专利名称：高温波纹板空气预热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接利用高温烟道气加热空气，充分回收一次能源的波纹板空气预热器，它主要包括波纹板、波纹板的间距定距件。
利用烟道气加热空气的技术，到目前已有了很大的发展，出现了许多形式的空气预热器，如管式预热器、钢-水热管预热器、回转式预热器等，都为烟道气的余热利用作出了自己的贡献。但是这些现有技术在实际应用中都有些不够理想的地方，有的承受不了温度较高的烟道气，必须将烟道气的温度降低到500℃以下才能工作;有的虽能承受温度较高的烟道气，但其它性能参数较差，不能把空气加热到较高的温度(一般都在250℃以下);有的设备庞大，结构复杂、制造麻烦。发明者在准备提出专利申请之前，对现有技术进行了国际联机检索，还未发现以波纹板作传热面利用高温烟道气加热空气的这种型式的预热器。
西德专利DE3330-254-A公开了一种以波纹板作传热面的换热器，用在空气调节装置中加热空气。传热板是由平板和在其两侧设置的波纹板所组成。平板与波纹板可用机械构件连接，也可粘结或者焊接。由若干这样的传热板组成的传热板束，是靠传热板的平板浸渍粘结而形成，同时也在传热板之间形成了许多气体通道。由于这种结构和制造方法，必然存在一些不足，如该换热器不能用于高温工况下，因为工作介质的温度较高时，粘结剂将熔化，而靠浸渍粘结形成的传热板束则会松动，换热器不能正常工作。另外，气体从通道中流过时，仍以直线流动，波纹板仅起扩展面(二次表面)的作用，没有起到强化气体湍流的作用，因此，在相同的雷诺数下，给热系数低。
美国专利US-4586-563-A公开了一种由管子和波纹板组成的换热器，用于使水加热空气。该换热器的特点是，排列规则的管子插进波纹板束的孔中，波纹板上的凸台与相邻波纹板上的凹台相接而构成波纹板的间距定距件，水流经管内，空气流经波纹板之间的通道进行换热。只要对该换热器的结构作一些分析，就不难看出其存在的不足。第一，该换热器的管内流体的换热面是管子的壁面，波纹板面只起管外流体二次换热面的作用，因此，若用作气-气相换热，管内给热系数较小，换热效率低。第二，气体在波纹板间顺着波纹方向(即垂直波峰方向)流动，且要绕过管子和波纹板间的定距件，流体阻力大。第三，换热器的结构显然十分复杂，制造也十分麻烦。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种安全可靠地直接利用高温烟道气(850℃)将空气加热到较高的温度(600℃)、流体流动阻力小，传热效率高、结构简单、制作容易的空气预热器。
为了实现本发明的目的、设计出一种理想的空气预热器，本发明的设计者查阅了大量国内外换热器的文献资料，对已有的各种形式的换热器，从传热学、流体力学、结构热应力和制造工艺学的多种角度进行了深入广泛的研究，全面掌握了各种换热的结构特点。经过长达六年的工作努力，在巧妙地吸取了其它换热器优点的基础上，创造性地提出了新的技术方案，能圆满地实现本发明的目的。
本发明的目的可通过下面的技术措施来达到波纹板的四周制作成平边，平边与密封体相焊接形成传热板束和气体传热空间，波纹板的其余板面为布满波纹的传热面。波纹板的间距定距件是管状的，称为定距管，其轴线与气体流动方向一致。也正是由于波纹板与密封体相焊接形成传热板束和气体传热空间，使得本发明能在烟道气温度高达850℃的工况下安全地操作，克服了浸渍粘结和垫片密封连接结构不能用于高温工况下的不足。波纹板四周制成直边，是为了便于焊接，提高焊接质量，使得本发明在高温工况下工作更为可靠。波纹板的板面除四周很小一部分用于焊接的平边外，其余均为布满波纹的传热面，旨在为了在低雷诺数下促进气体湍流，扩大传热面，增大传热效率。把波纹板的间距定距件设计成管状，管子的轴线与气体的流动方向一致，这样可大大降低气体流动阻力。即使在气体压力差很小的情况下，也能达到理想的传热效果。
把波纹板四周的平边制作成，在与气体流动方向平行的平边为直平边，在与气体流动方向垂直的平边为斜平边，并且直平边与称为堵风条的密封体相焊接，斜平边与称为堵风块的密封体相焊接，则比较好，有利于本发明目的实现。
定距管的端面可制作成斜面，斜面的下边(锐角形成的边)焊在波纹板的波峰上。定距管的这种结构形式和焊接特点，特别方便焊接施工，能比较好的达到发明目的。
相邻波纹板间的间距大小，对流体的流动性能影响很大，距离太小，流体阻力太大，距离太大，则给热系数小，传热效果差。该距离的大小是由定距管在该方向的外径尺寸所决定。定距管在该方向的尺寸为5～12毫米时，气体的流动性能比较好，能更好地实现发明的目的。定距管的具体尺寸是根据气体量和气体的最佳流速，按照为本发明专门建设的实验台实验测定出。
本发明如果再采取以下措施，可获得最佳的目的效果。将上面所述的波纹板、定距件、密封体和其它的一些部件组成传热单元，本发明所揭示的预热器是由这样的两个传热单元所组成，一个是高温侧传热单元，一个是低温侧传热单元，两个传热单元用带铰链的螺栓固定在一起，两个传热单元的气道由连接箱接通，整个预热器成π型布置。预热器由两个传热单元组成，整体采用这种独特的π型结构，有如下优点第一，克服了钢板规格(最长只有两米)的限制，增长了烟道气、空气流通的长度，使其能够很充分地进行热交换，达到烟道气的排气温度低，空气预热的温度高，而设备结构又不复杂。第二，高温侧传热单元用不锈钢制作，低温侧传热单元可用碳钢制作，预热器的成本降低。第三，两种换热介质在两个传热单元中能完全成逆流换热，传热效果最好，而接管布置又简单。连接箱除具有上述作用之外，还可消除一部分两个传热单元热变形不一致所产生的热应力。把两个热变形不一致的传热单元固定在一起，是一个十分令人头痛的问题，本发明的设计者创造性地采用了带铰链的螺栓这一结构，巧妙地解决了该问题，避免了为了防止热应力破坏而采用笨重粗大的固定结构。
对于用于高温环境下的换热器，消除或降低各部件由于热变形不一致而产生的热应力是一个十分重要的问题，有些结构的换热器之所以不能用于高温条件下，正是由于该问题没有得到很好的解决。本发明能够在烟道气温度高达850℃的工况下安全可靠地工作，也正是由于本发明的独特结构设计所至。本发明除了上述提及到的消除热应力的措施之外，还采取了以下措施预热器通过膨胀节与管道接通;预热器通过支承件放置在支承架上。另外波纹板本身也有很好的消除热应力的作用。
本发明与现有技术相比主要具有以下优点。由于本发明所具有的独特结构设计和整体布局，使得本发明获得了理想的流体流动特性和传热特性，完全能够在烟道气高达850℃的工况下安全工作，把常温空气预热到600℃，从预热器排出的烟道气温度降低到140℃～160℃。本发明的整机流体阻力极低，在整机的总传热面为160平方米，每小时处理烟道气2750立方米的情况下，整机流体阻力还不足24毫米水柱，取得了预料不到的效果。本发明的传热效率也十分高，与传热效率高而著称的回转式空气预热器的传热效率接近，在设计工况下，温度效率85%左右。但是回转式预热器只能承受500℃的烟道气，结构十分复杂，并且在预热过程中，两种气体还有15%左右的混合，而本发明则不存在这种问题。本发明与很长一段时间人们研究的热门换热器，即钢-水热管空气预热器相比，不仅传热效率高，适用温度也远远高于该种预热器，该预热器的适用烟道气温度最高为450℃，预热空气最多也只能达到250℃。本发明与适用温度相近的管式换热器相比，其优点更是多方面的，表1对此作了有力的证明。
又由于从本发明排出的烟道气温度低，使机械化排烟成为可能，具备了用钢管或铁管建造烟囱的条件，使投资大大地降低。在工业化试验中，整个热量回收系统的投资费用不足混凝土、砖砌烟囱的四分之一。
本发明从实验条件下的小试、中试到工业化生产试验，都完全重复地证明了本发明具有上述优点。在工业化生产试验中，安装有本发明的耗气量为每小时197标准立方米天然气的加热炉与原安装有管式预热器的加热炉相比，每小时节约天然气81立方米，节能40%，一年按300天计算，共节约天然气583200立方米，效益惊人。
本发明还具有以下的优点结构紧凑、重量轻、占地面积小、结构简单、制造工艺性好、工装夹具投资少，中、小型有机械加工能力的工厂都可制造。
本发明除了可用于利用烟道气加热空气的场合外，还可用于其它气-气换热的场合。
以下给出
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图1是本发明的结构示意图。(1)是空气进口管，(2)是空气进口锥体，(3)是空气出口管，(4)是空气出口锥体，(5)是烟道气进口管，(6)是烟道气进口锥体，(7)是堵风条，与波纹板(10)相焊接，(8)、(9)皆为波纹板间距定距管，焊在波纹板的波峰上，(11)、(12)均为堵风块，与波纹板相焊接。堵风条和堵风块均为传热空间的密封体，与波纹板相焊，构成了传热空间和传热板束。(13)是烟道气出口锥体，(14)是烟道气出口管。(15)是固定角钢。
图2是本发明的传热件波纹板。(16)是斜平边，用于与堵风块(12)相焊接，(17)是直平边，用来与堵风条相焊接。
图3是定距管与波纹板相焊接的局部放大图。(10)是波纹板，(9)是定距管，(18)是定距的斜面，斜面的下边焊在波纹板的波峰上。
图4是由高温侧传热单元(21)和低温侧传热单元(20)组成的预热器整体外形示意图。(19)是将两个传热单元的气道接通的连接箱。(22)是带铰链的螺栓，与固定角钢(15)一起把两个传热单元固定在一起。(23)是空气进入预热器的入口，(24)是空气从预热器出来的出口，(25)是烟道气进入预热器的入口，(26)是烟道气从预热器出来的出口。
下面给出本发明的一个实施例。
在冶金工业部属某钢厂进行工业化实验的波纹板空气预热器，是由两个传热单元组成，整体成π型布局。两个传热单元的气道由连接箱(19)沟通，由四排带铰链的螺栓(22)固定在一起，整个预热器通过固定在自身上的支承件放置在支承架上。高温侧传热单元(21)的材质为1Gr18Ni9Ti，低温侧传热单元的材质为A3钢。波纹板(10)的四周有一尺寸不大的平边，与气体流动方向平行的平边为直平边(17)，用来与堵风条(7)相焊接，与气体流动方向垂直的平边为斜平边(16)，用来与堵风块(12)相焊接。波纹板(10)的间距由定距管(9)确定，定距管(9)为普通的圆管，外径为8毫米，定距管(9)的端面为斜面(18)，斜面(18)的下边(锐角形成的边)点焊在波峰上，定距管(9)的轴线与气体流动方向一致。烟道气的进口管和出口管均通过膨胀节与管道接通。预热器的传热面积为160平方米，波纹板长2米。用850℃的烟道气加热常温空气，从预热器出来的空气温度达620℃，烟道气的温度降低为140℃。每小时处理烟道气2750立方米，预热器的整机流体阻力仅为22毫米水柱，温度效率为85%。安装有本发明的加热炉与原安装有管式预热器的加热炉相比，加热炉节约能源40%，每小时节约天然气81立方米，经济效益十分显著。
表1
注表中数据均为设计工况下所达到的值。
权利要求
1.一种可利用高温烟道气加热空气的波纹板空气预热器，包括波纹板(10)和波纹板间距定距件，其特征在于波纹板的四周有平边，密封体与平边相焊接，形成传热板束和气体传热空间，波纹板的其余板面布满波纹，波纹板的间距定距件为定距管(8)、(9)，轴线与气体流动方向一致。
2.根据权利要求1所述的预热器，其特征在于所说的波纹板(10)四周之平边，在与气体流动方向平行的平边为直平边(17)，直平边与称为堵风条(7)的密封体相焊接，在与气体流动方向垂直的平边为斜平边(16)，斜平边与称为堵风块(11)、(12)的密封体相焊接。
3.根据权利要求1、2所述的预热器，其特征在于定距管的端面为斜面(18)，斜面的下边(锐角形成的边)焊在波纹板的波峰上。
4.根据权利要求1、2所述的预热器，其特征在于定距管在垂直于波纹板方向的外径尺寸为5～12毫米。
5.根据权利要求3所述的预热器，其特征在于定距管在垂直于波纹板方向的外径尺寸为5～12毫米。
6.根据权利要求1、2所述的预热器，其特征在于预热器由高温侧传热单元(21)和低温侧传热单元(20)组成，两传热单元由带铰链的螺栓(22)相固定，连接箱(19)接通两传热单元的气道，预热器整体成π型布置。
7.根据权利要求3所述的预热器，其特征在于预热器由高温侧传热单元(21)和低温侧传热单元(20)组成，两传热单元由带铰链的螺栓(22)相固定，连接箱(19)接通两传热单元的气道，预热器整体成π型布置。
8.根据权利要求4所述的预热器，其特征在于预热器由高温侧传热单元(2)和低温侧传热单元(20)组成，两传热单元由带铰链的螺栓(22)相固定，连接箱(19)接通两传热单元的气道，预热器整体成π型布置。
9.根据权利要求5所述的预热器，其特征在于预热器由高温侧传热单元(21)和低温侧传热单元(20)组成，两传热单元由带铰链的螺栓(22)相固定，连接箱(19)接通两传热单元的气道，预热器整体成π型布置。
全文摘要
本发明是一种可利用高温烟道气加热空气的波纹板空气预热器。本发明的主要技术特征为，传热件是波纹板，波纹板与密封体相焊接形成传热板束和传热空间，波纹板的间距定距件是管状的。由于本发明独创的结构设计，使得本发明能承受温度高达850℃的烟道气，把空气从常温加热到600℃，而烟道气的温度降低到160℃以下。在设计工况下操作，温度效率不低于85％，整机流体阻力不足24毫米水柱。在工业试验中，与原设备相比，能源节约40％。
文档编号F23L15/00GK1033866SQ8710831
公开日1989年7月12日 申请日期1987年12月30日 优先权日1987年12月30日
发明者吴雪, 王志圣, 刘玉良 申请人:成都科技大学