CN1102470A - 涡旋除尘热交换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋除尘热交换方法及装置， 方法包括将含尘热气体切向引入涡旋除尘热交换器， 并沿着已选定的方向涡旋路径前进，含尘热气体在涡 旋流动过程中，一方面在离心力的作用下，粉尘被分 离，另一方面，通过金属壁与被加热(冷却)流体流道 中，沿着已选定方向的反方向涡旋路径前进的流体进 行热交换。装置由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合 而成。优点：①高效率；②多功能：既是热交换器，又 是除尘器，把节约能源和消除污染结合起来；③紧凑 性好。

Description

本发明涉及热交换方法及热交换装置，尤其涉及涡旋除尘热交换方法及装置。

在许多开发中或未开发的国家，数以万计的老旧工业锅炉，工业炉窑，气体加热器，液体加热器，燃烧器，内燃机，化工反应器及焚化炉等广泛地应用于工业过程，商业设备及家庭用具的领域。由于用以换热的流体，例如燃煤产生的热烟气，通常含有较多的粉尘颗粒和黑烟，使得上述的装置的使用，常常造成空气及环境的污染。并且上述老式设备的换热效率及传热强度也普遍偏低，使得大量的能源无法有效回收或利用。

对于一个产生热烟气或热空气的工业过程，例如燃煤锅炉或炉窑，空气预热器，省煤器或余热锅炉是常用于回收排往烟囱的热烟气的废热，例如旋风除尘器，多管除尘器，惯性碰撞除尘器，布袋除尘器或静电除尘器等分离除尘器，也普遍地应用于工业过程中，有效地除去粉尘颗粒与油烟。在一个工业过程中换热器与除尘器一般是两个独立必备的装置，各占有一定的设备空间，耗用一定的系统动力，使得操作成本叠加，在购置两独立设备时初投资增加。

在传统的传热方法上，热交换器是根据如下的牛顿冷却定率作设计或修正改良的：

Q＝hA△T  （1）其中Q是冷热两种流体之间的热量交换率，△T是冷热流体之间的平均温差，A是可供传热的总表面面积，h是一个叫传热系数的常数。事实上，h并非一个常数，而是一个相当复杂的参数。传热系数h是根据传热系统的几何结构和安排及在传热系统中的流体及其特性而改变，然而公式（1）过度简化了对流传热的基本机理，但是它确可说明传热速率与传热面积，平均传热温差和传热系数比例改变的关系。

热交换器的目的是扩大流体之间的传热速率。公式（1）指出增大A，△T或h或任何两者或全部可以增大Q。在实际工程应用时，A常常不被允许增大较多。因为热交换器的大小和造价，通常被应用的场合所限定不易更改。而冷热流体间的平均传热温差△T也受应用状况的限制不容易改变（增大）。由于上述限制，大多的热交换器只能靠传热系数h的增大而改进其性能。由热交换器从套管式到管壳式，到翅板式（交叉流），到管内嵌入件，到近来的冲击式的演化过程便可见一般。因为热交换器大部分的设计及操作可变数是总体隐涵在复杂的传热系数h内，热交换器设计人员很困难运用可资变动的参数进行全面的性能优化的追求。许多目前采用的改进方法都比较直接，而效果也较局限。例如：增大冷热流体通过热交换器的速度可以明显地增大h，然而也同时增大了所需的系统压力降（或达到较高速度的动力消耗），再则增大流速必然缩短了冷热流体在装置内的停留时间，这样对增强传热量Q也有不利的影响。

本发明的目的是提供一种集涡旋除尘器和涡旋热交换器于一体的涡旋除尘热交换方法及装置。

为了达到上述的目的，本发明采取下列措施，它包括将含尘热（冷）气体切向引入涡旋除尘热交换器，并沿着已选定的方向涡旋路径前进，含尘热（冷）气体在涡旋流动过程中，一方面在离心力的作用下，粉尘被分离，经粉尘收集口排出，另一方面，通过金属壁与被加热（冷却）流体流道中，沿着已选定方向的反方向涡旋路径前进的流体进行热交换，被加热（冷却）流体经换热后，离开涡旋除尘热交换器。

按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘分离收集段下设粉尘收集口，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒，切向设有含尘热（冷）气体进口，锥形粉尘分离收集段周壁内焊有锥形螺旋管，螺旋管管间隙为零，涡旋圆柱分离传热段周壁内设有圆柱螺旋管和C形折流管组成，其管间隙为3～5mm，圆柱螺旋管和C形折流管外周离涡旋圆柱分离传热段外筒内壁间距为10～35mm，中心筒由圆柱螺旋管组成，螺旋管管间隙为零。

或由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒，涡旋圆柱分离传热段内周壁依次间隔设有被加热（冷却）流体和涡旋含尘热（冷）气体流道，涡旋含尘热（冷）气体流道一端接含尘热（冷）气体进口，另一端与中心圆柱分离传热区相通，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口，外设出口集气室和进口集气室，进口集气室与气体入口和上升气体流道相通，出口集气室与被加热（冷却）气体出口和下降气体流道相通，上升气体流道与下降气体流道相通。

或由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段切向设有含尘热（冷）气体进口，下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口，涡旋圆柱分离传热段中心设有膜式壁中心筒，涡旋除尘器外设水隔套，水隔套下设被加热液体进口，上设蒸汽出口，膜式壁中心筒由扩叉管及管间焊接的垂直隔板组成，扩叉管上下端分别与水隔套相通。

本发明的优点①高效率：高综合传热系数（K＝50～200W/m2℃）及高除尘效率（80～98%）;②多功能：既是热交换器，又是除尘器，把节约能源和消除污染结合起来;③紧凑性好：体积和重量小于分别工作的单体预热器和单体除尘器，节省材料，降低造价及占地面积。

下面结合附图作进一步详细说明。

图1为Ⅰ型涡旋除尘热交换器示意图;

图2为Ⅱ型涡旋除尘热交换器示意图;

图3为Ⅱ型涡旋除尘热交换器俯视图;

图4为Ⅲ型涡旋除尘热交换器示意图。

涡旋除尘热交换方法包括将含尘热（冷）气体切向引入涡旋除尘热交换器，并沿着已选定的方向涡旋路径前进，含尘热（冷）气体在涡旋流动过程中，一方面在离心力的作用下，粉尘被分离，经粉尘收集口排出，另一方面，通过金属壁与被加热（冷却）流体流道中，沿着已选定方向的反方向涡旋路径前进的流体进行热交换，被加热（冷却）流体经换热后，离开涡旋除尘热交换器。含尘热（冷）气体采用含尘热（冷）气体调节阀，改变切向引入涡旋除尘热交换器的流动和流量。被加热（冷却）流体为气体或液体，或分别同时为气体和液体。

Ⅰ型涡旋除尘热交换器有涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘分离收集段下设粉尘收集口［8］，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒，切向设有含尘热（冷）气体进口［2］，锥形粉尘分离收集段周壁内焊有锥形螺旋管［7］，螺旋管管间隙为零，涡旋圆柱分离传热段周壁内设有圆柱螺旋管［6］和C形折流管［5］组成，其管间隙为3～5mm，圆柱螺旋管和C形折流管外周离涡旋圆柱分离传热段外筒内壁间距为10～35mm，中心筒由圆柱螺旋管［4］组成，螺旋管管间隙为零。

涡旋圆柱分离传热段周壁由圆柱形螺旋管和C形折流管组成，涡旋除尘器顶盖壁由涡旋管组成，中心筒周壁由圆柱形螺旋管组成，锥形粉尘分离收集段周壁由锥形螺旋管组成，其管间隙为零。

C形折流管由C形管和垂直集管焊接而成，垂直集管内设有横隔板。C形折流管为串联（单头）或并联（多头）。

锥形螺旋管依次与圆柱形螺旋管、C形折流管、顶盖涡旋管和中心筒圆柱螺旋管相接。

锥形螺旋管也可以依次与圆柱形螺旋管、中心筒圆柱螺旋管、顶盖涡旋管和C形折流管相接。

Ⅱ型涡旋除尘热交换器由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒［9］，涡旋圆柱分离传热段内周壁依次间隔设有被加热（冷却）流体和涡旋含尘热（冷）气体流道［12］，涡旋含尘热（冷）气体流道一端接含尘热（冷）气体进口［2］，另一端与中心圆柱分离传热区［10］相通，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口［8］，外设出口集气室［16］和进口集气室［15］，进口集气室与气体入口［14］和上升气体流道［13］相通，出口集气室与被加热（冷却）气体出口［17］和下降气体流道［11］相通，上升气体流道与下降气体流道相通。

涡旋含尘热（冷）气体流道外圈内侧单面焊有交错排列间断式螺旋翅片，气体流道外圈内侧焊有平直或螺旋翅片。涡旋含尘热（冷）气体流道为1～6道，一般用3道，与被加热（冷却）流体流道相同排列，被加热（冷却）流体流道为气体流道或液体流道，或部分气体流道和部分液体流道。

含尘热（冷）气体进口设有含尘热（冷）气体调节阀。

中心筒内径与中心分离传热区内径之比为0.25～0.75，中心分离传热区内中心筒高度与涡旋圆柱分离传热段高度之比为0.25～0.85，涡旋圆柱分离传热段高度与锥形粉尘分离收集收集段高度之比为0.5～4。

中心筒内径与中心分离传热区内径之比一般为0.5，中心分离传热区内中心筒高度与涡旋圆柱分离传热段高度之比一般为0.6，涡旋圆柱分离传热段高度与锥形粉尘分离收集收集段高度之比一般为1.2。

Ⅲ型涡旋除尘热交换器由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段切向设有含尘热（冷）气体进口［2］，下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口［8］涡旋圆柱分离传热段中心设有膜式壁中心筒［9］，涡旋除尘器外设水隔套［21］，水隔套下设被加热（冷却）液体进口［23］，上设蒸汽出口［18］，膜式壁中心筒由扩叉管［19］及管间焊接的垂直隔板组成，扩叉管上下端分别与水隔套相通，水隔套间交叉设有阻尼横隔板［22］。

Ⅰ型涡旋除尘热交换器，其工作原理和工作过程如下：被加热（冷却）液体由被加热（冷却）液体管依次进入锥形螺旋管，圆柱形螺旋管、C形折流管、顶盖涡旋管和中心筒圆柱螺旋管，或者依次进入锥形螺旋管、圆柱形螺旋管、中心筒圆柱螺旋管、顶盖涡旋管和C形折流管，最后由被加热（冷却）液体出口管引出。含尘热（冷）气体由含尘热（冷）气体进口进入Ⅰ型涡旋除尘热交换器中心圆柱分离传热区（中心圆柱分离传热区为由圆柱螺旋管和C形折流管内圈壁与中心筒外壁之间的区域），含尘热（冷）气体在涡旋圆柱分离传热区的流动过程中，通过金属壁和管内的被加热（冷却）液体进行热交换，同时，由于含尘热（冷）气体的涡旋流动，在离心力的作用下，粉尘开始向中心圆柱分离传热区的外壁方向浓集，形成粉尘颗粒的预分离，并且绝大部分的大颗粒和一部分小颗粒通过C形折流管和圆柱形螺旋管间的间隙进入管子与外筒壁间的粉尘沉降区。含尘热（冷）气体离开中心圆柱分离传热区后，进入下部的锥形粉尘分离收集段，含尘热（冷）气体仍携带的粉尘在收集段内浓集于圆锥体的底部，同时圆筒段粉尘沉降区的粉尘颗粒也通过收集段沉降在圆锥区的底部，一起由粉尘收集口进入灰室，净化后的含尘热（冷）气体由中心管引出。含尘热（冷）气体入口处设置的含尘热（冷）气体可调阀门，其作用在于通过调节阀门的开度，使Ⅰ型涡旋除尘热交换器在锅炉系统降负荷运行时，不降低分离和传热性能。

Ⅱ型涡旋除尘热交换器，其工作原理和工作过程如下：被加热（冷却）气体由进气口进入进口集气室，随后向上进入上升被加热（冷却）气体流道，被加热（冷却）气体到达Ⅱ型涡旋除尘热交换器顶部后，向内折转进入下降被加热（冷却）气体流道，最后进入Ⅱ型涡旋除尘热交换器下部的出口被加热（冷却）气体集气室，并通过被加热（冷却）气体出口引出涡旋除尘热交换器。含尘热（冷）气体由含尘热（冷）气体进口进入Ⅱ型涡旋除尘热交换器的含尘热（冷）气体涡旋流道，含尘热（冷）气体在涡旋流道由被加热（冷却）气体流道形成，被加热（冷却）气体在被加热（冷却）气体流道中在垂直方向流动，含尘热（冷）气体在涡旋流道的流动过程中，通过金属壁和被加热气体流道中的被加热（冷却）气体进行热交换，同时，由于含尘热（冷）气体的涡旋流动，在离心力的作用下，粉尘开始向烟气涡旋流道的外壁方向浓集，形成粉尘颗粒的预分离。含尘热（冷）气体离开含尘热（冷）气体涡旋流道后，进入中心圆柱分离传热区（被加热（冷却）气流道内圈壁与中筒外壁之的区），由于流道半径的减小，旋流度加强，使分离功能加强，同时和中心圆柱传热分离区被加热（冷却）气体流道的传热亦大大强化。出中心圆柱分离传热区的含尘热（冷）气体旋流进入下部的锥形粉尘分离收集段，粉尘在收集段内浓集在锥形粉尘分离收集段的底部，由粉尘收集口进入灰室，在收集段内净化后的含尘热（冷）气体由中心管引出。含尘热（冷）气体入口处设置的含尘热（冷）气体可调阀门，其作用在于通过调节阀门的开度，使Ⅱ型涡旋除尘热交换器在锅炉系统降负荷运行时，不降低分离和传热性能。

Ⅲ型涡旋除尘热交换器，其工作原理和工作过程如下：被加热（冷却）液体由被加热（冷却）液体进口管进入水隔套和膜式壁中心筒的扩叉管，被加热（冷却）液体热交换后产生蒸汽由蒸汽出口排出，含尘热（冷）气体由含尘热（冷）气体进口进入涡旋除尘热交换器中心圆柱分离传热区［20］（中心圆柱分离传热区为膜式壁中心筒外壁和水隔套内壁之间的区域），含尘热（冷）气体在中心圆柱分离传热区的流动过程中，通过金属壁与扩叉管和水夹套内的被加热（冷却）液体进行热交换，同时，由于含尘热（冷）气体的涡旋流动，在离心力的作用下，粉尘开始向中心圆柱分离传热区的外壁方向浓集，形成粉尘颗粒的预分离。含尘热（冷）气体离开中心圆柱分离传热区后，进入下部的锥形粉尘分离收集段，由粉尘收集口进入灰室，净化后的含尘热气体由膜式壁中心筒引出。

本发明是根据对牛顿冷却定理的简化与不足提出补充而建立的对流热交换器的详细的分析方法。所补充的方法可由下列公式说明：

Q＝mCp（Tout-Tin）  （2）

或更正确地说是：

其中m是流体的质量流量速率，Cp是流体的等压比热，mCp是流体的热容量，Tout ＆ Tin分别是流体出口及入口温度。s是流体沿流径的飞行距离;s是流经距离的总长度，t是时间，Г是流体在装置内的总停留时间，ds，dt，△s，△t是s及t的微分或微量变化。dT/ds是温度沿流径的变化率而温度对时间的变化率由公式（2）及（4）所示，Q可由下列变数或参数mCp，dT/ds，Dt/dt或s或Г其中任何的组合累加的增大而增大。因此使用热容量大的流体，设计长的飞行流径距离和保持长的流体停留时间对增大热交换量Q是有效而有好处的。这个目的可以藉一个涡旋热交换器所达到。改进流体和传热壁面的热交换的温度梯度dT/ds或dT/dt，进而增进传热量Q。要使热交换量达到最大的改善，不可只针对其中一个参变数作改善，而必须对上述所有的参变数作改善而同时不能有负面的影响或消减其中一个参变数的效应。

Ⅱ型涡旋除尘热交换器实施例：

涡旋除尘空气预热器总体尺寸  φ550X800mm

涡旋圆柱段高度:  430  mm

锥形收集段高度:  370  mm

中心筒高度:  215  mm

涡旋圆柱段直径:  370  mm

中心筒直径:  185  mm

烟气涡旋流道数:  3  个

测试结果:灰浓度:  33  g/Nm3

灰平均粒径  69  μ

烟气量:  650  Nm3/h

空气量  520  Nm3/h

烟气进口温度:  288  ℃

空气进口温度  22  ℃

空气出口温度  159  ℃

分离效率:  90  %

综合传热系数:  70  W/m2℃

Claims (12)

1、一种涡旋除尘热交换方法，其特征在于它包括将含尘热(冷)气体切向引入涡旋除尘热交换器，并沿着已选定的方向涡旋路径前进，含尘热(冷)气体在涡旋流动过程中，一方面在离心力的作用下，粉尘被分离，经粉尘收集口排出，另一方面，通过金属壁与被加热(冷却)流体流道中，沿着已选定方向的反方向涡旋路径前进的流体进行热交换，被加热(冷却)流体经换热后，离开涡旋除尘热交换器。

2、根据权利要求1所述的一种涡旋除尘热交换方法，其特征在于所说的含尘热（冷）气体采用含尘热（冷）气体调节阀，改变切向引入涡旋除尘热交换器的流动和流量。

3、根据权利要求1所述的一种涡旋除尘热交换方法，其特征在于所说的被加热（冷却）流体为气体或液体，或分别同时为气体和液体。

4、一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于它是由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘分离收集段下设粉尘收集口［8］，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒，切向设有含尘热（冷）气体进口［2］，锥形粉尘分离收集段周壁内焊有锥形螺旋管［7］，螺旋管管间隙为零，涡旋圆柱分离传热段周壁内设有圆柱螺旋管［6］和C形折流管［5］，其管间隙为3～5mm，圆柱螺旋管和C形折流管外周离涡旋圆柱分离传热段外筒内壁间距为10～35mm，中心筒由圆柱螺旋管［4］组成，螺旋管管间隙为零。

5、根据权利要求4所述的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热器热交换器，其特征在于所说的涡旋圆柱分离传热段周壁由圆柱形螺旋管和C形折流管组成，涡旋除尘器顶盖壁由涡旋管［3］组成，中心筒周壁由圆柱形螺旋管组成，锥形粉尘分离收集段周壁由锥形螺旋管组成，其管间隙为零。

6、一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于它是由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段下设锥形粉尘分离收集段，涡旋圆柱分离传热段中心设有中心筒［9］，涡旋圆柱分离传热段内周壁依次间隔设有被加热（冷却）流体和涡旋含尘热（冷）气体流道［12］，涡旋含尘热（冷）气体流道一端接含尘热（冷）气体进口［2］，另一端与中心圆柱分离传热区［10］相通，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口［8］，外设出口集气室［16］和进口集气室［15］，进口集气室与气体入口［14］和上升气体流道［13］相通，出口集气室与被加热（冷却）气体出口［17］和下降气体流道［11］相通，上升气体流道与下降气体流道相通。

7、根据权利要求6所述的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热器热交换器，其特征在于所说的涡旋含尘热（冷）气体流道外圈内侧单面焊有交错排列间断式螺旋翅片，气体流道外圈内侧焊有平直或螺旋翅片。涡旋含尘热（冷）气体流道为1～6道与被加热（冷却）流体流道相同排列，被加热（冷却）流体流道为气体流道或液体流道或部分气体流道和部分液体流道。

8、根据权利要求4或6所述的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于所说的含尘热（冷）气体进口设有含尘热（冷）气体调节阀。

9、根据权利要求4或6所述的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于中心筒内径与中心分离传热区内径之比为0.25～0.75，中心分离传热区内中心筒高度与涡旋圆柱分离传热段高度之比为0.25～0.85，涡旋圆柱分离传热段高度与锥形粉尘分离收集收集段高度之比为0.5～4。

10、根据权利要求4或6所述的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于中心筒内径与中心分离传热区内径之比为0.5，中心分离传热区内中心筒高度与涡旋圆柱分离传热段高度之比为0.6，涡旋圆柱分离传热段高度与锥形粉尘分离收集收集段高度之比为1.2。

11、一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于它是由涡旋除尘器和涡旋热交换器结合而成，涡旋除尘器包括涡旋圆柱分离传热段，涡旋圆柱分离传热段切向设有含尘热（冷）气体进口［2］，下设锥形粉尘分离收集段，锥形粉尘收集段下设粉尘收集口［8］涡旋圆柱分离传热段中心设有膜式壁中心筒［9］，涡旋除尘器外设水隔套［21］，水隔套下设被加热（冷却）液体进口［23］，上设蒸汽出口［18］，膜式壁中心筒由扩叉管［19］及管间焊接的垂直隔板组成，扩叉管上下端分别与水隔套相通。

12、根据权利要求11所说的一种按照上述方法设计的涡旋除尘热交换器，其特征在于水隔套间交叉设有阻尼横隔板［22］。

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