一种管式超高温气体冷却器的制作方法

本发明涉及换热器领域，尤其涉及气体冷却换热设备和工业余热回收设备，具体地说是涉及一种管式超高温气体冷却器。

背景技术：

在工业生产中，常常会产生大量工业气体，按照温度品位，工业余热一般分为600℃以上的高温余热，300～600℃的中温余热和300℃以下的低温余热三种。由于资源日益紧张，对于节能和环保越来越重视，多种新型节能加热、燃烧设备等逐渐发展完善，且采用新型耐火纤维等优质保温材料后使得散热损失明显下降。对于燃烧设备则采用先进的燃烧装置强化了燃烧，降低了不完全燃烧量，空燃比也趋于合理。然而降低排烟热损失和回收烟气余热的技术仍进展不快，工业上的大量高温炉灶排出烟气温度很高，热能损失严重。为了进一步提高加热炉的热效率，达到节能降耗的目的，回收烟气余热也是一项重要的节能途径。

工业上通常采用换热设备来冷却废气并回收其中的余热，其中常用的有热管余热回收器、间壁式换热器、中间载体式换热器和节能陶瓷换热器等。对于几种不同的换热设备，其适用的工况和条件不同，因此也具有其不同的优缺点。

在常用的换热设备中，间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类，其中管式换热器虽然热效率较低，平均在26％～30％，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其它类型换热器，但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。热管式换热器应用较为广泛，其功率稳定且换热效率较好，但热管换热器由于钢水的化学不相容性而严重影响了其寿命，对于高温高速余热热管换热器的性能十分不稳定，且寿命也显著下降，而且一种热管换热器只能针对地回收一个温度范围内的余热。节能陶瓷换热器由于抗腐蚀能力极好而开始运用到高温气体换热中，但由于其材料为陶瓷，因此存在着易碎和不易密封的缺点。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种管式超高温气体冷却器。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种管式超高温气体冷却器，包括壳体，在壳体的一端设置有气体进口，在壳体的另一端设置有气体出口，在壳体内部沿其轴向设置有阶梯换热模块；

所述阶梯换热模块是由若干个筒状换热模块首尾连接而成，且从气体进口至气体出口，筒状换热模块的外径逐渐增大，在最接近气体进口的筒状换热模块的前端设置有中心导流体；

所述筒状换热模块包括前挡板、后挡板和网状筒，在前挡板和后挡板的中心均设置有中心孔，中心孔的直径与网状筒的直径相等，网状筒连接在前挡板和后挡板之间，在前挡板和后挡板之间还设置有拉杆；

在前挡板和后挡板之间且位于网状筒的外侧设置有换热毛细管组，换热毛细管组包括若干根毛细螺旋管和岐管，所述岐管沿筒状换热模块的轴向布设，岐管的一端封堵，另一端与入口分流环管或出口分流环管连接；岐管按照与筒体轴心的距离不同，共划分成若干组，每组岐管在以轴心为圆心的同心圆上均匀布置；相邻两组岐管，其中一组岐管与入口分流环管连接，另一组岐管与出口分流环管连接，入口分流环管和出口分流环管均设置在筒状换热模块的后挡板外侧；

所述毛细螺旋管连接在相邻两组岐管之间，毛细螺旋管呈渐开线形式布置；

所有筒状换热模块上的入口分流环管均与液体入口总管相连通，所有筒状换热模块上的出口分流环管均与液体出口总管相连通。

优选的，所述壳体包括直筒段和锥形段，中心导流体呈流线型结构，其设置于直筒段内，所述阶梯换热模块设置于锥形段内。

优选的，所述壳体的内部为壳程，壳程的热流体经中心导流体导流后以70至80度的角度穿过毛细螺旋管进行换热。

优选的，所述阶梯换热模块中，相邻两个筒状换热模块之间通过支撑环固定连接，在支撑环的两端设置有周向凸缘，在周向凸缘、前挡板和后挡板上设置有螺孔，支撑环通过螺钉分别连接前方筒状换热模块的后挡板与后方筒状换热模块的前挡板。

优选的，所述毛细螺旋管的外径为1mm，管壁厚度为0.04mm。

优选的，所述毛细螺旋管是由inconel718材料加工制成的。

本发明的有益技术效果是：

本发明使用小口径螺旋管与歧管连接的形式，采用模块化阶梯状设计，小口径螺旋管使用渐开线式布管，使用中心导流体有效减小壳程阻力；整体设备具有紧凑高效的特点，作为冷却器可做到高效降温，而用于工业余热回收领域有效提高了回收余热的热效率，同时具有寿命高、耐腐蚀、适用温度范围广的特点。

当管程冷流体使用制冷剂时，本发明可将1000℃的超高温气体冷却至80℃左右，换热效率和传热系数高；在提高了换热器的使用寿命的同时对余热的回收率也有较大程度的提高。同时通过新型集管式布管方式，有效降低了换热器管程压降。

下面对本发明中所进行的具体结构设计及所带来的效果进行说明：

1)使用inconel718材料的小口径螺旋管作为换热管，采用渐开线式的小口径螺旋管布管方式，小口径螺旋管采用顺时针螺旋结构，减小单根小口径螺旋管长度的同时降低管程压降。

2)采用模块化结构设计，从气体进口到气体出口各个模块中歧管的布管圆直径由小变大，整体为阶梯状，而壳程为锥形设计，更适于气体流动。

3)渐开线形小口径螺旋管钎焊连接歧管，歧管固定在挡板结构上，采用网状筒支撑设计，增加气体湍流的同时减轻设备重量。

4)采用管式三级分流的设计，从环管分流至歧管再到小口径螺旋管，每个模块都连接有进出口环管。

5)壳体内部前端安装的中心导流体为流线型设计，减小垂直进入的空气阻力，同时使进入的气体到达小口径螺旋管层时流向为与小口径螺旋管呈70至80度，使换热更加充分。

6)采用等直径网状筒连接前后挡板的设计，同时相邻筒状换热模块之间采用支撑环连接，便于设备装拆的同时使结构稳定性更优。

7)每根小口径管的外径为1mm，管壁厚度为0.04mm；合理调节两层歧管间的间距，使多根小口径管的长度相近。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明管式超高温气体冷却器的整体结构图；

图2为本发明中阶梯换热模块的结构示意图；

图3为本发明各筒状换热模块中毛细螺旋管的布置示意图；

图4为本发明中其中一个筒状换热模块的结构原理示意图；

图5为本发明中相邻两个筒状换热模块的连接结构示意图；

图6为本发明中冷热流体的流动方向示意图。

具体实施方式

结合附图，一种管式超高温气体冷却器，包括壳体1，在壳体1的一端设置有气体进口2，在壳体1的另一端设置有气体出口3，在壳体1的内部沿其轴向设置有阶梯换热模块。所述阶梯换热模块是由若干个筒状换热模块首尾连接而成，且从气体进口至气体出口，筒状换热模块的外径逐渐增大，在最接近气体进口的筒状换热模块的前端设置有中心导流体4。

所述筒状换热模块包括前挡板5、后挡板6和网状筒7，在前挡板5和后挡板6的中心均设置有中心孔，中心孔的直径与网状筒的直径相等，网状筒连接在前挡板和后挡板之间，在前挡板和后挡板之间还设置有拉杆8。

在前挡板5和后挡板6之间且位于网状筒的外侧设置有换热毛细管组，换热毛细管组包括若干根毛细螺旋管9和岐管10，所述岐管10沿筒状换热模块的轴向布设，岐管的一端封堵，另一端与入口分流环管11或出口分流环管12连接。岐管按照与筒体轴心的距离不同，共划分成若干组，每组岐管在以轴心为圆心的同心圆上均匀布置；相邻两组岐管，其中一组岐管与入口分流环管11连接，则另一组岐管与出口分流环管12连接，入口分流环管和出口分流环管均设置在筒状换热模块的后挡板外侧。所述毛细螺旋管9连接在相邻两组岐管之间，毛细螺旋管9呈渐开线形式布置。所有筒状换热模块上的入口分流环管11均与液体入口总管13相连通，所有筒状换热模块上的出口分流环管12均与液体出口总管14相连通。

作为对本发明的进一步设计，所述壳体1包括直筒段101和锥形段102，中心导流体呈心形结构，其设置于直筒段101内，所述阶梯换热模块设置于锥形段102内。所述壳体的内部为壳程，壳程的热流体经中心导流体4导流后以70至80度的角度穿过毛细螺旋管进行换热。

进一步的，所述阶梯换热模块中，相邻两个筒状换热模块之间通过支撑环15固定连接，在支撑环的两端设置有周向凸缘16，在周向凸缘、前挡板和后挡板上设置有螺孔，支撑环通过螺钉分别连接前方筒状换热模块的后挡板与后方筒状换热模块的前挡板。

更进一步的，所述毛细螺旋管9的外径为1mm，管壁厚度为0.04mm。所述毛细螺旋管是由inconel718材料加工制成的。

图1示出冷却器(换热器)由四个直径不同的筒状换热模块(小口径螺旋管模块)组成，换热器中心导流体与前挡板连接，毛细螺旋管钎焊连接歧管后，歧管与前后挡板连接，前挡板上的歧管通过换热管螺母封住，后挡板后伸出的歧管连接进出口分流管并与总管连接。每个模块的前后挡板通过拉杆固定支撑后，整体的小口径螺旋管通过中心的网状筒支撑。两个模块间的连接通过30个双头螺栓将支撑环和挡板以及网状筒进行连接，起到一个整体支撑的作用。每个模块的管程由螺旋小口径螺旋管连接歧管，歧管汇入出入口分流管中，最终四个模块的入口分流管汇入入口总管中，出口分流管汇入出口总管中。

具体的，管程冷流体通过入口总管进入换热器，经分流至四个模块的入口分流管，入口分流管中的冷流体流入各模块的歧管，后分流至毛细螺旋管中并进行换热。参与换热后的流体通过内层(内圈)歧管连接，汇入出口分流管中，最终由出口总管流出。壳程热气体经前接管流入后，通过中心导流体，中心导流体设计为流线型结构，从气体入口处开始与壳体间的空隙先减小后增大。当气体进入时迅速导流，使气体流向变为垂直于四个模块轴线的方向，使高温气体与小口径螺旋管充分接触，使换热更加充分。

由图2可知换热器管程系统主要由四个模块组成，从模块一到模块四，小口径螺旋管螺旋结构的外径由小变大呈阶梯状分布，四个模块的中心为中空结构，并在模块四后方中空处设置壳程气体出口。整体结构设计为阶梯型，更利于气体的分布和整体流动换热。模块四后面的挡板做为换热器的后壳体连接出口管。

四个模块小口径螺旋管的螺旋排管结构如图3所示。由图3可知各模块小口径螺旋管结构都为顺时针螺旋布管方式，每根歧管连接四层小口径螺旋管，小口径螺旋管线形为渐开线。使用螺旋渐开线的方式布管在提高换热面积的同时有效减小了每根小口径螺旋管的长度，从而降低了管程压降。

图4为最左侧模块一示意图，其中小口径螺旋管连接歧管后固定在前挡板和后挡板之间，网状筒通过30个双头螺栓与后挡板1以及支撑环连接，而网状筒通过螺栓固定于后挡板和前挡板之间，支撑环起到保护环管结构和支撑的作用。四个网状筒结构的外径相同。图5所示为连接示意图和网状筒具体结构图。

图6为模块中管程和壳程流体的流向示意图。由图可知，管程内冷流体顺小口径螺旋管流动，由内层歧管流经小口径螺旋管进入外层歧管中。壳程的热流体经导流体导流后以70至80度的角度穿过螺旋的小口径螺旋管进行换热。

本发明换热器的制造装配主要包括以下几个步骤：

1.将加工和弯管完成的小口径螺旋管和歧管经超声波洗净后进行酸洗，目的去除表面氧化膜。

2.将小口径螺旋管与歧管固定后完成钎焊工艺操作，这时多根小口径螺旋管与两根歧管钎焊，组成多个小模块。

3.将加工制作好的前后挡板与多个小模块的小口径螺旋管歧管组合体连接，同时进行钎焊操作。将四组模块带小口径螺旋管的歧管与前后挡板进行组装，前挡板一头不连接环管的歧管通过卡套堵头封住管口。

4.连接后挡板之前先将网状筒定位，通过螺栓与前挡板连接；安装后挡板，将支撑环和后挡板以及网状筒通过双头螺栓固定。

5.焊接环管后将支撑环与后挡板连接。

6.将模块一二三的支撑环分别与模块二三四的前挡板螺栓连接，完成管程装配操作。

7.将模块四的支撑环直接连接到筒体后端壳体上，完成整体装配。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。