CN109099732A - 烟气换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于两种热交换介质的固定管状通道组件的热交换装置技术领域，具体公开了烟气换热装置，包括外筒和换热管，换热管位于外筒内；外筒上设有进烟管和出烟管；外筒的两侧设置有外罩，且外罩与外筒壁之间形成用于装水的水箱；水箱内设置隔板，相邻的隔板之间形成水腔，相邻的水腔首尾相互连通；靠出烟管一侧的水腔下部设有进水管，靠进烟管一侧的水腔上部设有出水管；换热管呈排设置，且相对的两侧水腔之间均连通设置有多排换热管；换热管内的水流方向与烟气的流动方向相反；靠进烟管一侧的换热管外壁上设翅片；外筒的下部连通有冷凝水排放管。本方案解决了现有技术中，无法将天然气锅炉的排烟温度降低至100℃以下，节能效果不好的问题。

Description

烟气换热装置
技术领域
本发明涉及用于两种热交换介质的固定管状通道组件的热交换装置，具体公开了一种烟气换热装置。
背景技术
近年来，随着社会的日益发展与进步，国家对资源节约、环境保护、能源的综合利用等方面的要求逐步提高。在供热行业，燃气锅炉相对于燃煤锅炉具有污染更小、热效率更高等优势。
天然气锅炉燃烧后的主要产物是二氧化碳(CO2)和水(H20)，水以水蒸汽形态存在于锅炉排放的高温烟气中，占有烟气总体积量的15％-18％。这部分水蒸气的汽化潜热是烟气显热的数倍，采取有效措施冷凝烟气中的水蒸汽可实现较好的烟气余热回收，最终降低锅炉的燃料消耗。
热量又分为显热和潜热；1m3天然气燃烧后会放出9450kcal的热量，其中显热为8500kcal，水蒸气含有的热量(潜热)为950kcal。对于传统燃气锅炉可利用的热能就是8500kcal的显热，供热行业中常规计算天然气热值一般以8500kcal/nm3为基础计算。这样，天然气的实际总发热量9450kcal与天然气的显热8500kcal比例关系以百分数表示就为：111％，其中显热部分占100％，潜热部分占11％，所以对于传统燃气锅炉来说还是有很多热量白白浪费掉。而普通天然气锅炉的排烟温度一般在210℃左右，这些烟气含有8％～15％的显热和11％的水蒸气潜热；因此，将天然气锅炉的排烟温度降低至100℃以下，以达到更为节能的效果，迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供烟气换热装置，解决了现有技术中，无法将天然气锅炉的排烟温度降低至100℃以下，节能效果不好的问题。
为达到上述目的，本发明的基础方案如下：
烟气换热装置，包括外筒和换热管，换热管位于外筒内；外筒的一端设有进烟管，外筒的另一端设有出烟管；外筒的两侧设置有外罩，且外罩与外筒壁固定并形成用于装水的水箱；水箱内设置有隔板，且隔板均与外筒壁固定，相邻的隔板之间形成水腔，相邻的水腔首尾相互连通；
靠出烟管一侧的水腔下部设有进水管，靠进烟管一侧的水腔上部设有出水管；换热管呈排设置，且相对的两侧水腔之间均连通设置有多排换热管；换热管内的水流方向与烟气的流动方向相反；靠进烟管一侧的换热管外壁上设有翅片；外筒的下部连通有冷凝水排放管。
本方案产生的有益效果是：
1、本方案中靠进烟管一侧的换热管外壁上设有翅片，相比于采用全部未设置翅片的换热管，本方案采用特殊的低阻力设计，210℃左右的烟气先与翅片接触，使得烟气快速降温；降温后的烟气通过未设置翅片的换热管，进行再次降温，烟气中的水蒸气被冷凝成冷凝水，从冷凝水排放管排出。
另外，从进水管进入的常温水呈S形走向，流往出水管方向；而进水管设置在靠近出烟管的一侧，出水管设置在靠近进烟管的一侧；烟气从进烟管进入外筒内，穿过换热管之间的间隙，然后从出烟管排出。因此，采用烟气与常温水对流的方式，进一步强化了对烟气的换热效果。
综上，本方案的烟气换热装置专门为燃气锅炉设计，常温水可以有效吸收烟气中的显热与潜热，进而使得常温水升温形成65℃～75℃的高温水，将高温水回流入锅炉回收利用，减少了对锅炉加热的能耗。另外，排烟温度可降低到65℃～100℃，回收锅炉总能耗7％～10％的热能；不仅节能效果显著，而且能够减少空气污染。
2、本方案的烟气换热装置两端设置有进烟管和出烟管；可以直接将进烟管安装在锅炉排烟道上，不影响锅炉正常排烟，不需要增加专门的引风机；非常的方便。
优选方案一：作为对基础方案的进一步优化，相邻的两排换热管错位设置。
进一步保证了烟气能够畅通的穿过换热管之间的间隙；同时，错位的设置，也使得穿过上下相邻的两个换热管之间缝隙的烟气会立即与下一个换热管全面接触，保证了烟气换热的效果。
优选方案二：作为对基础方案或优选方案一的进一步优化，换热管均为钢管，且设置有翅片的换热管为翅片管，其余换热管均为光管；翅片与换热管高频焊接。
翅片与换热管采用高频焊接的方式，使得翅片的传热效果更好。本方案中所说的翅片管，即为表面焊接有翅片的换热管；光管即为表面没有翅片的换热管；将这两者分别进行命名，主要是为了便于进行区分，以及便于后续的描述。
优选方案三：作为对优选方案二的进一步优化，横向相邻的两个翅片管的水平间距为两个翅片管的外径之和加上21～23mm。
进一步保证横向留有足够的空间供烟气流通；若间距过小，则会增加烟气的阻力；若间距过大，无法达到烟气充分换热的效果。
优选方案四：作为对优选方案三的进一步优化，竖向相邻的两个翅片管的竖向间距为两个翅片管外径之和加上33～36mm。
进一步保证竖向留有足够的空间供烟气流通；若间距过小，则会增加烟气的阻力；若间距过大，无法达到烟气充分换热的效果。
优选方案五：作为对优选方案四的进一步优化，横向相邻的两个光管之间的水平间距为两个光管的外径之和加上9～11mm。
进一步保证横向留有足够的空间供烟气继续流通；若间距过小，则会增加烟气的阻力；若间距过大，无法达到烟气充分换热的效果。
优选方案六：作为对优选方案五的进一步优化，竖向相邻的两个光管之间的竖向间距为两个光管的外径之和加上14～16mm。
进一步保证竖向留有足够的空间供烟气继续流通；若间距过小，则会增加烟气的阻力；若间距过大，无法达到烟气充分换热的效果。
优选方案七：作为对优选方案二的进一步优化，翅片管布置的长度占外筒总长度的5/16～7/16；其余空间布置光管。
进一步保证烟气进入烟气换热装置后，能够有足够的时间与翅片管接触，进而保证翅片管迅速传递烟气中的高温，使得烟气瞬间降温到120℃～130℃；然后烟气再通过光管，光管对烟气继续进行冷却，使得最后的排烟温度可降低到65℃～100℃；同时也对烟气中的水蒸气进行了冷凝回收。
附图说明
图1是本发明烟气换热装置的全剖视图；
图2是本发明烟气换热装置的右视图；
图3是本发明烟气换热装置的俯视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：外筒1、冷凝水排放管11、连接管12、进烟管13、出烟管14、水箱3、隔板31、水腔32、进水管321、出水管322、翅片管4、光管5、加强筋6。
实施例基本如附图1、图2和图3所示：
烟气换热装置，包括外筒1和换热管，外筒1为中空的长方体形，且外筒1内部的空腔也为长方体形；具体见图2，外筒1的横截面为宽880mm，高1200mm的长方形，且外筒1的上壁和下壁上固定有厚度为10mm的外层钢板，且外筒1的两侧布置有加强筋6。外筒1的两端均设置有圆台形的连接管12；图1中外筒1左端连接管12的管径朝着左侧逐渐减小，且外筒1左端连接管12的宽口端与外筒1左端固定形成一个整体；外筒1左端连接管12的窄口端连通有进烟管13。图1中外筒1右端连接管12的管径朝着右侧逐渐减小，且外筒1右端连接管12的宽口端与外筒1左端固定形成一个整体；外筒1右端连接管12的窄口端连通有出烟管14。进烟管13和出烟管14的直径均为400mm，长度均为100mm；连接管12的横向长度为250mm。
具体见图3，外筒1的两侧设置有外罩，且外罩与外筒1壁固定并形成用于装水的水箱3；水箱3内设置有隔板31，且隔板31均与外筒1壁固定，相邻的隔板31之间形成长条形的水腔32，水腔32的厚度为40mm。位于外筒1右端的水腔32下部设有进水管321，位于外筒1左端的水腔32上部设有出水管322；即，进水管321和出水管322分别位于同一外罩的右下角和左上角。图3中相邻的水腔32首尾相互连通，具体为：自图3中外筒1的右侧至左侧，水腔32依次呈S形连通；即，第一个水腔32的上端与第二个水腔32的上端连通，第二个水腔32的下端与第三个水腔32的下端连通，第三个水腔32的上端与第四个水腔32的上端连通，后面的水腔32依次如上述方法相互连通。
换热管均为直径为25mm的钢管，具体如图1所示，位于外筒1内部左侧的换热管表面均高频焊接有翅片，称为翅片管4。位于外筒1内部右侧的换热管表面均为光滑表面，并没有设置翅片；此部分换热管均称为光管5。外筒1的下部连通有冷凝水排放管11，且冷凝水排放管11位于光管5的下方。
每根翅片管4均水平设置在外筒1内，使得翅片管4分别垂直于外筒1的两侧。且翅片管4成排设置在外筒1内，具体为沿着外筒1的竖直方向从上至下依次设置形成竖排，且上下相邻的两根翅片管4相互平行。具体见图1，左右相邻的两排翅片管4均错位设置；图1中外筒1的横向长度为1130mm，两个水箱3内的水腔32数量均为14个；位于外筒1左端的4个水腔32的横向宽度相同，将其命名为翅片管水腔；位于外筒1右端的10个水腔32的横向宽度也相同，将其命名为光管水腔；两侧水箱3内的水腔32位置相互一一对应(具体见图3)。两个相对的翅片管水腔之间均设置有两排翅片管4，且翅片管4的两端分别与同侧的翅片管水腔连通；两个相对的光管水腔之间均设置有两排光管5，且光管5的两端分别与同侧的光管水腔连通。
翅片管4布置的横向长度占外筒1总长度的5/16～7/16；具体见图1，本方案中翅片管4布置的横向长度占外筒1总长度的3/8；光管5布置的横向长度占外筒1总长度的5/8。
图1中，横向相邻的两个翅片管4的水平间距A为两个翅片管4的外径之和加上21～23mm；本方案具体取47.6mm。竖向相邻的两个翅片管4的竖向间距B为两个翅片管4外径之和加上33～36mm；本方案具体取60mm。横向相邻的两个光管5之间的水平间距C为两个光管5的外径之和加上9～11mm；本方案具体取34.6mm。竖向相邻的两个光管5之间的竖向间距D为两个光管5的外径之和加上14～16mm；本方案具体取40mm。进一步保证留有足够的空间供烟气继续流通；若间距过小，则会增加烟气的阻力；若间距过大，无法达到烟气充分换热的效果。
使用时，常温水从进水管321进入到图3中外筒1右端的水腔32内，然后常温水进入到图1中右侧的光管5中，之后，常温水的走向如图3所示呈连续的S形。同时，烟气从图1中左端的进烟管13进入外筒1内，210℃左右的烟气先与翅片管4接触，烟气中的热量传递到常温水处，烟气穿过所有翅片管4后，会快速降温至120℃～130℃；降温后的烟气再通过光管5之间的缝隙，进而再次降温，使得最后的排烟温度可降低到65℃～100℃。而烟气中的水蒸气则在光管5处被冷凝成冷凝水，从冷凝水排放管11排出。
综上，本方案的烟气换热装置专门为燃气锅炉设计，常温水可以有效吸收烟气中的显热与潜热，进而使得常温水升温形成60℃～75℃的高温水，将高温水回流入锅炉回收利用，减少了对锅炉加热的能耗。另外，排烟温度可降低到65℃～100℃，回收锅炉总能耗7％～10％的热能；不仅节能效果显著，而且能够减少空气污染。
为了进一步说明本方案的效益，将本烟气换热装置安装到锅炉上，试运行三天后，得到下表：
备注：经过烟气换热装置后，后期的排烟温度为65℃左右。
节能产生的直接效益估算如下：
未安装烟气换热装置时，锅炉排烟温度为210℃；每天要消耗天然气5060m3；安装烟气换热装置后第三天，锅炉的排烟温度从210℃降到最低温65℃；每天实际消耗天然气4476m3，每天节约天然气580m3左右；锅炉全年运行300天，当地天然气单价2.5元/m3，全年锅炉运行节约天然气的直接经济效益：580m3/天×2.5元/m3×300天/年＝43.5万元；节能效果显著。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.烟气换热装置，其特征在于：包括外筒和换热管，所述换热管位于外筒内；所述外筒的一端设有进烟管，外筒的另一端设有出烟管；所述外筒的两侧设置有外罩，且外罩与外筒壁固定并形成用于装水的水箱；水箱内设置有隔板，且隔板均与外筒壁固定，相邻的隔板之间形成水腔，相邻的水腔首尾相互连通；
靠出烟管一侧的水腔下部设有进水管，靠进烟管一侧的水腔上部设有出水管；所述换热管呈排设置，且相邻的换热管之间均留有间隙；相对的两侧水腔之间均连通设置有多排所述换热管；换热管内的水流方向与烟气的流动方向相反；靠进烟管一侧的换热管外壁上设有翅片；所述外筒的下部连通有冷凝水排放管。
2.根据权利要求1所述的烟气换热装置，其特征在于：相邻的两排换热管错位设置。
3.根据权利要求1或2所述的烟气换热装置，其特征在于：换热管均为钢管，且设置有翅片的换热管为翅片管，其余换热管均为光管；翅片与换热管高频焊接。
4.根据权利要3所述的烟气换热装置，其特征在于：横向相邻的两个翅片管的水平间距为两个翅片管的外径之和加上21～23mm。
5.根据权利要求4所述的烟气换热装置，其特征在于：竖向相邻的两个翅片管的竖向间距为两个翅片管外径之和加上33～36mm。
6.根据权利要求5所述的烟气换热装置，其特征在于：横向相邻的两个光管之间的水平间距为两个光管的外径之和加上9～11mm。
7.根据权利要求6所述的烟气换热装置，其特征在于：竖向相邻的两个光管之间的竖向间距为两个光管的外径之和加上14～16mm。
8.根据权利要求3所述的烟气换热装置，其特征在于：所述翅片管布置的横向长度占外筒总长度的5/16～7/16；其余布置光管。
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