CN106168453B

CN106168453B - 热交换器

Info

Publication number: CN106168453B
Application number: CN201610288930.0A
Authority: CN
Inventors: 伊藤隆行; 田中直树
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2036-05-04
Also published as: JP2016217654A; JP6357706B2; CN106168453A

Abstract

本发明提供一种热交换器，其中，减少向连接管套与导热管的焊接部施加的应力而抑制焊接部的强度降低。该热交换器具有：管板(8)，其划分出供高温流体(EG)流动的一次空间(6a)与供低温流体(A)流动的二次空间(10a)，并形成有贯通孔(18)；管状的管套(19)，其以与贯通孔(18)成为同心的方式接合于管板(8)的一次空间侧(6a)；以及导热管(11)，其经由管套(19)而被管板(8)支承，导热管(11)具有：导热管主体(12)，其配置在二次空间内(10a)；以及连接管(20)，其具有大径部(21)和小径部(22)，该大径部配置在一次空间内(6a)而具有比管套(19)的内径大的外径，该小径部贯穿贯通孔(18)并与导热管主体(12)连结。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种具有一对管板以及在一对管板之间并排设置的导热管的热交换器。

背景技术

国内的下水污泥的产生量逐年增加，其中大多数被焚烧处理。在焚烧污泥的污泥焚烧设备中，由于从燃烧炉排出的废气成为高温，因此为了提高热效率而进行热回收。例如，通过使用空气预热器在从焚烧炉排出的废气与向燃烧炉供给的燃烧用空气(流动空气)之间进行热交换，进行燃烧用空气的预热，从而实现节能化。

作为空气预热器，例如采用被称为壳管式的多管式热交换器。多管式热交换器具有如下结构：多个导热管以其两端部插入到分别形成于一对管板的贯通孔的方式并排设置于一对管板之间。在多管式热交换器中，使高温的废气通过导热管，并且使燃烧用空气通过管板之间，由此实施热交换。

然而，在多管式热交换器的施工中，难以将导热管与管板直接焊接。另外，在将导热管与管板直接焊接的情况下，有可能因导热管的热伸展等向管板施加负载。

因此，如图4所示，导热管111与管板8借助在导热管111的外周面与管板8的贯通孔18的内周面之间配置的管状的管套121而接合。换言之，通过采用如下构造来防止管板8的破损：向管板8的贯通孔18中插入管状的管套121，在产生负载的情况下，负载向管板8的贯通孔18与管套121的焊接部W(角焊)施加(例如参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-329585号公报

然而，向将管套121与导热管111连接起来的焊接部W施加基于导热管111的自重的一次应力以及基于热伸展的二次应力。即，存在向焊接部W集中施加负载而产生强度降低这样的课题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够降低向连接管套与导热管的焊接部施加的应力而抑制焊接部的强度降低的热交换器。

根据本发明的第一方案，热交换器具有：管板，其划分出供高温流体流动的一次空间和供低温流体流动的二次空间，并形成有使所述一次空间与所述二次空间连通的贯通孔；管状的管套，其以与所述贯通孔成为同心的方式设置于所述管板的所述一次空间侧的面；以及导热管，其经由所述管套被所述管板支承，所述导热管具有：连接管，其具有大径部和小径部，该大径部配置在所述一次空间内且具有比所述管套的内径大的外径，该小径部贯穿所述贯通孔；以及导热管主体，其配置在所述二次空间内而与所述小径部连结。

根据这样的结构，导热管经由连接管的大径部与管套的抵接面被管板支承。由此，在接合导热管与管套的焊接部不会受到因导热管的自重引起的应力，因此能够抑制焊接部的强度降低。

另外，通过设为无需将管套插入贯通孔就可以与管板的面接合的结构，能够进一步减小贯通孔的孔径，能够提高管板的强度。

在上述热交换器中，也可以使所述连接管的材料的热膨胀率与所述导热管主体的材料的热膨胀率相同或者同等。

根据这样的结构，能够抑制因热膨胀率的差异而产生的热应力。

在上述热交换器中，也可以使所述连接管的材质与所述导热管主体的材质相同或者同等。

根据这样的结构，能够抑制因材质的差异而产生的热应力。

在上述热交换器中，也可以使所述导热管主体的材料的热膨胀率、所述连接管的材料的热膨胀率、所述管板的材料的热膨胀率以及所述管套的材料的热膨胀率相同或者同等。

在上述热交换器中，也可以使所述导热管主体的材质、所述连接管的材质、所述管板的材质以及所述管套的材质相同或者同等。

根据这样的结构，能够抑制因材质的差异而产生的热应力。

在上述热交换器中，也可以使所述导热管主体的材料、所述连接管的材料、所述管板的材料以及所述管套的材料为NCF 800H或者SUS 310S。

根据这样的结构，能够消除因材料不同产生的热应力。

在上述热交换器中，也可以使所述连接管与所述导热管主体的端面彼此借助对接焊部而被连接。

根据这样的结构，能够提高连接管与导热管主体之间的强度。

在上述热交换器中，也可以具有：外壳，其具有作为所述一次空间的内部空间；连接板，其介于所述外壳与所述管板之间；以及隔热件，其设置于所述外壳的外表。

根据这样的结构，通过利用隔热件来抑制来自外壳的散热而使连接板的温度上升，能够减小从管板到连接板的温度梯度。由此，能够减少在管板上产生的热应力。

发明效果

根据本发明，导热管经由连接管的大径部与管套的抵接面而被管板支承。由此，不会对接合导热管和管套的焊接部施加由导热管的自重引起的应力，因此能够抑制焊接部的强度降低。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式的热交换器的焚烧设备的框图。

图2是本发明的实施方式的热交换器的简图。

图3是表示本发明的实施方式的热交换器的导热管与管板的连接部的剖视图。

图4是表示现有的热交换器的导热管与管板的连接部的剖视图。

附图标记说明：

1 焚烧炉

2 热交换器

3 废气管道

3A 第一废气管道

3B 第二废气管道

4 空气管道

4A 第一空气管道

4B 第二空气管道

6 上部集管部

6a 上部集管部内空间(一次空间)

7 下部集管部

7a 下部集管部内空间(二次空间)

8 上侧管板

9 下侧管板

10 内筒

10a 内筒内空间

11 导热管

12 导热管主体

13 内筒上部

13a 空气入口

14 内筒下部

14a 空气出口

15 斜板

16 第一隔热件

17 挡板

18 贯通孔

19 管套

19a 管套上表面

20 连接管

21 大径部

21a 大径部下表面

22 小径部

24 挡管

26 第二隔热件

111 导热管

121 管套

A 燃烧用空气(低温流体)

EG 废气(高温流体)

G 间隙

W1、W2、W3、W4 焊接部

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式的热交换器进行详细说明。具备本实施方式的热交换器的焚烧设备是对下水污泥等废弃物进行焚烧处理的污泥焚烧设备。

需要说明的是，在此，将具备热交换器的焚烧设备作为污泥焚烧设备进行说明，但也可以将该热交换器应用于其他种类的焚烧设备、或者焚烧设备以外的设备。

如图1所示，焚烧设备具有焚烧污泥而排出废气EG的焚烧炉1、对向焚烧炉1供给的燃烧用空气A进行加热(预热)的热交换器2、供废气EG导入的废气管道3以及将燃烧用空气A向焚烧炉1供给的空气管道4。热交换器2在作为高温流体的废气EG与温度比废气EG低的作为低温流体的燃烧用空气A之间进行热交换。

废气管道3具有：为了将从焚烧炉1排出的废气EG向热交换器2供给而将焚烧炉1与热交换器2连接起来的第一废气管道3A；以及将因热交换而温度降低的废气EG向后段设备输送的第二废气管道3B。

空气管道4具有：将燃烧用空气A向热交换器2导入的第一空气管道4A；以及为了将因热交换而温度上升的燃烧用空气A向焚烧炉1供给而将焚烧炉1与热交换器2连接起来的第二空气管道4B。

由于应向焚烧炉1供给的燃烧用空气A被热交换器2加热，因此焚烧炉1容易进行下水污泥那样的不易燃烧的焚烧对象物的焚烧。即，本实施方式的热交换器2作为用于对向污泥焚烧用的焚烧炉1供给的燃烧用空气A进行预热的空气预热器而理想地发挥功能。

如图2所示，热交换器2具有作为外壳的上部集管部6及下部集管部7、上侧管板8、下侧管板9、内筒10以及多个导热管11。导热管11在内筒10的内部与内筒10平行地配置。

在上侧管板8以及下侧管板9形成有用于供导热管11穿过的多个贯通孔18(参照图3)。导热管11通过穿过该贯通孔18而被定位于规定的位置。

内筒10具有内筒上部13、内筒下部14以及将内筒下部14与内筒上部13连接的伸缩接头(未图示)。

上侧管板8设置在上部集管部6内的上部集管部内空间6a(一次空间)与内筒10所围成的内筒内空间10a(二次空间)之间。下侧管板9设置在内筒内空间10a(二次空间)与下部集管部7内的下部集管部内空间7a(一次空间)之间。换言之，管板8、9是划分出供废气EG流动的集管部内空间6a、7a以及供燃烧用空气A流通的内筒内空间10a的板状构件。上侧管板8的贯通孔18是使上部集管部内空间6a与内筒内空间10a连通的孔。

上部集管部6的内周面与上侧管板8被斜板15连接。同样，下部集管部7的内周面与下侧管板9被斜板15连接。斜板15是介于管板8、9与集管部6、7之间的连接板，呈朝向内筒10的轴线方向而缓缓扩径的圆锥形。斜板15的板厚形成为比管板8、9薄。上侧管板8以及下侧管板9优选由具有耐热耐腐蚀性的金属材料、例如SUS310S、NCF 800H(也称作ALLOY800H(注册商标))等不锈钢形成，但不限于此。

多个导热管11在内筒内空间10a上下延伸而将上部集管部内空间6a与下部集管部内空间7a连接起来。

第一废气管道3A与上部集管部6连接，第二废气管道3B与下部集管部7连接。

废气EG从焚烧炉1通过第一废气管道3A而向上部集管部内空间6a导入。废气EG从上部集管部内空间6a通过多个导热管11内而向下部集管部内空间7a流动。废气EG从下部集管部内空间7a通过第二废气管道3B而向后段设备输送，最终向大气释放。

向上部集管部内空间6a导入的废气EG的温度例如为850℃，上侧管板8的温度例如达到700℃。

第一空气管道4A与设于内筒上部13的空气入口13a连接。

第二空气管道4B与设于内筒下部14的空气出口14a连接。

在第一空气管道4A中流过的燃烧用空气A从空气入口13a向内筒内空间10a流入，在流过内筒内空间10a之后，通过空气出口14a以及第二空气管道4B而向焚烧炉1供给。在导热管11内流动的废气EG与在内筒内空间10a流动的燃烧用空气A经由导热管11的壁面进行热交换。

在内筒内空间10a中设有挡板17，使得内筒内空间10a的空气的流动与导热管11尽可能地相等接触。

另外，在作为外壳的上部集管部6的外周面，例如设有石棉、玻璃棉、聚氨酯泡沫等第一隔热件16。即，成为抑制上侧管板8的热量经由斜板15、上部集管部6而被释放的构造。

接下来，对上侧管板8与导热管11的连接部的详细结构进行说明。

如图3所示，本实施方式的热交换器2的导热管11具有在内筒内空间10a配置的导热管主体12、以及与导热管主体12的端部(上端)连接的连接管20。导热管11经由管套19而被上侧管板8支承。以下，将沿着导热管11的中心轴的方向仅称为轴向。

在上侧管板8形成有用于供导热管11穿过的贯通孔18。具体来说，导热管11的连接管20贯穿贯通孔18。贯通孔18的内径例如为90mm。导热管11朝向轴向的下方而延伸至下侧管板9(参照图2)。构成导热管11的导热管主体12可以分割成多个。

管套19是呈圆筒形状的构件，在上侧管板8的朝向上部集管部内空间6a的面8a上以与贯通孔18成为同心的方式进行接合。管套19的径向的厚度例如为8mm。管套19的内径与贯通孔18的内径大致相同。即，管套19的内周面与贯通孔18的内周面配置在大致同一周面上。

管套19与上侧管板8通过如下方式进行接合：在贯通孔18的内周面的上端与管套19的内周面的下端设置坡口，并进行V形对接焊(由W1表示焊接部)。

在焊接部W1中，以使焊接后的表面成为平面的方式进行追加加工。坡口的形状不限于V形，例如也可以为U形。另外，坡口不需要设置在管套19与上侧管板8这两方，例如可以采用仅在管套19上设置坡口的结构。

管套19能够由与管板8、9相同的金属材料形成。

另外，管套19的外周面与上侧管板8例如通过角焊进行接合(由W2表示焊接部)。

导热管主体12为管状的构件。导热管主体12的径向的厚度(壁厚)例如为3mm。导热管主体12的外径例如为89mm。导热管主体12的外径与后述的连接管大致相同，优选为在与贯通孔18的内周面之间产生微小的间隙G的程度的外径。

连接管20是呈圆筒形状的构件，以延长导热管主体12的方式与导热管主体12连接。连接管20具有在上部集管部内空间6a配置的大径部21以及具有与导热管主体12大致相同的外径以及厚度的小径部22。大径部21与小径部22一体形成。

连接管20的大径部21是与管套19接合的部分。大径部21的内径与导热管主体12的内径大致相同。大径部21的外径比管套19的内径大，且比管套19的外径小。大径部21的外径优选为比管套19的内径例如大10mm左右。即，从轴向观察，优选使大径部21与管套19在径向上重叠5mm左右。大径部21的外径也可以在能够与管套19接合的范围内增大。

连接管20的小径部22是与导热管主体12连结的部分。小径部22的内径以及外径与导热管主体12的内径以及外径大致相同。小径部22的外径为在小径部22的外周面与贯通孔18的内周面之间形成微小的间隙G(例如为0.5mm左右)的尺寸。

小径部22的轴向的长度比管套19的轴向的长度与上侧管板8的厚度之和长。即，小径部22的长度为如所下述的长度：在将连接管20插入到接合有管套19的贯通孔18中时，小径部22的端部向相反侧充分突出。小径部22的轴向的长度越长，与导热管主体12的焊接部越远离成为高温的上侧管板8，故是优选的。

导热管主体12以及连接管20由NCF 800H(ALLOY800H(注册商标))形成。上侧管板8、下侧管板9、管套19也由NCF 800H(ALLOY800H(注册商标))形成。即，导热管主体12的材质、连接管20的材质与上侧管板8、下侧管板9以及管套19的材料为相同的金属。该金属不限于NCF 800H，也能够采用SUS310S等不锈钢。

另外，作为形成导热管主体12以及连接管20的材料，只要热膨胀率相同或者相等，则也可以是不同的材料。例如，NCF 800H的热膨胀率为17.3×10^-6/℃～18.6×10^-6/℃(600℃～1000℃)，SUS310S的热膨胀率为17.5×10^-6/℃～19.1×10^-6/℃(600℃～1000℃)，因此也可以由SUS310S形成导热管主体12，并且由NCF 800H形成连接管20。即，导热管主体12与连接管20的材料的选定只要以由热膨胀产生的变形在导热管主体12与连接管20处相等的方式进行即可。

同样，形成导热管主体12、连接管20、上侧管板8、下侧管板9以及管套19的材料可以是相同的材料(热膨胀率相同)，也能够使用热膨胀率相等的材料。

导热管主体12与连接管20通过如下方式进行接合：在导热管主体12的外周面的上端与连接管20的小径部22的外周面的下端设置坡口角度为90°的坡口，并进行V形对接焊(由W3表示焊接部)。在焊接部W3中，以使焊接后的表面成为平面的方式进行追加加工。坡口的形状不限于V形，例如也可以设为U形。另外，坡口不需要设置于导热管主体12与小径部22这两方。

连接管20的大径部21与管套19通过在大径部21的外周面与管套19的上表面之间例如形成角焊来接合(由W4表示焊接部)。

在连接管20的上侧的端部接合有挡管24。挡管24以延长导热管11的方式与连接管20进行连接。挡管24的壁厚以及直径与导热管11的壁厚以及直径相同。挡管24的与连接管20连接的一侧的相反侧的端部为随着朝向端部而逐渐扩径的烟囱(funnel)形状(漏斗形状)。

另外，在上侧管板8的朝向上部集管部内空间6a的面8a上设有第二隔热件26。第二隔热件26例如能够由耐火浇注料形成。

接下来，对在本实施方式的热交换器2的组装中、尤其是将导热管11向上侧管板8安装的方法进行说明。

首先，通过规定的方法，固定上侧管板8以及斜板15。接下来，将多个管套19以使贯通孔18与管套19成为同轴的方式与上侧管板8接合。另一方面，将连接管20与导热管主体12以使连接管20与导热管主体12成为同轴的方式进行接合。

接下来，将导热管11从上侧管板8的上方插入贯通孔18。通过使连接管20的大径部21的外径比管套19的内径大，由此大径部21的下表面21a与管套19的上表面19a抵接。即，导热管11的大径部21被管套19支承。

接下来，以在连接管20的小径部22的外周面与贯通孔18的内周面之间沿周向形成均匀的间隙G的方式对连接管20与管套19进行接合。

根据上述实施方式，导热管11经由连接管20的大径部21与管套19的抵接面而被管板8支承。由此，在接合导热管11与管套19的焊接部W4不会受到由导热管11的自重引起的应力，因此能够抑制焊接部W4的强度降低。

另外，通过设为无需将管套19插入贯通孔18就可以与上侧管板8的面接合的结构，能够进一步减小贯通孔18的孔径，能够提高上侧管板8的强度。

另外，通过将连接管20的材质与导热管主体12的材质设为相同或者同等，能够抑制因材质的差异产生的热应力。

另外，在将连接管20的材料的热膨胀率与导热管主体12的材料的热膨胀率设为相同或者同等的情况下，能够抑制因热膨胀率的差异产生的热应力。

另外，通过将连接管20的材料与导热管主体12的材料设为相同，能够消除因材料不同而产生的热应力。

另外，在将所述导热管主体的材质、所述连接管的材质、所述管板的材质以及所述管套的材质设为相同或者同等的情况下，能够更理想地抑制因材质的差异而产生的热应力。

另外，在将所述导热管主体的材料的热膨胀率、所述连接管的材料的热膨胀率、所述管板的材料的热膨胀率以及所述管套的材料的热膨胀率设为相同或者同等的情况下，能够更理想地抑制因热膨胀率的差异而产生的热应力。

另外，通过将连接管20与导热管主体12进行对接焊，能够提高连接管20与导热管主体12之间的强度。

另外，通过在上部集管部6的外表面设置第一隔热件16，利用第一隔热件16来抑制来自上部集管部6的散热而使斜板15的温度上升，由此能够减小从上侧管板8向斜板15的温度梯度。由此，能够减少在上侧管板8上产生的热应力。

另外，通过设为经由管套19以及连接管20而向上侧管板8固定导热管11的构造，能够容易进行导热管11的维修。即，即使在导热管11的表面脆化的情况下，也能够对管套19与连接管20中的至少一方进行刮削等而除去脆化的位置，进行修补(焊接)。

另外，通过设为经由管套19以及连接管20而向上侧管板8固定导热管11的构造，能够不易使导热管11向上侧管板8(管套19)焊接时的热量向上侧管板8传递。

另外，通过将管套19的内径与贯通孔18的内径设为大致相同，从而使管套19的内周面与贯通孔18的内周面连续，能够进一步减小管套19与导热管11的间隔、以及贯通孔18与导热管11的间隔，能够进一步减小贯通孔18的孔径。

另外，通过将挡管24的上端设为烟囱形状，能够提高废气EG的流入效率。

需要说明的是，本发明的技术范围不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内加以各种变更。

例如，构成连接管20的大径部21与小径部22一体形成，但也可以分别形成并进行接合。

Claims

1.一种热交换器，其中，

所述热交换器具有：

管板，其划分出供高温流体流动的一次空间和供低温流体流动的二次空间，并形成有使所述一次空间与所述二次空间连通的贯通孔；

管状的管套，其以与所述贯通孔成为同心的方式设置于所述管板的所述一次空间侧的面；以及

导热管，其经由所述管套被所述管板支承，

所述导热管具有：

连接管，其具有大径部和小径部，所述大径部配置在所述一次空间内且具有比所述管套的内径大的外径，所述小径部贯穿所述贯通孔；以及

导热管主体，其配置在所述二次空间内而与所述小径部连结。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，

所述连接管的材料的热膨胀率与所述导热管主体的材料的热膨胀率同等。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述连接管的材质与所述导热管主体的材质同等。

4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述导热管主体的材料的热膨胀率、所述连接管的材料的热膨胀率、所述管板的材料的热膨胀率以及所述管套的材料的热膨胀率同等。

5.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述导热管主体的材质、所述连接管的材质、所述管板的材质以及所述管套的材质同等。

6.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述导热管主体的材料、所述连接管的材料、所述管板的材料以及所述管套的材料为NCF 800H或者SUS 310S。

7.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述连接管与所述导热管主体的端面彼此借助对接焊部而被连接。

8.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，

所述热交换器具有：

外壳，其具有作为所述一次空间的内部空间；

连接板，其介于所述外壳与所述管板之间；以及

隔热件，其设置于所述外壳的外表面。