CN106767025A - U型辐射管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种U型辐射管，所述U型辐射管具有U型的烟气通道，所述U型的烟气通道包括：排烟侧通道和燃烧侧通道，所述U型辐射管包括：换热器，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道的末端；烧嘴喷口，设置在所述U型辐射管的燃烧侧通道的首端；非金属材料制成的旋流装置，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道中，并且位于所述换热器与所述烧嘴喷口之间；所述换热器包括：管体和设置在所述管体中的金属翅片。本发明能够有效的降低生产能耗，也能够有效的提高辐射管能力，特别适用于降低能耗或有提升辐射管供热能力需求的改造。

Description

U型辐射管
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体涉及一种U型辐射管。
背景技术
U型辐射管是一种间接加热装置，由耐热钢管铸造或焊接而成。其加热过程为燃料由烧嘴喷口喷出，与助燃空气混合后燃烧，燃烧产物-高温烟气由辐射管进气侧流到排烟侧后排出。随着烟气在辐射管内的流动，燃烧产物温度随辐射管的散热逐渐减低，使其用时存在供气侧壁温度高，排烟侧壁温度低的问题，造成管两侧温差，辐射管能力不能全部发挥。存在辐射管两侧温度不均匀，换热效率低，使用效率低，使用寿命不均等的问题。
综上所述，现有技术中存在以下问题：现有的U型辐射管两侧温度不均匀，换热效率低。
发明内容
本发明提供一种U型辐射管，以解决现有的U型辐射管两侧温度不均匀，换热效率低的问题。
为此，本发明提出一种U型辐射管，所述U型辐射管具有U型的烟气通道，所述U型的烟气通道包括：排烟侧通道和燃烧侧通道，所述U型辐射管包括：
换热器，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道的末端；
烧嘴喷口，设置在所述U型辐射管的燃烧侧通道的首端；
非金属材料制成的旋流装置，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道中，并且位于所述换热器与所述烧嘴喷口之间；
所述换热器包括：管体和设置在所述管体中的金属翅片。
进一步地，所述旋流装置包括：三个相交于同一中心轴的螺旋片，三个所述螺旋片对称设置在所述中心轴上并形成立体三维的螺旋结构，沿所述中心轴的轴向，每个螺旋片的长度为一节或多节，每节螺旋片螺旋旋转360度。
进一步地，所述排烟侧通道为圆形，在所述U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，三个所述螺旋片分别形成相交于所述中心轴的三条半径，三条所述半径相互夹角为120度，并且三条所述半径中总有两条支撑在圆形的排烟侧通道的内壁上，另外一条半径与圆形的排烟侧通道的内壁具有间隔空间。
进一步地，所述管体中设有由四个行程通道组成换热器空气通道，所述四个行程通道分别为：串联连接的第一进入通道、第一流出通道、第二进入通道和第二流出通道，并且所述四个行程通道形成两排两列的矩阵式结构。
进一步地，所述第一进入通道与所述第一流出通道之间形成180度折返，所述第一流出通道与所述第二进入通道之间形成180度折返，所述第二进入通道和所述第二流出通道之间形成180度折返。
进一步地，所述金属翅片设置在四个行程通道中的每个行程通道中。
进一步地，每节所述螺旋片长度为200至400mm，所述螺旋片的节距比为2至3。
进一步地，每片所述螺旋片的厚度为12-15mm，所述旋流装置采用非金属陶瓷材料。
进一步地，所述旋流装置采用碳化硅扭曲而成。
本发明中换热器中设有金属翅片，换热面积大，换热效率高，空气预热温度高，热回收量大。进一步的，旋流装置提高了辐射管排烟侧的换热系数，原因是旋流装置能使烟气冲破辐射管内壁的附面层，使辐射管内烟气能以更快速率向炉内传递热流。旋流装置具有安装容易、使用寿命长等优点，使用该技术后，U型辐射管系统的综合热效率由原来的65％提高到80％，辐射管也得以寿命提高。
进而，本发明采用由三个螺旋片形成的立体三维的螺旋结构，这样，比单片式螺旋的紊流效果明显增加，而且这种由三个所述螺旋片形成的立体三维的螺旋结构，在U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，形成三角形的结构，能够在U型辐射管的排烟侧通道中得到最稳定的支撑，因而，使得U型辐射管的换热性能稳定，减少了旋流装置与U型辐射管的排烟侧通道之间的磨损，辐射管也得以寿命提高。
进而，本发明的换热器采用由四个行程通道组成换热器空气通道，四个行程通道形成两排两列的矩阵式结构，增加了换热气体的折返，减少了管体的长度，减少了烧嘴的长度，由于在同一空间尺寸内空气的换热面积是常规2行程的换热器换热面积的1.8倍，助燃空气预热温度得以提高，因而解决了现有的加长双行程管换热器将结构拉出烧嘴范围、影响炉侧的操作、在使用上受到限制的问题。
附图说明
图1为本发明的U型辐射管的整体结构示意图或工作原理图；
图2为本发明的换热器的结构示意图；
图3为图2中A-A处的剖视结构示意图；
图4为本发明的旋流装置的立体结构示意图；
图5为本发明的旋流装置的主视方向的结构示意图；
图6为本发明的旋流装置的俯视方向的结构示意图。
附图标号说明：
1 换热器；2 旋流装置；
3 烧嘴喷口；4 U型辐射管的管体；
11 烧嘴烟气通道壳体；12 管体；13 金属翅片；
20 中心轴；21 螺旋片；22 螺旋片；23 螺旋片
61 第一进入通道；62 第一流出通道；63 第二进入通道；64 第二流出通道
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图1和图2所示，本发明提出一种U型辐射管，所述U型辐射管具有设置在U型辐射管的管体4中的U型的烟气通道，所述烟气通道与烧嘴外部排烟系统相通，所述U型的烟气通道包括：排烟侧通道42和燃烧侧通道41，所述U型辐射管包括：
换热器1，即烧嘴换热器，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道42的末端(位于U型辐射管烧嘴排烟侧)；
烧嘴喷口3，设置在所述U型辐射管的燃烧侧通道41的首端(即U型辐射管进气侧)；
非金属材料制成的旋流装置2，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道42中(安装在U型辐射管烟气回流侧)，并且位于所述换热器1与所述烧嘴喷口3之间；旋流装置提高了辐射管排烟侧的换热系数，原因是旋流装置能使烟气冲破辐射管内壁的附面层，使辐射管内烟气能以更快速率向炉内传递热流。旋流装置具有安装容易、使用寿命长等优点，使用该技术后，U型辐射管系统的综合热效率由原来的65％提高到80％，辐射管也得以寿命提高；本发明采用非金属材料制成的旋流装置2，能够克服金属材料不耐高温，无法安放在U型辐射管中的难题。
所述换热器1包括：管体12和设置在所述管体中的金属翅片13，金属翅片13与管体无需固定连接，金属翅片13直接放入即可，靠自身重力设置在管体中，金属翅片13能够增加换热面积，提高换热效率。金属翅片13的外缘小于管体12的内壁的内缘，但与所述管体12的内壁相临近。
在辐射管内的传热中，通常包括辐射传热、对流传热。辐射管内的燃气温度影响两种传热方式的强度。U型辐射管进气侧燃气温度高，辐射换热强度高，管壁温度高，对外的辐射能力大，排烟侧的情况反之。辐射管内燃气的传导过程造成了U型辐射管左右传热的不均衡。解决这一问题的有效方法是提高低温侧的对流换热效率。
根据对流理论，在辐射管(U型辐射管的简称)内的对流换热过程中有70～90％的传热热阻集中于换热管内靠近换热器内壁的流体的层流底层中，因此破坏流体的层流底层能够有效的减小热阻和增大换热管的传热能力。为了提高排烟侧辐射管的热交换效率，采取在辐射管内设置旋流装置，使烟气在流动过程中受到一定的阻挡，能够对层流底层进行一定程度的破坏。
本发明能够将辐射管内的层流附壁层由层流变为紊流，使得换热管的内壁面与换热管之外能够得到较好的换热效果，是一种较好的提高介质换热效率方法。辐射管内的燃烧气体-烟气温度高，通常金属材料的旋流装置难以实现，本发明方案中的旋流装置，采用耐高温的非金属材料(例如碳化硅铸造)而成，保证了旋流装置的使用寿命。旋流装置的安装解决了U型辐射管进气侧与出气侧的温差问题，使辐射管两侧使用寿命保持一致。同时由于排烟侧辐射管换热效率的提高，辐射管的实际能力可提高5～10％。
另外，旋流装置采用耐高温的非金属材料，旋流装置2直接放置在U型辐射管的管体4中，无需固定连接，旋流装置2靠自重即可稳定的设置在U型辐射管的管体4中，这样，避免了焊接连接等工序。
进一步地，如图4、图5和图6所示，所述旋流装置2包括：三个相交于同一中心轴20的螺旋片(旋流片)，分别为：螺旋片21、螺旋片22和螺旋片23，三个所述螺旋片对称设置在所述中心轴20上并形成立体三维的螺旋结构，沿所述中心轴20的轴向，每个螺旋片的长度为一节或多节，每节螺旋片螺旋旋转360度。旋流装置直径按照辐射管内径设计，每节长度设置为标准尺寸，辐射管内旋流装置2的放置个数依据辐射管的长度及在U型辐射管内排烟能力确定。进一步地，每节所述螺旋片长度为200至400mm，所述螺旋片的节距比为2至3，这样，具有较好的紊流效果，也便于制作。旋流装置按照辐射管的长度及排烟阻力确定安装节数。
进一步地，所述排烟侧通道为圆形，在所述U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，三个所述螺旋片分别形成相交于所述中心轴的三条半径，三条所述半径相互夹角为120度，并且三条所述半径中总有两条支撑在圆形的排烟侧通道的内壁上，另外一条半径与圆形的排烟侧通道的内壁具有间隔空间。即每隔一个U型辐射管的螺旋片的旋转周期，在U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，三条半径形成三角形的结构，其中，两条半径支撑在圆形的排烟侧通道的内壁上，另外一条半径与圆形的排烟侧通道的内壁具有间隔空间即悬空设置，这样，在U型辐射管的排烟侧通道的轴截面或平面范围内，每隔一定距离，就有两条半径支撑在圆形的排烟侧通道的内壁上，另外一条半径与圆形的排烟侧通道的内壁悬空设置，使得旋流装置得到了最稳定、最合理的两点支撑，相对于其他支撑方式，这种靠自重，靠自身几何结构进行稳定支撑，不需要额外的焊接或机械连接就能实现旋流装置2的安放，使得安装简单，而且也有利于旋流装置自身扭曲的制造，所以，旋流装置2能够在U型辐射管的排烟侧通道中得到最稳定的支撑。
由三个螺旋片形成的立体三维的螺旋结构比单片式螺旋的紊流效果明显增加，而且这种由三个所述螺旋片形成的立体三维的螺旋结构，可以形成三条导流通道，而且在U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，形成三角形的结构，能够在U型辐射管的排烟侧通道中得到最稳定的支撑，因而，使得U型辐射管的换热性能稳定，减少了旋流装置与U型辐射管的排烟侧通道之间的磨损，辐射管也得以寿命提高。
进一步地，所述旋流装置采用非金属陶瓷材料，以耐高温。进一步地，所述旋流装置采用碳化硅扭曲而成，每片所述螺旋片的厚度为12-15mm，碳化硅耐高温，而且采用碳化硅能够得到较薄的厚度，便于扭曲制作。
进一步地，图3示出了本发明的换热器空气通道的四个行程通道的结构。其中，所述管体12中设有由四个行程通道组成换热器空气通道，四个行程通道之间由耐热金属管焊接而成。换热器空气通道由法兰、管道与烧嘴喷口侧连通。
所述四个行程通道分别为：串联连接的第一进入通道61、第一流出通道62、第二进入通道63和第二流出通道64，并且所述四个行程通道形成两排两列的矩阵式结构，两个进入通道和两个流出通道分布位于对角线上。由于在同一空间尺寸内空气的换热面积是常规2行程的换热器换热面积的1.8倍，助燃空气预热温度得以提高。此外，四个行程通道解决了小空间通道的焊接安装问题。换热器可以获得最高的换热效率及较低的阻力。
进一步地，所述第一进入通道与所述第一流出通道之间形成180度折返，所述第一流出通道与所述第二进入通道之间形成180度折返，所述第二进入通道和所述第二流出通道之间形成180度折返。这样，形成了3个折返，比现有的常规2行程的换热器折返多了两个折返，增加了换热的行程，具有较大的换热面积，助燃空气预热温度得以提高。相对于同等换热长度的现有的常规2行程的换热器，本发明的换热器整体长度能够缩短，使得换热器外部安装长度与烧嘴喷口侧外安装长度一致。
进一步地，所述金属翅片13设置在四个行程通道中的每个行程通道中。为了更好的加强换热效果，在空气通道内设置插入件(金属翅片13)，将管内的层流附壁层由层流变为紊流，管壁面交换效率进一步提升。在管外壁焊接翅片以增强与烟气的热交换效率提高，通常空气预热温度可提高20％，排烟温度降低15％。
本发明的换热器1即烧嘴换热器，位于U型辐射管烧嘴排烟侧，旋流装置位于辐射管体管内，安装在U型辐射管烟气回流侧，热空气43进入烧嘴喷口3，经过燃烧和换热后，烟气44从换热器1离开U型辐射管。本发明中换热器的换热面积大，带金属翅片，换热效率高，空气预热温度高，热回收量大。旋流装置提高了辐射管排烟侧的换热系数，原因是旋流装置能使烟气冲破辐射管内壁的附面层，使辐射管内烟气能以更快速率向炉内传递热流。旋流装置具有安装容易、使用寿命长等优点，使用该技术后，系统综合热效率由原来的65％提高到80％，辐射管也得以寿命提高。
本发明中的烧嘴换热器结构紧凑，新型的多行程金属翅片式换热器具有换热效率高、安装简易、使用寿命长等优点。本发明中的辐射管旋流装置增强了辐射管内的换热状况，提高管壁前后的温度均匀，提高了辐射管的辐射效率及使用寿命。本发明能够有效的降低生产能耗，也能够有效的提高辐射管能力，特别适用于降低能耗或有提升辐射管供热能力需求的改造。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种U型辐射管，所述U型辐射管具有U型的烟气通道，所述U型的烟气通道包括：排烟侧通道和燃烧侧通道，其特征在于，所述U型辐射管包括：
换热器，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道的末端；
烧嘴喷口，设置在所述U型辐射管的燃烧侧通道的首端；
非金属材料制成的旋流装置，设置在所述U型辐射管的排烟侧通道中，并且位于所述换热器与所述烧嘴喷口之间；
所述换热器包括：管体和设置在所述管体中的金属翅片。
2.如权利要求1所述的U型辐射管，其特征在于，所述旋流装置包括：三个相交于同一中心轴的螺旋片，三个所述螺旋片对称设置在所述中心轴上并形成立体三维的螺旋结构，沿所述中心轴的轴向，每个螺旋片的长度为一节或多节，每节螺旋片螺旋旋转360度。
3.如权利要求2所述的U型辐射管，其特征在于，所述排烟侧通道为圆形，在所述U型辐射管的排烟侧通道的轴截面上，三个所述螺旋片分别形成相交于所述中心轴的三条半径，三条所述半径相互夹角为120度，并且三条所述半径中总有两条支撑在圆形的排烟侧通道的内壁上，另外一条半径与圆形的排烟侧通道的内壁具有间隔空间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的U型辐射管，其特征在于，所述管体中设有由四个行程通道组成换热器空气通道，所述四个行程通道分别为：串联连接的第一进入通道、第一流出通道、第二进入通道和第二流出通道，并且所述四个行程通道形成两排两列的矩阵式结构。
5.如权利要求4所述的U型辐射管，其特征在于，所述第一进入通道与所述第一流出通道之间形成180度折返，所述第一流出通道与所述第二进入通道之间形成180度折返，所述第二进入通道和所述第二流出通道之间形成180度折返。
6.如权利要求4所述的U型辐射管，其特征在于，所述金属翅片设置在四个行程通道中的每个行程通道中。
7.如权利要求2所述的U型辐射管，其特征在于，每节所述螺旋片长度为200至400mm，所述螺旋片的节距比为2至3。
8.如权利要求2所述的U型辐射管，其特征在于，每片所述螺旋片的厚度为12-15mm，所述旋流装置采用非金属陶瓷材料。
9.如权利要求8所述的U型辐射管，其特征在于，所述旋流装置采用碳化硅扭曲而成。
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