CN112033183A - 一种管式辐射换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管式辐射换热器，属于冶金换热器设备技术领域。它包括换热管、导流板以及分隔板，所述换热管一端设置有导流板，换热管内部设置有分隔板，所述导流板与分隔板相接，导流板与分隔板将换热管内空间分割为上下两个部分。能够有效解决管式辐射换热器由于热应力变形的问题，具有结构简单、易于使用的优点。

Description

一种管式辐射换热器

技术领域

本发明属于冶金换热器设备技术领域，更具体地说，涉及一种管式辐射换热器。

背景技术

换热器(heat exchanger)，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。在烧结过程中，为回收烧结矿的高温余热，大部分企业会选择在点火炉的上方安装辐射式换热器。一般可采用管式辐射换热器进行点火炉上方热量的交换换热，但使用管式辐射换热器时，由于管式辐射换热器的结构影响以及热源的位置问题，使得管式辐射换热器在使用过程中，受热不均，不同部位之间的热应力较大，长期使用，极易发生变形以及由于热应力影响引起的破损漏风等问题，对管式辐射换热器的安全使用有着很大的影响。

中国专利申请号为：201110138653.2，公开日为：2011-10-26的“套筒式金属辐射换热器”，其包括金属筒体，金属筒体的外侧上部连接有热风箱，金属筒体的外侧下部连接有冷风箱，金属筒体的外侧上部设有悬吊安装装置，冷风箱的底部设有烟气密封装置。当金属筒体受热膨胀变形时，金属筒体可向下端伸展，从而有效的避免了热应力变形的问题；但烟气需要通过管道内部进行相应的辐射换热，便捷性不高。

中国专利申请号为：201821975523.8，公告日为：2019-10-11的“一种燃气辐射管用节能型换热器”，其包括加热炉，加热炉的侧壁内开设有一个安装腔，安装腔内安装有一根与其相匹配的辐射管，辐射管的输入端与输出端均固定套接在安装腔的上端腔壁上，加热炉的上表面对应辐射管的输入端的位置固定套接有一根输入管。当输出管开始排出废气时，废气顺着连接管进入加热管内，并通过加热管直接对加热腔内部的空气进行加热，同时因进气孔中呈倾斜状设置的挡板的作用，空气进入加热腔内时，会有更多的流动性与停留时间，来提高加热管对加热腔内部空气的加热效果，简单便捷的提高了对废气的利用程度以及进入空气的加热效率；但由于辐射管在使用过程中受热不均，易发生由于热应力导致的管道变形，影响其使用寿命。

中国专利申请号为：02251314.0，公告日为：2003-11-26的“一种膨胀节－折流板式热风炉换热器”，其主要由空气预热－保温通道、烟道气冷却通道、列管式换热通道、膨胀节－折流板热空气通道、烟道气辐射－对流换热通道和热空气出口通道等组成。在膨胀节－折流板热空气通道内设置了U形膨胀节和折流板，膨胀节可消除内筒和外筒之间的温差应力，以解决因内外两套筒膨胀量不同而影响换热器的使用寿命问题，膨胀节也作为气体折流板，起到强化传热的作用。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有管式辐射换热器受热不均，容易因热应力变形引起安全隐患的问题，本发明提供一种管式辐射换热器。能够有效解决管式辐射换热器由于热应力变形的问题。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种管式辐射换热器，包括换热管、导流板以及分隔板，所述换热管一端设置有导流板，换热管内部设置有分隔板，所述导流板与分隔板相接，导流板与分隔板将换热管内空间分割为上下两个部分。

作为本发明优选的方案，所述的导流板一端与换热管上端边缘相接，另一端与分隔板相接，换热管设置有导流板的一侧，其上部区域形成密闭空间。

作为本发明优选的方案，所述的导流板为弧形板，且弧形板所在的圆心在导流板上部。

作为本发明优选的方案，所述的换热管内设置有导热翅片，所述导热翅片设置在导流板与分隔板的下方。

作为本发明优选的方案，所述的导热翅片垂直于换热管内表面，且导热翅片交错分布。

作为本发明优选的方案，所述的换热管包括换热圆管和连接管，相邻连接管两端连接有换热圆管。

作为本发明优选的方案，所述的连接管与相邻的换热圆管之间呈“U”形。

作为本发明优选的方案，所述换热管进口处设置有旋流翅片。

作为本发明优选的方案，所述旋流翅片倾角为30°。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种管式辐射换热器，通过在换热管中添加分隔板，增强换热管的结构刚性，减少由于受热不均，引起的热应力变形对换热管的影响，同时分隔板还将换热管内部分隔开来，在进行单侧热源的辐射换热过程中，将换热管内部分隔成两部分，即为靠近单侧热源的一侧和远离单侧热源的一侧，利用靠近单侧热源的一侧换热管进行辐射换热，导流板则和分隔板将换热管远离单侧热源的一侧分隔开，则换热管中的工作区域为靠近单侧热源的一侧，工作区域内温度分布较为均匀，减少由于温度分布不均，产生热应力的现象，由于换热管远离单侧热源的一侧为非工作区域，即使存在温差，产生热应力，对于最终换热管的使用也不产生影响；

(2)本发明的一种管式辐射换热器，导流板与分隔板将换热管分成上下两个空间区域，下部为工作区域，上部为非工作区域，为了进行有效的区域划分，导流板与分隔板将换热管上部形成密闭的空间，避免在工作过程中，换热管中的传热介质流入换热管上部区域，将换热管的区域进行划分后，则可将换热管放置在需要辐射传热的区域进行换热，换热管的工作区域的一侧靠近热源；

(3)本发明的一种管式辐射换热器，导流板的作用有两个，一个是起到导流的作用，将与换热管连接部件中的传热介质引入换热管中，另一个作用是与分隔板一起，将换热管中的非工作区域形成密闭的空间，在导流板的设置过程中，由于传热介质有一定的流速，对于导流板有一定的冲击，若导流板靠近传热介质的表面为平面，则传热介质在对导流板进行冲击后反射的传热介质，易在换热管入口处形成传热介质的湍流流动，而入口处其他位置传热介质流动较小，对后续传热介质输入形成阻碍，将导流板靠近传热介质的一侧设置成外弧面，则传热介质在冲击导流板后，由于导流板表面为弧面，则传热介质反射后的方向四散，使得换热管入口处的传热介质流动相对较为稳定，且不会形成只有特定区域流动较强其他区域流动弱的问题；

(4)本发明的一种管式辐射换热器，导热翅片对于换热管中传热介质的传热起到一定的增强作用，其基本原理为增大传热介质与换热管之间的接触面积，从而增强其换热效率，其中导热翅片垂直与换热管内表面时，同等导热翅片与传热介质之间增加的接触面积最大，导热翅片在换热管内表面的设置位置为换热管中的下半工作区域，设置方式为有序或交错分布，但交错分布可破坏传热介质的底部边界层，提高换热效率；

(5)本发明的一种管式辐射换热器，由于需要换热的区域一般为一片区域，故将换热管设置成换热圆管和连接管的形式，换热圆管为直管，连接管则用于不同位置的换热圆管的连接；

(6)本发明的一种管式辐射换热器，在进行一定区域的单侧热源的换热时，可将连接管与换热圆管之间设置成“U”形，则在后续使用过程中，换热管呈连续的“S”状，可遍布需要进行换热的区域，能够有效的提高换热过程中的效率。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明的一种管式辐射换热器的换热圆管的基本结构示意图；

图2为本发明的一种管式辐射换热器的换热圆管的截面结构示意图；

图3为本发明的一种管式辐射换热器的一种结构示意图；

图4为普通空管式空气换热器温度整体分布状态图；

图5为普通空管式空气换热器温度分布状态图；

图6为本发明的一种管式辐射换热器实施例3的温度整体分布状态图；

图7为本发明的一种管式辐射换热器实施例3的温度分布状态图；

图8为本发明的一种管式辐射换热器实施例4的一侧侧面结构示意图；

图9为本发明的一种管式辐射换热器实施例4的空气迹线图。

附图中：1、换热管；11、换热圆管；12、连接管；2、导流板；3、分隔板；4、导热翅片；5、外导热板；6、吊耳。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

在烧结过程中，为回收烧结矿的高温余热，大部分企业会选择在点火炉的上方安装辐射式换热器。然而，面对单侧辐射热源，由于换热管辐射侧与非辐射侧温差较大，在热应力的作用下，易发生变形甚至破损漏风等问题，安全系数较低，同时，传统的单侧辐射式圆管换热器存在背侧气体难以参与换热，内部气体受热不均匀的问题，导致换热效率较低。本发明的一种管式辐射换热器基于上述内容进行相应的研究。

实施例1

如图2所示本实施例的一种管式辐射换热器包括换热管1、导流板2和分隔板3。通过将导流板2以及分隔板3置入换热管1中，换热管1、导流管、分隔板3均可采用导热性能良好，并且有一定结构刚性的材料，为材料获取便利，可采用普通的钢板制成，实现换热效率的提升。

换热管1一端设置有导流板2，换热管1内部设置有分隔板3，导流板2与分隔板3相接，导流板2与分隔板3将换热管1内空间分割为上下两个部分。通过在换热管1中添加分隔板3，增强换热管1的结构刚性，减少由于受热不均，引起的热应力变形对换热管1的影响，同时分隔板3还将换热管1内部分隔开来，在进行单侧热源的辐射换热过程中，将换热管1内部分隔成两部分，即为靠近单侧热源的一侧和远离单侧热源的一侧，利用靠近单侧热源的一侧换热管1进行辐射换热，导流板2则和分隔板3将换热管1远离单侧热源的一侧分隔开，则换热管1中的工作区域为靠近单侧热源的一侧，工作区域内温度分布较为均匀，减少由于温度分布不均，产生热应力的现象，由于换热管1远离单侧热源的一侧为非工作区域，即使存在温差，产生热应力，对于最终换热管1的使用也不产生影响。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上提供进一步的实施例，本实施例的一种管式辐射换热管1包括换热管1、导流板2、分隔板3、导热翅片4、外导热板5以及吊耳6。

换热管1一端设置有导流板2，换热管1内部设置有分隔板3，导流板2与分隔板3相接，导流板2与分隔板3将换热管1内空间分割为上下两个部分。导流板2一端与换热管1上端边缘相接，另一端与分隔板3相接，换热管1设置有导流板2的一侧，其上部区域形成密闭空间。导流板2与分隔板3将换热管1分成上下两个空间区域，下部为工作区域，上部为非工作区域，为了进行有效的区域划分，导流板2与分隔板3将换热管1上部形成密闭的空间，避免在工作过程中，换热管1中的传热介质流入换热管1上部区域，将换热管1的区域进行划分后，则可将换热管1放置在需要辐射传热的区域进行换热，换热管1的工作区域的一侧靠近热源。

导流板2为弧形板，且弧形板所在的圆心在导流板2上部。即导流板2与传热介质的接触面为外弧面，导流板2的作用有两个，一个是起到导流的作用，将与换热管1连接部件中的传热介质引入换热管1中，另一个作用是与分隔板3一起，将换热管1中的非工作区域形成密闭的空间，在导流板2的设置过程中，由于传热介质有一定的流速，对于导流板2有一定的冲击，若导流板2靠近传热介质的表面为平面，则传热介质在对导流板2进行冲击后反射的传热介质，易在换热管1入口处形成传热介质的湍流流动，对后续传热介质输入形成阻碍，将导流板2靠近传热介质的一侧设置成外弧面，则传热介质在冲击导流板2后，由于导流板2表面为弧面，则传热介质反射后的方向四散，使得换热管1入口处的传热介质流动相对较为稳定。

换热管1内设置有导热翅片4，导热翅片4设置在导流板2与分隔板3的下方。导热翅片4垂直于换热管1内表面，且导热翅片4交错分布。导热翅片4对于换热管1中传热介质的传热起到一定的增强作用，其基本原理为增大传热介质与换热管1之间的接触面积，从而增强其换热效率，其中导热翅片4垂直与换热管1内表面时，同等导热翅片4与传热介质之间增加的接触面积最大，导热翅片4在换热管1内表面的设置位置为换热管1中的下半工作区域，设置方式为有序或交错分布，但交错分布可破坏传热介质的底部边界层，提高换热效率。导热翅片4也可设置成其他形式，但相应的传热效率的增幅会有所减弱。

换热管1包括换热圆管11和连接管12，相邻连接管12两端连接有换热圆管11。由于需要换热的区域一般为一片区域，故将换热管1设置成换热圆管11和连接管12的形式，换热圆管11为直管，连接管12则用于不同位置的换热圆管11的连接。连接管12与相邻的换热圆管11之间呈“U”形。在进行一定区域的单侧热源的换热时，可将连接管12与换热圆管11之间设置成“U”形，则在后续使用过程中，换热管1呈连续的“S”状，可遍布需要进行换热的区域，能够有效的提高换热过程中的效率。

实施例3

本实施例的一种管式辐射换热管1，在实施例1和实施例2的基础上进行了适应性调整，并进行了相应的数值模拟试验，其具体内容如下：

本实施例的一种管式辐射换热管1包括换热管1、导流板2、分隔板3、导热翅片4、外导热板5以及吊耳6。换热管1内部焊接分隔板3，分隔板3将换热管1内部空间分为上下两个部分。导流板2倾斜焊接于换热管1一端内部，并与分隔板3焊接连接，将换热管1上半部分空间密封，传热介质为空气，空气在入口处倾斜，在导流板2的作用下被压迫至换热管1底部半圆形空间进行换热。换热管1另一端可不进行封闭，因为空气是有流动方向和一定流速的，也可将换热管1的两端都进行封闭，但换热管1出口一端不做要求。换热管1底部内壁焊接多排导热翅片4，数量为4×8。能够将换热管1底部通过辐射吸收的热量快速传递给管内的空气，提高了内部对流换热效率。同时换热管1的侧面焊接外导热板5，填充M形换热器换热管1之间的空隙，增加了单侧辐射热源对换热器的辐射角系数，提高了外部辐射换热效率。换热管1上部焊接吊耳6，排布为4×4，能够稳定地将所述的管式单侧辐射空气换热器悬吊于单侧辐射热源上方。此外，换热管1包括换热圆管11和连接管12，换热圆管11为直管，连接管12为“U”形，连接管12两侧分别连接有一根换热圆管11，提高空气的流动管程，延长换热时间，提高换热效率。换热管1底部涂有黑体辐射节能涂料，换热器外形为M形，进风口连接风机，出风口连接循环风道。导热翅片4位于换热管1与分隔板3下半部分的半圆形间隙中，导热翅片4与换热管1底部内壁密焊，导热翅片4尺寸为为50*50*5mm。旋流翅片安置于换热管1进口处，旋流翅片倾角为30°，共计6片。外导热板5位于圆管换热器侧面，且采用密焊，填充M形换热器换热管1之间的空隙，换热管1侧面设有密焊的外导热板5能增大辐射角系数，进而增强辐射换热效果，尺寸为1000*50*5mm。密焊的导热翅片4可有效破坏空气传热边界层，从而强化内部空气的对流换热效果。

应用本实施例的技术方案后，由于分隔板3和导流板2封闭了换热管1上半部分的流动空间，因此空气在进入换热器后只能被迫在换热管1的下半部分进行换热。在所需预热空气流量不变的情况下，减少了传统换热管1上半部分无用的换热面积，提高了换热管1内部空气的流速，从而提高换热器的换热效率。由于空气集中在底部受热，配合底部的导热翅片4，因此有效换热面积增加，空气吸热量更大，能够有效地降低高、低温侧温差，减少热应力导致的换热管1变形甚至损坏，分隔板3还增强了换热管1的结构刚性，有效抵抗由于热应力带来的换热管1变形。

本实施例的管式辐射换热管1，其换热管1底部内壁焊接多排导热翅片4，提高热量传递效果。以上导热翅片4的排列方式不限规则，若排列方式为顺序排列，可降低内部空气在换热管1下半部分流动时的阻力，从而降低风机能量消耗，若排列方式为交错排列，可有效破环空气底部边界层，从而增强换热效果，提高换热器的换热效率。导流板2的倾斜角度可根据实际工况调整，保证在改变空气流动路径的同时尽量降低阻力的损失。

如图4和图5所示通过对普通空管式空气换热器的模型进行数值模拟后发现，普通空管式空气换热器在换热过程中，存在换热不充分的问题，由于空管内无扰流结构，故传热过程的边界层尚未被破坏，导致上方的空气尚未被充分加热，由温度分布图可以看出，空气进入换热器后，仅靠近壁面区域的空气受热，换热不充分，同时由于管内无扰流结构，在换热器的中段，约1/2的空气仍尚未被完全加热，平均温度仅为310℃，热量集中在底部受热面而未传入空气中，底部受热面最高温度达到300℃，局部温度过高，易被氧化烧损，造成寿命减少。

如图6和图7所示，通过对本实施例中的模型进行数值模拟后发现，增加了导流板2和导热翅片4的空气换热器，其内部空气温度得到了显著的提高，空气经导流板2压迫至换热管1底部空间，导热翅片4增加了空气换热面积，破坏了传热边界层，使得底部受热面的热量有效的传递至预热空气，可以看出，空气进入换热器后，迅速加热，同时管壁的热量通过导热翅片逐渐传递至空气内，使得空气在管道内得到充分换热，在中段处平均温度达到350℃，同时使底部受热面的温度降低至250℃。

本实施例的换热量相比于普通的圆管式辐射换热器提升约为50％，空气预热温度从95.62℃提高至153.5℃。当导热翅片4采用错排布置且越密集时、当分隔板3分隔后的空气流通面积越小时，其强化传热效果越明显。

实施例4

如图8所示，本实施例的新型管式单侧辐射空气换热器结构与实施例3中基本相同，其不同之处在于；在换热管1进口处安置了一个旋流装置，旋流装置为5个旋流翅片组成，旋流翅片倾角为30°，旋流翅片焊接在换热器管壁上，倾斜布置方式为直线倾斜或弯曲倾斜，旋流翅片倾角为30°，安置旋流翅片后的换热器，可适当的减少导热翅片4的数量，入口空气经过入口旋流翅片的扰流作用后，可形成稳定的旋流，雷诺数得到有效的提高，配合底部的导热翅片4，可有效破环空气底部边界层，从而增强换热效果，提高换热器的换热效率。本实施例所采用的结构，阻力损失相较于实施例3会明显增大，在风机功率允许的前提下。

如图9所示，通过对本实施例中的模型进行数值模拟，增加了旋流翅片的空气换热器，其内部空气流动更加剧烈，在管内多处产生了气流漩涡，可以看出，在经过入口处的旋流翅片扰流后，位于换热器第一个弯道处产生了涡流，配合U型结构，使空气前进的同时，可以自上而下的进行旋转，在第二个弯道处，产生了多处涡流，空气不断与导流翅片碰撞，使得预热空气在管道内得到充分的混合加热，相较于普通的圆管式辐射换热器提升约为50％，空气预热温度从95.62℃提高至163.6℃，同时管道内空气的温度与管道底部受热面温度分布更加均匀。

实施例3和实施例4与普通换热器的换热效果如表1所示：

表1换热效果对比表

在本发明的具体实施例中，导热翅片4可根据实际工况进行改变形状，可以是矩形状片，也可以是梯形状片。

实施例5

如图1和3所示，本实施例的一种管式辐射换热器，与实施例2结构基本相同，其不同之处在于：换热管1外侧设置有外导热板5，所述导热板换热管1的外侧下部，且位于导流板2与分隔板3的下方。外导热板5的设置，为换热管1中传热介质的传热起到一定的增益作用，增大换热管1外部与外界环境之间的接触面积，增大换热效率。

Claims (9)

1.一种管式辐射换热器，其特征在于：包括换热管(1)、连接管(2)以及分隔板(3)，所述换热管(1)一端设置有连接管(2)，换热管(1)内部设置有分隔板(3)，所述连接管(2)与分隔板(3)相接，连接管(2)与分隔板(3)将换热管(1)内空间分割为上下两个部分。

2.根据权利要求1所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的连接管(2)一端与换热管(1)上端边缘相接，另一端与分隔板(3)相接，换热管(1)设置有连接管(2)的一侧，其上部区域形成密闭空间。

3.根据权利要求1所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的连接管(2)为弧形板，且弧形板所在的圆心在连接管(2)上部。

4.根据权利要求1所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的换热管(1)内设置有导热翅片(4)，所述导热翅片(4)设置在连接管(2)与分隔板(3)的下方。

5.根据权利要求4所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的导热翅片(4)垂直于换热管(1)内表面，且导热翅片(4)交错分布。

6.根据权利要求1所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的换热管(1)包括换热圆管(11)和连接管(12)，相邻连接管(12)两端连接有换热圆管(11)。

7.根据权利要求6所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述的连接管(12)与相邻的换热圆管(11)之间呈“U”形。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述换热管(1)进口处设置有旋流翅片。

9.根据权利要求8所述的一种管式辐射换热器，其特征在于：所述旋流翅片倾角为30°。

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