CN107543434B - 可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，包括与烟道连接的换热器壳体；在换热器壳体前端板上设置有进气口，后端板上设置有出气口；换热器壳体外部设置有冷工质进口集管和冷工质出口集管；其特征在于：在换热器壳体内位于进气口端布置有整流栅，整流栅的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的防磨假管，所述防磨假管的两端通过螺纹或压接的方式固定在换热器壳体的左、右端板上；防磨假管的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的声波清灰器，声波清灰器的后侧布置有若干个三维肋管换热单元，所述三维肋管换热单元沿高度方向层叠布置，同时还沿水平方向层叠布置；本发明可广泛应用在各种工业烟气的余热回收领域。

Description

可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器

技术领域

本发明涉及换热器，具体涉及一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器。

背景技术

能源危机与环境污染两大问题制约着我国经济和社会的可持续发展，提高能源利用效率和减少污染排放是我国的首要任务。据报道，我国的工业能耗约占总能耗的70％，其中约60％能量被转化成不同温度的余热，若这部分余热直接被排放在大气中，会造成极大的能源浪费和严重的热污染问题。因此，将工业烟气中的余热进行回收利用，对缓解能源危机和环境污染的压力具有重要意义。

管壳式换热器在工业烟气余热回收过程中应用最为普遍，但各种工业锅炉及炉窑的烟气中都含有不同程度的飞灰颗粒，当烟气流经换热器管束时，飞灰颗粒会沉积在换热器的受热面上，日积月累会造成严重的积灰问题。另外，工业锅炉的烟气中还含有酸性气体，当排烟温度低于工程酸露点温度时，酸性气体会凝结在换热器的受热面上，进而腐蚀换热设备。因此，换热设备在长时间运行后，换热管往往会因磨损、积灰、腐蚀等问题而失效，届时需要对换热器进行维修。

但是，现有的工业烟气换热器结构设计非常不合理，换热管和管板之间采用焊接的方式形成不可拆卸的整体，当换热器长时间运行后，局部或单根换热管因磨损、积灰或低温腐蚀发生换热工质泄漏时，只能将工业锅炉等设备停机，才可以对换热设备进行检修。由于换热管与管板不可拆卸，通常的维修方式是将泄漏的换热管进行焊接堵塞。如此一来，停机检修对企业造成了巨大的经济损失，堵塞维修也改变了换热器的额定热负荷，是一种十分不可取的方法。

除此之外，为了提高换热效率，人们利用各种强化换热手段设计制造的翅片管取缔了传统的光管，如螺旋翅片管、H型翅片管、锯齿形翅片管等，但其翅片都是通过热膨胀或焊接的形式连接在基管上，这类翅片管不仅加工困难、成本高、翅片管生产周期长，而且热膨胀和焊接方式会使翅片与基管之间产生较大的接触热阻，在一定程度上阻碍了冷热介质的热量交换，影响了换热器的换热效率。并且，该类翅片结构只能加工在换热管的外部，无法在管内、外同时实现强化换热，无法实现高效紧凑的换热器设计。

若采用一种可以同时实现管内外强化换热、无接触热阻的肋管，设计一种能够将局部或单根失效的换热管进行在线拆卸和更换，并且能防磨损、抗低温腐蚀、减少积灰的可拆式模块化换热器，那么必将对企业产生不可估量的经济价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器。

根据本发明的技术方案,一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，包括与烟道连接的换热器壳体；在换热器壳体前端板上设置有进气口，后端板上设置有出气口；进气口与高温烟道出口连接，出气口与低温烟道进口连接；换热器壳体的下端板设置有锥形的清灰口；换热器壳体外部设置有冷工质进口集管和冷工质出口集管；其特征在于：在换热器壳体内位于进气口端布置有整流栅，整流栅的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的防磨假管，所述防磨假管的两端通过螺纹或压接的方式固定在换热器壳体的左、右端板上；防磨假管的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的声波清灰器，声波清灰器的后侧布置有若干个可拆卸的三维肋管换热单元，所述三维肋管换热单元沿高度方向层叠布置，同时还沿水平方向层叠布置，每个三维肋管换热单元通过螺栓和换热单元密封环固定在换热器壳体的左、右端板上；靠近出气口端的三维肋管换热单元的工质进口与冷工质进口集管连接，靠近进气口端的三维肋管换热单元的工质出口与冷工质出口集管连接；布置在同一水平方向的相邻的三维肋管换热单元与三维肋管换热单元之间通过弯管连接，即前一个三维肋管换热单元工质出口通过弯管与后一个三维肋管换热单元工质进口相连。

声波清灰器通过定时发出清灰声波，将沉积在换热单元或防磨假管上的积灰清除，被清除的积灰通过清灰口排放到换热器外部；声波清灰器通过螺栓固定在换热器壳体的左、右端板上。

本发明高温含尘的工业烟气通过换热器的进气口进入，以横掠管束的方式流经三维肋管换热单元内部，最后通过换热器的出气口排出；所述三维肋管换热单元通过螺栓固定在换热器壳体上，当换热器发生泄漏时，不仅可以将三维肋管换热单元进行在线拆卸和更换，还可以对在线拆卸后的三维肋管换热单元中的局部或单根失效的三维肋管进行拆卸和更换，从而避免设备停机检修造成的经济损失以及堵塞维修改变换热器额定热负荷的问题；所述防磨假管采用可拆卸连接，当防磨假管磨损失效后也能够方便快捷地拆卸和更换，其作用是可以避免含尘的高温烟气直接冲刷三维肋管而导致三维肋管磨损泄漏；所述声波清灰器的作用是通过定时发出清灰声波，将沉积在换热单元或防磨假管上的积灰清除，被清除的积灰通过清灰口排放到换热器外部；所述整流栅的作用是使进入换热器内部的烟气流场分布均匀，促进冷热工质的热量交换。

根据本发明所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器的优选方案，三维肋管换热单元包括三维肋管、左端盖、左隔板、右隔板、支撑角钢和右端盖；左端盖和右端盖均为U形，分别密封固定在左隔板和右隔板上；左端盖的左端设置有工质进口，右端盖的右端设置有工质出口；左隔板和右隔板之间布置有若干条分别沿高度方向和水平方向层叠布置的三维肋管，每个三维肋管的两端均设置有螺纹和定位环，每个三维肋管分别通过紧固螺母、内密封圈、外密封圈和定位环固定在左、右隔板上，每个三维肋管的工质进口设置在左端盖内，每个三维肋管的工质出口设置在右端盖内，左隔板和右隔板通过支撑角钢定位和加固。

定位环在装配过程中起定位作用；采用三维肋管可以同时实现管内外强化换热、无接触热阻。

根据本发明所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器的优选方案，三维肋管为三维外肋管或者三维内外肋管，三维外肋管为在三维肋管的外壁面设置有若干个三维凸起单元；该三维内外肋管为在三维肋管的外表面和内壁面均设置有若干个三维凸起单元。

当高温高含尘烟气或冷却工质在经过换热管的三维凸起单元时，就会形成三元流动，产生显著的扰动，并且减薄及破坏层流底层，从而极大的增强对流换热性能。非对称性的三维肋齿可使近壁面处的流体在流动过程中产生漩涡扰动，撕裂气相或液相扩散层，进一步起到强化对流换热与传质的能力。

根据本发明所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器的优选方案，靠近出气口端的三维肋管换热单元的工质进口通过截止阀与冷工质进口集管连接，靠近进气口端的三维肋管换热单元的工质出口通过回流阀与冷工质出口集管连接。

本发明所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器的有益效果是:本发明是一种防磨损、抗低温腐蚀、减少积灰的可拆式模块化三维肋管换热器，能够用于气-气或气-水换热，其具有结构合理、换热效率高，尤其是具有三维肋管换热单元在线拆卸和更换以及三维肋管换热单元的局部或单根肋管可拆卸和更换的特点；整流栅可以使换热器内部的烟气流场分布均匀，消除局部换热能力弱化的问题；可拆卸式防磨假管能避免高温含尘烟气直接冲刷三维肋管，减少三维肋管的磨损问题；所采用的三维肋管可以通过调整肋片高度、布置形式、数量等方式调整换热管壁面温度，缩小烟气和换热管壁面的温差，从而降低三维肋管的工程酸露点温度，可以有效防止本发明出现低温腐蚀现象；通过声波清灰器定时清除三维肋管上的积灰，避免积灰影响换热器的换热效率；本发明可以同时实现管内外强化换热，具有高的稳定性、可靠性和换热性能，其运行能耗低，运行成本低，可广泛应用在各种工业烟气的余热回收领域。

附图说明

图1是本发明所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器的外部结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是图2中Ⅰ处的局部放大示意图。

图4是三维肋管换热单元21的结构示意图。

图5是图4的剖视图。

图6是三维外肋管的结构示意图。

图7是三维内外肋管的结构示意图。

图8是本发明所述的三维肋管换热单元21与工质进出口连接示意图。

具体实施方式

参见图1至图8,一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，包括与烟道连接的换热器壳体11；在换热器壳体11前端板上设置有进气口19，后端板上设置有出气口20；进气口19与高温烟道出口连接，出气口20与低温烟道进口连接；换热器壳体11的下端板设置有锥形的清灰口14；换热器壳体11外部设置有冷工质进口集管12和冷工质出口集管13；在换热器壳体11内位于进气口19端布置有整流栅16，整流栅16的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的防磨假管17，所述防磨假管17的两端通过螺纹或压接的方式固定在换热器壳体的左、右端板上；防磨假管17的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的声波清灰器18，声波清灰器的后侧布置有若干个三维肋管换热单元21，所述三维肋管换热单元21沿高度方向层叠布置，同时还沿水平方向层叠布置，每个三维肋管换热单元均分别通过螺栓和换热单元密封环10固定在换热器壳体的左、右端板上；靠近出气口20端的三维肋管换热单元的工质进口通过截止阀25与冷工质进口集管12连接，靠近进气口19端的三维肋管换热单元的工质出口通过回流阀26与冷工质出口集管13连接；布置在同一水平方向的相邻的三维肋管换热单元与三维肋管换热单元之间通过弯管15连接，即前一个三维肋管换热单元工质出口通过弯管15与后一个三维肋管换热单元工质进口相连。并且三维肋管换热单元进出口与弯管之间通过法兰连接，方便拆卸。

声波清灰器通过定时发出清灰声波，将沉积在三维肋管换热单元或防磨假管上的积灰清除，被清除的积灰通过清灰口14排放到换热器外部；在安装三维肋管换热单元的区域，可根据需要分散布置若干声波清灰器，所有声波清灰器通过螺栓固定在换热器壳体的左、右端板上。

在具体实施例中，三维肋管换热单元21横向穿过换热器壳体上加工的安装孔，左端利用螺栓使换热单元密封环10与换热器壳体11相连，右端同样利用螺栓使换热单元密封环10与换热器壳体11相连，通过换热单元密封环10与换热器壳体之间形成的卡槽结构，将三维肋管换热单元固定在换热器壳体上。

在具体实施例中，三维肋管换热单元21包括三维肋管8、左端盖1、左隔板4a、右隔板4b、支撑角钢7和右端盖9；左端盖1和右端盖9均为U形，分别密封固定在左隔板4a和右隔板4b上；左端盖1的左端设置有工质进口，右端盖9的右端设置有工质出口；左隔板4a和右隔板4b之间布置有若干条分别沿高度方向和水平方向层叠布置的三维肋管8，每个三维肋管8的两端均设置有螺纹22和定位环6，定位环通过焊接的方式固定在三维肋管上，每个三维肋管8分别通过紧固螺母2、内密封圈5、外密封圈3和定位环6固定在左、右隔板上，每个三维肋管8的工质进口设置在左端盖1内，每个三维肋管8的工质出口设置在右端盖9内。左隔板4a和右隔板4b通过支撑角钢7定位和加固。

在具体实施例中，定位环6焊接在三维肋管8的两端；左隔板4a、右隔板4b上加工有装配孔，用于安装三维肋管，定位孔的间距、直径和数量可以根据实际需求进行调整；所述的三维肋管穿过隔板的装配孔，再利用螺母进行紧固和密封；紧固螺母与隔板之间、定位环与隔板之间加装有密封圈，防止冷热工质发生泄漏；端盖、隔板和支撑角钢7通过螺栓连接，从而形成局部或单根三维肋管可拆卸的三维肋管换热单元。

在具体实施例中，三维肋管8为三维外肋管或者三维内外肋管，三维外肋管为在三维肋管的外壁面设置有若干个三维凸起单元23；该三维内外肋管为在三维肋管的外表面和内壁面均设置有若干个三维凸起单元23、24。

三维肋管可以通过如下方法加工，采用专用刀头和夹具在专用机床上对圆管外壁或内壁实施反复的旋转、刻切，形成排列有序的针肋或鱼鳞肋及凹槽，该方法加工对管壁破坏小，加工的三维肋高度高、肋排列方式和肋结构尺寸调整方便、具有更广泛的适用性和传热布置的灵活性，且这种加工工艺把加工材质扩大到钢、不锈钢、钛等一切有延展性的金属，从而扩大了换热器的使用范围。

本发明利用三维肋管代替传统采用热膨胀或焊接方式形成肋片的强化换热管，可以消除肋片与基管之间的接触热阻，提高换热器的换热效率。三维肋管还可以通过调整肋片高度、布置形式、数量等方式调整换热管壁面温度，缩小烟气和换热管壁面的温差，进一步降低排烟温度，防止换热管出现低温腐蚀问题。另外，当含尘烟气流经三维肋管时，在三维肋片处形成卡门涡街流动现象，使得烟气中的飞灰难以沉积在换热管上。因此，所设计的换热器具有一定的抗积灰和防腐效果。与传统的翅片管相比，在同等热负荷的条件下，三维肋管可以减少换热器的体积和重量，体积缩小30％～70％，省材30％～70％。

在具体运用中，可将换热器壳体设计为：长度1000—8000mm，宽度300—3000mm，高度500—3000mm。所述换热器壳体可采用厚度大的壳板，或采用薄壳板加局部加强筋。三维肋管换热单元21的当量直径50mm—500mm；沿高度方向和水平方向并行布置的三维肋管换热单元21的数量可根据换热器的热负荷选定。每个三维肋管换热单元21内可以设置4～16根三维肋管，三维肋管外径19～108mm，壁厚2～5mm，内、外肋高度范围为0.3～7mm，肋宽范围为1～4mm，周向间距为2～4mm，轴向间距为1～3mm，肋片厚度为0.2mm。

参见图8，本发明所采用的冷工质可以是空气或水，具体可根据实际需求进行合理地调整；所述的冷工质进口集管将冷工质均匀分配到不同的支路中，各个支路通过弯管将布置在同一水平方向的相邻的三维肋管换热单元连接起来，最后冷工质被加热后由冷工质出口集管汇集后排出；所述的高温含尘烟气与冷工质形成逆流的形式，提高了冷热工质的换热量。本发明由于采用三维肋管换热单元，实现了换热器的模块化设计；而采用可拆式模块化结构，通过弯管将若干个可拆卸连接在换热器壳体上的模块串联在一起，形成多个互不影响的支路，并通过集管将若干个支路并联起来。当某个模块发生腐蚀而失效时，可以利用截止阀25和回流阀26关闭该换热单元所在支路的冷却工质，然后对失效的换热单元进行在线拆卸和维修，避免停机检修造成巨大的经济损失。所涉及的换热单元采用单根肋管可拆卸方式，当换热单元中的局部或单根肋管发生腐蚀失效而需要进行维修时，可以将失效的肋管单独拆卸下来进行更换，避免更换整个模块而造成较大的浪费。

Claims (3)

1.一种可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，包括与烟道连接的换热器壳体(11)；在换热器壳体(11)前端板上设置有进气口(19)，后端板上设置有出气口(20)；进气口(19)与高温烟道出口连接，出气口(20)与低温烟道进口连接；换热器壳体(11)的下端板设置有锥形的清灰口(14)；换热器壳体(11)外部设置有冷工质进口集管(12)和冷工质出口集管(13)；其特征在于：在换热器壳体(11)内位于进气口(19)端布置有整流栅(16)，整流栅(16)的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的防磨假管(17)，所述防磨假管(17)的两端通过螺纹或压接的方式固定在换热器壳体的左、右端板上；防磨假管(17)的后侧布置有若干条沿高度方向层叠布置的声波清灰器(18)；声波清灰器的后侧布置有若干个三维肋管换热单元(21)，所述三维肋管换热单元(21)沿高度方向层叠布置，同时还沿水平方向层叠布置；每个三维肋管换热单元均通过螺栓和换热单元密封环(10)固定在换热器壳体的左、右端板上；靠近出气口(20)端的三维肋管换热单元的工质进口与冷工质进口集管(12)连接，靠近进气口(19)端的三维肋管换热单元的工质出口与冷工质出口集管(13)连接；布置在同一水平方向的相邻的三维肋管换热单元与三维肋管换热单元之间通过弯管(15)连接，即前一个三维肋管换热单元工质出口通过弯管(15)与后一个三维肋管换热单元工质进口相连；

声波清灰器通过定时发出清灰声波，将沉积在三维肋管换热单元或防磨假管上的积灰清除，被清除的积灰通过清灰口(14)排放到换热器外部；声波清灰器通过螺栓固定在换热器壳体的左、右端板上；

三维肋管换热单元(21)包括三维肋管(8)、左端盖(1)、左隔板(4a)、右隔板(4b)和右端盖(9)；左端盖(1)和右端盖(9)均为U形，分别密封固定在左隔板(4a)和右隔板(4b)上；左端盖(1)的左端设置有工质进口，右端盖(9)的右端设置有工质出口；左隔板(4a)和右隔板(4b)之间布置有若干条分别沿高度方向和水平方向层叠布置的三维肋管(8)，每个三维肋管(8)的两端均设置有螺纹(22)和定位环(6)，每个三维肋管(8)分别通过紧固螺母(2)、内密封圈(5)、外密封圈(3)和定位环(6)固定在左、右隔板上，每个三维肋管(8)的工质进口设置在左端盖(1)内，每个三维肋管(8)的工质出口设置在右端盖(9)内。

2.根据权利要求1所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，其特征在于：三维肋管(8)为三维外肋管或者三维内外肋管，三维外肋管为在三维肋管的外壁面设置有若干个三维凸起单元(23)；该三维内外肋管为在三维肋管的外表面和内壁面均设置有若干个三维凸起单元(23、24)。

3.根据权利要求1或2所述的可拆式模块化防磨除灰三维肋管换热器，其特征在于：靠近出气口(20)端的三维肋管换热单元的工质进口通过截止阀(25)与冷工质进口集管(12)连接，靠近进气口(19)端的三维肋管换热单元的工质出口通过回流阀(26)与冷工质出口集管(13)连接。