一种集束管空气预热器的制作方法

一种集束管空气预热器
1.技术领域
2.本发明属于空气预热器技术领域，特别涉及一种集束管空气预热器。


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.管式空气预热器指烟气、空气分别在管内、外流动，通过管壁进行热交换的空气预热器，是火焰加热炉系统普遍采用的空气预热器形式之一。
5.管式空气预热器由若干管束组装而成，每个管束由平行的钢管和管板组成，管子两端与管板的连接采用焊接，严密性好，结构紧凑，不易泄漏。钢管通常采用碳钢管和玻璃管，碳钢管不耐烟气低温露点腐蚀，而玻璃管耐低温腐蚀性强。玻璃管的缺点是质脆易损，与管板的密封较难处理。
6.管式空气预热器，空气走管程，烟气走壳程，交叉流换热，对于大中型管式空气预热器，往往需要多管程，2、3管程常见，也有4管程甚至5管程的情况。烟气走管程的烟管式空气预热器在锅炉行业较常见，烟气侧通常为1管程，空气侧为多壳程，2、3壳程常见。但在石油化工行业的火焰加热炉余热回收系统中很少采用烟管式空气预热器。
7.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。
8.为解决低温段空气预热器露点腐蚀问题，耐腐蚀的玻璃管空气预热器已开发使用多年。但由于玻璃管存在破碎多、与管板连接密封失效产生漏风问题不易解决，因此，玻璃管空气预热器的用量不多。
9.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。
10.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塑料空气预热器并未得到普及。
11.文献二《氟塑料换热器》（庞香达,陈尚铭等.上海化工,1977(04)：25-44+6.）介绍，氟塑料换热器是以小直径薄壁氟塑料管作为传热组件的换热器，小管径薄壁氟塑料管密集排列呈蜂窝状管束，管束两端与蜂窝状管板烧结结合。1970年代，国内研发的此种氟塑料换
热器在几个工厂试用成功。
12.文献二提出的小管径薄壁蜂窝状管束结构紧凑，可以做到每单位体积中的传热面积比普通钢管式换热器面积大3~4倍，足以补偿氟塑料导热性能较差的缺点，传递的热量可以与金属换热器相匹敌。此种换热器用于液-液换热，蜂窝状管束沉浸在液体中。
13.文献三《垃圾焚烧发电厂ggh换热器的技术特点分析》（冯淋淋. 环境卫生工程,2018,41(05):83-86.）介绍，金属材质的ggh （gas-gas-heater ，烟气-烟气换热器），和低温段空气预热器一样面临严重的露点腐蚀问题。ggh较为广泛地应用于火电厂湿法烟气脱硫装置中，ggh利用脱硫前高温原烟气的热量加热脱硫后的低温净烟气（由50~65℃升高到至酸露点以上），消除烟囱“白烟”。近年来，垃圾焚烧电厂及热电厂开始考虑使用ptfe（聚四氟乙烯）材质的管式ggh取代回转式ggh。ptfe 俗称“塑料王”，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不黏性、电绝缘性和良好的抗老化能力。ptfe-ggh 具有很强的耐腐蚀、耐氧化、耐粉尘特性。ptfe-ggh一般采用大管径（φ40~75 mm）、薄壁（约1 mm） 的ptfe 换热管。ptfe-ggh的结构形式和现有烟管式空气预热器相当，烟气走管内，1管程，空气走管外，多壳程，交叉流换热。
14.文献三用大管径薄壁ptfe管代替钢管，解决了管式ggh的低温露点腐蚀问题，为同样面临低温露点腐蚀的空气预热器提供了新材料。但由于ptfe-ggh多壳程交叉流流动换热效率低、大管径管单位体积换热面积小、ptfe导热性能较差等原因，导致换热管长度较长，ggh体积很大。另外，ptfe 换热管的热膨胀系数大约是金属管的10倍，现有技术的烟管式空气预热器中，ptfe管膨胀问题不好解决。
15.综上所述，氟塑料换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空气预热器还鲜有案例报道。虽然ptfe-ggh为同样面临低温露点腐蚀的空气预热器提供了相关案例，但其结构形式和现有烟管式空气预热器相当，多壳程交叉流流动换热效率低、热端温差大等问题依然存在。


技术实现要素：

16.根据上述技术背景，本发明的目的是提供一种集束管空气预热器，采用集束管，空气—烟气按1管程2壳程逆流换热，以解决现有技术的烟气—空气直接换热的空气预热器中，多管程（或多壳程）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。
17.为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种集束管空气预热器，其特征在于：该集束管空气预热器主要由壳体、集束管、导流筒和内隔板组成，所述壳体内有n组平行布置的集束管，其中50≥n≥1，每组集束管中段外面均包覆有导流筒，内隔板有3个，均垂直于集束管布置，3个内隔板将集束管分为两段，将壳体内分为两个壳程；所述集束管主要由管束、管板、支撑件和膨胀节组成，所述管束是由多根等长的管子集中在一起形成的，管束内部有支撑件支撑，管板分别为固定端管板和自由端管板，管束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组集束管一一对应的n个开孔，壳体上有四个接口，分别是物流
②
入口、物流
②
出口、物流
①
入口和物流
①
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。
18.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：所述管束是由m根等长的管子集中在一起形成的，其中5000≥m≥10。
19.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：所述导流筒长度为集束管长度的1/10到2/3。
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：所述管子为小管径薄壁管，管外径范围为φ5mm~φ50mm，管壁厚范围为0.5mm~3mm。
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：所述管子是金属管或非金属管。
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：所述支撑件为折流杆，折流杆包括多个支撑圈和多个吊杆，支撑圈均平行布置，并与内隔板方向相同，吊杆绕支撑圈圆周并垂直于支撑圈平面均匀设置，每个支撑圈上分布有平行排列的支撑杆，相邻两个支撑圈上的支撑杆成60
°
或90
°
排列。
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：所述管子为三角形或正方形排列；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：所述集束管为竖直安装，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.本发明所述一种集束管空气预热器，其与现有技术相比的有益效果在于：1）本发明的集束管空气预热器，集束管由小管径薄壁管集成，结构紧凑，可以做到每单位体积中的传热面积比普通钢管式换热器面积大3~4倍，即使采用导热性能较差的氟塑料管，传递的热量也可以和金属换热器相当；2）本发明的集束管空气预热器，导流筒约束烟气和空气在集束管内逆流换热，热端温差可以达到换热极限，比现有技术的交叉流管式空气预热器的换热效率高10~20%；3）本发明的集束管空气预热器，密封严密，泄漏极小。固定端内隔板与集束管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；4）本发明的集束管空气预热器，管程数为1，壳程数为2，管内外气流压降都很小；5）本发明的集束管空气预热器，未被导流筒包覆的集束管上下段裸管间空隙，管外气流可以360
°
进出，进而无死角进出导流筒；6）本发明的集束管空气预热器，集束管可以竖直安装，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；7）本发明的集束管空气预热器，空气走管程，烟气走壳程，作为常规空气预热器使用；也可以烟气走管程，空气走壳程，作为烟管空气预热器使用，管程、壳程可以灵活选择；8）本发明的集束管空气预热器，n组（50≥n≥1）集束管平行布置在同一壳体内，容
易实现大型化；9）本发明的集束管空气预热器，集束管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，集束管可以自由热胀冷缩；10）本发明的集束管空气预热器，管子材质自由，可以按烟气的不同温度，在金属管和非金属管中选择；11）本发明的集束管空气预热器，由m（5000≥m≥10）根等长的管子集成的模块化集束管，独立性、互换性、通用性好，制造、维修方便。
26.12）本发明的集束管空气预热器，壳程进出口的布置位置不限，可布置在同侧、对面或邻侧，接口布置灵活；13）本发明的集束管空气预热器，应用范围广，选择不锈钢管、碳钢管可以做中温空气预热器使用，选择氟塑料管可以做低温空气预热器使用；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
27.图1为本发明一种集束管空气预热器的3d剖视图；图2为本发明一种集束管空气预热器的集束管的3d视图；图3为本发明一种集束管空气预热器的集束管折流杆的3d视图；图4为本发明一种集束管空气预热器的集束管折流杆支撑管子效果图；图5位本发明一种集束管空气预热器的集束管膨胀节的3d视图；图6为图1中局部视图i的放大视图；图7为本发明一种集束管空气预热器的导流筒内管子内外物流
①
、物流
②
逆流流动的3d视图。
28.图中所示附图标记为：100、集束管空气预热器；
①
、物流；
②
、物流；10、壳体；11、壳程；12、壳程；13、物流
②
入口；14、物流
②
出口；15、物流
①
入口；16、物流
①
出口；20、集束管；21、管子； 22、固定端管板；23、自由端管板；24、定位螺栓螺母；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、折流杆；41、支撑杆；41-x-1、x向支撑杆一；41-x-2、x向支撑杆二；41-y-1、y向支撑杆一；41-y-2、y向支撑杆二；42、支撑圈；43、吊杆；44、螺母；50、膨胀节；51、u形波节；52、上端法兰；53、下端法兰；54、上端螺栓螺母；55、下端螺栓螺母。
具体实施方式
29.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。
30.以集束管竖直安装的一种集束管空气预热器100为例加以详细说明。
31.①
、
②
为物流代号。
32.图1为本发明的一种集束管空气预热器100的3d剖视图，本发明的集束管空气预热器100，由壳体10、集束管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，6组集束管20竖直布置在壳体内，固定端内隔板30、中间内隔板31和自由端内隔板32均水平布置。壳体10内部由固定端内隔板30、中间内隔板31和自由端内隔板32分成两壳程，分别是壳程11和壳程12。集束管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包覆在集束管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
②
入口13、物流
②
出口14、物流
①
入口15和物流
①
出口16。物流
①
走管外，即物流
①
走壳程，如图1所示有2个壳程，物流
②
走管内，即物流
②
走管程，如图1所示有1个管程。
33.图2为本发明一种集束管20的3d视图。集束管20由管子21、固定端管板22、自由端管板23、定位螺栓螺母24、折流杆40和膨胀节50组成。管子21竖直设置，固定端管板22和自由端管板23上有一一对应的管孔，通过管孔使管子21与固定端管板22和自由端管板23固定密封连接，连接方式可采用现有成熟技术，此处不再详述。固定端管板22为固定端，自由端管板23下方设置有膨胀节50，设有膨胀节50的自由端管板23为自由端，膨胀节50与自由端管板23通过螺栓密封连接。
34.图3为本发明一种集束管折流杆40的3d视图。折流杆40包括支撑圈42和吊杆43，吊杆43绕支撑圈42圆周竖直设置，所述支撑圈42上分布有平行排列的支撑杆41，相邻两个支撑圈42上的支撑杆41成垂直方向排列，如图3所示，支撑杆41为x向支撑杆一41-x-1、x向支撑杆二41-x-2、y向支撑杆一41-y-1、y向支撑杆二41-y-2，x向支撑杆一41-x-1与y向支撑杆一41-y-1的排列方向为90
°
排列，y向支撑杆一41-y-1与x向支撑杆二41-x-2的排列方向为90
°
排列，支撑杆41、支撑圈42、吊杆43通过焊接连接成一体。如图2所示，折流杆40通过吊杆螺母44将吊杆43固定在固定端管板22上。
35.图4为本发明一种集束管折流杆支撑管子效果图。可以看到，管子21全部限位在x向支撑杆一41-x-1、x向支撑杆二41-x-2、y向支撑杆一41-y-1、y向支撑杆二41-y-2组成的方格内，方格大小一致，保证所有管子21均有支撑杆41支撑，由于（用于固定管子21的x向支撑杆和y向支撑杆）支撑杆41不在同一平面上，所以支撑杆41对物流
①
流通截面的影响有限。
36.图5为本发明一种集束管膨胀节50的3d视图。膨胀节50由u形波节51、上端法兰52、下端法兰53、上端螺栓螺母54和下端螺栓螺母55组成。u形波节51为2波。
37.如图1~图5所示，本发明的集束管20的固定端管板22安装在固定端内隔板30上，通过固定端内隔板30支撑集束管20的全部重量，固定端管板22与固定端内隔板30通过定位螺栓螺母24定位并密封连接。膨胀节50与自由端管板23通过膨胀节50的上端螺栓螺母54密封
连接成一体。膨胀节50的下端法兰53安装在内隔板32上，通过下端螺栓螺母55密封连接。集束管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与集束管20的连接，保证了本发明的集束管空气预热器100内部的完全密封，物流
①
、物流
②
不能串通，同时，解决了集束管20的支撑和热胀冷缩问题。
38.图6为图1中局部视图i的放大视图，给出了物流
①
、物流
②
进出集束管20具体情况的3d视图。
39.如图6所示，物流
②
通过集束管20的固定端管板22进入管子21的管内，向下流动，从集束管20的膨胀节50端流出。物流
②
走管内，管程数为1。
40.如图1和图6所示，在壳体10、中间内隔板31和自由端内隔板32围成的壳程12的空间内，物流
①
360
°
进入集束管20下段未包覆导流筒33的裸管间，之后进入导流筒33内，在导流筒33的约束下，沿管子21的管外向上流动，与管内物流
②
逆流换热，然后出导流筒33，从集束管20上段未包覆导流筒33的裸管间360
°
涌出，进入壳体10和内隔板30、31围成的壳程11的空间内。物流
①
走管外，壳程数为2。
41.图7为本发明的导流筒内管子内外物流
①
、物流
②
逆流流动3d视图。如图7所示，物流
②
在管子21的管内向下流动，物流
①
沿管子21的管外的管间间隙向上流动，与物流
②
逆流换热。管子21的管间间隙由折流杆40保持。
42.如图1所示，物流
②
通过物流
②
入口13，进入集束管空气预热器100，在内隔板30的阻隔下，通过集束管20的固定端管板22进入管子21的管内向下流动，与物流
①
逆流换热后，从集束管20的膨胀节50端出来后，通过物流
②
出口14离开集束管空气预热器100。物流
②
走管内，管程数为1。
43.如图1所示，物流
①
通过物流
①
入口15，进入集束管空气预热器100的壳程12内，在壳程12的空间内，物流
①
由集束管20下段未包覆导流筒33的管间进入导流筒33，在导流筒33的约束下，物流
①
沿管子21的管外向上流动，与管内物流
②
逆流换热后，从集束管20上段未包覆导流筒33的管间间隙出导流筒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
①
出口16离开集束管空气预热器100。物流
①
走管外，壳程数为2。
实施例
44.本实施例中，管子21规格为φ10
ⅹ
1，长度2000mm，管子21的排列方式为正方形，管心距和排心距均为15mm。共有6组集束管，每组集束管20中有780根管子21，集束管20的两端各有约500mm未包覆导流筒33，导流筒规格为φ580
ⅹ
6，长度1000mm。
45.实施例1实施例1采用本发明给出的一种集束管空气预热器100应用在150℃低温烟气环境下。
46.本实施例中，物流
①
为空气，物流
②
为烟气，集束管空气预热器100为烟气物流
②
走管内的烟管式空气预热器。
47.本实施例中，空气物流
①
进入集束管空气预热器100的温度为20℃。
48.本实施例中，烟气物流
②
进入集束管空气预热器100的温度为150℃。
49.本实施例中，由于烟气物流
②
进入集束管空气预热器100的温度为150℃，空气物
流
①
进入集束管空气预热器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，所以管子21选聚四氟乙烯管，膨胀节50选聚四氟乙烯膨胀节，膨胀节50下端螺栓螺母55选聚四氟乙烯螺栓螺母。内隔板32及物流
②
出口14接触烟气物流
②
的表面衬聚四氟乙烯。
50.由于管子21为聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯的密度约2300kg/m3，仅为碳钢密度的1/3左右，集束管20的重量很轻。同时，为了让管子21内烟气物流
②
的凝结水顺利淌出，本实施例中，集束管20竖直安装，与图1所示一致。
51.如图1所示，本实施例中，150℃的烟气物流
②
通过物流
②
入口13进入集束管空气预热器100，通过物流
②
出口14离开。离开时烟气物流
②
的温度约为85℃如图1所示，本实施例中，20℃空气物流
①
通过物流
①
入口15进入集束管空气预热器100，通过物流
①
出口16离开。离开时空气物流
①
的温度约为100℃本实施例中，由于管子21、膨胀节50、膨胀节50下端螺栓螺母55均为聚四氟乙烯螺栓材质，内隔板32及物流
②
出口14接触烟气物流
②
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的集束管空气预热器100可以在烟气露点下安全运行。
52.实施例2实施例2采用本发明给出的一种集束管空气预热器100应用在300℃中温烟气环境下。
53.本实施例中，物流
①
为烟气，物流
②
为空气，集束管空气预热器100为空气物流
②
走管内的管式空气预热器。
54.本实施例中，烟气物流
①
进入集束管空气预热器100的温度为300℃。
55.本实施例中，空气物流
②
进入集束管空气预热器100的温度为100℃。
56.本实施例中，由于烟气物流
①
进入集束管空气预热器100的温度为300℃，空气物流
②
进入集束管空气预热器100的温度为100℃，没有烟气露点腐蚀问题，所以管子21选碳钢管（或不锈钢管），膨胀节50选不锈钢膨胀节，膨胀节50下端螺栓螺母55选聚碳钢螺栓螺母。
57.由于管子21选碳钢管（或不锈钢管），集束管20的重量很重，需要内隔板30、31、32共同支撑，因此，本实施例中，集束管20水平安装。图1整体旋转90
°
后就是应用场景二的安装状态。
58.如图1所示，本实施例中，300℃的烟气物流
①
通过物流
①
入口15进入集束管空气预热器100，通过物流
①
出口16离开。离开时烟气物流
①
的温度约为150℃。
59.如图1所示，本实施例中，100℃空气物流
②
通过通过物流
②
入口13进入集束管空气预热器100，通过物流
②
出口14离开。离开时空气物流
②
的温度约为280℃。
60.本实施例中，由于没有烟气露点腐蚀问题，所以管子21选碳钢管（或不锈钢管），膨胀节50选不锈钢膨胀节。因此，实施例2的集束管空气预热器100可以在300℃的中温烟气环境下安全运行。