CN113124694A - 换热管、换热器及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换热管、换热器和换热方法。换热管包括第一中空管和第二中空管，第一中空管包括敞开的第一端和第二端，第二中空管包括敞开的端部和封闭的端部，第二中空管横截面沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1，第一中空管内置在第二中空管中，在其之间形成有间隙，第一中空管的第一端伸出在第二中空管的敞开的端部之外，第一中空管的第二端与第二中空管的封闭的端部的内壁间隔开，第一中空管的第一端、中空内部、第二端、第一中空管与第二中空管之间的间隙以及第二中空管的敞开的端部限定流体通道。根据本发明的换热管、换热器和换热方法在提高换热效率的同时能够避免换热过程中由于热膨胀造成的变形和损坏。

Description

换热管、换热器及换热方法

技术领域

本发明总体上涉及一种改进的换热效率提高的换热管，更具体地，涉及石化、电力等行业加热炉烟气余热回收用换热管。本发明还涉及使用该换热管的换热器及换热方法。

背景技术

气气换热器在石油、化工、冶金、电力、机械等行业具有广泛的应用，通过换热器实现高低温气体之间的热量交换，从而达到加热低温气体或冷却高温气体的目的。

管壳式换热器是应用最广泛的一种间壁式气气换热器，其中低温气体走管内，高温气体走管外，二者进行热量交换的过程中，换热管和壳体均会发生膨胀。为了解决换热管与壳体之间的热膨胀差，避免因二者膨胀量不同导致焊缝拉裂的问题，普遍采用壳体与管板(密封板)之间设置膨胀节，换热管与两端管板直接焊接的结构。而在气气换热器的高温段，由于气体温度较高，热膨胀量较大，即使在壳体上设置膨胀节，当冷热介质的流向或流量出现不均的情况时，很难保证每根换热管的壁温一样，从而导致换热管之间会有膨胀量的差异，引起换热管与管板之间较大的不均匀膨胀应力，该应力会导致管板的扭曲变形甚至使二者之间的焊缝开裂，造成烟气泄漏互窜、换热效率下降，严重的可能导致设备损坏停用。

所以，开发一种能够解决因换热管膨胀量差异引起换热管(密封板)扭曲变形问题的新型换热管及使用其的气气换热器和换热方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供改进的换热管及使用其的气气换热器和换热方法来解决上述问题。

根据本发明的第一方面，提供一种换热管，包括第一中空管和第二中空管，第一中空管包括敞开的第一端和第二端，第二中空管包括敞开的端部和封闭的端部，第二中空管横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1，其中第一中空管内置在第二中空管中，在第一中空管外壁和第二中空管内壁之间形成有间隙，并且第一中空管的第一端伸出在第二中空管的敞开的端部之外，第一中空管的第二端与第二中空管的封闭的端部的内壁间隔开，第一中空管的第一端、第一中空管的中空内部、第二端、第一中空管与第二中空管之间的间隙以及第二中空管的敞开的端部限定流体通道。

根据本发明的换热管采用沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1的第二中空管结构，换热面积较大，同时由于采用第一中空管内置在第二中空管中的换热管形式，不仅存在第二中空管内壁和第一中空管外壁之间的间隙中的换热介质与第二中空管外部的换热介质之间的热交换，还存在第一中空管内部的换热介质与第二中空管内壁和第一中空管外壁之间的间隙中的换热介质之间的换热，提高了换热效率。

优选地，第一中空管的至少部分外壁抵靠支撑在第二中空管内壁上，以形成第一中空管外壁和第二中空管内壁之间的间隙，并且避免第一中空管相对于第二中空管晃动。

通过第一中空管和第二中空管的横截面形状配合，将第一中空管和第二中空管浮置保持，避免第一中空管相对于第二中空管晃动，其中第一中空管的横截面形状可以为任意形状，包括扁长形或圆形。

优选地，第一中空管的横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1，长轴与第二中空管的横截面的长轴重合，第一中空管的沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管的沿长轴方向的端部的部分内壁。

第一中空管的横截面形状可以为与第二中空管横截面的长轴重合的扁长形形状，通过沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管的沿长轴方向的端部的部分内壁实现彼此浮置保持。

优选地，第一中空管的外壁通过机械间隔件浮置支撑在第二中空管内壁上，以形成第一中空管外壁和第二中空管内壁之间的间隙，并且避免第一中空管相对于第二中空管晃动。

本发明中除了通过横截面形状配合实现彼此浮置保持，也可使用机械间隔件将第一中空管和第二中空管彼此浮置保持。

优选地，所述机械间隔件为穿过第一中空管的管壁且经由安装在第一中空管外壁的螺母保持的双头螺栓，双头螺栓的端部抵靠第二中空管的长轴侧的内壁。

优选地，在第一中空管的第二端长轴侧管壁上，均匀设置有多个开口，用于减小第一气态换热介质的转向流动阻力。

根据本发明的第二方面，提供一种换热器，包括：

壳体，所述壳体上设置有用于第一气态换热介质的入口和出口以及用于第二气态换热介质的入口和出口；

多根如上面所述的换热管，布置在壳体中，所述流体通道至少部分地限定第一气态换热介质流道，用于接收第一气态换热介质；

安装在壳体上的第一密封板和第二密封板，所述第一密封板和第二密封板上分别开设有多个用于第一中空管和第二中空管的通孔，所述换热管的第一中空管的第一端穿过第一密封板上的通孔密封安装在第一密封板上，第二中空管的敞开的端部穿过第二密封板上的通孔密封安装在第二密封板上，

所述换热器还包括布置在壳体中且与第一气态换热介质流道分隔的第二气态换热介质流道，用于接收第二气态换热介质，

第一气态换热介质流道由壳体上设置的用于第一气态换热介质的入口、第一中空管第一端、第一中空管中空内部、第一中空管第二端、第一中空管和第二中空管之间的间隙、由第一密封板、第二密封板和壳体包围的空间以及壳体上设置的用于第一气态换热介质的出口限定，换热管的第二中空管的管壁延伸在第二气态换热介质流道中以实现第一气态换热介质与第二气态换热介质热交换。

根据本发明的换热器采用前面所述的换热管，通过仅将换热管中的第一中空管的一端和第二中空管的一端密封固定到相应的密封板，使得第一中空管的另一端和第二中空管的另一端在热膨胀时能够沿轴向自由伸长，避免换热器中由于换热管在两端都固定的情况下在换热过程中由于温度不均匀造成的热膨胀差异引起的热膨胀应力和变形，从而避免换热器中的相应部件中的热膨胀应力及由热膨胀应力引起的变形和损坏。

优选地，第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面平行于第二气态换热介质进入方向。

换热管的外管的过横截面的长轴和管轴线的平面与换热介质的进入方向平行的情况下，换热介质的流动阻力最小。

优选地，第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面与第二气态换热介质进入方向成一夹角，该夹角大于0小于等于60度。

换热管的外管的过横截面的长轴和管轴线的平面与换热介质的进入方向成大于0小于等于60度的夹角的情况下，换热介质可由换热管外壁引导流动或由换热管外壁引发湍流，从而提高换热效率。

优选地，换热管的第二中空管的封闭的端部与壳体的内壁或其它内构件之间的距离大于第二中空管的最大膨胀量。

该设置可避免换热管由于热膨胀与换热器壳体的内壁或其它内构件之间由于热膨胀而相互干涉，因此即使在高温下或高温差下换热，第二中空管膨胀量大却不会损坏内部构件。

优选地，所述壳体上对称设置至少两个用于第一气态换热介质的出口。

该设置可使第一气态换热介质分布更均匀。

优选地，在第二气态换热介质出口和第二气态换热介质入口之间还设置有流向分配板，流向分配板上设置有分配孔，用于引导第二气态换热介质流过。

流向分配板一方面可以固定换热管，避免在气流扰动状态下，换热管发生晃动，另一方面可引导第二气态换热介质的流动，使第二气态换热介质分布均匀，提高换热效率。

优选地，所述换热器在第二气态换热介质入口和/或出口附近设置有导流板，用于引导气流转向，并且使第二气态换热介质分布更加均匀。

优选地，所述换热器还包括另一种换热管，其沿第一气态换热介质的方向布置在第一中空管的第一端的上游，并且沿第二气态换热介质的方向布置在第二中空管的下游。

所述另一种换热管可以进一步利用处于低温下的第二气态换热介质的余热，进一步提高换热效率。

根据本发明的第三方面，提供一种换热方法，包括以下步骤：

设置多根换热管，布置在壳体中，每一根换热管包括第一中空管和第二中空管，第一中空管包括敞开的第一端和第二端，第二中空管包括敞开的端部和封闭的端部，第二中空管横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1；

将第一中空管内置在第二中空管中，使得在第一中空管外壁和第二中空管内壁之间形成有间隙，并且设置第一中空管的第一端伸出在第二中空管的敞开的端部之外，第一中空管的第二端与第二中空管的封闭的端部的内壁间隔开，第一中空管的第一端、第一中空管的中空内部、第二端、第一中空管与第二中空管之间的间隙以及第二中空管的敞开的端部至少部分地限定第一气态换热介质流道；

将第二中空管的管壁设置在第二气态换热介质流道中，并且将第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面设置为平行于第二气态换热介质进入方向或与第二气态换热介质进入方向成一夹角，该夹角大于0小于等于60度；

利用风机将环境空气作为第一气态换热介质引入第一气态换热介质流道，将高温烟气作为第二气态换热介质通入第二气态换热介质流道，通过第二中空管的管壁和高温烟气接触，实现通过风机引入的环境空气与高温烟气换热，降低高温烟气的温度，升高引入的环境空气的温度。

根据本发明的换热方法能够提高气气换热效率，避免换热管及相关部件之间由于热膨胀造成的变形及损坏，提高能量回收利用率。

综上所述，根据本发明的换热管及使用其的换热器和换热方法适用于换热管壁温较高、热膨胀量较大的情况下的换热，在提高换热效率的同时能够避免换热过程中由于较大热膨胀造成的变形和损坏。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的实施例的换热管的立体视图；

图2是根据图1的换热管的剖视图；

图3到图8是根据本发明的实施例的换热管的横截面图；

图9到图11是根据本发明的实施例的第一中空管的剖视图，显示了第一中空管的不同第二端结构；

图12到图14是根据本发明的实施例的第二中空管的剖视图，显示了第二中空管的不同封闭的端部结构；

图15是根据本发明的第一实施例的换热器的前面面板去除的立体视图；

图16是图15中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面；

图17是图15中所示实施例的换热器的沿平行于前面的平面截取的剖视图；

图18是图15中所示实施例的换热器的俯视图；

图19是图15中所示实施例的换热器的左视图；

图20是根据本发明的第二实施例的换热器的前面面板去除的立体视图；

图21是图20中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面；

图22是图20中所示实施例的换热器的沿平行于前面的平面截取的剖视图；

图23图20中所示实施例的换热器的俯视图；

图24是图20中所示实施例的换热器的沿平行于顶面且在第二密封板和导流板之间的平面截取的剖视图；

图25是图20中所示实施例的换热器的左视图；

图26是图20中所示实施例的换热器的右视图；

图27是根据本发明的第三实施例的换热器的前面面板去除的立体视图；

图28是图27中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面；

图29是图27中所示实施例的换热器的左视图；

图30是图27中所示实施例的换热器的右视图；和

图31是图27中所示实施例的换热器的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，说明书中使用的术语“前面”、“顶部”、“底部”、“左右”、“上下”等仅用于相对于附图中所示方向进行描述，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

图1是根据本发明的实施例的换热管的立体视图，图2是根据图1的换热管的剖视图，图中可看出，换热管包括第一中空管1和第二中空管2，第一中空管1包括敞开的第一端101和第二端102，第二中空管2包括敞开的端部201和封闭的端部202，第一中空管1内置在第二中空管2中，在第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间形成间隙，并且第一中空管1的第一端101伸出在第二中空管2的敞开的端部201之外，第一中空管1的第二端102与第二中空管2的封闭的端部202的内壁间隔开，第一中空管1的第一端101、第一中空管1的中空内部、第二端102、第一中空管1与第二中空管2之间的间隙以及第二中空管2的敞开的端部201限定流体通道。

作为换热管，在使用过程中，第一气态换热介质可从第一中空管1的第一端101进入，穿过第一中空管1的中空内部，从第一中空管1的第二端102流出进入第二中空管2的封闭的端部202中，然后在第二中空管2的封闭端部202处转向进入第一中空管1的外壁与第二中空管2的内壁之间的间隙，最后从第二中空管2的敞开端部201处流出，在该过程中，既可进行进入第一中空管1的内部的第一气态换热介质与进入第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙的第一气态换热介质之间的换热，也可进行在第一中空管1的外壁与第二中空管2的内壁之间的间隙的第一气态换热介质与在第二中空管2外部的第二流体介质之间的换热，因此换热效率能够得以提高。

图3到图8是根据本发明的实施例的换热管的横截面图，从图中可以看出，第一中空管1和第二中空管2的横截面都为扁长形，并且第一中空管1和第二中空管2为各种扁长形状的组合。

本说明书中所提到的扁长形是指第一中空管1和第二中空管2的横截面轮廓的长轴宽度和短轴宽度的比大于5:1，通常为了换热均匀横截面采用对称形状，长轴在本说明书中定义为横截面轮廓较长的对称轴，短轴在本说明书中定义为横截面轮廓较短的对称轴，在采用不对称形状的横截面的情况下，长轴则指沿横截面长度方向的轴线，短轴则指沿横截面宽度方向的轴线。

本发明中采用扁长形横截面中空管作为换热管，与传统的圆管式换热管相比，扁长形横截面中空管可以更紧密地布置，空间利用率高，而且换热面积增大，热交换效率提高；与板式换热器相比，结构简单，易于制造，成本低，同时由于扁长形横截面中空管的中空结构，在相同的换热效率前提下，可能会减小换热器的质量和体积。

由此可见，虽然图3到图8中显示第一中空管1和第二中空管2均为扁长形横截面中空管，但是在本发明中，只要第二中空管2实现为扁长形横截面中空管即可获得上述扁长形横截面换热管的优点，因此第一中空管1的横截面形状可以为外壁与第二中空管2的内壁形成间隙的任何形状，比如圆形。

第一中空管1的外壁与第二中空管2的内壁之间的间隙可以以多种方式形成，下面详细介绍通过机械间隔件、通过第一中空管1和第二中空管2的横截面形状的相互配合以及通过分别固定第一中空管1的一个端部和第二中空管2的一个端部形成间隙的实施方式。

图3到图5示意性地显示了第一中空管1的外壁通过机械间隔件浮置支撑在第二中空管2的内壁上形成间隙的实施方式，在所显示的实施方式中，机械间隔件采用穿过第一中空管1的管壁且经由安装在第一中空管1外壁的螺母保持的双头螺栓3，双头螺栓3的端部抵靠第二中空管2的大致沿长轴方向的内壁。由此既可将第一中空管1支撑在第二中空管2内，以避免第一中空管1在第一气态换热介质的作用下晃动，使第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间形成间隙；而且可使第一中空管1相对于第二中空管2发生轴向移动。而双头螺栓的端部通常设置为圆滑端部，这样可以避免移动过程中双头螺栓的端部对第二中空管内壁的摩擦磨损。

返回参照图2，其中显示了双头螺栓3的数量和排列方式，双头螺栓3的数量和排列方式不限于图2中的实施方式所示，能够实现第一中空管1和第二中空管2之间形成间隙、不会相对于彼此晃动但可相对于彼此沿轴向移动的任意方式都在本发明的保护范围内。通常第一中空管1通过多个双头螺栓3和螺母支撑在第二中空管2的大致沿长轴方向的内壁上，保证第一中空管1和第二中空管2同轴布置，避免在第一气态换热介质的作用下第一中空管1在第二中空管2内晃动，导致第一中空管1和第二中空管2之间的间隙中气流分布不均，影响换热效率。

机械间隔件也不限于图3到图5中所示的双头螺栓3，可以以多种方式实现，例如弹簧夹、肋板或肋条。

图6到图8示意性地显示了通过第一中空管1的至少部分外壁抵靠支撑在第二中空管2的内壁上，从而在第一中空管外壁和第二中空管内壁之间形成间隙的实施方式。

具体来说，图6中通过第一中空管1的沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管2的沿长轴方向的端部的部分内壁将第一中空管1相对于第二中空管2保持固定。图7和图8中，不仅通过第一中空管1的沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管2的沿长轴方向的端部的部分内壁，而且通过第一中空管1的在沿长轴方向的端部之间的部分外壁抵靠第二中空管2的在沿长轴方向的端部之间的部分内壁将第一中空管1相对于第二中空管2保持固定。第一中空管1和第二中空管2这样的固定方式，在第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间形成间隙，并且避免第一中空管1在第一气态换热介质作用下晃动，同时在作为换热管使用过程中发生热膨胀时，还允许第一中空管1相对于第二中空管2沿轴向移动，避免第一中空管1和第二中空管2相对固定时由于热膨胀产生相互作用的应力。

在第一中空管1具有圆形横截面形状的情况下，可通过第一中空管1的沿垂直于第二中空管2的长轴方向的径向外壁抵靠第二中空管2的大致沿长轴方向的部分内壁来相对保持，形成第一中空管1与第二中空管2之间的间隙，并且避免第一中空管1在第一气态换热介质作用下晃动，同时在作为换热管使用过程中发生热膨胀时，还允许第一中空管1相对于第二中空管2移动，避免第一中空管1和第二中空管2相对固定时由于热膨胀产生相互作用的应力。

在图6到图8中所示的情况下，第一中空管1的横截面形状通常也为扁长形，限定长轴和短轴，其沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比也大于5:1，长轴和短轴与第二中空管2的横截面的长轴和短轴重合，第一中空管1的沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管2的沿长轴方向的端部的部分内壁。在实际使用中，也可根据实际换热情况，将第一中空管1的横截面的长轴和短轴设置为与第二中空管2的横截面的长轴和短轴不完全重合。

第一中空管1和第二中空管2之间的间隙还可通过分别将第一中空管1和第二中空管2固定在图14到图30中所示的换热器中的第一密封板5和第二密封板6上来实现，即在将第一中空管1和第二中空管2分别固定到第一密封板5和第二密封板6上时，甚至可以在不使用机械间隔件、第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁不相互抵靠的情况下实现第一中空管1和第二中空管2之间的间隙。

图9到图11是根据本发明的实施例的第一中空管1的过轴线的剖视图，显示了第一中空管1的不同第二端结构。第一气态换热介质从第一中空管1的第一端101进入第一中空管1的内壁，然后从第一中空管1的第二端102流出进入第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙，此时，由于流向转变引起流通阻力，为了减小流通阻力带来的大压差，在第一中空管1靠近第二端102的表面沿周向方向或仅在长轴侧管壁上开设形状规则或不规则的均匀分布的开口103。图9中可看到，第一中空管1靠近第二端102的沿周向或仅在长轴侧管壁上设置有多排圆形小开口103，多排沿轴向排列，每一排中的每一个圆形小开口沿径向取向。图10和图11中可看到，第一中空管1靠近第二端102沿周向或仅在长轴侧管壁上设置有多列条形开口103，条形开口103沿轴向取向，多列沿第二端102的外周或仅在长轴侧管壁上均匀分布，图10中的开口没有贯穿第一中空管1的第二端102的边缘，图11中的开口贯穿第一中空管1的第二端102的边缘。开口的形状可为任意可能的形状，通常均匀分布，以保证第一气态换热介质均匀进入第一中空管和第二中空管的间隙。

图12到图14是根据本发明的实施例的第二中空管的过轴线的剖视图，显示了第二中空管的不同封闭的端部结构。图12中，第二中空管2的封闭的端部202的封闭底板与管壁的下端面平齐，图13中的第二中空管2的封闭的端部202的封闭底板在管壁内部通过焊接紧固，图14中的第二中空管2的封闭的端部202的封闭底板包封在管壁外部。应该理解的是，第二中空管2的封闭的端部的形式并不局限于上述三种，能够实现封闭的端部的其它形式也在本发明的范围内。

图15是根据本发明的第一实施例的换热器的前面面板去除的立体视图，为了清楚显示换热器的内部结构，该立体视图中壳体的前面的面板去除；图16是图15中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面；图17是图15中所示实施例的换热器的沿平行于前面的平面截取的剖视图。同时参考图15到图17，图中可看到，换热器包括壳体4，壳体4上设置有用于第一气态换热介质的入口和出口以及用于第二气态换热介质的入口和出口，安装在壳体4上的第一密封板5和第二密封板6以及多个如上所述的换热管。在本实施例中第一气态换热介质的入口为第一中空管1的第一端101处的开口，出口为在壳体4的左侧面板和右侧面板上的出口401和402，第二气态换热介质的入口为在壳体4的左侧面板上的入口403，第二气态换热介质的出口为在壳体4的右侧面板上的出口404；而第一密封板5和第二密封板6上分别设置有用于接收第一中空管1和第二中空管2的通孔。本实施例中换热器的换热管由形成嵌套式套管的第一中空管1和第二中空管2构成。

在所示实施例中，第二中空管2穿过第二密封板6上的通孔密封固定在第二密封板6上，第一中空管1穿过第一密封板5上的通孔内置在第二中空管2内部，并且密封固定在第一密封板5上，图15和图17中所示的第一气态换热介质出口401和402对称设置于壳体上，由此，在该实施例中，第一气态换热介质的流道由第一密封板5上设置的第一中空管1的第一端101(即第一气态换热介质入口)、第一中空管1的内部、第一中空管1的第二端102、第一中空管1和第二中空管2之间的间隙、由第一密封板5、第二密封板6和在第一密封板5和第二密封板6之间的壳体4包围的空间以及壳体4上设置的用于第一气态换热介质的出口401和402限定。

实际使用中，第一气态换热介质(通常为环境空气或其他低温气体)，经由风机输送到与换热器的顶部接合的集气箱，从第一中空管1的第一端101的在第一密封板5上的开口进入第一中空管1的中空内部，沿第一中空管1向下流动，由第一中空管1的第二端102流出并发生转向，沿第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙向上流动，经由第二中空管2的敞开的端部201的开口流出，进入由第一密封板5、第二密封板6以及在第一密封板5和第二密封板6之间的壳体包围的空间，最后从壳体4的两侧面板上设置的出口402和401流出，进入炉膛参与燃烧，以进一步利用第一气态换热介质吸收的热量。

图18是图15中所示实施例的换热器的俯视图；图19是图15中所示实施例的换热器的侧视图，该实施例中，换热器左右对称设置，左视图和右视图相同。从图18中可清楚看到第一中空管1的第一端从第一密封板5上的通孔穿过并且密封固定到第一密封板5上。图19可以看到第一气态换热介质的出口401和第二气态换热介质的入口403。第一气态换热介质的出口401和402对称设置在壳体上可使第一气态换热介质均匀流出，改善换热性能，第一气态换热介质的出口数量不限于两个，可以对称设置多个出口。

继续参考图15到图19，还可以看到，在位于第二密封板6下方的左侧面板和右侧面板处，还设置有第二气态换热介质的入口403和第二气态换热介质的出口404，第二气态换热介质的流道由第二气态换热介质的入口403、由第二密封板6下方的壳体4围成的空间、和第二气态换热介质的出口404形成，第二气态换热介质的入口403和第二气态换热介质的出口404位于相同的高度，第二气态换热介质从入口403进入第二气态换热介质流道后，基本上沿图17中从右至左的方向流动穿过第二气态换热介质流道，然后从出口404流出，第二中空管2延伸在第二气态换热介质的流道中，在第二气态换热介质穿过第二气态换热介质流道的过程中，实现第一气态换热介质和第二气态换热介质之间的热交换。

在本实施例的换热器中，第二气态换热介质基本上沿垂直于壳体4的侧面面板的方向经由第二气态换热介质的入口403进入壳体4中形成的第二气态换热介质流道中，然后经由第二气态换热介质的出口404流出，此时，第二气态换热介质的方向大体上垂直于在第一中空管1内部及在第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙中的第一气态换热介质的方向，形成交错流换热。

因此在本实施例的换热器中，不仅存在第一气态换热介质和第二气态换热介质之间经由第二中空管2的管壁进行的交错流换热，还存在处于第一中空管1的内部的第一气态换热介质与处于第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的第一气态换热介质之间的逆流换热，换热面积增大，因此相较于换热管不是本发明的套管形式的情况，其中仅存在第一气态换热介质和第二气态换热介质之间经由换热管的管壁进行的热交换，本实施例的换热器的换热效率提高。

本实施例的换热器不仅提高了换热效率，还解决了换热管壁温较高情况下由于热膨胀引起的变形及膨胀应力的问题。本实施例中的换热器的第一中空管1仅第一端101固定在第一密封板5上，第二端102设置为自由端，第二中空管2仅敞开的端部201固定在第二密封板6上，封闭的端部202设置为自由端，因此即使在高温下受热发生热膨胀时，第一中空管1和第二中空管2可以沿中心轴线方向自由伸长，且多个第一中空管1或多个第二中空管2彼此之间不同时受第一密封板5和/或第二密封板6的约束，不会因换热不均匀导致不同换热管因温度不同产生不同的膨胀量而引起密封板上焊缝应力变形甚至撕裂，因此可提供良好的密封性能，适用于高换热管壁温和壁温温差较大情况下的换热。

实际使用中，第二气态换热介质通常为污染性较低的高温烟气，经过换热器换热后，可使高温烟气的热量回收利用，温度降低后的烟气可通过烟囱直接排放到大气中。而对于有污染的高温烟气，则在换热器换热后送入到后续处理系统中处理环保达标后排放。

通常为利用风机引入换热器中的环境空气的第一气态换热介质在经过与第二气态换热介质热交换后温度升高，可作为助燃空气通入加热炉中，提高加热炉的热效率，经过与第二气态换热介质热交换后温度升高的第一气态换热介质也可用于其它用途，例如干燥物料。

需要注意的是，由于换热管的第二中空管2的外壁通常需要接触温度较高的第二气态换热介质，因此第二中空管2的膨胀量较大，其封闭的端部202与壳体4的底壁405之间或与位于壳体4的底部处的其它内构件之间应间隔开，间隔距离应大于第二中空管2的最大膨胀量，以避免高温下或高温差下膨胀伸长的第二中空管2与壳体4的底壁405或位于壳体4的底部处的其它内构件相互干涉，因此即使在高温下或高温差下换热，第二中空管2膨胀量大却不会损坏内部构件。

本实施例中，第二中空管2的过横截面的长轴和管轴线的平面平行于第二气态换热介质进入壳体4时的方向，第二气态换热介质进入壳体4时的方向简称为第二气态换热介质进入方向，此时换热管对第二气态换热介质的阻力最小。第二中空管2的过横截面的长轴和管轴线的平面与第二气态换热介质进入方向还可设置为成一夹角，适当的夹角可以使第二中空管2的外表面对第二气态换热介质进行导流，或引入第二气态换热介质的适当扰动，更加有助于提高换热效率，该夹角优选大于0小于等于60度。

图20是根据本发明的第二实施例的换热器的前面面板去除的立体视图，为了清楚显示换热器的内部结构，该立体视图中壳体的前面的面板去除；图21是图20中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面，图23是图20中所示实施例的换热器的俯视图；图24是图20中所示实施例的换热器的沿平行于顶面且在第二密封板6和导流板8之间的平面截取的剖视图。从图20、图21、图23和图24中可看出，该实施例中的换热器总体结构与图15到图19中所示的换热器相同，而且换热管及第一气态换热介质的流道结构与图15到图19中所示的换热管及第一气态换热介质的流道结构相同，在此不再详细描述。本实施例的换热器与图15到图19中的换热器的区别主要在于第二气态换热介质流道的结构，下面详细描述该区别。

图22是图20中所示实施例的换热器的沿平行于前面的平面截取的剖视图，从图22中可看到，壳体4在右侧面板的紧邻第二密封板6的下方设置有第二气态换热介质的入口403，在左侧面板的下部设置有第二气态换热介质的出口404，第二气态换热介质的入口403的位置高于第二气态换热介质的出口404，由此可见，在本实施例中，第二气态换热介质从入口403进入第二气态换热介质流道后，需要沿从上至下的方向流动，才能穿过第二气态换热介质流道从出口404流出，第二气态换热介质的从上至下的流动方向与第二中空管2的内壁和第一中空管1的外壁之间的间隙中的从下至上的第一气态换热介质流动方向平行且相反，形成逆流换热，因此与图15到图19中所示的实施例中第一气态换热介质和第二气态换热介质之间的交错流换热相比较，本实施例中第一气态换热介质和第二气态换热介质之间的逆流换热效率更高，因此换热器的换热效率进一步提高。

图25是图20中所示实施例的换热器的左视图；图26是图20中所示实施例的换热器的右视图，比较图25和26，可清楚地看出本实施例中第二气态换热介质的入口403和出口404的位置高度不同。

继续参考图21和图22，优选地，为了均匀分配第二气态换热介质并且引导第二气态换热介质沿从上至下的方向流动，在壳体4内第二气态换热介质流道中还设置有流向分配板7，固定在壳体4的内壁上，流向分配板7上设置有分配孔，第二中空管2穿过分配孔，在第二中空管2的外壁和分配孔的边缘之间形成有通气间隙，用于引导第二气态换热介质流过，第二气态换热介质在经过通气间隙的过程中，被均匀分配，并且能够与第二中空管2中的第一气态换热介质产生高效的逆流换热，提高换热器的换热效率，而且流向分配板7还可将第二中空管2的外壁浮置支撑，以避免换热管较长时发生震动，提高换热器运行稳定性。流向分配板7的形式、数量不限于本实施例中所示，能够实现流向分配板7功能的任何形式和数量的流向分配板都在本发明的保护范围内。

第二气态换热介质在由从右向左流动转向为从上至下流动或由从上至下流动转向为从右至左流动时，容易出现偏流等现象，因此进一步优选地，在第二气态换热介质的入口403和出口404附近，还设置有导流板8，导流板8用于在引导第二气态换热介质转向的同时均匀分配第二气态换热介质，导流板8通常固定在壳体4的内壁上，包括沿左右方向延伸的部分和沿上下方向延伸的部分以及连接所述两部分的转向部，导流板8的数量和形式不限于本实施例中所示，能够实现导流板8功能的任何形式和数量的导流板都在本发明的保护范围内。

图27是根据本发明的第三实施例的换热器的前面面板去除的立体视图，为了清楚显示换热器的内部结构，该立体视图中壳体的前面的面板去除；图28是图27中所示实施例的换热器的前面面板去除的正面视图，显示了换热器的前面。在所示实施例中，由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管、第一密封板5和第二密封板6、第一气态换热介质的出口401，402以及对应的壳体4的部分与第一实施例和第二实施例中的相同，在此不再详细描述。

同时参考图27和图28以及实施例1、第二实施例中的相同部件的视图，可看到，换热器包括壳体4，第一密封板5和第二密封板6安装到壳体4上，第一密封板5和第二密封板6上分别设置有用于接收第一中空管1和第二中空管2的通孔。本实施例中换热器的换热管不仅包括由形成嵌套式套管的第一中空管1和第二中空管2构成的换热管，还包括位于壳体内底部处第二中空管2的封闭的端部202下方的换热管10，以及与换热管10两端密封连接的密封板。根据本实施例的换热器还包括设置在壳体4的右侧面板下部的第一气态换热介质的入口407和连接壳体4的左侧面板下部和顶部面板的介质转换弯头箱9，介质转换弯头箱9的上端集气箱901与密封固定在第一密封板5上的第一中空管1的第一端101流体连通，介质转换弯头箱9的下端集气箱902与换热管10的左端开口流体连通，第一气态换热介质经由入口407进入换热管10的中空内部，壳体4的左侧面板和右侧面板的上部分别对称设置有第一气态换热介质的出口401和402。由此可见，换热管10沿第一气态换热介质流动方向设置在第一中空管1的第一端101的上游，第三实施例中的第一气态换热介质流道由第一气态换热介质的入口407、换热管10内部、介质转换弯头箱9内部、第一中空管1的第一端101、第一中空管1内部、第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙、由第一密封板5、第二密封板6和壳体4包围的空间以及壳体4上设置的用于第一气态换热介质的出口401和402限定。

在第三实施例的实际使用中，第一气态换热介质(通常为环境空气或其他低温气体)经由风机输送到第一气态换热介质的入口407，经由换热管10、介质转换弯头箱9从第一中空管1的第一端101的在第一密封板5上的开口进入第一中空管1的中空内部，沿第一中空管1向下流动，由第一中空管1的第二端102流出进入第二中空管2的封闭的端部202中，并且在第二中空管2的封闭的端部202处转向，沿第一中空管1的外壁和第二中空管2的内壁之间的间隙向上流动，经由第二中空管2的敞开的端部201的开口流出，进入由第一密封板5、第二密封板6以及在第一密封板5和第二密封板6之间的壳体包围的空间，最后从壳体4的左侧面板上设置的出口402和右侧面板上设置的出口401流出，输送到加热炉中以进一步利用。

在本实施例的换热器中，在壳体4的底部设置有用于第二气态换热介质的出口集气箱11，第二气态换热介质基本上由入口403进入壳体4中，在经过由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管时，需要沿从上至下的方向流动才能经过由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管从第二气态换热介质的出口集气箱11流出，第二气态换热介质的从上至下的流动方向与第二中空管2的内壁和第一中空管1的外壁之间的间隙中的从下至上的第一气态换热介质流动方向平行且相反，形成逆流换热，然后基本上以与换热管10的延伸方向垂直的方向由上至下流动经过换热管10，由此可见，换热管10沿第二气态换热介质的流动方向布置在第二中空管2的下游，与换热管10形成交错流换热，因此与第一和第二实施例相比较，第三实施例中第一气态换热介质和第二气态换热介质之间的热交换不仅包括在由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管处的逆流换热，还包括在换热管10处的交错流换热，因此换热器的换热效率进一步提高。

需要指出的是，在换热管10处，经过与第一中空管1和第二中空管2构成的换热管进行换热后的处于较低温度的第二气态换热介质(通常为烟气)进一步与常温的第一气态换热介质(通常为环境空气)之间进行交错流换热，使处于较低温度的第二气态换热介质的余热得到进一步利用，而常温的第一气态换热介质温度也得到一定的提高；此时，第一气态换热介质的温度虽然较常温得到提高，但是在第一中空管1和第二中空管2构成的换热管处，第二气态换热介质(通常为烟气)处于较高温度，第一气态换热介质的温度相较于较高温度的第二气态换热介质仍处于较低的温度，因此通过逆流换热使处于较高温度的第二气态换热介质的热量得到充分回收利用，使处于较低温度的第一气态换热介质的温度进一步提高。

继续参考图27和图28，优选地，为了均匀分配第二气态换热介质并且引导第二气态换热介质沿从上至下的方向流动，在壳体4内第二气态换热介质流道中还设置有流向分配板7，该流向分配板7与第二实施例中所述的流向分配板7相同，在此不再详细描述。

第二气态换热介质在经过由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管由从右向左流动转向为从上至下流动时，容易出现偏流等现象，因此进一步优选地，在第二气态换热介质的入口403附近，还设置有导流板8，导流板8用于在引导第二气态换热介质转向的同时均匀分配第二气态换热介质，导流板8与第二实施例中的导流板结构相同，在此不再详细描述。

图29是图27中所示实施例的换热器的左视图；图30是图27中所示实施例的换热器的右视图，比较图29和30，可清楚地看到本实施例中第一气态换热介质的出口401和402、第二气态换热介质入口403和出口集气箱11、第一气态换热介质的入口407以及介质转换弯头箱9，图中可看出第二气态换热介质入口403和出口集气箱11的位置高度不同，还可看出介质转换弯头箱9的下端集气箱902与壳体4的左侧面板下部结合。

图31是图27中所示实施例的换热器的俯视图，图中可清楚地看出本实施例中介质转换弯头箱9的上端集气箱901与壳体4的顶部的结合。

还需要指出的是，第二气态换热介质(通常为烟气)含有对常规金属(碳钢或不锈钢)具有腐蚀性的成分，当温度较低达到酸露点温度时，会发生酸露点腐蚀。对于由第一中空管1和第二中空管2构成的换热管，使用时因为第二气态换热介质温度较高，不存在酸露点腐蚀，所以换热管可采用常规的碳钢或不锈钢金属材质；而对于换热管10，使用时气态换热介质温度较低，为了避免出现酸露点腐蚀同时又能充分回收利用第二气态换热介质的热量，换热管10优选采用玻璃材质。换热管10可选用任意形状的中空管结构，如可采用本发明中第二中空管2的扁平横截面换热管的结构。

本说明书中虽然以环境空气为例描述了第一气态换热介质，以高温烟气为例描述了第二气态换热介质，但实际上第一气态换热介质和第二气态换热介质可以为任意形式的高低温气态介质。

还应注意的是，虽然换热器的第一实施例和第二实施例中第一气态换热介质的出口401和402、第二气态换热介质的入口403、出口404以及第三实施例中第一气态换热介质的出口401和402、第二气态换热介质的入口403以及第一气态换热介质的入口407都描述为实现在壳体4的面板上，但这仅是示例，所述入口或出口不受所描述的具体实施方式的限制，均可设置为从壳体4的面板上引出或引入的入口或出口，例如从壳体4的面板上伸出或伸入的管或以其它方式实现。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (15)

1.一种换热管，包括：第一中空管和第二中空管，第一中空管包括敞开的第一端和第二端，第二中空管包括敞开的端部和封闭的端部，第二中空管横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1，其中第一中空管内置在第二中空管中，在第一中空管外壁和第二中空管内壁之间形成有间隙，并且第一中空管的第一端伸出在第二中空管的敞开的端部之外，第一中空管的第二端与第二中空管的封闭的端部的内壁间隔开，第一中空管的第一端、第一中空管的中空内部、第二端、第一中空管与第二中空管之间的间隙以及第二中空管的敞开的端部限定流体通道。

2.根据权利要求1所述的换热管，其中，第一中空管的至少部分外壁抵靠支撑在第二中空管内壁上，以形成第一中空管外壁和第二中空管内壁之间的间隙，并且避免第一中空管相对于第二中空管晃动。

3.根据权利要求2所述的换热管，其中，第一中空管的横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5：1，长轴与第二中空管的横截面的长轴重合，第一中空管的沿长轴方向的端部的部分外壁抵靠第二中空管的沿长轴方向的端部的部分内壁。

4.根据权利要求1所述的换热管，其中，第一中空管的外壁通过机械间隔件浮置支撑在第二中空管内壁上，以形成第一中空管外壁和第二中空管内壁之间的间隙，并且避免第一中空管相对于第二中空管晃动。

5.根据权利要求4所述的换热管，其中，所述机械间隔件为穿过第一中空管的管壁且经由安装在第一中空管外壁的螺母保持的双头螺栓，双头螺栓的端部抵靠第二中空管的长轴侧的内壁。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的换热管，其中，在第一中空管的第二端长轴侧管壁上，均匀设置有多个开口，用于减小第一气态换热介质的转向流动阻力。

7.一种换热器，包括：

壳体，所述壳体上设置有用于第一气态换热介质的入口和出口以及用于第二气态换热介质的入口和出口；

多根如权利要求1-6中任一项所述的换热管，布置在壳体中，所述流体通道至少部分地限定第一气态换热介质流道，用于接收第一气态换热介质；

安装在壳体上的第一密封板和第二密封板，所述第一密封板和第二密封板上分别开设有多个用于第一中空管和第二中空管的通孔，所述换热管的第一中空管的第一端穿过第一密封板上的通孔密封安装在第一密封板上，第二中空管的敞开的端部穿过第二密封板上的通孔密封安装在第二密封板上，

所述换热器还包括布置在壳体中且与第一气态换热介质流道分隔的第二气态换热介质流道，用于接收第二气态换热介质，

第一气态换热介质流道由壳体上设置的用于第一气态换热介质的入口、第一中空管第一端、第一中空管中空内部、第一中空管第二端、第一中空管和第二中空管之间的间隙、由第一密封板、第二密封板和壳体包围的空间以及壳体上设置的用于第一气态换热介质的出口限定，换热管的第二中空管的管壁延伸在第二气态换热介质流道中以实现第一气态换热介质与第二气态换热介质热交换。

8.根据权利要求7所述的换热器，其中，第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面平行于第二气态换热介质进入方向。

9.根据权利要求7所述的换热器，其中，第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面与第二气态换热介质进入方向成一夹角，该夹角大于0小于等于60度。

10.根据权利要求7所述的换热器，其中，换热管的第二中空管的封闭的端部与壳体的内壁或其它内构件之间的距离大于第二中空管的最大膨胀量。

11.根据权利要求7所述的换热器，其中，所述壳体上对称设置至少两个用于第一气态换热介质的出口。

12.根据权利要求7所述的换热器，其中，在第二气态换热介质出口和第二气态换热介质入口之间还设置有流向分配板，流向分配板上设置有分配孔，用于引导第二气态换热介质流过。

13.根据权利要求12所述的换热器，其中，所述换热器在第二气态换热介质入口和/或出口附近设置有导流板，用于引导气流转向，并且使第二气态换热介质分布更加均匀。

14.根据权利要求12或13所述的换热器，其中，所述换热器还包括另一种换热管，其沿第一气态换热介质的方向布置在第一中空管的第一端的上游，并且沿第二气态换热介质的方向布置在第二中空管的下游。

15.一种换热方法，包括以下步骤：

设置多根换热管，布置在壳体中，每一根换热管包括第一中空管和第二中空管，第一中空管包括敞开的第一端和第二端，第二中空管包括敞开的端部和封闭的端部，第二中空管横截面形状限定长轴和短轴，沿长轴方向的长度与沿短轴方向的宽度的比大于5:1；

将第一中空管内置在第二中空管中，使得在第一中空管外壁和第二中空管内壁之间形成有间隙，并且设置第一中空管的第一端伸出在第二中空管的敞开的端部之外，第一中空管的第二端与第二中空管的封闭的端部的内壁间隔开，第一中空管的第一端、第一中空管的中空内部、第二端、第一中空管与第二中空管之间的间隙以及第二中空管的敞开的端部至少部分地限定第一气态换热介质流道；

将第二中空管的管壁设置在第二气态换热介质流道中，并且将第二中空管的过横截面的长轴和管轴线的平面设置为平行于第二气态换热介质进入方向或与第二气态换热介质进入方向成一夹角，该夹角大于0小于等于60度；

利用风机将环境空气作为第一气态换热介质引入第一气态换热介质流道，将高温烟气作为第二气态换热介质通入第二气态换热介质流道，通过第二中空管的管壁和高温烟气接触，实现通过风机引入的环境空气与高温烟气换热，降低高温烟气的温度，升高引入的环境空气的温度。

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