专利名称：无管换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种换热器，及技术领域，特别适用于具有较高排气温度与余热利用价值的各种工业设备与反应器的高效换热和余热回收利用。
背景技术：
我国有数目惊人的各种工业锅炉、电站锅炉、冶金炉及各种加热炉窑，这些锅炉及炉窑所消耗的一次能源占我国化石燃料的三分之二强。由于这些锅炉及炉窑的设计缺陷及运行过程中燃用的燃料特性、运行工况及设备缺陷(如传热效率下降)等方面的原因，使得大多数锅炉及炉窑的排气温度高于设计值(40 150°C)，因而造成了极大的能源浪费。现有的工业锅炉、电站锅炉及工业加热炉大多采用基于金属或玻璃材料的管壳式或蓄热式空气预热器回收其尾气余热以预热燃烧用的空气，进而改善燃料的着火和燃烧。 由于受到空气预热器结构及传热机理方面的限制，这些传统的管壳及蓄热式无管换热器一直以来存在以下问题并长期没有得到解决(1)换热效率不高，无管换热器的金属或玻璃耗量巨大，设备笨重，制造、运行及维护成本高；(2)漏风量大(8% 30%)，使得送引风机电耗增加15 30%以上，且严重影响机组运行出力；(3)极易导致受热面积灰、堵塞、低温腐蚀，大大增加通风阻力(高达2500Pa)，从而大大增加送引风机电耗及设备的运行维护成本；难以进一步提高预热空气的温度(大多在400°C左右)，因而难以达到各种低品质固体燃料稳定高效燃烧及低品质气体、液体燃料无焰燃烧的高温要求；(5)当锅炉或炉窑存在设计和设备缺陷、燃料品质及工况发生变化时，现有结构的预热器没有实时的调节手段等。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种换热效率高，设备耗材低、运行及维护成本低、密封性好、能耗低的无管换热器。本实用新型提供的这种无管换热器至少由一个颗粒帘换热单元连成，所述颗粒帘换热单元具有水平直管形的气体通道，该气体通道上设置有一个颗粒进口和一个颗粒出口，颗粒作为换热介质从颗粒进口到颗粒出口形成颗粒帘，所述颗粒为惰性固体颗粒。所述惰性固体颗粒采用硅砂和氧化铝中的一种或者两种的混合，粒径在250微米以下。为了使无管换热器有多级换热效果，无管换热器由弯管将至少两个以上的颗粒帘换热单元连成蛇形并且各颗粒帘换热单元的颗粒帘竖直布置上下串联，或者该无管换热器由直管将至少两个以上的颗粒帘换热单元连成水平直管形并且各颗粒帘换热单元的颗粒帘竖直布置。为了调节颗粒流量并使颗粒均勻进入颗粒进口，所述颗粒进口处设有颗粒流量调节件、颗粒均流件。为了有效缩短颗粒帘的长度，所述颗粒进口处设有为颗粒导向的导向件。为了使气体与颗粒帘之间换热充分，该无管换热器的气体通道前端连有气体均流构件，气体经该均流构件进入气体通道，所述气体均流构件包括均流稀布大孔板、均流长笛板、密布大孔板，以形成3-5级的均流，所述长笛板由诸多直管并列排布而成。本实用新型无管换热器以颗粒帘作为换热介质，这种换热方式能使气体和颗粒快速达到热平衡，从而大幅提高换热效率，本实用新型无管换热器形成的余热回收系统与传统的管壳式换热器技术与设备相比，没有传统管壳式换热器中的管壳式受热面，而是利用比表面积非常大且流动性好的细小颗粒与气流直接接触换热，因而这种换热技术是一种全新的换热与余热回收技术。与目前工业领域内采用的各种工业换热及余热回收技术装置与系统相比，这种基于无管换热器中颗粒帘的换热技术具有十分卓越的技术性能(1)换热设备的漏风系数可以降低到极小值，理论上可以降至0，而烟气与空气的流动阻力很小，只有现有换热设备与系统的1/5 1/3 ；(2)换热效率比基于管壳式换热器的传统换热设备高3 5倍以上，因而换热装置的体积及钢材消耗量将大大减少，设备造价大大降低；(3)可以突破现有换热设备的上限温度限制，可以将燃烧用空气的温度加热到更高的温度水平(800°C以上)，因而可为各种低品质燃料的稳定与高效燃烧创造极为有利的条件，也将为锅炉等燃烧设备的设计带来重大变革；( 4 )可以耦合热气流/冷颗粒、冷气流/热颗粒两个换热过程并使换热过程连续进行，因而可有效克服蓄热式高温预热器系统中的诸多技术缺陷，为冶金行业低品质气体燃料的高温空气燃烧或MILD燃烧提供全新的技术支持；(5)参与换热的颗粒的相关技术参数(颗粒进入角度、颗粒流量、流动速度、颗粒帘厚度及颗粒的粒径等)在运行过程中可以实时控制，因而当锅炉及工业炉窑等设备的运行工况发生变化时，可通过调节换热颗粒帘的有关技术参数实现对排烟气温度的精确控制， 这将为各种锅炉及炉窑设备的设计与经济运行带来重大变革；(6)当换热颗粒采用硅砂等材料，其来源广泛，具有良好的耐高温、耐磨损、耐腐蚀及抗热冲击能力，可有效克服传统管壳式无管换热器中存在的低温腐蚀、磨损、疲劳破环及通道堵塞等问题，其设备可靠性及使用寿命远高于现有的换热设备，运行维护费用远低于现有的换热设备。本实用新型无管换热器是对现有传统换热器理论与技术的重大突破，具有无可比拟的技术与经济优势，并将给工业锅炉、电站锅炉、加热炉窑等的设计、制造与运行带来重大技术变革，在工业设备尾气余热回收利用、燃烧用空气预热及燃烧技术等领域具有广阔的应用前景，是提高能源利用效率及实施节能减排的重要技术支持。
图1本实用新型无管换热器中颗粒帘换热单元示意图。图2本实用新型无管换热器中一种三级换热的蛇形无管换热器示意图。图3本实用新型无管换热器中一种三级水平直管形无管换热器示意图。图4本实用新型无管换热器结构示意图。图5反映本实用新型无管换热器中另一种为颗粒导向的导流件结构示意图。
具体实施方式
[0024]图1示出了本实用新型无管换热器的基本结构，从图中可以看出该无管换热器具有一个颗粒帘换热单元1，该颗粒帘换热单元具有水平直管形的气体通道11，该气体通道上设置有一个颗粒进口 12和一个颗粒出口 13，颗粒作为换热介质从颗粒进口到颗粒出口形成颗粒帘14。气体(比如高温烟气)自左侧进入水平气体通道，固体颗粒自颗粒进口下落进入水平气体通道形成一帘状的颗粒流(以下简称颗粒帘)并与水平流动的高温(热)气体相遇发生接触而发生对流与辐射换热。计算与实验测试表明，当固体颗粒的直径小于250 微米且颗粒间隙在0. 98以上时，热气体与固体颗粒在0. 1至0.01秒之内便可达到平衡，从而使气体温度下降，固体颗粒温度升高。显然，单位时间内进入烟道中的颗粒数量越多，颗粒的总吸热量越多，气体的放热量也越大，出口气体的温度也越低。如果水平烟道中没有气体流过，即气体流动速度为0时，固体颗粒将形成一垂直下落的颗粒帘；而当有气体流过， 即气体流动速度大于0时，则在气体粘性力的作用下，颗粒会产生自左至右的偏移，使得其在烟道下部的落点偏离进口料斗的中心线一段距离，从而形成如图1所示的弧形颗粒帘。 研究表明，一个颗粒帘大约能完成两个理论颗粒帘换热单元的热交换。举个例子来说，如果要求气体温度从800°C降到150°C，利用气体的热量将颗粒从100°C加热到700°C，那么理论颗粒帘换热单元数为(800 - 150)/(800 - 700) =6. 5。在上述无管换热器基本结构的基础上，可以设计出不同形式不同换热级数的无管换热器，如图2所示是一种三级换热的蛇形无管换热器，该无管换热器中含有三个颗粒帘换热单元，当然也可以是两个、四个、五个及以上的颗粒帘换热单元，各颗粒帘换热单元通过弯管连接成为蛇形，各颗粒帘换热单元的颗粒帘竖直布置并且上下串联。图3是一种水平直管式无管换热器，该无管换热器该无管换热器中含有三个颗粒帘换热单元，他们之间连成水平直管形，并且各颗粒帘换热单元的颗粒帘竖直布置。很显然这种无管换热器中的颗粒帘换热单元也可以是任意个数的。这种两级以上的无管换热器在实际制造时，会直接用蛇形管或水平直管在上面开两个或两个以上的颗粒进口 12和颗粒出口 13，以根据需要布置两个或两个以上的颗粒帘。作为无管换热器，还应当考虑颗粒的选用及颗粒帘的调节和如何使颗粒帘与气体充分换热的问题及无管换热器结构紧凑的问题，从图1和图4还可以看出，在颗粒进口 12 处设置了颗粒配送控制组件2，并在气体通道11前端连有气体均流构件3。颗粒的选用及颗粒帘的调节颗粒帘换热单元中所用的固体颗粒采用硅砂并且直径应小于250微米，颗粒帘中颗粒空隙度应大于0. 98，这样有利于气体和颗粒间达到快速热平衡。颗粒帘越短越好，有利于余热回收系统结构紧凑。缩短颗粒帘长度有两种方法。 第一种方法是使颗粒以一定的初速进入气体通道，颗粒进口速度越高，颗粒帘的长度会越短。底部开有小口的流化床给料器可以改变颗粒进入气体通道的初速。1米深的床层可以提供大约20°_5 m/s的颗粒速度，2m深的床层可以提供大约40°_5 m/s的颗粒速度。值得注意的是，颗粒的实际速度与流化床底部开口宽度有关。第二种可以使颗粒帘长度缩短的方法是使颗粒以一定角度逆着气流进入气体通道。颗粒配送控制组件，参见图4和5。为了使颗粒帘换热单元中的颗粒帘连续正常运行，并实现高效热交换，从图1和图4还可以看出在颗粒进口 12处本实用新型设计了颗粒配送控制组件2，该组件由上至下主要由颗粒料斗21、圆形落料管22、过渡管23、矩形落料管24、电动蝶阀25、多孔板26、网筛27及导流件28等组成。其中，多孔板的孔径大小及布置密度决定了颗粒的最大通流量； 电动蝶阀的开启及其开度的大小可实时控制下落的颗粒帘厚度；网筛27采用多层筛网主要起均流作用，即使颗粒在落料管横断面上均勻分布，最终保证颗粒帘横断面上颗粒分布的均勻性；导流件的主要作用是控制颗粒流进入气体通道中的角度及颗粒帘厚度，当颗粒流进入气流管道中的角度合适时，可将颗粒帘的最终坠落点控制在颗粒进口中心线附近， 这样，当在水平直管段上布置多级颗粒帘时所要求的直管长度较小，或者说，在一定长度的直管段上可布置较多的颗粒帘。9
导流件28可以采用固定的倾斜式板状结构也可采用可转动调节的板状结构如图4所示。导流件28还可以采用倾斜弯管结构，如图5所示。如果采用可调式设置，在运行中可以通过调节导流件的角度控制颗粒流进入气体管道中的角度。此外，这种可调导流件与颗粒落料管相配合，还可以实时控制颗粒帘的厚度。气体均流构件，参见图4。为了使颗粒帘中的颗粒与气体介质均勻充分接触、快速达到热平衡，从而提高气体与固体颗粒帘间的换热效率，要求颗粒帘进口断面上的气流速度分布均勻。考虑到工程实际应用中的烟气、空气管道出(接)口与颗粒帘颗粒帘换热单元的空气/烟气管道截面形状及结构尺寸不兼容，因此，必须要求有一过渡联接管段将工程实际中的烟气/空气出口管无管换热器联接起来，并使烟气或空气气流在无管换热器的气体通道断面上均勻分布。 为此设计了气体均流构件3，其结构组成及工作原理如图4所示。考虑到本实用新型无管换热器的应用，比如在锅炉及加热炉窑的相关烟气/空气管道有两种典型的截面形状——圆形与矩形管道，为此，本实用新型提出了联接圆形管道与矩形管道的气体均流构件3，烟气或空气管道与无管换热器之间将顺次通过一个过渡管段4、联接法兰5及气体均流构件3连接，气体均流构件3可以采用三至五级均流，如图4所示。其中，第一级均流件为采用三角阵稀疏布置、孔径约IOmm的大孔板31，第二级均流件为长笛管段32，该长笛管段由诸多小圆管并列排布在外直管中形成。第三级均流件为致密布置的小孔板33。本实用新型无管换热器能广泛用于一些反应过程的余热利用，比如锅炉空气预热，还可以用于催化反应以及气体吸附，尤其是能利用高温烟气通过颗粒帘换热单元换热过程对燃烧用空气进行预热。
权利要求1.一种无管换热器，其特征在于该无管换热器至少由一个颗粒帘换热单元(1)连成， 所述颗粒帘换热单元具有水平直管形的气体通道(11)，该气体通道上设置有一个颗粒进口 (12)和一个颗粒出口( 13)，颗粒作为换热介质从颗粒进口到颗粒出口形成颗粒帘(14)，所述颗粒为惰性固体颗粒。
2.根据权利要求1所述的无管换热器，其特征在于该无管换热器由弯管将至少两个以上的颗粒帘换热单元(1)连成蛇形并且各颗粒帘换热单元的颗粒帘(14)竖直布置上下串联，或者该无管换热器由直管将至少两个以上的颗粒帘换热单元(1)连成水平直管形并且各颗粒帘换热单元的颗粒帘(14)竖直布置。
3.根据权利要求2所述的无管换热器，其特征在于所述颗粒进口(12)处设有颗粒配送控制组件2，该组件包括电动蝶阀(25)和筛网(27)。
4.根据权利要求2所述的无管换热器，其特征在于所述颗粒进口(12)处设有为颗粒导向的导流件(28)。
5.根据权利要求2所述的无管换热器，其特征在于该无管换热器的气体通道前端连有气体均流构件(3)，气体经该均流构件进入气体通道，所述气体均流构件包括均流稀布大孔板(31)、长笛管段(32)、密布大孔板(33)，以形成3-5级的均流，所述长笛管段由诸多小圆管并列排布在外直管中形成。
专利摘要本实用新型公开了一种无管换热器，所述无管换热器至少由一个颗粒帘换热单元连成，所述颗粒帘换热单元具有水平直管形的气体通道，该气体通道上设置有一个颗粒进口和一个颗粒出口，颗粒作为换热介质从颗粒进口到颗粒出口形成颗粒帘，所述颗粒为惰性固体颗粒。本实用新型无管换热器热效率高，设备耗材低、运行及维护成本低、密封性好、能耗低，适用于具有较高排气温度与余热利用价值的各种工业设备与反应器。
文档编号F28C3/14GK202254929SQ20112026140
公开日2012年5月30日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者秦小林, 陈冬林 申请人:湖南天水蓝能源科技有限公司