CN113566618A - 一种节能式轴向变空间烟气冷凝器 - Google Patents

一种节能式轴向变空间烟气冷凝器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能式轴向变空间烟气冷凝器，包括壳侧进口箱体、出口管箱、轴向壳体、导流筒、三维管束、进口管箱和壳侧出口箱体；导流筒位于轴向壳体内，轴向壳体两端分别与壳侧进口箱体、壳侧出口箱体连接；三维管束设置在导流筒内，其进口与进口管箱连接，其出口与出口管箱连接；壳侧进口箱体外端为与轴向壳体同轴线的圆筒状结构，该端设有以圆切线方向与壳侧进口箱体连通的壳侧进口。本设备提高换热模块的换热效率，优化烟气和水侧的流场，减少局部死角，使得两侧流场更加均匀，不易结垢；延长换热器的维护周期，减少运行费用，降低运行成本，提高设备与锅炉本体的安装匹配契合度，增加安装的灵活度和适应性。

Description

一种节能式轴向变空间烟气冷凝器
技术领域
本发明涉及冷凝器设备技术领域，尤其涉及一种节能式轴向变空间烟气冷凝器。
背景技术
在现有技术中，普通燃气锅炉的的烟气冷凝器、节能器，多采用外部拓展换热面积的换热元件，如螺旋翅片管、H型翅片管等，其换热效率低，耗材量大，体积大，大幅度提高了节能设备的制造成本。
烟气流体对其进行横向冲刷来实现对流换热，属于交叉流，不利于水蒸汽冷凝所需的小温差换热。
横向冲刷属于碰撞流，并且由于换热负荷大而导致的管排数量大，使得其烟气系统的阻力大大增加，影响锅炉系统的余热回收技术的升级改造。
横向冲刷的横截面流道突然缩小或者增大等突变特点造成涡流和死区现象，容易形成结垢。
再者，普通的冷凝器或者节能器的外形结构不符合现场布置空间，空间的利用率低，使得锅炉系统整体体积占有空间增大，大大限制了燃气锅炉的发展。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种节能式轴向变空间烟气冷凝器。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种节能式轴向变空间烟气冷凝器，包括壳侧进口箱体、出口管箱、轴向壳体、导流筒、三维管束、进口管箱和壳侧出口箱体；所述导流筒位于所述轴向壳体内，且其两端分别与所述轴向壳体内侧相连接；所述轴向壳体两端分别与所述壳侧进口箱体、所述壳侧出口箱体连接；所述三维管束设置在所述导流筒内，其进口与所述进口管箱连接，其出口与所述出口管箱连接；所述进口管箱位于所述壳侧出口箱体内，其设有进水管口；所述出口管箱位于所述壳侧进口箱体内，所述出口管箱伸出所述壳侧进口箱体外部并连接有将其出口密封的出口管箱封头，所述出口管箱封头设有与所述出口管箱连通的出水管口；所述壳侧进口箱体外端为与所述轴向壳体同轴线的圆筒状结构，该端设有壳侧进口，所述壳侧进口以圆切线方向与所述壳侧进口箱体连通；所述壳侧出口箱体开设有壳侧出口，所述壳侧出口与所述轴向壳体同轴线设置；所述三维管束管内通液体工质，所述三维管束管外走高温烟气。
圆切线方向的壳侧进口，圆中心轴线出口，既可降低进出口的阻力损失，又可实现流体从横向冲刷转为轴向冲刷的设计理念，避免出现涡流和死区现象，不易产生结垢，起到变空间均匀流场的作用。三维管束轴向冲刷段采用导流筒结构，可提高三维管束换热面积的利用率，杜绝流体短路现象的发生。
所述壳侧进口箱体与所述壳侧出口箱体均为由椭圆形封头与管板配合形成的箱体结构，所述三维管束的两端通过管板与所述壳侧进口箱体与所述壳侧出口箱体分别连通，与管板相对的椭圆形封头，其长轴与所述轴向壳体轴线相垂直；所述壳侧出口箱体通过法兰与所述出口管箱封头连接。由椭圆形封头与管板配合形成的箱体结构，可提高承压能力；椭圆形封头结构，有利于流体的汇集及流出；法兰的设置，有利于检修。
所述三维管束由若干根三维管并列形成；所述三维管为经过二次加工成麻花螺旋状且其截面为近椭圆形的三维变空间变截面异型管，若干根三维管错列布置形成三维变空间结构的管束，相邻三维管之间通过凸点接触而相互支撑。三维变空间变截面异型管的特殊结构，使得气体沿其外表面流动，三维管不仅大大增加了管外换热面积，并且把管外流体进行切割成小单元，使其组成的管束形成的流程非常稳定均匀，没有流动死角，不易结垢，对流换热系数高，延长维护周期；液体工质在管束里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢情况。三维管的使用，可以提高换热效率，降低耗材量，缩小设备体积。
相邻所述三维管相互平行紧贴在一起，所述三维管内外两侧的流体通道相互平行且方向相反。本冷凝器采用烟气与流体的全逆流布置，温差增大，提高烟气中水蒸气热量的回收率，进一步减少所需换热面积，解决了小温差传热效率低问题。
所述出口管箱封头设有管侧排气口和管侧排污口，所述管侧排气口位于所述出口管箱上部且开口朝上，所述管侧排污口位于所述出口管箱下部且开口朝下。
壳侧出口箱体设有朝下开设的冷凝水排口。冷凝水排口，可及时排除烟气中的水蒸气经热交换后凝结成液体的水。
所述壳侧出口箱体设有第一检查口，所述壳侧进口箱体设有第二检查口，所述第二检查口与所述壳侧进口位置相对。两个检查口的设置，有利于设备停运时观察管束与管板的连接处是否发生泄漏情况。
所述导流筒由八边形筒体与端板组成，所述八边形筒体紧贴所述三维管束最外层三维管排，所述端板内侧与所述八边形筒体的端面连接，所述端板外侧与所述轴向壳体内侧相连接。导流筒的结构设置，引导和强迫烟气沿三维管束的间隙流动，并杜绝烟气“短路”现象的发生。
节能式轴向变空间烟气冷凝器的整体设备采用卧式布置，其两端分别设置有将整体设备支撑的支座。卧式布置的设备，提高了空间合理利用率，降低设备的占地面积，解决设备与锅炉本体的安装匹配问题。
所述轴向壳体外部包覆有保温棉。保温棉的设置，可降低热量损失。
与现有技术对比，本发明的优点在于：本设备采用三维变空间变截面异型管，提高换热模块的换热效率，优化烟气和水侧的流场，减少局部死角，使得两侧流场更加均匀，不易结垢。延长换热器的维护周期，降低维护难度。减少两侧流体的运行阻力，降低泵与鼓风机的运行功率，减少运行费用，降低运行成本，达到节能减排的目的。提高了换热效率，可降低换热面积，减少换热器的耗材和体积，减少制造和运输费用。提高设备与锅炉本体的安装匹配契合度，增加安装的灵活度和适应性。
附图说明
图1为本发明实施例局部剖开的主视图；
图2为本发明实施例的左视图；
图3为图1中A-A截面的剖视图；
图4为图2中B-B截面的剖视图；
图5为本发明实施例三维管束的结构示意图；
图6为本发明实施例的后视图；
图7为本发明实施例的右视图；
图8为本发明实施例的俯视图；
图9为本发明实施例的仰视图；
图10为本发明实施例导流管的结构示意图。
图中附图标记含义：1、出水管口；2、出口管箱封头；3、管侧排气口；4、法兰；5、壳侧进口箱体；6、轴向壳体；7、保温棉；8、导流筒；801、八边形筒体；802、端板；9、三维管束；10、进水管口；11、进口管箱；12、壳侧出口；13、第一检查口；14、支座；15、冷凝水排口；16、壳侧出口箱体；17、壳侧进口；18、出口管箱；19、管侧排污口；20、第二检查口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
参阅图1至图10，图中粗箭头表示为烟气的流向。本实施例为一种节能式轴向变空间烟气冷凝器，包括壳侧进口箱体5、出口管箱18、轴向壳体6、导流筒8、三维管束9、进口管箱11和壳侧出口箱体16；导流筒8位于轴向壳体6内，且其两端分别与轴向壳体6内侧相连接；轴向壳体6两端分别与壳侧进口箱体5、壳侧出口箱体16连接；三维管束9设置在导流筒8内，其进口与进口管箱11连接，其出口与出口管箱18连接；进口管箱11位于壳侧出口箱体16内，其设有进水管口10；出口管箱18位于壳侧进口箱体5内，出口管箱18伸出壳侧进口箱体5外部并连接有将其出口密封的出口管箱封头2，出口管箱封头2设有与出口管箱18连通的出水管口1；壳侧进口箱体5外端为与轴向壳体6同轴线的圆筒状结构，该端设有壳侧进口17，壳侧进口17以圆切线方向与壳侧进口箱体5连通；壳侧出口箱体16开设有壳侧出口12，壳侧出口12与轴向壳体6同轴线设置；三维管束9管内通液体工质，三维管束9管外走高温烟气。
圆切线方向的壳侧进口17，圆中心轴线出口，既可降低进出口的阻力损失，又可实现流体从横向冲刷转为轴向冲刷的设计理念，避免出现涡流和死区现象，不易产生结垢，起到变空间均匀流场的作用。三维管束9轴向冲刷段采用导流筒8结构，可提高三维管束9换热面积的利用率，杜绝流体短路现象的发生。
壳侧进口箱体5与壳侧出口箱体16均为由椭圆形封头与管板配合形成的箱体结构，三维管束9的两端通过管板与壳侧进口箱体5与壳侧出口箱体16分别连通，与管板相对的椭圆形封头，其长轴与轴向壳体6轴线相垂直；壳侧出口箱体16通过法兰4与出口管箱封头2连接。由椭圆形封头与管板配合形成的箱体结构，可提高承压能力；椭圆形封头结构，有利于流体的汇集及流出；法兰4的设置，有利于检修。
三维管束9由若干根三维管并列形成；三维管为经过二次加工成麻花螺旋状且其截面为近椭圆形的三维变空间变截面异型管，若干根三维管错列布置形成三维变空间结构的管束，相邻三维管之间通过凸点接触而相互支撑。三维变空间变截面异型管的特殊结构，使得气体沿其外表面流动，三维管不仅大大增加了管外换热面积，并且把管外流体进行切割成小单元，使其组成的管束形成的流程非常稳定均匀，没有流动死角，不易结垢，对流换热系数高，延长维护周期；液体工质在管束里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢情况。三维管的使用，可以提高换热效率，降低耗材量，缩小设备体积。三维管之间为凸点接触，不需要外来支撑结构。
相邻三维管相互平行紧贴在一起，三维管内外两侧的流体通道相互平行且方向相反。本冷凝器采用烟气与流体的全逆流布置，温差增大，提高烟气中水蒸气热量的回收率，进一步减少所需换热面积，解决了小温差传热效率低问题。
出口管箱封头2设有管侧排气口3和管侧排污口19，管侧排气口3位于出口管箱18上部且开口朝上，管侧排污口19位于出口管箱18下部且开口朝下。
壳侧出口箱体16设有朝下开设的冷凝水排口15。冷凝水排口15，可及时排除烟气中的水蒸气经热交换后凝结成液体的水。
壳侧出口箱体16设有第一检查口13，壳侧进口箱体5设有第二检查口20，第二检查口20与壳侧进口17位置相对。两个检查口的设置，有利于设备停运时观察管束与管板的连接处是否发生泄漏情况。
导流筒8由八边形筒体801与端板802组成，八边形筒体801紧贴三维管束9最外层三维管排，端板802内侧与八边形筒体801的端面连接，端板802外侧与轴向壳体6内侧相连接。导流筒8的结构设置，引导和强迫烟气沿三维管束9的间隙流动，并杜绝烟气“短路”现象的发生。
节能式轴向变空间烟气冷凝器的整体设备采用卧式布置，其两端分别设置有将整体设备支撑的支座14。卧式布置的设备，提高了空间合理利用率，降低设备的占地面积，解决设备与锅炉本体的安装匹配问题。
轴向壳体6外部包覆有保温棉7。保温棉7的设置，可降低热量损失。
本设备采用三维管束9，该结构形式的管束大幅度改善了烟气侧和水侧的流场。烟气流道和水流道相互平行且方向相反，并呈三维变空间流动，流场均匀，不存在流动死角，不易结垢，容易清洗，提高维护周期。
对比于常规的换热管束，常规换热管束使用普通圆管，迎接烟气的面，与正中央成60°的圆管处会形成一个黑点色块，表示圆管在此处出现60°磨损角，烟气离开的面正中央处(即与进气中央处成180°处，为圆管后侧)有一个漩涡型构造，表示此处有涡流，因而圆管进气60°处会产生磨损量。本发明实施例采用三维管束9，为近椭圆形结构，进气60°处不会产生磨损角，烟气无障碍流过，在出气处(三维管束后侧，与进气侧成180°处)，没出现漩涡型构造，该处无涡流产生。一般的圆管磨损点最大的地方出现在60°角的地方，该地方最先磨穿，并且180°角的位置(也就是圆管顺着流向的背面)有涡流，速度下降，在该地方最容易产生积灰。根据圆管换热管在烟气流场的磨损规律，其最大的磨损位置出现在圆截面60°角的地方，而三维管束9的截面是近椭圆形，没有存在60°磨损角，在背面也不存在涡流点，不会积灰。
参阅图1及图2，高温烟气首先由冷凝器的圆切线壳侧进口17进入圆筒状壳侧进口箱体5，经壳侧进口箱体5的作用下完成烟气流动方向的转换，并在导流筒8的引导下均匀进入三维管束9外部间隙并沿着轴向壳体6的轴线方向流动形成纵向冲刷，与三维管束9的管内的冷却水进行热交换后进入了圆筒状壳侧出口箱体16，汇集后从壳侧出口12流出，完成了热交换任务。烟气中的水蒸气经过热交换后形成冷凝液，在圆筒状壳侧出口箱体16收集后从冷凝水排口15排出。第一检查口13与第二检查口20的设置，方便日常检修活动。
另外，低温冷却水从设置于进口管箱11封头的进水管口10进入进口管箱11，经汇集后均匀进入三维管束9内部，并与外部的高温烟气进行全逆流热交换后进入出口管箱18，再次汇集后流经出口管箱封头2，从设置于出口管箱封头2的出水管口1流出，完成了热交换任务。出口管箱封头2上设置管侧排气口3和管侧排污口19，方便冷却水中存在的不凝气体的排出和日常检修的排污。
如图3示意图所示，高温烟气沿圆切线壳侧进口17进入圆筒状壳侧进口箱体5，在其内筒壁面的作用下，沿着三维管束9四周逐步进入管束间隙，其作用类似于风机原理，并在导流筒8的作用下使得从烟气流动从切向转为轴向，起到降低烟气流动阻力与均匀烟气流场的作用。
如图4示意图所示，完成热交换的低温烟气从三维管束9流出，在圆筒状壳侧出口箱体16的作用下，其目的是为了顺利绕过进口管箱11和重新汇集后从壳侧出口12流出，从而降低烟气流动阻力。
如图5示意图所示，是三维变空间变截面异型管(也称为三维变空间高效管束)的结构图。三维管束9的整体结构跟麻花形状相似，是扭曲管的改进型，沿着轴线方向，并垂直于轴线的截面均匀变化，逐渐变大或者变小。使得其组成管束的外侧流场均匀无死角，不易结垢，并且管束外侧得到强化换热，对流换热系数得到大幅度提高。同理，内侧由于流体的旋转破坏边界层，并且缩短管内的热传输距离，管内的对流换热系数得到了强化。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：包括壳侧进口箱体、出口管箱、轴向壳体、导流筒、三维管束、进口管箱和壳侧出口箱体；所述导流筒位于所述轴向壳体内，且其两端分别与所述轴向壳体内侧相连接；所述轴向壳体两端分别与所述壳侧进口箱体、所述壳侧出口箱体连接；所述三维管束设置在所述导流筒内，其进口与所述进口管箱连接，其出口与所述出口管箱连接；所述进口管箱位于所述壳侧出口箱体内，其设有进水管口；所述出口管箱位于所述壳侧进口箱体内，所述出口管箱伸出所述壳侧进口箱体外部并连接有将其出口密封的出口管箱封头，所述出口管箱封头设有与所述出口管箱连通的出水管口；所述壳侧进口箱体外端为与所述轴向壳体同轴线的圆筒状结构，该端设有壳侧进口，所述壳侧进口以圆切线方向与所述壳侧进口箱体连通；所述壳侧出口箱体开设有壳侧出口，所述壳侧出口与所述轴向壳体同轴线设置；所述三维管束管内通液体工质，所述三维管束管外走高温烟气。
2.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述壳侧进口箱体与所述壳侧出口箱体均为由椭圆形封头与管板配合形成的箱体结构，所述三维管束的两端通过管板与所述壳侧进口箱体与所述壳侧出口箱体分别连通，与管板相对的椭圆形封头，其长轴与所述轴向壳体轴线相垂直；所述壳侧出口箱体通过法兰与所述出口管箱封头连接。
3.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述三维管束由若干根三维管并列形成；所述三维管为经过二次加工成麻花螺旋状且其截面为近椭圆形的三维变空间变截面异型管，若干根三维管错列布置形成三维变空间结构的管束，相邻三维管之间通过凸点接触而相互支撑。
4.根据权利要求3所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：相邻所述三维管相互平行紧贴在一起，所述三维管内外两侧的流体通道相互平行且方向相反。
5.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述出口管箱封头设有管侧排气口和管侧排污口，所述管侧排气口位于所述出口管箱上部且开口朝上，所述管侧排污口位于所述出口管箱下部且开口朝下。
6.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：壳侧出口箱体设有朝下开设的冷凝水排口。
7.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述壳侧出口箱体设有第一检查口，所述壳侧进口箱体设有第二检查口，所述第二检查口与所述壳侧进口位置相对。
8.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述导流筒由八边形筒体与端板组成，所述八边形筒体紧贴所述三维管束最外层三维管排，所述端板内侧与所述八边形筒体的端面连接，所述端板外侧与所述轴向壳体内侧相连接。
9.根据权利要求8所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：节能式轴向变空间烟气冷凝器的整体设备采用卧式布置，其两端分别设置有将整体设备支撑的支座。
10.根据权利要求1所述的节能式轴向变空间烟气冷凝器，其特征在于：所述轴向壳体外部包覆有保温棉。
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