本发明涉及环保节能设备技术领域，尤其是一种炭素罐式煅烧炉用烟气降温装置。
背景技术
人类社会己经发展到一个新阶段，工业迅速的发展导致对能源的需求量在不断增加。但与此同时，我国正面临着能源需求紧张和环境污染严重的问题，因此开发新型能源和节省能源消耗已经是我国经济发展的重点方向。换热器是开发利用和节省能源的有效设备，在换热和工业余热回收中，它被广泛地应用于许多工程领域中，因此换热器的研发受到我国政府及研究机构的高度重视。空气换热器是高温烟气余热回收利用的主要设备，但是现有的空气换热器的换热效果都不理想，导致大量的余热浪费，因此，研究改进空气换热器对提高热能利用率，推进节能减排，加强环境保护等具有重要意义。
技术实现要素：
本发明旨在解决上述问题，提供了一种炭素罐式煅烧炉用烟气降温装置，它换热率高，易维护，使用寿命长，可防止露点腐蚀，其采用的技术方案如下：
一种炭素罐式煅烧炉用烟气降温装置，其特征在于，包括:机架、水箱、烟箱和超导热管总成，所述烟箱具有进烟口和出烟口，所述进烟口位于烟箱左侧，所述出烟口位于烟箱右侧，所述烟箱固定安装于机架上，所述超导热管总成安装于水箱和烟箱上，所述超导热管总成的吸热端位于烟箱中，所述超导热管总成的放热端位于水箱中，所述超导热管总成盛装有可相变无机介质，所述超导热管总成由若干组超导热管单元组组成，所述超导热管单元组由若干条超导热管组成，所述烟箱的底部具有倒锥形的灰仓，所述灰仓的底端具有清灰口，所述水箱固定安装于烟箱顶部，所述水箱具有进水口和出水口，所述出水口位于水箱右侧底部处，所述出水口位于水箱左侧顶部处，如此水流在水箱中的流动方向与烟气在烟箱中的流动方向相反。
在上述技术方案基础上，所述超导热管上部位于水箱中，下部位于烟箱中，所述超导热管的上部为光管，所述超导热管的下部外周向面上具有螺旋翅片，所述螺旋翅片上开设有若干条自螺旋翅片外缘向内延伸的小豁口，所述小豁口的长度小于螺旋翅片的高度。
在上述技术方案基础上，每个超导热管单元组均由六根超导热管组成，六根超导热管分别为第一超导热管、第二超导热管、第三超导热管、第四超导热管、第五超导热管和第六超导热管；一个超导热管单元组内六根超导热管以下列的方式排分：第一超导热管、第二超导热管、第三超导热管和第四超导热管呈等腰梯形分布，所述第一超导热管与第二超导热管之间的连线为第一连线，所述第二超导热管与第三超导热管之间的连线为第二连线，所述第三超导热管与第四超导热管之间的连线为第三连线，所述第一超导热管与第四超导热管之间的连线为第四连线，所述第二超导热管与第五超导热管之间的连线为第五连线，所述第三超导热管与第五超导热管之间的连线为第六连线，所述第六超导热管与第四超导热管之间的连线为第七连线，所述第五连线与第六连线夹角为90°且第五连线与第六连线等长，所述第一超导热管与第四超导热管同列设置，所述第三超导热管与第二超导热管同列设置，所述第一连线与第四连线之间的夹角为72°，所述第一连线与第二连线等长，所述第七连线与第六连线平行且等长，所述第五超导热管位于第一超导热管、第二超导热管、第三超导热管和第四超导热管构成的等腰梯形内部，所述第六超导热管位于等腰梯形的侧边处，前后相邻的两超导热管单元组之间同列排布，前后相邻的两超导热管单元组之间：第一个超导热管单元组的第四超导热管与第二个超导热管单元组的第一超导热管之间连线与第二连线平行且等长，以此类推，同列均如此；左右相邻的两超导热管单元组之间同行排布，左右相邻的两超导热管单元组之间：第一个超导热管单元组的第五超导热管至第一个超导热管单元组的第二连线的垂直距离与第一个超导热管单元组的第二连线至第二个超导热管单元组的第四连线的垂直距离相等，所述超导热管内壁上具有凹槽。
在上述技术方案基础上，所述烟箱中设置有静电除尘装置，所述静电除尘装置的正极设置于靠近出烟口处，所述静电除尘装置的负极设置于靠近进烟口处。
在上述技术方案基础上，所述烟箱内壁涂有涂层，所述涂层由底漆和面漆构成，所述底漆由以下组分按质量份数组成：改性有机硅树脂42份，氧化铁红16份，铝粉浆1份，超细滑石粉8粉，改性有机膨润土1份，二甲苯8份，正丁醇6份，分散剂、润湿剂和消泡剂共1.3份；所述面漆由以下组分按质量份数组成：改性有机硅树脂50份，氧化铬绿26份，改性有机膨润土0.7份，二甲苯5份，成膜助剂2份，正丁醇3.5份，分散剂、润湿剂和消泡剂共1份。
在上述技术方案基础上，所述超导热管及所述螺旋翅片上搪烧有釉层，所述釉层由以下组分按质量份数组成：二氧化硅50-60份，三氧化二铝2-3份，b2o33-7份，na2o8-15份，氧化钙2-3份，氧化铅4-5份，六偏磷酸钠3-5份、氧化锌2-3份、碳化锆8-10份、氮化硅4-5份、碳酸钇4-5份。
在上述技术方案基础上，所述釉层由以下组分按质量份数组成：二氧化硅60份，三氧化二铝3份，b2o36份，na2o8份，氧化钙3份，氧化铅5份，六偏磷酸钠4份、氧化锌3份、碳化锆10份、氮化硅5份、碳酸钇5份。
在上述技术方案基础上，所述进烟口处设置有用于检测烟气进入速度的气体流量计，与烟箱的出烟口相连的管路上设置有风机。
在上述技术方案基础上，所述超导热管的外径为46mm,所述螺旋翅片的厚度为1.3mm，所述螺旋翅片的螺距为5mm,所述螺旋翅片的直径为70mm，所述超导热管由左至右共39排。
在上述技术方案基础上，所述超导热管的长度为l
式中，dz为热管的蒸汽腔直径，h为工质的汽化潜热，ρz为工质的蒸汽密度，pz为饱和蒸汽压力，rq为气泡生成半径，r1为管壳内径，rz为蒸汽腔半径，μz为蒸汽动力粘度，k为浸满液体吸液芯的导热系数，tz为热管工作温度k，σ为液化工质表面张力系数。
本发明的有益效果为：换热率高，易维护，使用寿命长，可防止露点腐蚀。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：本发明的剖面结构示意图；
图3：本发明所述超导热管的分布视图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种炭素罐式煅烧炉用烟气降温装置，其特征在于，包括:机架1、水箱2、烟箱3和超导热管总成4，所述烟箱3具有进烟口30和出烟口31，所述进烟口30位于烟箱3左侧，所述出烟口31位于烟箱3右侧，所述烟箱3固定安装于机架1上，所述超导热管总成4安装于水箱2和烟箱3上，所述超导热管总成4的吸热端位于烟箱3中，所述超导热管总成4的放热端位于水箱2中，所述超导热管总成4盛装有可相变无机介质，所述超导热管总成4由若干组超导热管单元组组成，所述超导热管单元组由若干条超导热管组成，所述烟箱3的底部具有倒锥形的灰仓30，所述灰仓30的底端具有清灰口31，所述水箱2固定安装于烟箱3顶部，所述水箱2具有进水口20和出水口21，所述出水口21位于水箱2右侧底部处，所述出水口21位于水箱2左侧顶部处，如此水流在水箱2中的流动方向与烟气在烟箱3中的流动方向相反，逆流换热效率更高。
优选的，所述超导热管上部位于水箱2中，下部位于烟箱3中，所述超导热管的上部为光管，所述超导热管的下部外周向面上具有螺旋翅片40，所述螺旋翅片40上开设有若干条自螺旋翅片40外缘向内延伸的小豁口，所述小豁口的长度小于螺旋翅片40的高度。螺旋翅片40增加了流体在管间的流动阻力损失。
对流换热过程中物理量能反映换热器内部流体的传热情况。在对流换热的过程中主要影响的是表面传热系数а，由于表面传热系数а是许多影响因素的复杂函数，为了方便理解，将其写出准则间的函数关系，即
nu＝f(re，pr)
以上三个准则数都是量纲为一的量，它们各代表影响对流换热的某一方面的影响因素。
(1)努塞尔数:
它表达了对流换热量与同温差下厚度为l的流体层的、导热量之比。它反映了对流换热的强弱程度。
(2)雷诺数:
它表达了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小。re数值大说明流体的惯性力的作用大，流态往往呈现湍流；re数值小说明流体的惯性力的作用小，流态往往是层流；因此，re是说明流体流态的相似准则。
(3)普朗特数:pr＝v/a＝μcp/λ
它完全由流体的有关物性参数所组成，故又称物性准则。它反映了流体的动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。pr是说明流体物理性质对对流换热影响的相似准则。相似准则nu,re,pr包含了影响对流换热现象的一切物理量，所以可以用准则间的函数关系表示表面传热系数与诸因素的函数关系。
烟气在遇到螺纹翅片后，由于螺纹翅片和超导热管的阻挡出现扰流现象，使后排的超导热管的烟气速度受到影响，在每个超导热管的右侧，烟气的速度明显比左侧小很多，这样就形成尾流区，使得翅片右侧区域换热效果削弱。如图3所示，优选的，每个超导热管单元组均由六根超导热管组成，六根超导热管分别为第一超导热管4a、第二超导热管4b、第三超导热管4c、第四超导热管4d、第五超导热管4e和第六超导热管4f；一个超导热管单元组内六根超导热管以下列的方式排分：第一超导热管4a、第二超导热管4b、第三超导热管4c和第四超导热管4d呈等腰梯形分布，所述第一超导热管4a与第二超导热管4b之间的连线为第一连线l1，所述第二超导热管4b与第三超导热管4c之间的连线为第二连线l2，所述第三超导热管4c与第四超导热管4d之间的连线为第三连线l3，所述第一超导热管4a与第四超导热管4d之间的连线为第四连线l4，所述第二超导热管4b与第五超导热管4e之间的连线为第五连线l5，所述第三超导热管4c与第五超导热管4e之间的连线为第六连线l6，所述第六超导热管4f与第四超导热管4d之间的连线为第七连线l7，所述第五连线l5与第六连线l6夹角为90°且第五连线l5与第六连线l6等长，所述第一超导热管4a与第四超导热管4d同列设置，所述第三超导热管4c与第二超导热管4b同列设置，所述第一连线l1与第四连线l4之间的夹角为72°，所述第一连线l1与第二连线l2等长，所述第七连线l7与第六连线l6平行且等长，所述第五超导热管4e位于第一超导热管4a、第二超导热管4b、第三超导热管4c和第四超导热管4d构成的等腰梯形内部，所述第六超导热管4f位于等腰梯形的侧边处，前后相邻的两超导热管单元组之间同列排布，前后相邻的两超导热管单元组之间：第一个超导热管单元组的第四超导热管4d与第二个超导热管单元组的第一超导热管4a之间连线与第二连线l2平行且等长，以此类推，同列均如此；左右相邻的两超导热管单元组之间同行排布，左右相邻的两超导热管单元组之间：第一个超导热管单元组的第五超导热管4e至第一个超导热管单元组的第二连线l2的垂直距离与第一个超导热管单元组的第二连线l2至第二个超导热管单元组的第四连线l4的垂直距离相等，经实验，此排管方式，可使超导热管右侧的尾流区得到有效改善，空气温度场相较顺排的方式更加均匀，同时因为空气流动方向的改变必将引起能量损失，从而增加了空气流经管束时的流动阻力，烟气在管束间流动时速度场与热流场的场协同程度更高，所述超导热管内壁上具有凹槽。沸腾是从产生气泡开始，因此气泡产生的数量和频率是影响管内沸腾传热性能主要原因。气泡生成有两个条件:第一，液体必须过热；第二，必须有气化核心。气化核心是沸腾的充分条件，经过理论与实验研究得出，只有在管壁气化核心处才能够产生气泡。管壁上的凹槽提供了更多潜在的汽化核心。管内汽化核心增加的同时管内核态沸腾传热过程也会增强，因此增大了换热系数。
优选的，所述烟箱3中设置有静电除尘装置，所述静电除尘装置的正极51设置于靠近出烟口31处，所述静电除尘装置的负极50设置于靠近进烟口30处。静电除尘装置作用一是除尘，二是产生电晕风，加强风速。
优选的，所述烟箱3内壁涂有涂层，所述涂层由底漆和面漆构成，所述底漆由以下组分按质量份数组成：改性有机硅树脂42份，氧化铁红16份，铝粉浆1份，超细滑石粉8粉，改性有机膨润土1份，二甲苯8份，正丁醇6份，分散剂、润湿剂和消泡剂共1.3份；所述面漆由以下组分按质量份数组成：改性有机硅树脂50份，氧化铬绿26份，改性有机膨润土0.7份，二甲苯5份，成膜助剂2份，正丁醇3.5份，分散剂、润湿剂和消泡剂共1份。制备的涂层解决了因检修时要除去设备中的可燃成分，需周期性24～48h/240℃过热蒸汽吹扫的工艺要求。涂层光亮，耐结垢性好。涂装后的涂层经日后装配在工艺线上的高温流程二次高温固化，可获多维交联的分子网状结构体，发挥出最大的防腐特性。
优选的，所述超导热管及所述螺旋翅片40上搪烧有釉层，所述釉层由以下组分按质量份数组成：二氧化硅50-60份，三氧化二铝2-3份，b2o33-7份，na2o8-15份，氧化钙2-3份，氧化铅4-5份，六偏磷酸钠3-5份、氧化锌2-3份、碳化锆8-10份、氮化硅4-5份、碳酸钇4-5份。
优选的，所述釉层由以下组分按质量份数组成：二氧化硅60份，三氧化二铝3份，b2o36份，na2o8份，氧化钙3份，氧化铅5份，六偏磷酸钠4份、氧化锌3份、碳化锆10份、氮化硅5份、碳酸钇5份。
经实验：
可见无论冲击高度、急冷温差、耐腐蚀性和导热性能都有明显的提升，可以有效减少在螺旋翅片及超导热管上积灰，避免露点腐蚀，提高导热性能。
优选的，该炭素罐式煅烧炉用烟气降温装置还包括用于给超导热管加热的加热装置，所述加热装置安装于水箱上，从而可把超导热管管壁温度调至低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。
优选的，所述进烟口处设置有用于检测烟气进入速度的气体流量计，与烟箱3的出烟口31相连的管路上设置有风机，所述气体流量计与风机电连接，烟气进入进烟口的速度不小于5.13m/s。当烟气进入进烟口的速度不足5.13m/s时，风机开启。经有限元分析，烟气进入进烟口的速度提高，雷诺数增大，表面换热系数也在增加。
螺旋翅片的直径、厚度、螺距及超导热管的排数这4个因素都会影响传热面积，根据公式q＝ka△tm，式中：q—传热速率，w；k—换热器的传热系数；a—传热面积；△tm—对数平均温差。可知，改变传热面积a即可改变传热速率，但这4个因素都是变量，整体而言，是一个多变量优化的问题，通过有限元分析用数值法优选各参数。
经实验，随着螺旋翅片逐渐变厚，对应的表面换热系数也增加，但超过1.3mm后变化不显著，故结合设备的整体造价及螺旋翅片的抗冲击性(主要是指冲洗除尘时，水流对螺旋翅片的冲击)两方面考虑，选用厚度为1.3mm。随着螺旋翅片40的螺距的减少，及螺旋翅片40直径的增加都会使得表面换热系数增加，但经实验螺旋翅片40直径的变化对表面换热系数的影响比螺旋翅片40的螺距的变化对表面换热系数的影响要大，过分减少螺旋翅片40的螺距不但对表面换热系数的提高力度不大，而且易造成在螺距内积灰，且螺距越小，积灰越多也越难清理，故采用优先加大螺旋翅片直径的方案，但螺旋翅片直径也不能过大，一是影响安装，二是超过70mm后表面换热系数变化不显著；经有限元分析，当超导热管管排数为39排时，总换热量达到最大，当管排数足够多时，换热器的换热性能不会随管排数的增加而得到提高，过多的管排会造成设备臃肿，换热面积浪费。故优选的，所述超导热管的外径为46mm,所述螺旋翅片40的厚度为1.3mm，所述螺旋翅片40的螺距为5mm,所述螺旋翅片40的直径为70mm，所述超导热管由左至右共39排。
热管的传热能力虽然很大，但并不能无限地加大热负荷，事实上，热管的传热能力受到如管内工质的性质、外部传热条件及热管本身结构尺寸等影响。进一步，所述超导热管的长度为l
式中，dz为热管的蒸汽腔直径，h为工质的汽化潜热，ρz为工质的蒸汽密度，pz为饱和蒸汽压力，rq为气泡生成半径，r1为管壳内径，rz为蒸汽腔半径，μz为蒸汽动力粘度，k为浸满液体吸液芯的导热系数，tz为热管工作温度k，σ为液化工质表面张力系数。当超导热管的长度设计为此值时，传热能力最佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。