CN105890406B - 一种耐压差高温陶瓷换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐压差高温陶瓷换热器，有效解决陶瓷换热器的耐高温、耐高压差、气流间密封、整体结构稳定性及成本的问题，等截面筒体中有多个换热器管组件，每个换热器管组件由排列管束、上连接挡板、下连接挡板和气流隔板构成，排列管束上下端装在上、下连接挡板上，上、下连接挡板间有气流隔板，下、上连接挡板经密封支撑环装在等截面筒体内壁中，换热器管组件间有气流调节空间，等截面筒体内有气流通道，气流通道上下侧壁上有气流口，锥顶和锥底筒体上有引出和引入口，等截面筒体上、下端的上、下支撑圈和上、下部密封支撑环连接，本发明结构紧凑，制作成本和运行费用低，克服了蓄热式换热器工艺流体温度波动的弊病。

Description

一种耐压差高温陶瓷换热器

技术领域

本发明涉及热能、化工、及冶金领域的热工设备，特别适合于为需要高温气体（空气、煤气、压缩空气）的热工装置提供一定压力与较高稳定温度的一种耐压差高温陶瓷换热器。

背景技术

在热能、化工及冶金工程领域，换热器是必不可少的重要设备。对应用于温度较低领域金属制作的间壁式换热器是其主流装置，而对于温度较高的流体介质的热交换装置就不能直接用金属制作的间壁式换热器，而是采用蓄热式的热交换设备，如加热炉、热风炉等。采用蓄热式换热器实际上是一种无奈的选择，其原因在于耐高温的金属材料的缺乏，或者是金属材料的高温性能欠佳。即使是蓄热式换热器从投资费用到运行费用都远高于间壁式换热器，人们也只能被动采用。随着非金属陶瓷材料的发展及其性能的改善，用耐高温的间壁式陶瓷换热器就成为了可能。但是，非金属陶瓷材料不同于金属材料的地方在于其抗折性能与抗热震性能较差，即使诸如碳化硅之内的高温陶瓷，在这方面也远比金属材料差，而在加工性能制作工艺等方面也远远比不上金属材料。此外，另一个制约因素是耐温1000℃以上的性能较佳的陶瓷材料制作的换热器，其价格远高于用金属材料制作的数十倍。基于上述原因，高温陶瓷换热器的应用也受到了极大的限制。随着高温陶瓷制作工艺的改进，以及应用范围的逐步扩大，其制作成本将逐步下降。就目前情况看，相对于采用高温蓄热式换热装置，高温陶瓷换热器的制作成本已经相差不大，考虑其操作使用过程要远比蓄热式换热器简单，用高温陶瓷换热器取代蓄热式换热器的时代已经来临。同时，陶瓷换热器制作与使用上的问题就会越来越显得突出，其制品的耐高温性能、耐高压差性能、气流间密封、整体结构稳定性（寿命与事故率）都是要重点解决的关键问题。

发明内容

为实现高温气流间的稳定热交换，本发明提供一种耐压差高温陶瓷换热器。

本发明解决的技术方案是，壳体是由钢制外壳的内壁上砌筑耐火材料墙体的封闭耐压筒体结构，壳体是由从上到下的锥顶筒体、等截面筒体和锥底筒体依次连接在一起构成的一体结构，等截面筒体中从上到下依次排列有结构相同的多个换热器管组件，分别为置于等截面筒体内上部的上换热器管组件，置于等截面筒体内中部的中换热器管组件和置于等截面筒体内下部的下换热器管组件，每个换热器管组件均由排列管束、上连接挡板、下连接挡板和气流隔板构成，排列管束是由多个竖管相互间隔均布排布构成，每个竖管内为管内气流空间，每相邻的两个竖管之间均有管外气流空间，排列管束的上端和下端分别装在上连接挡板和下连接挡板上，上连接挡板和下连接挡板之间有连接多个竖管的气流隔板，每两个相邻的换热器管组件的下连接挡板和上连接挡板经中部密封支撑环相互连接，上换热器管组件的下连接挡板和中换热器管组件的上连接挡板之间有上气流调节空间，中换热器管组件的下连接挡板和下换热器管组件的上连接挡板之间有下气流调节空间，上换热器管组件的上连接挡板外周装有上部密封支撑环，下换热器管组件的下连接挡板外周装有下部密封支撑环，上部密封支撑环、中部密封支撑环和下部密封支撑环均嵌装在等截面筒体的内壁中，等截面筒体的一侧墙体内有气流分配通道，气流分配通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引入口，气流分配通道的内侧壁上均布有连通上换热器管组件的管外气流空间的多个上部气流进口；和装有热气流引入口的等截面筒体的一侧墙体相对应的另一侧墙体内有上部气流连通通道，上部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个上部气流收集口，上部气流收集口和上换热器管组件的管外气流空间连通，上部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个中部气流出口，中部气流出口和中换热器管组件的管外气流空间相互连通，气流分配通道的下方在等截面筒体墙体内设置有和气流分配通道置于同一侧（同一侧是指气流分配通道和下部气流连通通道置于等截面筒体的同一侧墙体内）的下部气流连通通道，下部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个连通中换热器管组件的管外气流空间的中部气流收集口，下部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个连通下换热器管组件的管外气流空间的下部气流出口，上部气流连通通道的下方在等截面筒体墙体内设置有和上部气流连通通道置于同一侧（同一侧是指上部气流连通通道和汇流通道置于等截面筒体的同一侧墙体内）的汇流通道，汇流通道的内侧壁上均布有多个连通下换热器管组件的管外气流空间的下部气流收集口，汇流通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引出口；锥顶筒体内的空腔为气流收集空间，锥顶筒体上设置有连通气流收集空间的冷气流引出口，气流收集空间和上换热器管组件的管内气流空间相互连通；锥底筒体内的空腔为气流分配间，锥底筒体的一侧墙体下部设置有连通气流分配间的冷气流引入口，气流分配间和下换热器管组件的管内气流空间相互连通，气流分配间向上依次经下换热器管组件的管内气流空间、下气流调节空间、中换热器管组件的管内气流空间、上气流调节空间、上换热器管组件的管内气流空间、气流收集空间和冷气流引出口连通，等截面筒体的上端设置有连接锥顶筒体的上支撑圈，等截面筒体的下端设置有连接锥底筒体的下支撑圈，上支撑圈和上部密封支撑环紧密结合，下支撑圈和下部密封支撑环紧密结合，构成气流密封结构。

本发明设计了一种能够实现高温流体之间安全稳定传热的间壁式热交换器。按照上述的换热器的结构特征，该发明工作时，通过管组件管外侧的气流流动与管内侧的气流流动而实现两种气流之间的热量交换，使热流体被冷却而使冷流体被加热。热交换过程是由气流与管外的对流换热（或含有辐射换热）过程、管壁的热传导过程、以及管内流体与管内部的对流换热（或含有辐射换热）过程所组成，其热量传递过程的强度高，同时，考虑高温传热过程对材料与结构的特殊要求，换热器管组件采用抗折强度好、抗热震性强的碳化硅材质，并采用沟槽使得密封结构以防止冷、热气流之间的串通，尤其是当两种流体间存在较大压力差时。

由于这种耐压差的高温陶瓷换热器采用多管组结构与分段密封的结构，不仅整体结构紧凑，而且材质的选用具有更大的灵活性，制作成本和运行费用低。同时，相对于使用蓄热式换热器而言，材料的用量和运行系统都得到了极大的简化，而且克服了蓄热式换热器工艺流体温度波动的弊病，可以在稳定不变流体温度下长期运行。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明图1中A-A截面图。

图3为本发明图1中B-B截面图。

图4为本发明图1中C-C截面图。

图5为本发明图1中D-D截面图。

图6为本发明图1中E-E截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1-图6所示，本发明的壳体是由钢制外壳的内壁上砌筑耐火材料墙体的封闭耐压筒体结构，壳体是由从上到下的锥顶筒体1a、等截面筒体1b和锥底筒体1c依次连接在一起构成的一体结构，等截面筒体1b中从上到下依次排列有结构相同的多个换热器管组件，分别为置于等截面筒体1b内上部的上换热器管组件2a，置于等截面筒体1b内中部的中换热器管组件2b和置于等截面筒体1b内下部的下换热器管组件2c，每个换热器管组件均由排列管束2d、上连接挡板2e、下连接挡板和气流隔板2f构成，排列管束是由多个竖管相互间隔均布排布构成，每个竖管内为管内气流空间，每相邻的两个竖管之间均有管外气流空间，排列管束的上端和下端分别装在上连接挡板和下连接挡板上，上连接挡板和下连接挡板之间有连接多个竖管的气流隔板2f，每两个相邻的换热器管组件的下连接挡板和上连接挡板经中部密封支撑环9b相互连接，上换热器管组件的下连接挡板和中换热器管组件的上连接挡板之间有上气流调节空间7d，中换热器管组件的下连接挡板和下换热器管组件的上连接挡板之间有下气流调节空间7c，上换热器管组件2a的上连接挡板外周装有上部密封支撑环9a，下换热器管组件2c的下连接挡板外周装有下部密封支撑环9c，上部密封支撑环9a、中部密封支撑环9b和下部密封支撑环9c均嵌装在等截面筒体1b的内壁中，等截面筒体1b的一侧墙体内有气流分配通道3b，气流分配通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引入口3a，气流分配通道的内侧壁上均布有连通上换热器管组件2a的管外气流空间的多个上部气流进口3c；和装有热气流引入口的等截面筒体1b的一侧墙体相对应的另一侧墙体内有上部气流连通通道4b，上部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个上部气流收集口4a，上部气流收集口4a和上换热器管组件2a的管外气流空间连通，上部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个中部气流出口4c，中部气流出口和中换热器管组件2b的管外气流空间相互连通，气流分配通道3b的下方在等截面筒体1b墙体内设置有和气流分配通道置于同一侧（同一侧是指气流分配通道和下部气流连通通道置于等截面筒体1b的同一侧墙体内）的下部气流连通通道5b，下部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个连通中换热器管组件2b的管外气流空间的中部气流收集口5a，下部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个连通下换热器管组件2c的管外气流空间的下部气流出口5c，上部气流连通通道4b的下方在等截面筒体1b墙体内设置有和上部气流连通通道置于同一侧（同一侧是指上部气流连通通道和汇流通道6b置于等截面筒体1b的同一侧墙体内）的汇流通道6b，汇流通道的内侧壁上均布有多个连通下换热器管组件2c的管外气流空间的下部气流收集口6a，汇流通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引出口6c；锥顶筒体内的空腔为气流收集空间8a，锥顶筒体上设置有连通气流收集空间的冷气流引出口8b，气流收集空间和上换热器管组件的管内气流空间相互连通；锥底筒体内的空腔为气流分配间7b，锥底筒体的一侧墙体下部设置有连通气流分配间的冷气流引入口7a，气流分配间和下换热器管组件2c的管内气流空间相互连通，气流分配间向上依次经下换热器管组件2c的管内气流空间、下气流调节空间7c、中换热器管组件2b的管内气流空间、上气流调节空间、上换热器管组件的管内气流空间、气流收集空间8a和冷气流引出口连通，等截面筒体1b的上端设置有连接锥顶筒体1a的上支撑圈10a，等截面筒体1b的下端设置有连接锥底筒体的下支撑圈10b，上支撑圈10a和上部密封支撑环9a紧密结合，下支撑圈10b和下部密封支撑环9c紧密结合，构成气流密封结构。

所述的壳体为钢制外壳内壁上砌筑有工作温度1300℃以上的耐火材料墙体构成的封闭耐压筒体结构，所述的耐压是指压力在1MPa以内，耐火材料墙体至少有两层，外层的外侧和钢制外壳内壁贴合，外层的内侧和内层相接，内层为重质量且承重的重质耐火材料，外层为非承重的轻质耐火材料，壳体的截面为矩形或圆形。

所述的耐火材料墙体为碳化硅质砖、高铝质砖或粘土砖砌筑的环形墙。

所述的竖管的截面是圆形、矩形或椭圆形。

所述的换热器管组件为抗折强度好、抗热震性强、耐高温的碳化硅制成。

所述的换热器管组件至少有3个。

所述的气流隔板2f为置于每个换热器管组件的上连接挡板和下连接挡板之间连接排列管束中的多个竖管的横向板体，长度小于上连接挡板或下连接挡板，每个换热器管组件中的气流隔板个数至少有2个，相互上下或左右交错排列，构成换热器管组件排列管束的管外气流空间分隔成不同流道结构，气流隔板的外端固定在等截面筒体内壁中。

所述的上换热器管组件2a中位于上方的气流隔板置于上部气流进口3c下方，上换热器管组件中位于下方的气流隔板置于上部气流收集口4a上方；中换热器管组件2b中位于上方的气流隔板置于中部气流出口4c下方，中换热器管组件中位于下方的气流隔板置于中部气流收集口5a上方；下换热器管组件2c中位于上方的气流隔板置于下部气流出口5c下方，下换热器管组件中位于下方的气流隔板置于下部气流收集口6a上方。

所述的上部密封支撑环9a、下部密封支撑环9c和中部密封支撑环9b均为环形，当环形的内侧壁沿周向设有一层环形开口时，构成单沟槽状结构，上部密封支撑环9a和下部密封支撑环9c均为单沟槽状结构，当环形的内侧壁沿周向设有上、下两层环形的开口时，构成双沟槽状结构，中部密封支撑环9b为双沟槽状结构。

所述的中部密封支撑环9b为两个，分别为第一中部密封支撑环和第二中部密封支撑环；上换热器管组件2a的上连接挡板的边沿嵌装在上部密封支撑环9a的开口内，下换热器管组件2c的下连接挡板的边沿嵌装在下部密封支撑环9c的开口内，上换热器管组件2a的下连接挡板和中换热器管组件2b的上连接挡板的边沿分别嵌装在第一中部密封支撑环的两层环形的开口内，中换热器管组件2b的下连接挡板和下换热器管组件2c的上连接挡板的边沿分别嵌装在第二中部密封支撑环的两层环形的开口内。

所述的热气流引入口3a、热气流引出口6c为1个或2个以上，热气流引入口3a和热气流引出口6c数量可根据气流分配通道3b和汇流通道6b的宽度确定。

所述的上部气流连通通道4b、下部气流连通通道5b、气流分配通道3b和汇流通道6b均为矩形截面的扁长形通道。

本发明是以炼铁高炉的高温热风炉（蓄热式热交换设备）为基础，针对性地提出一种高温陶瓷换热器的结构，用以取代现行的高炉热风炉，其中采用耐高温、抗热震的碳化硅材质制作换热器管组件，本发明实施时，热流体从热气流引入口3a进入，通过气流分配通道3b并通过均布其上的多个上部气流进口3c均匀流入上换热器管组件2a的管外气流空间；经过上换热器管组件的气流隔板2f，转折流入上部气流收集口4a，以连通上部气流连通通道4b，该通道转折向下连通对应中换热器管组件2b的多个均布的中部气流出口4c；不断重复这一过程直到进入下部气流收集口6a，并流经汇流通道6b而进入热气流引出口6c后通向换热器外。冷流体从冷气流（被加热气流）引入口7a进入，流经锥底筒体1c内的气流分配间7b，向上进入下换热器管组件2c的管内气流空间，上行，继而进入下气流调节空间7c，再上行进入中换热器管组件2b的管内气流空间，再向上流经上气流调节空间7d，而进入上换热器管组件2a的管内气流空间，在其上端流进锥顶筒体1a内的气流收集空间8a，并从冷气流引出口8b流出。这样通过三个换热器管组件的管内与管外的热交换实现热量从热流体向冷流体的传递与转移，实现其相互间的换热功能，充分实现了高温换热器所需的耐高温、耐压差、密封好、抗腐蚀，且整体结构稳定的动能，是取代蓄热式热交换设备的最佳选择。

Claims (9)

1.一种耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，壳体是由钢制外壳的内壁上砌筑耐火材料墙体的封闭耐压筒体结构，壳体是由从上到下的锥顶筒体（1a）、等截面筒体（1b）和锥底筒体（1c）依次连接在一起构成的一体结构，等截面筒体（1b）中从上到下依次排列有结构相同的多个换热器管组件，分别为置于等截面筒体（1b）内上部的上换热器管组件（2a），置于等截面筒体（1b）内中部的中换热器管组件（2b）和置于等截面筒体（1b）内下部的下换热器管组件（2c），每个换热器管组件均由排列管束（2d）、上连接挡板（2e）、下连接挡板和气流隔板（2f）构成，排列管束是由多个竖管相互间隔均布排布构成，每个竖管内为管内气流空间，每相邻的两个竖管之间均有管外气流空间，排列管束的上端和下端分别装在上连接挡板和下连接挡板上，上连接挡板和下连接挡板之间有连接多个竖管的气流隔板（2f），每两个相邻的换热器管组件的下连接挡板和上连接挡板经中部密封支撑环（9b）相互连接，上换热器管组件的下连接挡板和中换热器管组件的上连接挡板之间有上气流调节空间（7d），中换热器管组件的下连接挡板和下换热器管组件的上连接挡板之间有下气流调节空间（7c），上换热器管组件（2a）的上连接挡板外周装有上部密封支撑环（9a），下换热器管组件（2c）的下连接挡板外周装有下部密封支撑环（9c），上部密封支撑环（9a）、中部密封支撑环（9b）和下部密封支撑环（9c）均嵌装在等截面筒体（1b）的内壁中，等截面筒体（1b）的一侧墙体内有气流分配通道（3b），气流分配通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引入口（3a），气流分配通道的内侧壁上均布有连通上换热器管组件（2a）的管外气流空间的多个上部气流进口（3c）；和装有热气流引入口的等截面筒体（1b）的一侧墙体相对应的另一侧墙体内有上部气流连通通道（4b），上部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个上部气流收集口（4a），上部气流收集口（4a）和上换热器管组件（2a）的管外气流空间连通，上部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个中部气流出口（4c），中部气流出口和中换热器管组件（2b）的管外气流空间相互连通，气流分配通道（3b）的下方在等截面筒体（1b）墙体内设置有和气流分配通道置于同一侧的下部气流连通通道（5b），下部气流连通通道的内侧壁上部均布有多个连通中换热器管组件（2b）的管外气流空间的中部气流收集口（5a），下部气流连通通道的内侧壁下部均布有多个连通下换热器管组件（2c）的管外气流空间的下部气流出口（5c），上部气流连通通道（4b）的下方在等截面筒体（1b）墙体内设置有和上部气流连通通道置于同一侧的汇流通道（6b），汇流通道的内侧壁上均布有多个连通下换热器管组件（2c）的管外气流空间的下部气流收集口（6a），汇流通道的外侧壁上有伸出等截面筒体的热气流引出口（6c）；锥顶筒体内的空腔为气流收集空间（8a），锥顶筒体上设置有连通气流收集空间的冷气流引出口（8b），气流收集空间和上换热器管组件的管内气流空间相互连通；锥底筒体内的空腔为气流分配间（7b），锥底筒体的一侧墙体下部设置有连通气流分配间的冷气流引入口（7a），气流分配间和下换热器管组件（2c）的管内气流空间相互连通，气流分配间向上依次经下换热器管组件（2c）的管内气流空间、下气流调节空间（7c）、中换热器管组件（2b）的管内气流空间、上气流调节空间、上换热器管组件的管内气流空间、气流收集空间（8a）和冷气流引出口连通，等截面筒体（1b）的上端设置有连接锥顶筒体（1a）的上支撑圈（10a），等截面筒体（1b）的下端设置有连接锥底筒体的下支撑圈（10b），上支撑圈（10a）和上部密封支撑环（9a）紧密结合，下支撑圈（10b）和下部密封支撑环（9c）紧密结合，构成气流密封结构；所述的气流隔板（2f）为置于每个换热器管组件的上连接挡板和下连接挡板之间连接排列管束中的多个竖管的横向板体，长度小于上连接挡板或下连接挡板，每个换热器管组件中的气流隔板个数至少有2个，相互上下或左右交错排列，构成换热器管组件排列管束的管外气流空间分隔成不同流道结构，气流隔板的外端固定在等截面筒体内壁中。

2.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的壳体为钢制外壳内壁上砌筑有工作温度1300℃以上的耐火材料墙体构成的封闭耐压筒体结构，所述的耐压是指压力在1MPa以内，耐火材料墙体至少有两层，外层的外侧和钢制外壳内壁贴合，外层的内侧和内层相接，内层为重质量且承重的重质耐火材料，外层为非承重的轻质耐火材料，壳体的截面为矩形或圆形。

3.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的竖管的截面是圆形、矩形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的换热器管组件为抗折强度好、抗热震性强、耐高温的碳化硅制成，所述的换热器管组件至少有3个。

5.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的上换热器管组件（2a）中位于上方的气流隔板置于上部气流进口（3c）下方，上换热器管组件中位于下方的气流隔板置于上部气流收集口（4a）上方；中换热器管组件（2b）中位于上方的气流隔板置于中部气流出口（4c）下方，中换热器管组件中位于下方的气流隔板置于中部气流收集口（5a）上方；下换热器管组件（2c）中位于上方的气流隔板置于下部气流出口（5c）下方，下换热器管组件中位于下方的气流隔板置于下部气流收集口（6a）上方。

6.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的上部密封支撑环（9a）、下部密封支撑环（9c）和中部密封支撑环（9b）均为环形，当环形的内侧壁沿周向设有一层环形开口时，构成单沟槽状结构，上部密封支撑环（9a）和下部密封支撑环（9c）均为单沟槽状结构，当环形的内侧壁沿周向设有上、下两层环形的开口时，构成双沟槽状结构，中部密封支撑环（9b）为双沟槽状结构。

7.根据权利要求6所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的中部密封支撑环（9b）为两个，分别为第一中部密封支撑环和第二中部密封支撑环；上换热器管组件（2a）的上连接挡板的边沿嵌装在上部密封支撑环（9a）的开口内，下换热器管组件（2c）的下连接挡板的边沿嵌装在下部密封支撑环（9c）的开口内，上换热器管组件（2a）的下连接挡板和中换热器管组件（2b）的上连接挡板的边沿分别嵌装在第一中部密封支撑环的两层环形的开口内，中换热器管组件（2b）的下连接挡板和下换热器管组件（2c）的上连接挡板的边沿分别嵌装在第二中部密封支撑环的两层环形的开口内。

8.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的热气流引入口（3a）、热气流引出口（6c）为1个或2个以上，热气流引入口（3a）和热气流引出口（6c）数量可根据气流分配通道（3b）和汇流通道（6b）的宽度确定。

9.根据权利要求1所述的耐压差高温陶瓷换热器，其特征在于，所述的上部气流连通通道（4b）、下部气流连通通道（5b）、气流分配通道（3b）和汇流通道（6b）均为矩形截面的扁长形通道。