旋翅片(2.3)，所述换热内管(2)内设置有呈螺旋形的内插扰流件(2.4)。

3.根据权利要求1或2所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述换热夹套(5)包括靠近换热内管(2)的内套(5.1)和靠近壳体(1)的外套(5.2)，所述内套(5.1)的内外表面和外套的内表面上均匀设置有棘翅片(5.3)，所述外套(5.2)外表面均匀设置有螺旋翅片(5.4)，所述排烟管(3)和助燃空气出口管(4)对应的换热夹套(5)外壁上平行对称设置有第一内隔板(5.5a)和第二内隔板(5.5b)，所述第一内隔板(5.5a)和第二内隔板(5.5b)均垂直插入换热夹套(5)外壁内，所述第一内隔板(5.5a)和第二内隔板(5.5b)上表面设置有定位圈(12)，所述第一内隔板(5.5a)与排烟管(3)的中轴线重合，所述第一内隔板(5.5a)端部伸入排烟管(3)内，且第一内隔板(5.5a)端部还设置有烟气调节翻板(8)，所述第一内隔板(5.5a)上的定位圈(12)固定在换热夹套(5)外壁上，所述第二内隔板(5.5b)另一端焊接在壳体(1)的内壁上，且第二内隔板(5.5b)设置在助燃空气出口管(4)上方，所述第二内隔板(5.5b)上的定位圈(12)两端分别固定在换热夹套(5)外壁和壳体(1)的内壁上。

4.根据权利要求1或2所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述助燃空气通孔(5.6)与助燃空气出口管(4)之间安装有助燃空气喷射口(10)，所述助燃空气喷射口(10)为渐缩管结构，其宽口安装在助燃空气通孔(5.6)上。

5.根据权利要求4所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述助燃空气出口管(4)与助燃空气喷射口(10)同轴，所述助燃空气出口管(4)由内至外依次有耐热合金短管(4.1)、压紧弹簧(4.2)和外螺纹内方孔圆柱(4.3)组成，所述外螺纹内方孔圆柱(4.3)旋入壳体(1)上的螺纹孔内。

6.根据权利要求1或2所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述连接法兰(1.1)内壁上周向均匀焊接有支撑加固件(9)。

7.根据权利要求6所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述支撑加固件(9)呈“L”型结构，所述支撑加固件(9)另一端与换热内管(2)外壁焊接，每个支撑加固件(9)的直角端均与换热夹套(5)另一端的换热夹套帽(6)焊接。

8.根据权利要求6所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述换热内管(2)、换热夹套(5)、换热夹套帽(6)、连通管(7)、支撑加固件(9)和助燃空气喷射口(10)与烟气接触的表面均涂敷有高温防腐红外辐射釉层(11)。

9.根据权利要求8所述用于非自身预热燃气烧嘴式辐射管的高效换热器，其特征在于：所述助燃空气入口(2.1)的开口处焊接有助燃空气管道连接法兰(2.11)。