CN112303625A - 一种燃气辐射管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气辐射管换热器，属于换热器技术领域。该装置位于辐射管排烟段，包括腔体、导流装置、换热管簇、引射装置及排烟弯管，腔体设有助燃空气进口和各处对应的连接法兰，导流装置包括密封壳体、烟气入口端板、烟气出口端板和折流板，换热管簇由数根换热细管组成，引射装置由引射喷咀和引射管与换热器的腔体有机结合形成，引射装置包括引射烟气进口、收缩管、喉管及扩散管，引射装置一端设有助燃空气出口，换热器一端即烟气入口端板处为烟气进口，连通换热管簇，换热器另一端即腔体的端部设有烟气排出口，助燃空气进口和引射管设在腔体的对侧壁上。本发明提高了换热器的换热效率，提高热回收率，达到节能减排的目的。

Description

一种燃气辐射管换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，特别是指一种燃气辐射管换热器。

背景技术

在金属热处理、工业干燥等过程中，随着产品质量和性能要求的不断提高，辐射管这种间接加热技术在工业炉等实际应用领域得到了越来越广泛的应用，特别地，对于辐射管余热回收、污染排放、加热质量和燃烧控制精度的要求也越来越高，而为了进一步提高燃烧效率，降低能耗，辐射管换热装置的需求也越来越大。

辐射管换热器是辐射管的重要部件之一，其综合性能要求是在正常工作情况下，达到尽可能高的空气预热温度和尽可能低的烟气排放温度。常见的辐射管换热器分为自身预热式的辐射管烧嘴换热器和非自身预热式的辐射管换热器。国内外对辐射管换热器的性能研究已有很多成果，旨在提高辐射管换热器的换热效率，大部分都是围绕改进辐射管换热器的结构来展开研究，比如在换热器的换热管壁外增加翅片强化传热，或通过换热表面涂敷特殊材料来提高换热器表面的换热系数，或通过增加换热行程延长换热时间，或通过在换热表面增加麻面的方式来增强化热效果。尽管有的辐射管换热器换热壁面面积有所增大，但存在其结构复杂、辐射管内有限空间利用率低、换热器换热比表面积不高、换热器行程设计不合理而造成一定流动死区等问题，导致在实际生产应用中鲜有推广应用，尤其缺乏换热性能较好的辐射管换热器。

因此，在准确匹配辐射管功率的前提条件下，需要针对如何有效地增加换热比表面积、增加换热行程、优化辐射管换热器结构等做更加深入的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种燃气辐射管换热器，该换热器能够有效地提高换热效果、提高助燃空气的预热温度、降低污染排放，具有高换热面积、换热效率高、制作成本低、制造安装方便等优点。

该装置包括腔体、导流装置、换热管簇、引射装置及排烟弯管，腔体设有助燃空气进口和各处对应的连接法兰，腔体内部设有中心空气换热管及换热管簇，导流装置包括密封壳体、烟气入口端板、烟气出口端板和折流板，换热管簇由数根换热细管组成，引射装置由引射喷咀和引射管与换热器的腔体有机结合形成，引射管一端连接引射喷咀，另一端为助燃空气出口，引射喷咀连接中心空气换热管，中心空气换热管四周设置换热管簇，换热管簇包裹在密封壳体内，换热管簇两端分别设置烟气入口端板和烟气出口端板，烟气入口端板处为烟气进口，换热管簇的细管之间设置折流板，腔体通过排烟弯管连接烟气排出口，助燃空气进口和引射管设在腔体的对侧壁上。

引射管包括引射烟气进口、收缩管、喉管及扩散管，引射烟气进口、收缩管、喉管及扩散管按烟气流向依次布置，扩散管处设有助燃空气出口。

辐射管换热器的烟气为一行程，烟气由烟气进口流入换热管簇，换热后烟气的一部分(一般为5-50％)由热空气引射管引射进入空气通道,并与空气混合由助燃空气出口排出,其余烟气从排出口排出；换热器的助燃空气为多行程，助燃空气由助燃空气进口流入换热器，与换热管簇中的烟气进行一次逆流换热，经折流板折返至烟气入口端板后汇流到中心空气换热管中，接着与前段行程的空气进行二次逆流换热，预热后的助燃空气从助燃空气出口排出。

换热管簇的换热细管不少于三根，换热细管的排布方式为同心圆排列、正方形排列或正三角形排列中的一种，换热管簇为耐热合金钢制成的直管或螺旋波纹管。折流板为包含穿孔的弓形折流板、螺旋折流板或圆盘-圆环形折流板中的一种，需保证换热细管能够穿过。

中心空气换热管和腔体为同轴分布，中心空气换热管直管端部与烟气入口端板之间留有适当距离，中心空气换热管分为弯管段和直管段，直管段的中心线与密封壳体的中心线重合，弯管段的弯曲半径根据腔体内径而定，一般弯管段的弯曲半径为直管段直径的1-5倍。

引射喷咀与引射管均为可拆卸装置，且收缩管、喉管、扩散管的具体结构设计满足足够的引射系数；引射喷咀与引射管同轴。

引射管与腔体之间采用螺纹连接，中心空气换热管和引射喷咀之间采用螺纹连接，便于调节引射喷咀与引射烟气进口之间距离，由于喷射形成负压，助燃空气抽吸一定烟气量，使得辐射管烧嘴在运行过程中实现了烟气自循环，有利于燃烧器实现低氧燃烧，降低污染物排放，引射喷咀管口直径不大于中心空气换热管的直径。

密封壳体外径小于辐射管内径,中心空气换热管的外径不大于3/4倍的密封壳体外径，换热细管的外径大于等于6mm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明的燃气辐射管换热器，通过设计换热管簇，大幅增加了有效换热面积，并在其内外避免涂敷ZS耐高温远红外辐射涂料，提高了换热系数，达到了强化换热的效果。

2、在本发明中，换热管簇和中心空气换热管的结构设计，使得助燃空气先与烟气逆流换热，后又与前段行程的空气进行二次换热，大大增加了空气的换热行程和换热时间，提高了空气侧的换热系数，整体上提高了换热器的换热效率。

3、在本发明中，设计了科学合理的可拆装的引射喷咀和引射管，实现了助燃热空气抽吸一定烟气量，使得辐射管烧嘴在运行过程中实现了烟气自循环，既有利于燃烧器实现低氧燃烧，又可以提高热回收率，达到节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明装置的正视剖视图，图中箭头所示为助燃空气的流向；

图2为本发明装置的左视图；

图3为本发明装置的俯视图；

图4为本发明装置的立体结构示意图；

图5为本发明装置与辐射管燃烧装置配套使用的结构示意图。

其中：1-烟气排出口，2-排烟弯管，3-腔体，4-中心空气换热管，5-助燃空气进口，6-密封壳体，7-换热管簇，8-引射喷咀，9-引射管，9.1-引射烟气进口，9.2-收缩管，9.3-喉管，9.4-扩散管，10-助燃空气出口，11-烟气出口端板，12-折流板，13-烟气入口端板，14-烟气进口，15-烧嘴，16-辐射管。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种燃气辐射管换热器。

如图1、图2、图3及图4所示，该装置包括腔体3、导流装置、换热管簇7、引射装置及排烟弯管2，腔体3设有助燃空气进口5和各处对应的连接法兰，腔体3内部设有中心空气换热管4及换热管簇7，导流装置包括密封壳体6、烟气入口端板13、烟气出口端板11和折流板12，换热管簇7由数根换热细管组成，材质为耐高温合金钢；引射装置是由引射喷咀8和引射管9与腔体3有机结合而形成的，引射管9由引射烟气进口9.1、收缩管9.2、喉管9.3、扩散管9.4组成，在扩散管9.4管端设有助燃空气出口10。换热器的一端即烟气入口端板13处为烟气进口14，连通换热管簇7；换热器的另一端即排烟弯管2的端部设有烟气排出口1，连接烟气后处理设备；助燃空气进口5和引射管9设在腔体3的对侧壁上。换热器腔体2、烟气入口端板13、烟气出口端板11和折流板12均采用耐热钢精密铸造成型，并且需要经过进一步热处理，避免在高温条件下运行时造成太大的热应力变形；助燃空气进口5、烟气排出口1、助燃空气出口10段均为不锈钢焊接结构，焊接有相应的管道连接法兰；腔体3、密封壳体6与辐射管16连接的法兰片上设置有紧固孔，尾部为大螺纹结构设计。

燃气辐射管换热器的换热管簇内含一定数量的换热细管，其排布方式可为同心圆排列、正方形排列或正三角形排列，在本发明示意图中，换热管簇的换热细管以密封壳体和腔体的中心线为中心线进行同心圆排列，换热细管分为三个不同径向分布，最内圈换热细管至壳体中心线距离为20-30mm，中间圈换热细管至壳体中心线距离为34-44mm，最外圈换热细管至壳体中心线距离为48-58mm。引射喷咀管口直径为15-27mm，换热细管的外径为8-16mm，中心空气换热管的外径为20-38mm，二者的壁厚在0.5-5mm之间。换热管簇7可为直管或螺旋波纹管，在本发明的示意图中均以直管为例。中心空气换热管4位于换热器轴心位置，其安装在烟气出口端板11和烟气进口端板13上。引射喷咀采用螺纹配合连接安装在中心空气换热管4的弯管端部，引射管9同样采用螺纹配合连接安装在腔体3侧壁上，引射喷咀8与引射管9为同轴分布，且在实际运行中二者都能够进行拆卸、更换，可使得助燃热空气抽吸带走一定烟气量。此外，中心空气换热管4直管段端部与烟气入口端板13需保持一定距离，以保证助燃空气经过一次逆流换热能够正常汇流到中心空气换热管4中。换热管簇7、中心空气换热管4、腔体3和密封壳体6内壁表面均需要涂敷ZS耐高温远红外辐射涂料；换热器各部件之间的法兰连接时要设置耐高温密封圈，务必保证密封性良好。特别地，烟气出口端板11与腔体3、烟气入口端板13与密封壳体6之间要通过特殊焊接密封，防止烟气和空气窜漏。

如图5所示，以U型辐射管为例，将本发明的换热器安装在辐射管16的排烟段，烧嘴15安装在辐射管16的另外一端。其中，烧嘴15的外观尺寸需匹配换热器外观尺寸和辐射管16的直管间距，保证烧嘴15的空气管与引射管9能够用对接法兰连接。在换热过程中，烟气侧为一行程，烧嘴15燃烧后产生的高温烟气沿着管体流向排烟段，由烟气入口端板13处的烟气进气口14进入各个换热管簇7，经过换热管簇7换热后，大部分烟气经由烟气排出口1排出，少量烟气由于抽吸作用与助燃空气混合进入引射管9中；换热器的腔体3和密封壳体6内壁与折流板12的缝隙形成空气通道，换热器的助燃空气侧为多行程，助燃空气由助燃空气进口5进入换热器，经过折流板12折返与换热管簇7中的烟气一次逆流换热后至烟气入口端板13，汇流到中心空气换热管4中，之后中心空气换热管4中的空气与前段行程的空气进行二次逆流换热，之后经过引射喷咀8喷射由助燃空气出口10排出，预热后的助燃空气和少量烟气混合后通过换热器的引射管9送入烧嘴15进行燃烧。

换热器烟气通道为管内，通过毛刷、高压水喷射清洗等方法进行不定期清理，防止换热器堵塞，以保证换热器正常工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃气辐射管换热器，其特征在于：包括腔体(3)、导流装置、换热管簇(7)、引射装置及排烟弯管(2)，腔体(3)设有助燃空气进口(5)和各处对应的连接法兰，腔体(3)内部设有中心空气换热管(4)及换热管簇(7)，导流装置包括密封壳体(6)、烟气入口端板(13)、烟气出口端板(11)和折流板(12)，引射装置包括引射喷咀(8)和引射管(9)，引射管(9)一端连接引射喷咀(8)，另一端为助燃空气出口(10)，引射喷咀(8)连接中心空气换热管(4)，中心空气换热管(4)四周设置换热管簇(7)，换热管簇(7)包裹在密封壳体(6)内，换热管簇(7)两端分别设置烟气入口端板(13)和烟气出口端板(11)，烟气入口端板(13)处为烟气进口(14)，换热管簇(7)的细管之间设置折流板(12)，腔体(3)通过排烟弯管(2)连接烟气排出口(1)，助燃空气进口(5)和引射管(9)设在腔体(3)的对侧壁上。

2.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述引射管(9)包括引射烟气进口(9.1)、收缩管(9.2)、喉管(9.3)及扩散管(9.4)，引射烟气进口(9.1)、收缩管(9.2)、喉管(9.3)及扩散管(9.4)按烟气流向依次布置，扩散管(9.4)处设有助燃空气出口(10)。

3.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述辐射管换热器的烟气为一行程，烟气由烟气进口(14)流入换热管簇(7)，换热后烟气的一部分由热空气引射管(9)引射进入空气通道,并与空气混合由助燃空气出口(10)排出,其余烟气从排出口(1)排出；换热器的助燃空气为多行程，助燃空气由助燃空气进口(5)流入换热器，与换热管簇(7)中的烟气进行一次逆错流换热，经折流板(12)折返至烟气入口端板(13)后汇流到中心空气换热管(4)中，接着与前段行程的空气进行二次逆流换热，预热后的助燃空气从助燃空气出口(10)排出。

4.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述换热管簇(7)由不少于三根的换热细管组成，换热细管的排布方式为同心圆排列、正方形排列或正三角形排列中的一种，换热管簇(7)为耐热合金钢制成的直管或螺旋波纹管。

5.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述中心空气换热管(4)和腔体(3)为同轴分布，中心空气换热管(4)直管端部与烟气入口端板(13)之间留有不少于5mm的距离，中心空气换热管(4)分为弯管段和直管段，直管段的中心线与密封壳体(6)的中心线重合，弯管段管口中心线与引射管(9)中心线重合，弯管段弯曲半径由直管段的长度和引射管(9)的位置共同决定。

6.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述引射喷咀(8)与引射管(9)均为可拆卸装置，引射喷咀(8)与引射管(9)同轴，且引射管(9)与腔体(3)之间采用螺纹连接，中心空气换热管(4)和引射喷咀(8)之间采用螺纹连接，且引射喷咀(8)管口直径小于或等于中心空气换热管(4)的直径。

7.根据权利要求1所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述折流板(12)为为穿孔的弓形折流板、螺旋折流板或圆盘-圆环形折流板中的一种，保证换热细管能够穿过。

8.根据权利要求4所述的燃气辐射管换热器，其特征在于：所述密封壳体(6)外径小于辐射管内径,中心空气换热管(4)的外径小于或等于3/4倍的密封壳体(6)外径，换热细管的外径大于等于6mm。

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