一种集束板空气预热器的制作方法

一种集束板空气预热器
1.技术领域
2.本发明涉及空气预热器技术领域，特别涉及一种板式空气预热器。


背景技术：

3.空气预热器作为节能设备，在石油化工行业的火焰加热炉余热回收系统中广泛采用，对提高火焰加热炉的热效率、节约能源起到了重要作用。
4.板式空气预热器是一种紧凑型的高效气-气换热器，由相同的金属薄板叠加而成，冷、热流体通道相互间隔，通过薄板换热。
5.板式空气预热器从结构上分为焊接式及非焊式，板片作为传热元件，两个板片组装成一个板管，一定数量的板管叠置成板束，烟气空气通过板片换热，换热元件材质为碳钢、不锈钢或更高级材料。
6.随着节能减排的深入，火焰加热炉的排烟温度不断降低，排烟温度有降到90℃以下的趋势，因此，低温空预器尾部金属面临严重的露点腐蚀的问题。
7.文献一《ptfe塑料空气预热器的传热分析》（贾力,陈铁兵等.北京建筑工程学院学报,1999(z1):1-7）介绍了一种可以在较高烟温和酸性环境下工作的新型耐腐蚀塑料空气预热器，新型ptfe塑料空气预热器为轴流式螺旋板换热器，空气和烟气分别在夹层内流动作间壁换热。但两种换热介质并不象传统螺旋板换热器那样流动, 而是分别从换热器两端进入，做顺流或逆流换热。这种流动方式需要一种特殊设计的封头来分离烟气和空气。这样设计的目的是实现了换热器的模块化和低阻力，可将换热器筒体作为一个单元，依需要可轴向串联或多通道并联使用。
8.文献一提出的将换热器筒体作为一个单元，依需要可轴向串联或多通道并联使用，但其提出的轴流式螺旋板换热器需要一种特殊设计的封头来分离烟气和空气，烟气和空气之间的密封不易解决，因此，此种ptfe塑料板式空气预热器并未得到普及。
9.文献二《大型氟塑料-石墨板式换热器研制与应用》（刘刚.石油化工设备,2006(06):63-66.）介绍，大型氟塑料-石墨板式换热器由氟塑料、石墨等非金属材料复合制成的人字形波纹板片作传热元件，采用线面结合的密封结构，用固定端板及螺栓结构作紧固件，用压紧弹簧、活动端板结构作调节件，以缓解板片之间因收缩与膨胀引起的应力破坏。该氟塑料-石墨板式换热器已在多种腐蚀性介质中使用，均未发生腐蚀现象，具有极强的耐腐蚀性能。
10.文献二提出的换热器结合了氟塑料及石墨二者的优良性能，具有较高的导热性能和机械强度，并具有优异的耐腐蚀性能。但文献二提出的由氟塑料、石墨等非金属材料复合制成的人字形波纹板片，结构类似于阿法拉伐板式热交换器的金属板片，板上有孔，适合于液体间换热，不适于烟气与空气间的气-气换热。
11.专利一cn 1276515a公开了一种聚四氟乙烯板翅式换热器制作工艺方法，该板翅
式换热器由石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯或聚四氟乙烯制成，具有耐腐蚀性能好，传热效率高，结构紧凑，成本较低等一系列优点。
12.但专利一中，由封条、翅片、隔板、盖板等零件组成的芯体由于整体入炉烧结，冷却后粘结成一个整体，内部翅片烧结后是否变形没有办法检查。另外，该聚四氟乙烯板翅式换热器使用效果如何也未见相关案例报道。
13.专利二cn 100507426c公开了一种导热复合材料紧凑型板壳式换热器，包括壳体、芯体和封板，芯体包括隔板、翅片和封条，相邻两隔板之间具有翅片，翅片包括金属翅片和耐腐蚀导热复合材料翅片，金属翅片与耐腐蚀导热复合材料翅片交替间隔设置，耐腐蚀材料导热复合材料翅片与壳体之间还具有封条。本发明金属翅片与耐腐蚀材料翅片间隔设置，耐腐蚀材料翅片的通道走腐蚀性、易结垢的介质，金属翅片的通道内走较洁净的介质，两种介质形成完全的逆流换热，保证了换热的高效性。
14.但专利二中，封板与隔板、隔板与翅片、隔板与封条之间采用含氟粘结剂粘接，换热器长期高温环境下运行，含氟粘接剂有老化粘性失效的风险，导致换热器密封性能下降，甚至造成泄漏。
15.专利三cn 102032587b公开了一种换热板片为玻璃的板式空气预热器，其换热板片采用矩形玻璃板片，该玻璃为硅硼玻璃、无硼低碱玻璃或石英玻璃。具有由上盖板、下底板和立柱构成的空气预热器框架；在所述的空气预热器框架中设置有若干个上下对应放置的换热片，在每两个上下相邻的换热片之间具有密封条，即在下部换热板片的两个端部与上部换热板片的接触面之间放置密封条，所述的上下相邻两层的密封条互错90
°
交错放置，组成若干相邻互错90
°
的密封流体通道，上下相邻两层的密封流体通道分别为热流体通道、冷流体通道。该玻璃板式换热器抗露点腐蚀，能够在低温烟气环境下实现长周期稳定运行，可以将排烟温度降到100℃以下。该玻璃板式空气预热器的工程应用表明，耐腐蚀性强，换热效果良好。
16.但专利三中，该种玻璃板式空气预热器仍与传统的金属板式空气预热器一样，烟气和空气交叉流换热，没有实现逆流换热，仍有改进的空间。
17.综上所述，非金属板式空气预热器完全避免了金属换热器存在的低温露点腐蚀问题，可以将烟气温度降低至80~90℃甚至更低，实现了烟气余热的深度回收。但烟气和空气直接换热的氟塑料板式空气预热器还鲜有案例报道。虽然玻璃板式空气预热器提供了相关案例，但其结构形式和现有金属板式空气预热器相当，交叉流换热效率低、热端温差大等问题依然存在。


技术实现要素：

18.根据上述技术背景，本发明提出一种集束板空气预热器，采用集束板，空气—烟气逆流换热，以解决现有技术的烟气—空气直接换热的板式空气预热器中，交叉流换热效率低、热端温差大的问题，以及金属材料的低温露点腐蚀问题。该集束板空气预热器的传热元件为板片，两个板片组装成一个板管，一定数量的板管叠置成集束板，烟气空气通过板片换热。板片材质自由，可以按烟气的不同温度，在金属板和非金属板中选择，采用不锈钢板、碳钢板，可以用作高中温空气预热器，采用氟塑料板、氟塑料-石墨板、玻璃板，可以解决低温空气预热器的露点腐蚀问题。另外，壳体内装入多组集束板以达到所需的换热面积，可以实
现大型化，集束板模块化，独立性、互换性、通用性好。
19.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种集束板空气预热器，其特征在于：该集束板空气预热器主要由壳体、集束板、导流筒和内隔板组成，所述壳体内有n组平行布置的集束板，其中50≥n≥1，每组集束板中段外面均包覆有导流筒，内隔板有3个，均垂直于集束板布置，3个内隔板将集束板分为两段，将壳体内分为两个壳程；所述集束板主要由固定端管板、自由端管板、捆扎带、多个板管一、1个板管二和膨胀节组成，板管一和板管二平行布置且长度相同，板管一和板管二叠置通过多条捆扎带组合成一体，板管一和板管二的一端连接固定端管板，另一端连接自由端管板，自由端管板另一端连接膨胀节，所述板管一由内翅片板和外翅片板对扣密封连接而成，板管二由内翅片板和外折边板对扣密封连接而成，所述3块内隔板分别为：固定端内隔板、中间内隔板和自由端内隔板，其中固定端内隔板与固定端管板密封连接，中间内隔板与导流筒密封连接，自由端内隔板与膨胀节密封连接，每块内隔板上均设有与n组集束板一一对应的n个开孔，壳体上有四个接口，分别是物流
①
入口、物流
①
出口、物流
②
入口和物流
②
出口，物流
②
走管程时，物流
①
走壳程；物流
②
走壳程时，物流
①
走管程。
20.本发明所述一种集束管空气预热器，其进一步技术特征在于：所述板管一为m个，200≥m≥10。
21.本发明所述一种集束管空气预热器，其进一步技术特征在于：所述内翅片板和外翅片板的厚度范围为0.8mm~2mm。
22.本发明所述一种集束管空气预热器，其进一步技术特征在于：所述内翅片板由内折边板、内支撑柱和内翅片组成，内折边板的上下两侧有折向内支撑柱同面的内折边，内支撑柱和内翅片布置在内折边板的同一侧，内翅片布置在内折边板的中间，内支撑柱布置在内折边板的两端。所述外翅片板由外折边板、外支撑柱和外翅片组成，外折边板的上下两侧有折向外支撑柱反面的外折边，外支撑柱和外翅片布置在外折边板的同一侧，外翅片布置在外折边板的中间，外支撑柱布置在外折边板的两端。所述内翅片板和外翅片板的材质为金属或非金属。
23.本发明所述一种集束管空气预热器，其进一步技术特征在于：所述集束板为竖直安装，或水平安装，或倾斜安装，倾斜安装时的角度在0~90
°
之间。
24.本发明所述一种集束管空气预热器，其进一步技术特征在于：所述膨胀节包括u形波节、上端法兰和下端法兰，膨胀节通过上端法兰与自由端管板密封连接，膨胀节通过下端法兰与自由端内隔板密封连接。所述膨胀节是金属膨胀节或非金属膨胀节。
25.本发明与现有技术相比的有益效果在于：1）本发明的集束板空气预热器，集束板由多个板管叠置集成，结构紧凑，即使采用导热性能较差的氟塑料-石墨或玻璃板，传递的热量也可以和金属换热器相匹敌。
26.2）本发明的集束板空气预热器，导流筒约束烟气和空气在集束板内逆流换热，热端温差可以达到换热极限，比现有技术的交叉流板式空气预热器的换热效率高10~20%。
27.3）本发明的集束板空气预热器，密封严密，零泄漏。固定端内隔板与集束板的固定端管板通过螺栓密封连接，中间内隔板与导流筒焊接连接，自由端内隔板与膨胀节螺栓密封连接，使进出的空气和烟气不能串通。
28.4）本发明的集束板空气预热器，未被导流筒包覆的集束板上下段板管间的空隙，
兼做板管外气流进出导流筒的进出通道，结构紧凑，一举两得。
29.5）本发明的集束板空气预热器，集束板可以竖直安装，也可以水平安装，也可以倾斜安装，角度在0~90
°
之间均可，安装布置方便。
30.6）本发明的集束板空气预热器，空气走板管内，烟气走板管外，作为常规板式空气预热器使用；也可以烟气走板管内，空气走板管外，作为烟管式空气预热器使用，可以灵活选择。
31.7）本发明的集束板空气预热器，n组（50≥n≥1）集束板平行布置在同一壳体内，容易实现大型化。
32.8）本发明的集束板空气预热器，集束板一端管板作为固定端，另一端管板作为自由端，自由端带膨胀节，集束板可以自由热胀冷缩。
33.9）本发明的集束板空气预热器，板片材质自由，可以按烟气的不同温度，在金属板和非金属板中选择。
34.10）本发明的集束板空气预热器，由m（200≥m≥10）组等长的板管叠置集成的模块化集束板，独立性、互换性、通用性好，制造、维修方便。
35.11）本发明的集束板空气预热器，壳程进出口可布置在同侧、对面或邻侧，接口布置灵活。
36.12）本发明的集束板空气预热器，应用范围广，选择不锈钢板、碳钢板可以做中温空气预热器使用，选择非金属板可以做低温空气预热器使用。
37.下面用附图和具体实施方式对本发明予以详细说明，但附图和具体实施方式并不限制本发明的范围。
附图说明
38.图1为本发明的集束板空气预热器100的3d视图；图2为本发明的集束板空气预热器100的3d剖视图；图3为本发明的集束板20的3d视图；图4为本发明的板管一24的3d视图；图5为本发明的板管二25的3d视图；图6为本发明的内翅片板50的主视图；图7为本发明的外翅片板55的主视图；图8为本发明的内翅片板50的3d视图；图9为本发明的外翅片板55的3d视图；图10为图2中局部视图i的放大视图；图11为物流
①
、物流
②
在导流筒的集束管内逆流流动的3d示意图；图12为图11去除板管内外翅片后的3d示意图；图13为本发明膨胀节40的3d视图。
39.图中所示附图标记为：100、集束板空气预热器；
①
、物流；
②
、物流；10、壳体；11、壳程；12、壳程；
13、物流
①
入口；14、物流
①
出口；15、物流
②
入口；16、物流
②
出口；20、集束板；21、固定端管板；22、自由端管板；23、捆扎带；24、板管一；25、板管二；26、螺栓螺母；27、条形开孔；30、固定端内隔板；31、中间内隔板；32、自由端内隔板；33、导流筒；40、膨胀节；41、u形波节；42、上端法兰；43、下端法兰；50、内翅片板；51、内折边板；52、内支撑柱；53、内翅片；54、内折边；55、外翅片板；56、外折边板；57、外支撑柱；58、外翅片；59、外折边。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
41.如图1所示，以集束板竖直安装的一种集束板空气预热器100为例加以详细说明本发明。
42.本实施例中，
①
、
②
为物流代号。
43.图1为本发明的集束板空气预热器100的3d视图，图2为本发明的一种集束板空气预热器100的3d剖视图。
44.如图1、图2所示，本发明的集束板空气预热器100，由壳体10、集束板20、固定端内隔板30、中间内隔板31、自由端内隔板32和导流筒33组成，四组集束板20水平布置在壳体内，固定端内隔板30、中间内隔板31、自由端内隔板32竖直布置。壳体10内部由固定端内隔板30、中间内隔板31、自由端内隔板32分成两壳程，分别是壳程11和壳程12。集束板20由中间内隔板31分隔成两段，其中一段在壳程11内，另一段在壳程12内。导流筒33包覆在集束板20的中段，导流筒33与中间内隔板31焊接密封连接。壳体10上有四个接口，分别是物流
①
入口13、物流
①
出口14、物流
②
入口15和物流
②
出口16。
45.图3为本发明的集束板20的3d视图。集束板20主要由固定端管板21、自由端管板22、捆扎带23、多个板管一24、1个板管二25和膨胀节40组成，板管一24和板管二25平行布置且长度相同，板管一24和板管二25叠置通过多条捆扎带23组合成一体，板管一24和板管二25的一端连接固定端管板30，另一端连接自由端管板32，自由端管板32另一端连接膨胀节40，自由端管板22和膨胀节40由螺栓螺母26紧固连接，固定端管板21上有与固定端内隔板30连接的螺栓螺母26，膨胀节40上也有与自由端内隔板连接的螺栓螺母26。本实施例中，板管一24有九个，板管二25有一个，九个板管一24和一个板管二25叠置通过多条捆扎带23组合成一体。固定端管板21和自由端管板22上有条形开孔27，通过条形开孔27，板管一24、板管二25与固定端管板21和自由端管板22固定密封连接，连接方式采用现有成熟技术，此处
不再详述。固定端管板21为固定端，自由端管板22连接的膨胀节40端为自由端，膨胀节40与自由端管板22通过螺栓螺母26密封连接。
46.图4为本发明的板管一24的3d视图，板管一24由内翅片板50和外翅片板55对扣密封连接而成。内翅片板50的内折边54与外翅片板55的外折边59的具体对扣密封连接方式，可以根据材质具体选择焊接、熔接、粘接，焊接、熔接、粘接为现有技术，此处不再详述。
47.图5为本发明的板管二25的3d视图，板管二25由内翅片板50和外折边板56对扣密封连接而成。内翅片板50的内折边54与外折边板56的外折边59的具体对扣密封连接方式，可以根据材质具体选择焊接、熔接、粘接。
48.图6为本发明的内翅片板50的主视图。
49.图8为本发明的内翅片板50的3d视图。
50.如图6、图8所示，内翅片板50由内折边板51、内支撑柱52、内翅片53组成，内折边板51的上下两侧有折向内支撑柱52同面的内折边54，内支撑柱52、内翅片53布置在内折边板51的同一侧。内翅片53布置在内折边板51的中间，内支撑柱52布置在内折边板51的两端。内折边板51、内支撑柱52、内翅片53可以是金属材料，也可以是非金属材料。
51.如果内折边板51、内支撑柱52、内翅片53为金属材料，那么，内支撑柱52、内翅片53可以焊接在内折边板51上。
52.如果内折边板51、内支撑柱52、内翅片53为氟塑料材料，那么，内支撑柱52、内翅片53可以熔接在内折边板51上。
53.如果内折边板51为玻璃材料，内支撑柱52、内翅片53为非金属材料，那么，内支撑柱52、内翅片53可以粘接在内折边板51上。
54.图7为本发明的外翅片板55的主视图。
55.图9为本发明的外翅片板55的3d视图。
56.如图7、图9所示，外翅片板55由外折边板56、外支撑柱57、外翅片58组成，外折边板56的上下两侧有折向外支撑柱57反面的外折边59，外支撑柱57、外翅片58布置在外折边板56的同一侧。外翅片58布置在外折边板56的中间，外支撑柱57布置在外折边板56的两端。外折边板56、外支撑柱57、外翅片58可以是金属材料，也可以是非金属材料。
57.如果外折边板56、外支撑柱57、外翅片58为金属材料，那么，外支撑柱57、外翅片58可以焊接在外折边板56上。
58.如果外折边板56、外支撑柱57、外翅片58为氟塑料材料，那么，外支撑柱57、外翅片58可以熔接在外折边板56上。
59.如果外折边板56为玻璃材料，外支撑柱57、外翅片58为非金属材料，那么，外支撑柱57、外翅片58可以粘接在外折边板56上。
60.如图2及图3所示，本发明的集束板20的固定端管板22安装在固定端内隔板30之上，固定端内隔板30、中间内隔板31、自由端内隔板32分担支撑集束板20的全部重量，自由端管板22与固定端内隔板30通过螺栓螺母26定位并密封连接。膨胀节40与自由端管板22通过螺栓螺母26密封连接成一体。膨胀节40的下端法兰43安装在自由端内隔板32上，通过螺栓螺母26密封连接。集束板20的中段在导流筒33内可以自由热胀冷缩。导流筒33与中间内隔板31焊接密封连接。通过上述固定端内隔板30、中间内隔板31、自由端内隔板32与集束板20的连接，保证了本发明的集束板空气预热器100内部的完全密封，物流
①
、物流
②
不能串
通，同时，解决了集束板20的支撑和热胀冷缩问题。
61.图10为图2中局部视图i的放大视图，给出了物流
①
、物流
②
进出集束板20具体情况的3d视图。
62.如图10所示，物流
①
通过集束板20的固定端管板21的条形开孔27进入板管一24和板管二25内，水平流动，通过自由端管板22的条形开孔27出板管一24和板管二25，再通过膨胀节40流出。
63.如图10所示，在壳体10和中间内隔板31、自由端内隔板32围成的壳程12的空间内，物流
②
进入集束板20下段未包覆导流筒33的板管间的间隙，之后进入导流筒33内，在导流筒33的约束下，沿板管一24和板管二25的板管间空隙水平流动，与板管一24内和板管二25内的物流
①
逆流换热，然后出导流筒33，从集束板20上段未包覆导流筒33的板管间空隙涌出，进入壳体10和固定端内隔板30中间内隔板31围成的壳程11的空间内。
64.图11为物流
①
、物流
②
在导流筒的集束管内逆流流动的3d示意图。
65.图12为图11去除板管内外翅片后的3d示意图，板管看起来更清晰。
66.如图11、图12所示，物流
①
（白色箭头）在板管一24和板管二25的板管内水平流动，物流
②
（黑色箭头）沿板管一24和板管二25的板管间间隙水平流动，物流
①
、物流
②
逆向流动。
67.如图2所示，本实施例中，物流
①
通过物流
①
入口13，进入集束板空气预热器100，在固定端内隔板30的阻隔下，通过集束板20的固定端管板22进入板管一24和板管二25的板管内流动，与物流
②
逆流换热后，从集束板20的膨胀节40端出来后，通过物流
①
出口14离开集束板空气预热器100。
68.如图2所示，本实施例中，物流
②
通过物流
②
入口15，进入集束板空气预热器100的壳程12内，在壳程12的空间内，物流
②
由集束板20下段未包覆导流筒33的板管间空隙进入导流筒33，在导流筒33的约束下，物流
②
沿板管一24和板管二25的板管间空隙流动，与物流
①
逆流换热后，从集束板20上段未包覆导流筒33的板管间间隙出导流筒33，进入壳程11的空间内，然后通过与壳程11空间连通的物流
②
出口16离开集束板空气预热器100。
69.图13为本发明膨胀节40的3d视图。
70.膨胀节40由u形波节41、上端法兰42、下端法兰43组成。本实施例中u形波节41为单波。u形波节41可以是金属，也可以是非金属氟塑料，根据应用场景的烟气温度确定。
实施例
71.下面用实施例来进一步详细说明本发明。
72.实施例1实施例1采用本发明给出的一种集束板空气预热器100应用在150℃低温烟气环境下。
73.本实施例中，物流
①
为烟气，物流
②
为空气。
74.本实施例中，烟气物流
①
进入集束板空气预热器100的温度为20℃。
75.本实施例中，空气物流
②
进入集束板空气预热器100的温度为150℃。
76.本实施例中，由于烟气物流
①
进入集束板空气预热器100的温度为150℃，空气物流
②
进入集束板空气预热器100的温度为20℃，换热过程中烟气侧有水凝结，存在烟气露点
腐蚀问题，所以板管一24和板管二25选聚四氟乙烯材料，膨胀节40选聚四氟乙烯膨胀节，膨胀节40下端螺栓螺母26选聚四氟乙烯螺栓螺母。内隔板32及物流
①
出口14接触烟气物流
①
的表面衬聚四氟乙烯。
77.如图2所示，本实施例中，150℃的烟气物流
①
通过物流
①
入口13进入集束板空气预热器100，通过物流
①
出口14离开。离开时烟气物流
①
的温度约为85℃。
78.如图2所示，本实施例中，20℃空气物流
②
通过物流
②
入口15进入集束板空气预热器100，通过物流
②
出口16离开。离开时空气物流
②
的温度约为100℃。
79.本实施例中，由于板管一24和板管二25、膨胀节40、膨胀节40下端螺栓螺母26均为聚四氟乙烯材质，自由端内隔板32及物流
①
出口14接触烟气物流
①
的表面衬聚四氟乙烯，都具有耐烟气露点腐蚀的性能，因此，实施例1的集束板空气预热器100可以在烟气露点下安全运行。
80.实施例2实施例2采用本发明给出的一种集束板空气预热器100应用在300℃中温烟气环境下。
81.本实施例中，物流
①
为空气，物流
②
为烟气。
82.本实施例中，烟气物流
②
进入集束板空气预热器100的温度为300℃。
83.本实施例中，空气物流
①
进入集束板空气预热器100的温度为100℃。
84.本实施例中，由于烟气物流
②
进入集束板空气预热器100的温度为300℃，空气物流
①
进入集束板空气预热器100的温度为100℃，没有烟气露点腐蚀问题，所以板管一24和板管二25选碳钢管（或不锈钢管），膨胀节40选不锈钢膨胀节，膨胀节40下端螺栓螺母26选碳钢。
85.如图2所示，本实施例中，300℃的烟气物流
②
通过物流
②
入口15进入集束板空气预热器100，通过物流
②
出口16离开。离开时烟气物流
②
的温度约为150℃。
86.如图2所示，本实施例中，100℃空气物流
①
通过通过物流
①
入口13进入集束板空气预热器100，通过物流
①
出口14离开。离开时空气物流
①
的温度约为280℃。
87.本实施例中，由于没有烟气露点腐蚀问题，所以板管一24和板管二25选碳钢管（或不锈钢管），膨胀节40选不锈钢膨胀节。因此，实施例2的集束板空气预热器100可以在300℃的中温烟气环境下安全运行。