专利名称：换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气预热器，尤其涉及换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器。
背景技术：
喷流式空气预热器在化工、冶金、能源动力、建材等工业领域中应用广泛，主要用于热风炉、加热炉、工业炉窑、锅炉等设备的余热利用工程及空气预热工程，它可充分回收余热，提供纯净的高温空气，可以节约大量能源。随着社会环保意识的增强和能源紧缺压力的困扰，对喷流空气预热器的热利用率和功能也提出了越来越高的要求。目前，市场上供应有多种类型的空气预热器，如辐射式空气预热器、列管式空气预热器、回转式空气预热器、蓄热式空气预热器、喷流式空气预热器和对流式空气预热器等， 并且在工业中得到广泛使用。但是，这些空气预热器存在以下问题1、空气预热器的换热原理单一，不能充分利用烟气在不同温度下的换热能力，总体换热性能较差；2、一般来说，从热风炉、加热炉、工业炉窑等出来的烟气温度较高，最高可达800 900°C以上，这种高温烟气进入空气预热器与空气进行热量交换，势必对空气预热器的材质要求很高，且会影响空气预热器的使用寿命；3、空气预热器在运行过程中会长期受到高温烟气的辐射，特别是靠烟气入口的前排换热管受到的烟气辐射更为严重，温度也比其他换热管要高，并导致了各排换热管的热膨胀不一，当一根换热管损坏时，整个空气预热器都将报废；4、空气预热器从烟气入口处至出口处需选用不同材料型号的换热管，由于换热管所选用的材料不同，其热膨胀能力也有很大差别，很难避免它们的热膨胀性能不匹配等问题，所有这些问题造成了空气预热器造价昂贵、寿命短，影响空气预热器的总体性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可减小换热管之间的管壁温差、使各排换热管内被加热的空气具有相同进出口温差、具有最优综合换热效果的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，包括风箱和多排换热管， 所述风箱上设有冷空气入口和热空气出口，风箱一侧设有烟气入口，风箱另一侧设有烟气出口，所述多排换热管设于风箱内，所述多排换热管分为喷流区和插入件区，所述喷流区设于靠近烟气入口的一侧，所述插入件区设于靠近烟气出口的一侧，所述冷空气入口依次经喷流区和插入件区后与热空气出口连通。所述喷流区的换热管由同轴套设的内管和外管组成，所述内管为开有若干喷流孔的喷流管。从所述烟气入口一侧至所述烟气出口一侧，各换热管中内管上所设喷流孔的数量逐渐减少。
所述外管上端封闭，所述内管下端封闭。所述插入件区的换热管包括套管，所述套管内插设有插入件，所述插入件由直段和螺旋段组成，所述直段置于套管的入口段，所述螺旋段置于套管的出口段。从所述烟气入口一侧至所述烟气出口一侧，各排换热管中插入件的直段长度占总长的百分比逐渐减少。所述冷空气入口位于靠近烟气入口的一侧，所述热空气出口位于靠近烟气出口的一侧。与现有技术相比，本发明的优点在于
本发明的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，在风箱内靠近烟气入口的一侧设置了喷流区、靠近烟气出口的一侧设置了插入件区，刚进入风箱的中高温烟气先经喷流区热交换后转为中低温烟气，中低温烟气再经插入件区进行热交换，充分利用了烟气在不同温度下的换热原理，从而提高了换热效率。在喷流区通过同轴套设的内管和外管组成换热管，并在内管上开设若干喷流孔作为喷流管，冷空气进入内管后从喷流孔垂直地射向外管内壁，形成高速空气气流对换热面进行冲击，使层流边界层受到破坏，极大地强化对流换热过程，而烟气入口侧则利用高温烟气的辐射放热强化烟气侧的辐射换热，这不仅提高了空气预热器的总换热系数，而且也有效地降低了烟气入口侧换热管的温度。本发明可从烟气入口一侧至所述烟气出口一侧，将各换热管中内管上所设喷流孔的数量逐渐减少，在烟气入口一侧高温烟气的辐射放热量大，设置的喷流孔数量越多，则流过的空气流量越大，管壁受到的冷却就越大；而烟气出口一侧烟气的辐射放热量小，设置的喷流孔数量越少，则流过的空气流量越小，管壁受到的冷却就越小，从而通过设置喷流孔数量可达到控制换热管的管壁温差、控制被加热的空气具有相同的进出口温差的目的，使换热管具有相同的壁温，便于统一换热管的材料选型，可以减少耐高温材料的使用，降低空气预热器的材料成本，解决了由于选用不同换热管材料的热膨胀性不一的问题，从而可避免烟气入口侧因管内温度高而造成换热管的烧坏，提高了空气预热器的整体寿命；同时，由于越靠近烟气入口侧，空气与烟气的温差越大，而根据传热学与流体力学原理，此处强化传热的潜力越大，因而增加此处的空气流量则空气垂直射向换热表面的流速越高，强化传热的效果越好。在插入件区换热管采用在套管内插设插入件的结构，插入件由直段和螺旋段组成，当流体流入换热管时，流动热边界层有一个从零开始增长到汇合于套管中心线的过程， 在套管的入口段，其热边界层较薄，局部表面传热系数比套管中下部的充分发展段高，将插入件的直段置于套管的入口段，充分利用了管道入口段热边界层较薄，局部表面传热系数较大的特点，使套管压降增加较小的基础上具有良好的换热性能，同时，插入件的直段使得套管的水力直径减小，从而导致换热系数有所增大，并且压力损失也不大；在套管的出口段热边界层较厚，将插入件的螺旋段置于套管的出口段，使得流体产生一个切向速度分量，其流动速度增大，尤其是靠近套管壁面处，使壁面处剪切应力增大、由二次流导致的流体混合增强，换热效果得到增强；通过调整各排换热管内插入件的螺旋段长度，可以控制换热管内空气的流动速度，从而可以控制换热管的管壁温差以及被加热空气在换热管进出口处的温差，使空气预热器的造价降低、寿命延长、总体性能提高。从烟气入口一侧至烟气出口一侧， 各排换热管中插入件的直段长度占总长的百分比逐渐减少，由于插入件的直段越长，换热管流通阻力就越小，因而靠近烟气高温侧的换热管通过的空气流量大，管壁受到的冷却就大一些；而靠近烟气低温侧的换热管通过的空气流量小，管壁受到的冷却就小一些，从而达到控制换热管的管壁温差、控制被加热的空气具有相同的进出口温差的目的；换热管具有相同的壁温，换热管的材料选型便于统一，可以减少耐高温材料的使用，降低空气预热器的材料成本，同时也可以提高空气预热器的整体寿命。同时，可避免烟气入口高温侧因管内温度高而造成换热管的烧坏，还可避免烟气出口低温侧因温度过低带来的露点腐蚀问题。本发明的换热管进出口同温差插入式空气预热器流动阻力小、制造成本低、使用寿命长，总体换热性能好，可实现空气预热器高效稳定的运行。
图1是本发明的立体结构示意图； 图2是本发明的主剖视图3是本发明的插入件的立体结构示意图； 图4是本发明的喷流管的结构示意图(去除部分外管)。图中各标号表示
1、风箱；2、换热管；11、冷空气入口 ；12、热空气出口 ；13、烟气入口 ；14、烟气出口 ；15、 连接板；21、喷流区；22、插入件区；211、内管；212、外管；213、喷流孔；221、套管；222、插入件；223、直段；224、螺旋段。
具体实施例方式图1至图4示出了一种换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，包括风箱1和多排换热管2，风箱1上设有冷空气入口 11和热空气出口 12，风箱1 一侧设有烟气入口 13，风箱1另一侧设有烟气出口 14，多排换热管2设于风箱1内，换热管2上下两端均通过风箱1内的连接板15固定，多排换热管2分为喷流区21和插入件区22，喷流区 21设于靠近烟气入口 13的一侧，插入件区22设于靠近烟气出口 14的一侧，冷空气入口 11 位于靠近烟气入口 13的一侧，热空气出口 12位于靠近烟气出口 14的一侧，冷空气入口 11 依次经喷流区21和插入件区22后与热空气出口 12连通，刚进入风箱1的中高温烟气先进入喷流区21热交换后转为中低温烟气，中低温烟气再进入插入件区22进行热交换，充分利用了烟气在不同温度下的换热原理，从而提高了换热效率。本发明的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器制造成本低、使用寿命长，总体换热性能好，可实现空气预热器高效稳定的运行。本实施例中，喷流区21的换热管2由同轴套设的内管211和外管212组成，内管 211为开有若干喷流孔213的喷流管，冷空气进入内管211后从喷流孔垂直地射向外管212 的内壁，形成高速空气气流对换热面进行冲击，使层流边界层受到破坏，极大地强化对流换热过程，而烟气入口 13 —侧则利用高温烟气的辐射放热强化烟气侧的辐射换热，这不仅提高了空气预热器的总换热系数，而且也有效地降低了烟气入口 13—侧换热管的温度。进一步，从烟气入口 13 —侧至烟气出口 14 一侧，各换热管2中内管211上所设喷流孔213的数量逐渐减少，在烟气入口 13 —侧高温烟气的辐射放热量大，设置的喷流孔213数量越多，则流过的空气流量越大，管壁受到的冷却就越大；而烟气出口 14 一侧烟气的辐射放热量小，设置的喷流孔213数量越少，则流过的空气流量越小，管壁受到的冷却就越小，从而通过设置喷流孔213数量可达到控制换热管2的管壁温差、控制被加热的空气具有相同的进出口温差的目的，使换热管2具有相同的壁温，便于统一换热管2的材料选型，可以减少耐高温材料的使用，降低空气预热器的材料成本，解决了由于选用不同材料导致的热膨胀性不一的问题，从而可避免烟气入口 13侧因管内温度高而造成换热管2的烧坏，提高了空气预热器的整体寿命；同时，由于越靠近烟气入口 13—侧，空气与烟气的温差越大，而根据传热学与流体力学原理，此处强化传热的潜力越大，因而增加此处的空气流量则垂直射向换热表面的空气流速越高，强化传热的效果越好。进一步可将外管212上端封闭，内管211下端封闭，这样的结构使冷空气只能从内管211上端进入换热管2，从外管212下端排出换热管2， 并且进入内管211的冷空气只能通过喷流孔213喷入外管212，从而可加强气流喷射力度， 充分破坏层流边界层，提高换热效果。本实施例中，插入件区22的换热管2包括套管221，套管221内插设有插入件222， 插入件222由直段223和螺旋段2M组成，直段223置于套管221的入口段，螺旋段2M置于套管221的出口段，当流体流入换热管2时，流动热边界层有一个从零开始增长到汇合于套管221中心线的过程，在套管221的入口段，其热边界层较薄，局部表面传热系数比套管 221中下部的充分发展段高，将插入件222的直段223置于套管221的入口段，充分利用了管道入口段热边界层较薄，局部表面传热系数较大的特点，使套管221压降增加较小的基础上具有良好的换热性能，同时，插入件222的直段223使得套管221的水力直径减小，从而导致换热系数有所增大，并且压力损失也不大；在套管221的出口段热边界层较厚，将插入件222的螺旋段224置于套管221的出口段，使得流体产生一个切向速度分量，其流动速度增大，尤其是靠近套管壁面处，使壁面处剪切应力增大、由二次流导致的流体混合增强， 换热效果得到增强；通过调整各排换热管2内插入件222的螺旋段2M长度，可以控制换热管2内空气的流动速度，从而可以控制换热管2的管壁温差，以及被加热空气在换热管2进出口处的温差，使空气预热器的造价降低、寿命延长、总体性能提高。从烟气入口 13—侧至烟气出口 14 一侧，各排换热管2中插入件222的直段223长度占总长的百分比逐渐减少， 由于插入件222的直段223越长，换热管2流通阻力就越小，因而靠近烟气高温侧的换热管 2通过的空气流量大，管壁受到的冷却就大一些；而靠近烟气低温侧的换热管2通过的空气流量小，管壁受到的冷却就小一些，从而达到控制换热管2的管壁温差、控制被加热的空气具有相同的进出口温差的目的；换热管2具有相同的壁温，换热管2的材料选型便于统一， 可以减少耐高温材料的使用，降低空气预热器的材料成本，同时也可以提高空气预热器的整体寿命；同时，可避免烟气入口 13因管内温度高而造成换热管2的烧坏，还可避免烟气出口 14因温度过低带来的露点腐蚀问题。上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，包括风箱(1)和多排换热管(2 )，所述风箱(1)上设有冷空气入口(11)和热空气出口( 12 )，风箱(1) 一侧设有烟气入口(13)，风箱(1)另一侧设有烟气出口(14)，所述多排换热管(2)设于风箱(1)内，其特征在于所述多排换热管(2)分为喷流区(21)和插入件区(22)，所述喷流区(21)设于靠近烟气入口(13)的一侧，所述插入件区(22)设于靠近烟气出口(14)的一侧，所述冷空气入口 (11)依次经喷流区(21)和插入件区(22)后与热空气出口(12)连通。
2.根据权利要求1所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述喷流区(21)的换热管(2)由同轴套设的内管(211)和外管(212)组成，所述内管(211)为开有若干喷流孔(213)的喷流管。
3.根据权利要求2所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于从所述烟气入口(13)—侧至所述烟气出口(14) 一侧，各换热管(2)中内管(211) 上所设喷流孔(213)的数量逐渐减少。
4.根据权利要求3所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述外管(212)上端封闭，所述内管(211)下端封闭。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述插入件区(22)的换热管(2)包括套管(221)，所述套管(221)内插设有插入件(222 )，所述插入件(222 )由直段(223 )和螺旋段(224 )组成，所述直段(223 ) 置于套管(221)的入口段，所述螺旋段(224)置于套管(221)的出口段。
6.根据权利要求5所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于从所述烟气入口(13) —侧至所述烟气出口(14) 一侧，各排换热管(2)中插入件 (222)的直段(223)长度占总长的百分比逐渐减少。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述冷空气入口(11)位于靠近烟气入口(13)的一侧，所述热空气出口(12)位于靠近烟气出口(14)的一侧。
8.根据权利要求5所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述冷空气入口(11)位于靠近烟气入口(13)的一侧，所述热空气出口(12)位于靠近烟气出口(14)的一侧。
9.根据权利要求6所述的换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，其特征在于所述冷空气入口(11)位于靠近烟气入口(13)的一侧，所述热空气出口(12)位于靠近烟气出口(14)的一侧。
全文摘要
本发明公开了一种换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器，包括风箱和多排换热管，所述风箱上设有冷空气入口和热空气出口，风箱一侧设有烟气入口，风箱另一侧设有烟气出口，所述多排换热管设于风箱内，所述多排换热管分为喷流区和插入件区，所述喷流区设于靠近烟气入口的一侧，所述插入件区设于靠近烟气出口的一侧，所述冷空气入口依次经喷流区和插入件区后与热空气出口连通。该换热管进出口同温差喷流与插入件组合式空气预热器可减小换热管之间的管壁温差、使各排换热管内被加热的空气具有相同进出口温差、具有最优综合换热效果。
文档编号F23L15/00GK102252340SQ201110143940
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者姜建荣, 姜昌伟, 李行, 柴荣才, 童永清 申请人:杭州美宝炉窑工程有限公司, 长沙理工大学