单管翅片型热交换器及其组装的制作方法
【专利摘要】单管翅片型热交换器及其组装。热交换器组件包括：至少中部具有椭圆截面的液流管，其中所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b；以及形状吻合地接合在单个液流管外表面上并沿所述单个液流管轴向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。第一烟气翅片和第二烟气翅片的形状基本相同，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，所述矩形的长边的长度为A，短边的长度为B，其中A与2a的比值在1.3至2.3之间；并且B与2b的比值在2.0至4.0之间。
【专利说明】
单管翅片型热交换器及其组装
技术领域
[0001] 本发明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] 本发明的目的是提供一种改进的热交换器，其能克服现有技术的某种或某些缺 陷。
[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种利用烟气余热来加热液体例如水的热交换器 组件，包括：
[0006] 至少中部具有椭圆截面的液流管，其中所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度 为2b;以及
[0007] 形状吻合地接合在单个液流管外表面上并沿所述单个液流管轴向相互隔开的多 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基本相同，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，所述矩形的长边的长 度为A，短边的长度为B，
[0008] 其中A与2a的比值在1.3至2.3之间；并且
[0009] B与2b的比值在2.0至4.0之间。
[0010] 如后所进一步论述，采用这种参数范围的热交换器组件的综合性能得以显著提 高。其中：A与2a的比值优选在1.5至2.2之间，进一步的优选在1.6至2.0之间，更优选为1.8 左右;B与2b的比值优选在2.2至3.0之间，进一步的优选在2.3至2.8之间，更优选为2.5左 右。
[0011]根据本发明的一个具体实施例，a与b的比值可以在1.9至2.9之间，优选在2.1至 2.8之间，进一步的优选在2.3至2.7之间，更优选在2.5左右。
[0012]根据本发明的又一个具体实施例，所述椭圆的等效圆直径可以在32mm至51mm之 间，优选为32mm或38mm或51_。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32mm、38mm和51_ 的母材圆管均为市售规格圆管，购取方便。
[0013] 根据本发明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。
[0014] 根据本发明的又一个具体实施例，烟气翅片的厚度可以在1.5mm至4mm之间。
[0015] 根据本发明的又一个具体实施例，液流管的管壁厚度可以在3_至5_之间。
[0016] 根据本发明的又一个具体实施例，相邻对烟气翅片的轴向间距可以在10mm至30mm 之间。
[0017] 根据本发明的又一个具体实施例，液流管和/或烟气翅片的材质可以选自碳素钢、 ND钢以及不锈钢，并且烟气翅片和液流管各自独立成型并通过焊接连成一体。
[0018] 根据本发明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。
[0019] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于布置在烟道内的热交换器，包括由至少 一个上述热交换器组件排列而成的至少一面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向，每 面墙包括至少一个水平布置的并且液流管两端均伸出烟道侧壁的热交换器组件，其中每面 墙中的热交换器组件的液流管相互并联设置并通过位于烟道外部的弯管接头连接相应一 端而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液流管串联连接。
[0020] 根据本发明的第三方面，提供了一种将热交换器组装在烟道内的方法，包括：
[0021 ]提供根据本发明的上述热交换器组件；
[0022]将热交换器组件在烟道内排列成至少一面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方 向，每面墙中的热交换器组件的液流管相互并联设置，每个热交换器组件的液流管均水平 布置并使外侧缝隙布置成正对烟气流动方向（与烟气流动方向平行）；
[0023 ]将每个液流管的两端均伸出烟道侧壁；
[0024]提供弯管接头；以及
[0025]在烟道外部使用弯管接头将沿烟气流动方向相邻的每面墙中的同一水平高度的 液流管的两端依次串联连接，由此组装成热交换器。
[0026]在本发明的方法中，液流管优选由直径32mm或38mm或51mm的圆管直接冷乳而成。 另外，液流管两端部分（中间主体部分之外的非翅片区）可以被重新恢复成圆管形状以便于 使用圆管接头直接进行互连组装操作。
[0027] 采用本发明的方法，可以非常方便地在现场例如电厂烟道将本发明的热交换器组 件组装成所需规格的热交换器，并有效保证了组装效率和质量。
【附图说明】
[0028] 图1为根据本发明的传热管的立体图；
[0029] 图2为根据本发明的传热管的截面示意图；
[0030] 图3为现有实例的传热管的截面尺寸示意图；
[0031] 图4为根据本发明的对应于Φ32当量圆管的相应椭圆管的截面尺寸示意图；
[0032] 图5为根据本发明的对应于Φ38当量圆管的相应椭圆管的截面尺寸示意图；
[0033] 图6为流体在圆管下游的分离和漩涡；
[0034] 图7为流体在椭圆管下游的分离和漩涡；
[0035] 图8为随着椭圆管长短轴之比增大，分离点后移的示意图；
[0036] 图9为根据本发明的电厂锅炉烟气处理系统。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，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发明，并不用来做出任何限制。
[0038] 参见图1，根据本发明的传热管（亦可称作"热交换器组件"）包括单个椭圆管10以 及沿椭圆管10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"）。根据实际 情况需要，每对翅片以10_30mm(例如20mm)的间距均匀隔开。每对翅片包括上翅片21以及下 翅片22。椭圆管10、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。
[0039] 椭圆管10通常通入待加热液体例如水，因此亦可称作"液流管"。虽然图示椭圆管 10全长均为一致的椭圆截面，但椭圆管10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10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。
[0040] 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，中央部分开设与椭圆管外表面形状相适配 或相吻合的椭圆弧缺口以平滑焊接在椭圆管10上。每对翅片的上翅片21和下翅片22彼此相 互对齐地居中焊接在椭圆管10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"），外侧缝隙对称地分居椭圆管10两侧。
[0041] 如图2所示，本发明的椭圆管10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。
[0042]图3示出了如CN101762199B公开的现有实际使用的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发明的两种具有代表性对应于圆管当量管径（Φ32和 Φ38)的传热管的相应椭圆基管和翅片的各相关尺寸，亦如下表1所示。
[0043]表 1
[0044]
[0045] 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偏低(发明人之前并未 意识到该比值的重要性），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。
[0046] 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1.9~2.9之间，a/b是流体沿椭圆管流动时，流 动及传热性能的重要参数，其主要影响如下。
[0047] 从图6和图7可看出，与圆管相比，椭圆管下游分离点的位置后移，漩涡区（尾流区） 的范围缩小，漩涡强度减弱，使椭圆管的流动阻力明显低于圆管。且随a/b的增大，分离点的 位置后移，漩涡区(尾流区）的范围缩小，漩涡强度减弱，流动阻力进一步降低。图8为根据层 流边界层理论的计算结果，其中Μ为最小压力点；S为层流分离点;为来流速度(m/s)。发明 人的分析计算还表明：在外翅片管的流动阻力中，光管外表面的阻力约占总阻力的40%左 右，因此提高椭圆管的a/b，对降低流阻是极其有效的。
[0048] 与同样横截面的圆管相比，随a/b的增大，椭圆管的周长增加，换热面积增大；此 外，随着a/b的增大，椭圆管层流边界层厚度减薄，使椭圆管的换热系数也增大。数值分析和 实验证实:a/b = 2.75的椭圆管外表面换热系数比a/b= 1.67椭圆管的外表面换热系数要高 出25%左右，由于椭圆管外表面的换热面积和换热系数同时增大，使椭圆管外表面的总传 热能力得以显著提高。即使考虑到椭圆管外部光管部分的传热面积仅占翅片外侧总传热面 积1/5左右，光管部分换热系数有25 %左右的提高也将使相对翅片外侧总传热面积的传热 系数能有5%左右的提高，而在传热领域这种程度的提高已经非常惊人。
[0049] 对于顺列布置的管束，积灰主要发生在管的前驻点附近的区域及下游的漩涡区， 故随a/b的增大，不仅前驻点附近的流动停滞区域减少，且由于漩涡区的范围缩小及漩涡强 度减弱，使后部涡流区的积灰量也明显减少。
[0050] 随着a/b的增大，椭圆管流线型更好，短轴的减小使管束的横向间距缩小，节省了 管组的占据空间，使管束的紧凑性(单位容积内能布置的传热面面积m 2/m3)提高。
[0051] 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， 艮PA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）。
[0052] 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。
[0053] 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°，而在本发明的实施例中焊接融合角均可提高至168°，增 加了近20°。
[0054]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。
[0055] 翅片表面的优化就是寻找使翅片管的传热系数、肋化系数、翅片效率和流动阻力 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。
[0056] 此外，Η型翅片的开缝宽度W自身还具有如下作用：
[0057] 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；
[0058] 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；
[0059] 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_。
[0060] 根据本发明的改进后的传热管至少具有如下优点：
[0061 ] 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。
[0062] 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。
[0063] 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。
[0064] 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%~8%。 [0065] 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。
[0066] 6.使产品管系多样化，更能适应和满足市场的需求。
[0067] 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。
[0068] 首先，将传热管在烟道内排列成沿烟道纵深方向相邻的若干面墙。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，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）。同一面墙中液流管相互并联设 置;在烟道外部使用标准圆形截面弯管接头将上下游(沿烟气流动方向而言)相邻墙中同一 水平高度的液流管的两端顺次串联连接，由此组装成热交换器。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。
[0069] 另外，采用上述方法，可以非常方便地将本发明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。
[0070] 根据本发明所组装成的热交换器可以用作烟气冷却器，在例如图9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9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发明的烟气冷却器。
[0071] 如图9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，随后进入本发明的烟气冷却器(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出来的烟气降至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左右后再进入烟囱8进行 排放。
[0072]本发明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。
[0073]当然，本发明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. 一种利用烟气余热来加热液体的热交换器组件，包括： 至少中部具有椭圆截面的液流管，其中所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b; 以及 形状吻合地接合在单个液流管外表面上并沿所述单个液流管轴向相互隔开的多对烟 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基本相同，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，所述矩形的长边的长度为 A，短边的长度为B， 其中A与2a的比值在1.3至2.3之间；并且 B与2b的比值在2.0至4.0之间。2. 根据权利要求1所述的热交换器组件，其中a与b的比值在1.9至2.9之间。3. 根据权利要求1所述的热交换器组件，其中外侧缝隙厚度W在6mm至12mm之间。4. 根据权利要求1所述的热交换器组件，其中液流管和/或烟气翅片的材质选自碳素 钢、ND钢以及不锈钢，并且烟气翅片和液流管各自独立成型并通过焊接连成一体。5. 根据权利要求1所述的热交换器组件，其中液流管的两端部分具有圆形截面。6. -种用于布置在烟道内的热交换器，包括由至少一个根据权利要求1-5之一的热交 换器组件排列而成的至少一面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向，每面墙包括至少 一个水平布置的并且液流管两端均伸出烟道侧壁的热交换器组件，其中每面墙中的热交换 器组件的液流管相互并联设置并通过位于烟道外部的弯管接头连接相应一端而与沿烟气 流动方向下游的相邻一面墙中的同一水平高度的液流管串联连接。7. -种将热交换器组装在烟道内的方法，包括： 提供根据权利要求1-5之一所述的热交换器组件； 将热交换器组件在烟道内排列成至少一面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向， 每面墙中的热交换器组件的液流管相互并联设置，每个热交换器组件的液流管均水平布置 并使外侧缝隙布置成正对烟气流动方向； 将每个液流管的两端均伸出烟道侧壁； 提供弯管接头；以及 在烟道外部使用弯管接头将沿烟气流动方向相邻的每面墙中的同一水平高度的液流 管的两端依次串联连接，由此组装成热交换器。8. 根据权利要求7所述的方法，其中液流管由直径32mm至51mm的圆管直接冷乳而成。9. 根据权利要求8所述的方法，其中液流管两端部分被重新恢复成圆管形状。
【文档编号】F23J15/06GK106066133SQ201610460010
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月22日 公开号201610460010.2, CN 106066133 A, CN 106066133A, CN 201610460010, CN-A-106066133, CN106066133 A, CN106066133A, CN201610460010, CN201610460010.2
【发明人】王启杰, 曹绛敏, 宋若槑, 章卫
【申请人】上海和衡能源科技发展有限公司