传热管以及烟气冷却器的制造方法
【专利摘要】传热管以及烟气冷却器。传热管包括：中部具有椭圆截面的第一和第二液流管，其形状相同，所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b；以及在平行隔开布置的第一和第二液流管外表面上沿液流管轴向以10至30mm间距相互隔开的多对烟气翅片，每对烟气翅片包括相互对齐排列并且共同形成矩形外轮廓的第一和第二烟气翅片。第一和第二烟气翅片的形状相同，均中心对称地设置有与第一和第二液流管外表面形状相适配的第一和第二椭圆弧缺口，每对烟气翅片的第一和第二烟气翅片之间具有沿所述椭圆长轴方向的外侧缝隙。第一、第二液流管、第一和第二烟气翅片的材质均选自碳素钢、ND钢以及不锈钢且各自独立成型并通过焊接连成一体，a与b的比值在1.5至2.5之间。
【专利说明】
传热管以及烟气冷却器
技术领域
[0001 ]本实用新型总体涉及一种热交换器。
【背景技术】
[0002]
【申请人】之前获得的烟气换热器专利CN101762199B中所提出的椭圆基管Η型翅片传 热管具有抗磨损、抗积灰性能良好、流动阻力小、功耗低、结构紧凑、单位空间可容纳更多受 热面等优点。近年来在华能集团、申能集团、中信集团等所下辖电厂获得应用，并取得较好 效果。
[0003] 但是，近年来因环保要求严苛，超低排放技术和低温电除尘器技术获得大力发展 和推广，烟冷器被设置于电除尘器上游，烟尘浓度高达10000~60000mg/Nm 3,烟尘磨损加 剧，积灰越发严重，且烟气降温幅度高达50°C，因此对传热管的流动阻力、流动功耗、传热能 力等均提出了更高要求。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种改进的传热管和烟气冷却器，其能克服现有技术的 某种或某些缺陷。
[0005] 根据本实用新型的第一方面，提供了一种传热管，其包括：
[0006] 中部具有椭圆截面的第一液流管和第二液流管，其中第一液流管和第二液流管的 形状相同，所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b;以及
[0007] 在平行隔开布置的第一液流管和第二液流管二者外表面上沿液流管轴向以10至 30mm间距相互隔开的多对烟气翅片，每对烟气翅片包括相互对齐排列并且共同形成矩形外 轮廓的第一烟气翅片和第二烟气翅片，其中第一烟气翅片和第二烟气翅片的形状相同，均 中心对称地设置有与第一液流管和第二液流管外表面形状相适配的第一椭圆弧缺口和第 二椭圆弧缺口，每对烟气翅片的第一烟气翅片和第二烟气翅片之间具有沿所述椭圆长轴方 向的外侧缝隙，其中第一液流管、第二液流管、第一烟气翅片和第二烟气翅片的材质均选自 碳素钢、ND钢以及不锈钢且各自独立成型并通过焊接连成一体，
[0008] 其中，a与b的比值在1.5至2.5之间。
[0009] 如后所进一步论述，采用这种参数范围的传热管的综合性能得以显著提高。其中a 与b的比值优选在1.7至2.2之间，更优选在2.0左右。
[0010] 根据本实用新型的一个具体实施例，所述矩形的长边的长度为A，短边的长度为B， A与2a的比值在2.4至4.2之间并且B与2b的比值在2.0至3.0之间。A与2a的比值优选在3.0至 3.7之间，更优选为3.3左右;B与2b的比值优选在2.2至2.6之间，更优选为2.4左右。
[0011] 在本实用新型中，所述椭圆的等效圆直径可以在32mm至45mm之间，优选为32mm或 38_。这里的等效圆是指:直接冷乳一个母材圆管而形成目标椭圆管，其中对于目标椭圆管 而言母材圆管的直径就是其等效圆直径。直径为3 2mm或38mm或4 5mm的母材圆管均为市售规 格圆管，购取方便。
[0012]根据本实用新型的又一个具体实施例，外侧缝隙厚度W可以在6mm至12mm之间，优 选为8mm左右。
[0013] 根据本实用新型的一个优选具体实施例，2a为42mm，2bS22mm，ASl40mm，BS 50mm，W为8mm。
[0014] 根据本实用新型的另一个优选具体实施例，2a为52mm，2bS24mm，ASl90mm，BS 60mm，W为8mm。
[0015] 根据本实用新型的又一个具体实施例，烟气翅片的厚度可以在1mm至3mm之间；并 且液流管的管壁厚度可以在2mm至5mm之间。
[0016] 根据本实用新型的又一个具体实施例，液流管的两端部分可以具有圆形截面。这 种两端圆形截面设计的液流管方便在后续组装过程中使用常规标准接头进行连接。
[0017] 根据本实用新型的第二方面，提供了一种用于布置在烟道内的烟气冷却器，其包 括由多个根据上述传热管排列而成的多面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向，每面 墙包括多个水平布置的并且第一液流管和第二液流管两端均垂直伸出烟道侧壁的传热管， 其中每面墙中的传热管的第一液流管和第二液流管均相互并联设置，每个传热管的第一液 流管位于第二液流管的烟气流动的上游方向，并且每面墙中的每个传热管的第一液流管均 通过位于烟道外部的第一大弯管接头与沿烟气流动方向下游的相邻一面墙中的同一水平 高度的传热管的第二液流管串联连接，每面墙中的每个传热管的第二液流管均通过位于烟 道外部的第二小弯管接头与沿烟气流动方向下游的相邻一面墙中的同一水平高度的传热 管的第一液流管串联连接。
[0018] 采用本实用新型的传热管，可以非常方便地在现场例如电厂烟道组装成所需规格 的烟气冷却器，并有效保证了组装效率和质量。
【附图说明】
[0019] 图1为根据本实用新型的传热管的立体图；
[0020] 图2为根据本实用新型的传热管的截面示意图；
[0021 ]图3为现有实例的传热管的截面尺寸示意图；
[0022] 图4为根据本实用新型的对应于Φ32当量圆管的相应椭圆双管的截面尺寸示意 图；
[0023] 图5为根据本实用新型的对应于Φ38当量圆管的相应椭圆双管的截面尺寸示意 图；
[0024]图6为根据本实用新型的电厂锅炉烟气处理系统；
[0025] 图7为使用不同弯管接头互连本实用新型的双管结构时的俯视示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明，本领域技术人员应该理解， 实施例和附图只是为了更好地理解本实用新型，并不用来做出任何限制。
[0027] 参见图1，根据本实用新型的传热管包括平行隔开布置的第一椭圆管11和第二椭 圆管12以及沿椭圆管的纵向或轴向布置的多对相互对齐的翅片（或可称作"H型翅片"）。第 一椭圆管11和第二椭圆管12形状相同。根据实际情况需要，每对翅片以10-30_的间距均匀 隔开。每对翅片包括上翅片21以及下翅片22。第一椭圆管11、第二椭圆管12、上翅片21以及 下翅片22的材质可以选自碳素钢、ND钢以及不锈钢，各自独立成型并随后通过焊接例如高 频闪光电阻焊再连成一体。传热管可以再进一步组装为热交换器(亦可称作"换热器"）安装 在例如电厂的烟道中，如后所进一步详细描述。
[0028]第一椭圆管11和第二椭圆管12通常通入待加热液体例如水，因此亦可称作"液流 管"。虽然图示第一和第二椭圆管全长均为一致的椭圆截面，但椭圆管也可以设计成两端仍 然为圆形截面，只是作为主体的中部制成椭圆截面。这种两端具有圆形截面的椭圆管在后 期组装连接过程中具有优势，可以仍然使用常规的圆截面弯管接头进行互连。
[0029]上翅片21和下翅片22通常直接处于例如烟道的高温高粉尘烟气或烟雾环境中，因 此亦可称作"第一烟气翅片"和"第二烟气翅片"。上翅片21和下翅片22形状完全相同或基本 相同（图示互为镜像），大致均具有矩形外轮廓，中心对称地开设与椭圆管外表面形状相适 配或相吻合的两个椭圆弧缺口以平滑焊接在两个椭圆管上。每对翅片的上翅片21和下翅片 22彼此相互对齐地焊接在椭圆管上之后总体形成矩形外轮廓，但彼此之间具有沿椭圆长轴 方向的外侧缝隙（亦可称作"开缝宽度"）W，外侧缝隙W对称地分居第一椭圆管11和第二椭圆 管12的两外侧以及延伸在这两个椭圆管之间。
[0030]如图2所示，本实用新型的椭圆管的截面椭圆（外轮廓）的长轴长度标示为2a，短轴 长度标示为2b，椭圆管壁厚标示为S。每对翅片的上翅片21和下翅片22所共同形成的总体矩 形外轮廓的长边长度标示为A，短边长度标示为B，上翅片21和下翅片22之间所形成的水平 外侧缝隙厚度或上下距离标示为W。
[0031]图3示出了如CN101762199B公开的现有实际使用的（单管)椭圆传热管的一个实例 的相关尺寸；图4和图5则分别示出了根据本实用新型的两种具有代表性对应于圆管当量管 径（Φ32和Φ38)的传热管的(双管)相应椭圆基管和翅片的各相关尺寸，亦如下表1所示。
[0034]发明人在模拟研究（如后所详细描述)时发现，椭圆管的长短轴之比a/b是一个重 要参数。现有传热管例如图3所示实例的椭圆管的长短轴之比值a/b对于不同应用场合并非 全都适合，有些状况未能充分发挥基管由圆管改为椭圆管后传热能力显著提高、流动阻力 大幅降低、抗积灰能力增强及管束紧凑性改善的优势。
[0035] 通过数值分析、流场显示、回归分析与优化及实验验证已经证实:在烟冷器运行工 况条件下，椭圆形基管的长、短轴比a/b应在1.5~2.5之间，其中a/b的比值在1.7至2.2之间 可以适用于大多数的烟气/水换热场合。
[0036] 另外，发明人更为重要的发现是，上述现有实例的翅片的宽度（长边）、高度（短 边）、开缝宽度、以及椭圆长短轴的尺寸均至为关键。因为这些尺寸的不适当均会使整个翅 片的肋效率偏低，不能充分发挥基管由圆管改为椭圆管后翅片的增强传热作用。基于后面 所描述的模拟研究以及大量的现场试验，发明人最终确定了翅片宽度A、包含翅片开缝宽度 在内的翅片上下延伸总高度B、椭圆长短轴长度之间存在能够实质影响上述性能的相互关 系，即A与2a的比值以及B与2b的比值共同起到关键作用（注意参数B已经包含了开缝宽度W 以及上下翅片的高度之和而非再指单个翅片的高度）。
[0037] 评价翅片性能的主要指标参数之一是翅片效率，分析计算表明，对于基管为椭圆 管的矩形翅片，在翅片高度较低及翅根处曲率半径较大的那部分翅片表面，它的局部翅片 效率具有很高的值，合适的A/2a及B/2b可以大幅提高沿翅片高度方向的局部翅片效率，其 值可达90 %以上，使得翅片的平均翅片效率在80 %以上。
[0038] 合适的A/2a及B/2b可提高翅片和椭圆基管的焊接融合角，焊接融合角反映了Η翅 片和椭圆基管的焊接接触长度，后者显著影响翅片效率的大小。分析和实验均证实：图3所 示现有实例的焊接融合角为149°，而在本实用新型的实施例中焊接融合角均可提高至 161°，增加了10°以上。
[0039] 合适的A/2a及B/2b可提高流体在Η翅片外表面的平均换热系数，提高翅片的传热 能力。
[0040]翅片表面的优化就是寻找使翅片管的传热系数、肋化系数和翅片效率综合最佳时 的A/2a及B/2b，或在一定的肋化系数下，合适的A/2a及B/2b可使翅片表面的传热系数、肋片 效率和流动阻力综合达到最佳值。
[0041 ]此外，Η型翅片的开缝宽度W自身还具有如下作用：
[0042] 1.可引导烟气吹扫管子和肋片上的积灰，取得一定的自清灰效果；
[0043] 2. W的适当宽度能使Η翅片产生轻微的自激振荡，使翅片表面不易积灰，具有自清 灰能力；
[0044] 3.前驻点附近的滞止区及下游分离点后的漩涡区是翅片区域中换热效果较差的 区域，而间隙W的存在相当于在这部分区域不设置传热面。这样虽少布置了一部分传热面 积，但翅片的总传热能力却有所提高。研究表明，随a/b的增大，开缝（间隙）宽度W可相应的 有所减小，在优化研究的基础上，目前的Η型翅片的开缝宽度可以确定为6~12_。
[0045] 根据本实用新型的改进后的传热管至少具有如下优点：
[0046] 1.流动阻力进一步降低7~10%左右，流动阻力的降低可进一步减少风机的功耗， 节省烟冷器的运行费用。以1台1000MW机组的烟冷器为例，每年可节约厂用电约500000千瓦 时。
[0047] 2.降低了风机改造的条件及成本，在合适的条件下，风机可不改造或较小规模改 造，仅此一项即可节约数百万甚至上千万的改造费用。
[0048] 3.总传热能力提高10 %左右，以1台1000MW机组的烟冷器为例，可节省钢材重量约 80~100吨，降低了烟冷器的制造成本。
[0049] 4.提高了管组布置的紧凑性，与原方案相比，紧凑性(m2/m3)约可提高5%以上。
[0050] 5.自清灰能力能力有进一步提高，可减少吹灰器的数目，节约了使用蒸汽或压缩 空气吹灰装置的成本和运行能耗。
[0051] 6.使产品管系多样化，方便组装，更能适应和满足市场的需求。
[0052] 下面以两端具有圆形截面的传热管为例简要描述在现场例如电厂烟道如何组装 为热交换器。
[0053] 首先，将传热管在烟道内排列成沿烟道纵深方向（即沿图7箭头所示烟气流动方 向）相邻的若干面墙（图示为8面墙）。每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向。同一面墙中从 上到下铺排有多个(具体数目可根据实际应用场合而定)横向传热管，其液流管的两端沿水 平方向垂直穿出烟道的相对侧壁50,同时上下翅片之间的外侧缝隙正对烟气流动方向（或 外侧缝隙纵向长度延伸方向与烟气流动方向平行或一致）。同一面墙中所有第一液流管11 与第二液流管12相互并联设置;每个传热管的第一液流管11和第二液流管12均水平布置。 每个传热管的第一液流管11位于第二液流管12的烟气流动的上游方向。在烟道外部使用大 弯管接头31将每面墙中的每个传热管的第一液流管11的一端与沿烟气流动方向下游的相 邻一面墙中的同一水平高度的传热管的第二液流管12的相同端串联连接。同样，在烟道外 部使用小弯管接头32将每面墙中的每个传热管的第二液流管12的一端与沿烟气流动方向 下游的相邻一面墙中的同一水平高度的传热管的第一液流管11的相同端串联连接。如图7 所示，大弯管接头31位于小弯管接头32外侧，在烟道两侧交替布置，在同一水平高度互不干 扰。同一水平高度的第一液流管11和第二液流管12共用一个液体总入口 60和液体总出口 70 〇
[0054] 这种同一面墙中的液流管并联但与下游相邻墙中等高液流管串联的排布方式可 以充分利用烟气余热。另外，在烟道外部互连液流管的方式避开了烟道内部恶劣气氛的影 响，降低了泄漏等故障发生。
[0055] 另外，采用上述方法，可以非常方便地将本实用新型的传热管现场组装成所需规 格的大型热交换器，有效保证了组装效率和质量，并最小化了运输不便等问题。
[0056] 此外，作为共用翅片的双管结构，本实用新型可以应用于管排较长的场合，便于整 排，结构刚性更好，制造工时及成本也更低。双管以上的多管结构尽管也是可行的，但在执 行加工、焊接、运输等操作时将会受限。
[0057]根据本实用新型所组装成的热交换器可以用作烟气冷却器，在例如图6所示的电 厂锅炉尾部烟道回收烟气余热并加热净烟气来实现环保排放。图6示出的电厂采用了低低 温电除尘技术的烟气净化排放系统，在低低温电除尘器前可以增设本实用新型的烟气冷却 器。
[0058] 如图6所示，从锅炉1出来的300°C左右的烟气进入SCR脱硝系统2脱硝之后，进入空 气预热器3进行换热，预热后的空气被送入锅炉。从空气预热器3出来的烟气降至140°C左 右，随后进入本实用新型的烟气冷却器(热交换器)4以与70°C左右的热循环水换热。从烟气 冷却器4出来的烟气降至90°C左右，随后进入低低温电除尘器5进行除尘并再进入脱硫吸收 塔6进行脱硫。从脱硫吸收塔6出来的烟气将至50°C左右，随后进入烟气加热器7。烟气加热 器7与烟气冷却器4共用热循环水，以将50°C左右的净烟气升温至90°C左右后在进入烟囱8 进行排放。
[0059]本实用新型的烟气冷却器的进口水温控制为70°C左右，这可以最小化烟气冷却器 遭受烟气腐蚀，同时兼顾热交换效率。另外，利用共用循环热水将净烟气升温至90°C左右以 后再行排放不但能够符合环保要求，还兼顾了烟肉的腐蚀问题。
[0060]当然，本实用新型的烟气冷却器也可以有其它合适应用，例如用来加热城市热网 循环水;或者用来加热汽机抽汽回热系统中的凝结水以减少用于低压加热器中的蒸汽抽汽 量，而节省的蒸汽量进入低压缸中继续作功发电，以降低汽轮发电机组的标准煤耗率等。
【主权项】
1. 一种传热管，包括： 中部具有椭圆截面的第一液流管和第二液流管，其中第一液流管和第二液流管的形状 相同，所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b;以及 在平行隔开布置的第一液流管和第二液流管二者外表面上沿液流管轴向以10至30mm 间距相互隔开的多对烟气翅片，每对烟气翅片包括相互对齐排列并且共同形成矩形外轮廓 的第一烟气翅片和第二烟气翅片，其中第一烟气翅片和第二烟气翅片的形状相同，均中心 对称地设置有与第一液流管和第二液流管外表面形状相适配的第一椭圆弧缺口和第二椭 圆弧缺口，每对烟气翅片的第一烟气翅片和第二烟气翅片之间具有沿所述椭圆长轴方向的 外侧缝隙，其中第一液流管、第二液流管、第一烟气翅片和第二烟气翅片的材质均选自碳素 钢、ND钢以及不锈钢且各自独立成型并通过焊接连成一体， 其特征在于，a与b的比值在1.5至2.5之间。2. 根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，a与b的比值为2.0左右。3. 根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，所述矩形的长边的长度为A，短边的长度 为B，A与2a的比值在2.4至4.2之间并且B与2b的比值在2.0至3.0之间。4. 根据权利要求3所述的传热管，其特征在于，A与2a的比值为3.3左右;B与2b的比值为 2.4左右。 5 ·根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，外侧缝隙厚度W在6mm至12mm之间。6. 根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，液流管的两端部分具有圆形截面。7. 根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，烟气翅片的厚度在1mm至3mm之间；并且 液流管的管壁厚度在2mm至5mm之间。8. -种用于布置在烟道内的烟气冷却器，其特征在于，包括由多个根据权利要求1-7之 一的传热管排列而成的多面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向，每面墙包括多个水 平布置的并且第一液流管和第二液流管两端均垂直伸出烟道侧壁的传热管，其中每面墙中 的传热管的第一液流管和第二液流管均相互并联设置，每个传热管的第一液流管位于第二 液流管的烟气流动的上游方向，并且每面墙中的每个传热管的第一液流管均通过位于烟道 外部的第一大弯管接头与沿烟气流动方向下游的相邻一面墙中的同一水平高度的传热管 的第二液流管串联连接，每面墙中的每个传热管的第二液流管均通过位于烟道外部的第二 小弯管接头与沿烟气流动方向下游的相邻一面墙中的同一水平高度的传热管的第一液流 管串联连接。
【文档编号】F23J15/06GK205679108SQ201620623964
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日 公开号201620623964.6, CN 201620623964, CN 205679108 U, CN 205679108U, CN-U-205679108, CN201620623964, CN201620623964.6, CN205679108 U, CN205679108U
【发明人】曹绛敏, 王启杰, 宋若槑, 章卫, 张锡奇, 于炜, 郑为民
【申请人】上海和衡能源科技发展有限公司