CN115406254A - 加热炉烟道内置式板式气-气换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热炉烟道内置式板式气‑气换热装置，属于换热设备领域。高温风斗连接在高温上底板一侧，高温上底板经换热单元及高温下底板连接高温风箱，从高温风斗到高温风箱形成被预热气体的热流程通道；低温风斗连接在低温上底板一侧，低温侧上底板经换热单元及低温下底板连接低温风箱，从低温风箱到低温风斗形成被预热气体的冷流程通道；高低温风箱间通过膨胀节连接，形成被加热气体流动通道。加热炉烟气在烟道内经过换热单元与被预热气体换热后流出烟道。本发明能解决板片热膨胀不均匀拉裂焊缝导致气体泄露、板片热膨胀吸收结构导致预热器整体刚性不足等问题，占用相同烟道空间，可将换热效率提高至90％以上，尤其适用于加热炉改造大修场合。

Description

加热炉烟道内置式板式气-气换热装置

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，涉及一种加热炉烟道内置式板式气-气换热装置。

背景技术

气-气换热器是将热气体的部分热量传递给冷气体的设备，在冶金、化工、石油、等众多行业应用广泛。针对钢铁行业的加热炉系统，气-气换热器主要用于回收利用加热炉烟气余热，进而降低加热炉燃料消耗，实现节能减排的目的。

传统加热炉烟道内置换热器普遍为列管式气-气换热器，由于烟道空间受限，在节能改造时列管式气-气换热器效率提升空间不大，为进一步提升换热器效率，需要寻找其他形式的气-气换热器替换列管式气-气换热器。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的板片叠装而成的一种高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它具有换热效率高、结构紧凑、占地面积小等特点，是加热炉烟道内置气-气换热器理想的替换选择。

但板式换热器应用于钢铁行业加热炉烟气余热回收时，存在以下问题：1、由于加热炉烟气在预热器前、后温差大，必须考虑板片热变形不均匀拉裂焊缝问题；2、由于膨胀吸收结构通过自身形变吸收板片变形，其刚性不足，在运输吊装过程中易损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，以改善板片热变形均匀度，并确保整体结构刚度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，包括高温风斗、低温风斗、低温上底板、换热单元、低温下底板、低温风箱、膨胀节、高温风箱、高温下底板、高温上底板；

高温风斗连接在高温上底板一侧，高温上底板另一侧经换热单元连接高温下底板，高温下底板另一侧连接高温风箱，从高温风斗到高温风箱形成被预热气体的热流程通道；

低温风斗连接在低温上底板一侧，低温上底板另一侧经换热单元连接低温下底板，低温下底板另一侧连接低温风箱，从低温风箱到低温风斗形成被预热气体的冷流程通道；

高温风箱与低温风箱间通过膨胀节连接，连通被预热流体的冷热流程，形成被加热气体流动通道。

可选的，在高温风斗和低温风斗上连接有吊挂件。

可选的，所述换热单元包括芯体、芯体膨胀节、立柱、加强拉杆、密封横梁；所述芯体至少设有两个，换热单元端部的芯体沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；中间芯体沿被预热气体流向的两端均视为膨胀端；相邻两个膨胀端连接在一个芯体膨胀节两端；两端芯体的固定端与立柱的两端固连；平行两立柱之间连接加强拉杆，在芯体固定端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁，立柱、加强拉杆、密封横梁构成换热单元的刚性外框架结构，芯体、芯体膨胀节形成换热单元内部柔性换热结构，刚性外框架承载换热单元内部芯体自身的重量与外部的载荷。

可选的，所述换热单元包括芯体、芯体膨胀节、立柱、加强拉杆、密封横梁；所述芯体设有一个，芯体沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；芯体固定端与立柱的一端固连；芯体膨胀端与芯体膨胀节一端固连；芯体膨胀节另一端与立柱的另一端固连；平行两立柱之间连接加强拉杆，在芯体两端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁，立柱、加强拉杆、密封横梁构成换热单元的刚性外框架结构；芯体、芯体膨胀节形成换热单元内部柔性换热结构，刚性外框架承载换热单元内部芯体自身的重量与外部的载荷。

可选的，换热单元模块化设计，根据需求确定换热单元数量和排列，将换热单元的框架结构连接，框架与框架之间直接焊接或通过法兰连接，不同位置的换热单元采用相同或不同材质的板片制作。

可选的，所述芯体包括板束和封条，板束上板片的短边缘依次焊接在一起，形成板束组，封条焊接板束组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上，将烟气通道与被预热气体通道完全隔开。

可选的，所述板束由两张换热板片折弯的较长两边缘压合焊接而成，形成被预热气体的单个流道。

可选的，截面形状为矩形或其他可以密封住板束组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上锯齿形空隙的形状。

可选的，所述低温上底板、低温下底板、高温下底板、高温上底板上开有多个矩形孔，用于安装换热单元，同时起到密封相邻两换热单元、防止空气从两换热单元间隙流入烟气流道的作用。

可选的，所述膨胀节为多节波纹管结构。

本发明的有益效果在于：

本设备相比于常用板式气-气换热器：通过使芯体、芯体膨胀节形成换热单元内部柔性换热结构吸收板片不均匀热膨胀以及减少板片沿烟气方向的长度，防止焊缝拉裂；通过刚性外框架承载换热单元内部芯体自身重量与外部载荷保证芯体膨胀节只承受芯体热膨胀产生的力而不受其他力，保证了设备整体刚性便于运输吊装。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为换热单元结构示意图；

图3为第一种换热单元芯体排列方式示意图；

图4为第二种换热单元芯体排列方式示意图；

图5为第三种换热单元芯体排列方式示意图；

图6为芯体示意图；

图7为板束焊接示意图；

图8为风箱间膨胀节示意图；

图9为单张板片热变形示意图。

图中：高温风斗1、低温风斗2、吊挂件3、低温上底板4、换热单元5、低温下底板6、低温风箱7、膨胀节8、高温风箱9、高温下底板10、高温上底板11、芯体51、芯体膨胀节52、立柱53、加强拉杆54、密封横梁55、板束511、封条512、换热板片5111。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图9，本发明包括高温风斗1、低温风斗2、吊挂件3、低温上底板4、多组换热单元5、低温下底板6、低温风箱7、膨胀节8、高温风箱9、高温下底板10、高温上底板11。高温风斗1连接在高温上底板11一侧，高温上底板11另一侧连接多组换热单元5，多组换热单元5另一端连接高温下底板10，高温下底板10另一侧连接高温风箱9，从高温风斗1到高温风箱9形成被预热气体的热流程通道；低温风斗2连接在低温上底板4一侧，低温上底板4另一侧连接多组换热单元5，多组换热单元5另一端连接低温下底板6，低温下底板6另一侧连接低温风箱7，从低温风箱7到低温风斗2形成被预热气体的冷流程通道；吊挂件3连接在高温风斗1和低温风斗2上；高温风箱9与低温风箱7间通过膨胀节8连接，连通被预热流体的冷热流程，形成被加热气体流动通道。加热炉烟气在烟道内经过多组换热单元5与被预热气体充分换热后流出烟道。底板上开有多个矩形孔，用于安装换热单元5，同时起到密封相邻两换热单元5、防止空气从两换热单元5间隙流入烟气流道的作用。预热气体可以是空气、煤气、氮气等钢厂内常见气体介质。烟道内置式板式气-气换热器可根据被预热气体流入流出方向确定换热器被预热气体流程数量。被预热气体上进上出或下进下出，采用偶数流程；被预热气体上进下出或下进上出，采用奇数流程。换热板片5111可根据在换热器中位置不同采用不同材质，当出预热器排烟温度低于酸露点温度时，烟气流程的最后一段芯体51采用铸铁板片或其他耐酸腐材质板片。吊挂件3、风箱上连接有吊耳，以便预热器的运输、安装。

换热单元5包括芯体51、芯体膨胀节8、立柱53、加强拉杆54、密封横梁55；芯体51可以单个或者多个排列。含有多个芯体51排列(2个及以上)的换热单元5，换热单元5端部的芯体51沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；中间芯体51沿被预热气体流向的两端均视为膨胀端；相邻两个膨胀端连接在一个芯体膨胀节8两端；两端芯体51的固定端与立柱53的两端固连；平行两立柱53之间连接加强拉杆54，强化换热单元5的刚性；在芯体51固定端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁55，密封横梁55起到分割两种气体流道的作用和框架横梁的作用；立柱53、加强拉杆54、密封横梁55构成换热单元5的刚性外框架结构；芯体51、芯体膨胀节8形成换热单元5内部柔性换热结构，可吸收板片不均匀热膨胀；刚性外框架承载换热单元5内部芯体51自身的重量与外部的载荷，保证芯体膨胀节8只承受芯体51热膨胀产生的力而不受其他力；换热单元5模块化设计，根据需求确定单元数量和排列，将单元的框架结构连接，保证换热器整体刚性；框架与框架之间可直接焊接，或者在框架上制作法兰，进行法兰连接，方便拆卸更换单元。

只有单个芯体51的换热单元5，芯体51沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；芯体51固定端与立柱53的一端固连；芯体51膨胀端与芯体膨胀节8一端固连；芯体膨胀节8另一端与立柱53的另一端固连；平行两立柱53之间连接加强拉杆54，强化换热单元5的刚性；在芯体51两端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁55，密封横梁55起到分割两种气体流道的作用和框架横梁的作用；立柱53、加强拉杆54、密封横梁55构成换热单元5的刚性外框架结构；芯体51、芯体膨胀节8形成换热单元5内部柔性换热结构，可吸收板片不均匀热膨胀；刚性外框架承载换热单元5内部芯体51自身的重量与外部的载荷，保证芯体膨胀节8只承受芯体51热膨胀产生的力而不受其他力；换热单元5模块化设计，根据需求确定单元数量和排列，将单元的框架结构连接，保证换热器整体刚性；框架与框架之间可直接焊接，或者在框架上制作法兰，进行法兰连接，方便拆卸更换单元。

芯体51包括板束511和封条512，板束511上板片的短边缘依次焊接在一起，形成板束511组，封条512焊接板束511组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上，将烟气通道与被预热气体通道完全隔开，防止芯体51两通道串气。封条512截面形状为矩形或其他可以密封住板束511组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上锯齿形空隙的形状。

换热板片5111沿烟气流动方向板长度较短，可以尽量减少板片沿烟气方向的膨胀量以及膨胀量的不均匀性，防止沿烟气流动方向的焊缝拉裂。板束511由两张换热板片5111折弯的较长两边缘压合焊接而成，形成被预热气体的单个流道。风箱间膨胀节8可以产生垂直与膨胀节8内气体流向方向的形变，吸收冷热流程整体的变形量差。

本实施例的工作原理如下：

烟气流入流出预热器前后温差可达580℃以上，被预热气体流入流出预热器前后温差可达600℃以上，单张换热板片5111在烟气流动方向以及被预热气体流动方向上均会产生不均匀热变形，形变量正比于板的尺寸。对于换热板片5111之间的焊缝，由于位于同一芯体51内的板片上温度分布基本一致，板片变形后形状一致，相邻两板片边缘相对位移量约为零，所以板片间焊缝不会拉裂；对于框架与板片之间的焊缝，由于二者形变量不一样，如果没有形变吸收装置，框架与板片之间的焊缝很容易拉裂。本实施例减少板片沿烟气方向长度，减少单张板片沿烟气流动方向的温差，一定程度减少了板片热变形量；再通过使芯体51、芯体膨胀节8形成换热单元5内部柔性换热结构吸收板片沿均匀热膨胀，防止芯体51与框架间的焊缝拉裂。

换热单元5如果没有框架结构：预热器在运输过程中，芯体膨胀节8会受到上方芯体51、风斗和吊挂件3等结构的重力而压缩，受到超过膨胀节8可恢复变形的载荷；在吊装和在烟道内部安装过程中，芯体膨胀节8又会受到下方芯体51和风箱等结构的重力而拉伸，受到超过膨胀节8可恢复变形的载荷；过度的压缩和伸长均会导致芯体膨胀节8失效。本实例通过刚性外框架承载换热单元5内部芯体51自身重量与外部载荷保证芯体膨胀节8只承受芯体51热膨胀产生的力而不受其他力，保护了芯体膨胀节8，保证了设备整体刚性，便于运输、吊装。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：包括高温风斗(1)、低温风斗(2)、低温上底板(4)、换热单元(5)、低温下底板(6)、低温风箱(7)、膨胀节(8)、高温风箱(9)、高温下底板(10)、高温上底板(11)；

高温风斗(1)连接在高温上底板(11)一侧，高温上底板(11)另一侧经换热单元(5)连接高温下底板(10)，高温下底板(10)另一侧连接高温风箱(9)，从高温风斗(1)到高温风箱(9)形成被预热气体的热流程通道；

低温风斗(2)连接在低温上底板(4)一侧，低温上底板(4)另一侧经换热单元(5)连接低温下底板(6)，低温下底板(6)另一侧连接低温风箱(7)，从低温风箱(7)到低温风斗(2)形成被预热气体的冷流程通道；

高温风箱(9)与低温风箱(7)间通过膨胀节(8)连接，连通被预热流体的冷热流程，形成被加热气体流动通道。

2.根据权利要求1所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：在高温风斗(1)和低温风斗(2)上连接有吊挂件(3)。

3.根据权利要求1所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述换热单元(5)包括芯体(51)、芯体膨胀节(52)、立柱(53)、加强拉杆(54)、密封横梁(55)；

所述芯体(51)至少设有两个，换热单元端部的芯体(51)沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；中间芯体沿被预热气体流向的两端均视为膨胀端；相邻两个膨胀端连接在一个芯体膨胀节(52)两端；两端芯体(51)的固定端与立柱(53)的两端固连；平行两立柱(53)之间连接加强拉杆(54)，在芯体(51)固定端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁(55)，立柱(53)、加强拉杆(54)、密封横梁(55)构成换热单元的刚性外框架结构，芯体(51)、芯体膨胀节(52)形成换热单元(5)内部柔性换热结构，刚性外框架承载换热单元(5)内部芯体(51)自身的重量与外部的载荷。

4.根据权利要求1所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述换热单元(5)包括芯体(51)、芯体膨胀节(52)、立柱(53)、加强拉杆(54)、密封横梁(55)；

所述芯体(51)设有一个，芯体(51)沿被预热气体流向的一端作为固定端，另一端作为膨胀端；芯体(51)固定端与立柱(53)的一端固连；芯体(51)膨胀端与芯体膨胀节(52)一端固连；芯体膨胀节(52)另一端与立柱(53)的另一端固连；平行两立柱(53)之间连接加强拉杆(54)，在芯体(51)两端最外侧两板片的折弯处上焊接密封横梁(55)，立柱(53)、加强拉杆(54)、密封横梁(55)构成换热单元的刚性外框架结构；芯体(51)、芯体膨胀节(52)形成换热单元(5)内部柔性换热结构，刚性外框架承载换热单元(5)内部芯体(51)自身的重量与外部的载荷。

5.根据权利要求3或4所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：换热单元(5)模块化设计，根据需求确定换热单元(5)数量和排列，将换热单元(5)的框架结构连接，框架与框架之间直接焊接或通过法兰连接，不同位置的换热单元采用相同或不同材质的板片制作。

6.根据权利要求3或4所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述芯体(51)包括板束(511)和封条(512)，板束(511)上板片的短边缘依次焊接在一起，形成板束组，封条(512)焊接板束组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上，将烟气通道与被预热气体通道完全隔开。

7.根据权利要求6所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述板束(511)由两张换热板片(5111)折弯的较长两边缘压合焊接而成，形成被预热气体的单个流道。

8.根据权利要求6所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：截面形状为矩形或其他可以密封住板束组同时垂直于烟气通道和被预热气体通道的4条棱边上锯齿形空隙的形状。

9.根据权利要求1所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述低温上底板(4)、低温下底板(6)、高温下底板(10)、高温上底板(11)上开有多个矩形孔，用于安装换热单元，同时起到密封相邻两换热单元、防止空气从两换热单元间隙流入烟气流道的作用。

10.根据权利要求1所述的加热炉烟道内置式板式气-气换热装置，其特征在于：所述膨胀节(8)为多节波纹管结构。

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