一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器及采用該換熱器的自清灰方法
【專利摘要】一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器及采用該換熱器的自清灰方法，包括換熱管束和外殼，其換熱管束采用正六邊布置，外殼采用與換熱管束相匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)。在外殼上設(shè)置三對煙氣進(jìn)出口，其中三個煙氣進(jìn)口在圓周上相隔120°，分別布置在以中心換熱管為中心的正六邊形的對角線與外殼的交點(diǎn)上，三個煙氣出口與煙氣進(jìn)口相對應(yīng)。通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)各支路上閥門的開閉，周期性控制煙氣的進(jìn)風(fēng)角度，實(shí)現(xiàn)煙氣的自清灰效果；該高效煙氣換熱器外殼上的煙氣進(jìn)口正對于煙氣顆粒高沉積率的位置，且換熱管束采用正六邊形布置，煙氣流向與正六邊形對角線相平行，能夠?qū)崿F(xiàn)高效清灰的效果，顯著強(qiáng)化換熱，減小其流動阻力，節(jié)約泵功消耗。
【專利說明】
一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器及采用該換熱器的自清灰方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)余熱回收技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器及采用該換熱器的自清灰方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國的能源消費(fèi)中，工業(yè)能耗占全國能耗總量的70%以上，其中約60%轉(zhuǎn)化為不同溫度的余熱，而可以回收利用的余熱約占余熱總量的60 %左右。在可回收余熱資源中，煙氣余熱資源占有較大的比重，對煙氣余熱的有效利用，可以大幅度地減少一次能源的消耗，提高能源利用效率。但由于工業(yè)煙氣余熱往往含有一定濃度的飛灰顆粒，致使煙氣進(jìn)入換熱器時造成換熱管束的積灰。受熱面的積灰，不僅使得受熱面熱阻增加，對流換熱系數(shù)下降，傳熱能力降低，也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0003]目前工業(yè)上普遍采用的煙氣換熱器清灰方法主要為機(jī)械振動、蒸汽清灰和聲波清灰等。對于機(jī)械振動方法，存在振打機(jī)構(gòu)故障率高、清灰效果逐漸下降的缺點(diǎn)；對于蒸汽清灰方法，清灰設(shè)備存在著能耗高、可靠性差等缺點(diǎn)，并且對設(shè)備有副作用，如嚴(yán)重磨損受熱面而導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行的可靠性降低;對于聲波清灰方法，需要配備空壓站，且設(shè)備一次性投資大。這些方法均帶來了額外的投資成本和能量損耗，且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其能有效地清除換熱器受熱面積灰，并能夠高效地回收煙氣余熱，提高能源利用率，減少環(huán)境污染，無流動和換熱死區(qū)，高效吹灰的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種采用該換熱器的自清灰方法，其通過周期性控制煙氣的進(jìn)風(fēng)角度，利用煙氣有效地清除換熱面積灰，達(dá)到自清灰的效果，并能夠高效地回收煙氣余熱，提高能源利用率。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的自清灰換熱器:包括換熱器殼體以及設(shè)置在殼體3內(nèi)的換熱管束，在殼體兩側(cè)分別設(shè)置有相互連通的帶有冷卻流體進(jìn)口、冷卻液體出口的冷卻液體進(jìn)口管箱和冷卻液體出口管箱，冷卻液體進(jìn)口管箱(4)和冷卻液體出口管箱(5)分別與換熱管束(20)的兩端相連通，在殼體上設(shè)置有三對煙氣進(jìn)、出口，其中三個煙氣進(jìn)口在圓周上相隔120°，三個煙氣出口與三個煙氣進(jìn)口相對應(yīng);煙氣進(jìn)氣管道分為三支管路與三個煙氣進(jìn)口相連接，煙氣出口管道分為三支管路與三個煙氣出口相連接;在煙氣進(jìn)氣管道、煙氣出口管道上分別安裝有監(jiān)測流體進(jìn)出口溫度的進(jìn)、出口端熱電偶;在煙氣進(jìn)氣管道上還安裝有檢測流體體積流量的流量計(jì)，煙氣進(jìn)氣管道的三支管路、煙氣出口管道的三支管路上分別安裝有控制煙氣通道變換的閥門。
[0007]所述的換熱管束采用正六邊布置，外殼采用與換熱管束相匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的三對煙氣進(jìn)、出口分別布置在以中心換熱管為中心的正六邊形的對角線與殼體的交點(diǎn)上。
[0009]所述的換熱管管間距S與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?3.0。
[0010]所述的最外側(cè)換熱管與殼體3間距L與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?4.0。
[0011]所述的換熱管束采用螺旋翅片、環(huán)形翅片、針肋或丁胞結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明換熱器用于煙氣余熱回收的自清灰方法，包括以下步驟:
[0013]I)首先，獲得換熱管束內(nèi)流體的密度P、比熱容Cp及體積流量V的數(shù)據(jù)；
[0014]2)在系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，讀取換熱管束進(jìn)、出□流體的初始溫度Tiq和Too，得到初始換熱量Qo = PVCp (TciQ-Ti0)；
[0015]3)在換熱器運(yùn)行中繼續(xù)監(jiān)測換熱管束進(jìn)出口流體的即時溫度Ti和T。，得到換熱量Q= PVCp(T0-Ti);
[0016]4)根據(jù)獲得的初始換熱量Qo和即時換熱量Q，得到換熱效率n=Q/Qo ；
[0017]5)若換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)周期性地開閉相關(guān)的進(jìn)、出口閥門，調(diào)節(jié)煙氣的進(jìn)口角度。
[0018]所述步驟5)的具體過程為:通過控制第一組進(jìn)出口支路上閥門(8、11)打開，其余閥門閉合，此狀態(tài)作為換熱器運(yùn)行的初始狀態(tài);換熱器運(yùn)行過程中如果換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)開始執(zhí)行相關(guān)命令，打開第二組進(jìn)出口支路上閥門(9、12)，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行;如果換熱效率Tl小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)同樣執(zhí)行相關(guān)命令，打開第三組進(jìn)出口支路上閥門(10、13)，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行;如此通過控制系統(tǒng)對閥門的周期性控制，實(shí)現(xiàn)換熱器的正常持續(xù)運(yùn)行。
[0019]本發(fā)明在殼體上開設(shè)有三個進(jìn)口和與之對應(yīng)的三個出口，構(gòu)成了自清灰通道。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):由于本發(fā)明根據(jù)換熱效率的計(jì)算值，通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)各支路上閥門的開閉，周期性控制煙氣的進(jìn)風(fēng)角度，實(shí)現(xiàn)煙氣的自清灰效果；由于該煙氣換熱器殼體上的煙氣進(jìn)口正對于煙氣顆粒高沉積率的位置，因而可以實(shí)現(xiàn)高效清灰的效果，節(jié)約栗功消耗。
[0020]進(jìn)一步的由于換熱管束采用正六邊形布置，且煙氣流向與正六邊形對角線相平行，能夠顯著強(qiáng)化煙氣換熱器的換熱性能，減小其流動阻力，降低飛灰顆粒在煙氣換熱器受熱面上的沉積；
[0021]采用圓柱形殼體與正六邊形管束布置相匹配，能夠明顯減小流動和換熱死區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效換熱；
[0022]通過對不同該裝置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，得出了管間距S、最外側(cè)換熱管與殼體壁面間距L的最佳無量綱取值范圍。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明煙氣換熱器的示意圖。
[0024]圖2是圖1中煙氣進(jìn)口截面的剖面圖。
[0025 ]圖3是圖1中沿任意一對進(jìn)出口方向的軸向剖面圖。
[0026]圖4是本發(fā)明正六邊形布置與常規(guī)順排、錯排布置方式單位栗功換熱量的對比圖。
[0027]圖5是本發(fā)明正六邊形布置與常規(guī)順排、錯排布置方式不同管排沉積率的對比圖。
[0028]圖中1、煙氣進(jìn)口管道，2、煙氣出口管道，3、殼體，4、冷卻流體進(jìn)口管箱，5、冷卻流體出口管箱，6、冷卻流體進(jìn)口，7、冷卻流體出口，8、第一支路進(jìn)口，9、第二支路進(jìn)口，10、第三支路進(jìn)口，11、第一支路出口，12、第二支路出口，13、第三支路出口，14、第一支路進(jìn)口閥，15、第二支路進(jìn)口閥，16、第三支路進(jìn)口閥，17、第一支路出口閥，18、第二支路出口閥，19、第三支路出口閥，20、換熱管束，21、進(jìn)口端熱電偶，22、出口端熱電偶，23、進(jìn)口端流量計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]參見圖1，2，本發(fā)明的換熱器包括換熱器殼體3以及設(shè)置在殼體3內(nèi)的換熱管束20，參見圖3，本發(fā)明的換熱管束20采用正六邊布置，外殼3采用與換熱管束20相匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)，在殼體3兩側(cè)分別設(shè)置有相互連通的帶有冷卻流體進(jìn)口 6、冷卻液體出口 7的冷卻液體進(jìn)口管箱4和冷卻液體出口管箱5，冷卻液體進(jìn)口管箱4和冷卻液體出口管箱5分別與換熱管束20的兩端相連通，在殼體3上設(shè)置有三對煙氣進(jìn)、出口，其中第一、二、三三個煙氣進(jìn)口 8、
9、10在圓周上相隔120°，第一、二、三三個煙氣出口 11、12、13與第一、二、三三個煙氣進(jìn)口8、9、1相對應(yīng);三對煙氣進(jìn)、出口分別布置在以中心換熱管為中心的正六邊形的對角線與殼體3的交點(diǎn)上，煙氣進(jìn)氣管道I分為三支管路與第一、二、三三個煙氣進(jìn)口 8、9、10相連接，煙氣出口管道2分為三支管路與第一、二、三三個煙氣出口 11、12、13相連接;在煙氣進(jìn)氣管道
1、煙氣出口管道2上分別安裝有監(jiān)測流體進(jìn)出口溫度的進(jìn)、出口端熱電偶21、22;在煙氣進(jìn)氣管道I上還安裝有檢測流體體積流量的流量計(jì)23，煙氣進(jìn)氣管道I的三支管路、煙氣出口管道2的三支管路上分別安裝有控制煙氣通道變換的第一、二、三支路進(jìn)口閥門14、15、16和第一、二、三支路出口閥門17、18、19。
[0031]本發(fā)明的換熱管管間距S與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?3.0;最外側(cè)換熱管與殼體3間距L與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?4.0;換熱管束采用螺旋翅片、環(huán)形翅片、針肋或丁胞結(jié)構(gòu)。
[0032]煙氣經(jīng)煙氣進(jìn)口管道I，沿某一進(jìn)口支路進(jìn)入換熱器內(nèi)，對正六邊形換熱管束20進(jìn)行沖刷換熱，其流向與該支路入口對應(yīng)的正六邊形的對角線相平行，經(jīng)與進(jìn)口支路相對應(yīng)的煙氣支路匯于煙氣出口管道2流出煙氣換熱器。冷卻介質(zhì)流體從流體進(jìn)口6流入進(jìn)口管箱4，后進(jìn)入換熱管束20與管外流體進(jìn)行換熱，匯于出口管箱5，經(jīng)流體出口 7流出煙氣換熱器。
[0033]本發(fā)明的進(jìn)口端熱電偶21用于監(jiān)測流體的進(jìn)口溫度T1;出口端熱電偶22用于監(jiān)測流體的出口溫度T。;進(jìn)口端流量計(jì)23用于檢測流體的體積流量V;在三個煙氣進(jìn)口支路上加設(shè)閥門，控制煙氣進(jìn)入通道;在三個煙氣出口支路上加設(shè)閥門控制煙氣的排出通道。
[0034]本發(fā)明所提供的用于煙氣余熱回收的自清灰方法，包括以下步驟:
[0035]I)首先，獲得換熱管束內(nèi)流體的密度P、比熱容Cp及體積流量V的數(shù)據(jù)；
[0036]2)在系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，利用進(jìn)口端熱電偶21和出口處熱電偶22分別讀取換熱管束進(jìn)出口流體的初始溫度T1和Too，利用流量監(jiān)測計(jì)23檢測流體的體積流量V，得到初始換熱量Qo = PVCp (TciQ-Ti0);
[0037]3)在換熱器運(yùn)行中利用進(jìn)口端熱電偶21和出口處熱電偶22繼續(xù)監(jiān)測換熱管束進(jìn)出口流體的即時溫度Ti和T。，得到換熱量Q = PVCp(Tc1-Ti);
[0038]4)根據(jù)獲得的初始換熱量Qo和即時換熱量Q，得到換熱效率n = Q/Qo ；
[0039]5)若換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)周期性地開閉相關(guān)的進(jìn)、出口閥門，調(diào)節(jié)煙氣的進(jìn)口角度。
[0040]本發(fā)明的具體過程為:通過控制第一組進(jìn)出口支路上閥門8、11打開，其余閥門閉合，此狀態(tài)作為換熱器運(yùn)行的初始狀態(tài);換熱器運(yùn)行過程中如果換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)開始執(zhí)行相關(guān)命令，打開第二組進(jìn)出口支路上閥門9、12，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行;如果換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)同樣執(zhí)行相關(guān)命令，打開第三組進(jìn)出口支路上閥門10、13，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行;如此通過控制系統(tǒng)對閥門的周期性控制，實(shí)現(xiàn)換熱器的正常持續(xù)運(yùn)行。
[0041]采用上述用于煙氣余熱回收的自清灰方法及采用該方法的高效煙氣換熱器，與現(xiàn)有技術(shù)中順排、錯排布置單位栗功的換熱量和沉積率的對比如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，與常用的順排布置換熱器相比，新型管排布置單位栗功的換熱量增加了 12%左右。從圖5可以看出，新型管排布置的沉積率明顯低于順排和錯排布置，與常用的順排布置換熱器相比，沉積率下降32%左右。
[0042]采用上述用于煙氣余熱回收的自清灰方法及采用該方法的高效煙氣換熱器，一方面通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)各支路上閥門的開閉，周期性控制煙氣的進(jìn)風(fēng)角度，實(shí)現(xiàn)煙氣的自清灰效果;另一方面該高效煙氣換熱器外殼上的煙氣進(jìn)口正對于煙氣顆粒高沉積率的位置，且換熱管束采用正六邊形布置，煙氣流向與正六邊形對角線相平行，能夠?qū)崿F(xiàn)高效清灰的效果，顯著強(qiáng)化煙氣換熱器的換熱性能，減小其流動阻力，節(jié)約栗功消耗。因此采用上述用于煙氣余熱回收的自清灰方法及采用該方法的高效煙氣換熱器，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，可以推廣應(yīng)用到工業(yè)余熱回收的各種場合，具有良好的推廣應(yīng)用前景，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模極其巨大。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:包括換熱器殼體(3)以及設(shè)置在殼體(3)內(nèi)的換熱管束(20)，在殼體(3)兩側(cè)分別設(shè)置有相互連通的帶有冷卻流體進(jìn)口(6)、冷卻液體出口(7)的冷卻液體進(jìn)口管箱4和冷卻液體出口管箱(5)，冷卻液體進(jìn)口管箱(4)和冷卻液體出口管箱(5)分別與換熱管束(20)的兩端相連通，在殼體(3)上設(shè)置有三對煙氣進(jìn)、出口，其中三個煙氣進(jìn)口(8、9、10)在圓周上相隔120°，三個煙氣出口(11、12、13)與三個煙氣進(jìn)口(8、9、10)相對應(yīng);煙氣進(jìn)氣管道(I)分為三支管路與三個煙氣進(jìn)口(8、9、10)相連接，煙氣出口管道(2)分為三支管路與三個煙氣出口(11、12、13)相連接;在煙氣進(jìn)氣管道(I)、煙氣出口管道(2)上分別安裝有監(jiān)測流體進(jìn)出口溫度的進(jìn)、出口端熱電偶(21、22);在煙氣進(jìn)氣管道(I)上還安裝有檢測流體體積流量的流量計(jì)(23)，煙氣進(jìn)氣管道(I)的三支管路、煙氣出口管道(2)的三支管路上分別安裝有控制煙氣通道變換的閥門。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:所述的換熱管束(20)采用正六邊布置，外殼(3)采用與換熱管束(20)相匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:所述的三對煙氣進(jìn)、出口分別布置在以中心換熱管為中心的正六邊形的對角線與殼體(3)的交點(diǎn)上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:所述的換熱管管間距S與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?3.0。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:所述的最外側(cè)換熱管與殼體(3)間距L與換熱管管徑D之比的無量綱為2.0?4.0。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于煙氣余熱回收的自清灰換熱器，其特征在于:所述的換熱管束采用螺旋翅片、環(huán)形翅片、針肋或丁胞結(jié)構(gòu)。7.—種基于權(quán)利要求1所述的換熱器用于煙氣余熱回收的自清灰方法，其特征在于: 1)首先，獲得換熱管束內(nèi)流體的密度P、比熱容Cp及體積流量V的數(shù)據(jù)； 2)在系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，讀取換熱管束進(jìn)、出口流體的初始溫度T1和Tciq，得到初始換熱量 Qo = PVCp (To0-Ti0); 3)在換熱器運(yùn)行中繼續(xù)監(jiān)測換熱管束進(jìn)出口流體的即時溫度Ti和T。，得到換熱量Q= PVCp(T0-Ti); 4)根據(jù)獲得的初始換熱量Qo和即時換熱量Q，得到換熱效率n=Q/Qo； 5)若換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)周期性地開閉相關(guān)的進(jìn)、出口閥門，調(diào)節(jié)煙氣的進(jìn)口角度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于煙氣余熱回收的自清灰方法，其特征在于:所述步驟5)的具體過程為:通過控制第一組進(jìn)出口支路上閥門(8、11)打開，其余閥門閉合，此狀態(tài)作為換熱器運(yùn)行的初始狀態(tài);換熱器運(yùn)行過程中如果換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)開始執(zhí)行相關(guān)命令，打開第二組進(jìn)出口支路上閥門(9、12)，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行;如果換熱效率η小于換熱器潔凈工況下效率的80-90%時，控制系統(tǒng)同樣執(zhí)行相關(guān)命令，打開第三組進(jìn)出口支路上閥門(10、13 )，其余閥門閉合，換熱器繼續(xù)運(yùn)行；如此通過控制系統(tǒng)對閥門的周期性控制，實(shí)現(xiàn)換熱器的正常持續(xù)運(yùn)行。
【文檔編號】F23J3/00GK105865228SQ201610209675
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】何雅玲, 湯松臻, 陶文銓, 王飛龍, 王睿
【申請人】西安交通大學(xué)