一种蜂窝陶瓷换热器

摘要

本发明涉及一种蜂窝陶瓷换热器。该换热器包括烟气入口、换热器主体、烟气出口、被加热气体入口和被加热气体出口，其特征在于换热器主体由一个或一个以上主换热体基本单元和两个或主换热体基本单元数量两倍的封头基本单元模块化装配组成；主换热体基本单元由主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道组成，并且主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道交替分层布置，主换热体烟气通道内的烟气与主换热体被加热气体通道内的被加热气体流动方向相反配制；封头基本单元由相互垂直的封头烟气通道和封头被加热气体通道组成，并且封头烟气通道和封头被加热气体通道交替分层布置，封头烟气通道和封头被加热气体通道分别与主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道的形状结构一致。

权利要求

1.一种蜂窝陶瓷换热器，该换热器包括烟气入口、换热器主体、烟气出口、被加热气体入口和被加热气体出口，其特征在于所述的换热器主体由一个或一个以上主换热体基本单元和两个或主换热体基本单元数量两倍的封头基本单元模块化装配组成；所述主换热体基本单元由主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道组成，并且主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道交替分层布置，主换热体烟气通道内的烟气与主换热体被加热气体通道内的被加热气体流动方向相反配制；所述封头基本单元由相互垂直的封头烟气通道和封头被加热气体通道组成，并且封头烟气通道和封头被加热气体通道交替分层布置，封头烟气通道和封头被加热气体通道分别与所述主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道的形状结构一致。

2.根据权利要求1所述的蜂窝陶瓷换热器，其特征在于所述的主换热体烟气通道、主换热体被加热气体通道、封头烟气通道和封头被加热气体通道的横截面形状是四边形、圆形、三角形、五边形或六边形。

3.根据权利要求1所述的蜂窝陶瓷换热器，其特征在于所述的主换热体烟气通道、主

2

换热体被加热气体通道、封头烟气通道和封头被加热气体通道的横截面面积为4～150mm，通道壁的厚度为0.2～5mm。

4.根据权利要求1所述的蜂窝陶瓷换热器，其特征在于所述封头基本单元的一面带有侧封，包括A型封头基本单元和B型封头基本单元；A型封头基本单元所带侧封一面的位置与B型封头基本单元所带侧封一面的位置相对。

说明书

一种蜂窝陶瓷换热器

技术领域

[0001] 本发明属于工业换热器技术，尤其涉及一种高温高效的气-气蜂窝陶瓷换热器。

背景技术

[0002] 高温空气燃烧技术是上世纪90年代发展起来的一项新型燃烧技术。该技术通过蓄热式烟气回收，可使空气预热温度达烟气温度的90％，炉温均匀性≤±5℃，其燃烧热效率可达70％，甚至更高。该技术具有高效节能、低污染环保、燃烧稳定性好、燃烧区域大、燃料适应性广等诸多优点。高温空气燃烧技术是运用四通换向阀的频繁切换将烟气与被加热气体交替通过蓄热体，实现烟气与被加热气体的热交换，热量传递过程先是由烟气通过蓄热体，烟气把热量传递给蓄热体，然后切换烟气为被加热气体通过蓄热体，被加热气体吸收蓄热体中的蓄热而升高温度。这种技术中主要存在以下缺陷有待进一步解决：所述四通换向阀的频繁切换动作，易损坏，寿命短，运行费用高；烟气流动频繁换向会带来炉内压力反复波动，波动较大时影响燃烧稳定性，进而影响炉膛安全。现有陶瓷换热器改进技术，如中国专利CN85109173A、CN2295383Y、CN2096035U和CN2194497Y等文献报道，虽能在一定程度上节约能源，但换热器的漏气率都有待进一步降低。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是，设计一种蜂窝陶瓷换热器。该换热器无需四通换向阀，即可对一种或多种被加热气体的加热，并且最大限度地回收利用了烟气余热，具有安全性高、漏气率低和明显的节能减排效果。

[0004] 本发明解决所述换热器技术问题的技术方案是：设计一种蜂窝陶瓷换热器，该换热器包括烟气入口、换热器主体、烟气出口、被加热气体入口和被加热气体出口，其特征在于所述的换热器主体由一个或一个以上主换热体基本单元和两个或主换热体基本单元数量两倍的封头基本单元模块化装配组成；所述主换热体基本单元由主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道组成，并且主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道交替分层布置，主换热体烟气通道内的烟气与主换热体被加热气体通道内的被加热气体流动方向相反配制；所述封头基本单元由相互垂直的封头烟气通道和封头被加热气体通道组成，并且封头烟气通道和封头被加热气体通道交替分层布置，封头烟气通道和封头被加热气体通道分别与所述主换热体烟气通道和主换热体被加热气体通道的形状结构一致。

[0005] 与现有技术相比，本发明蜂窝陶瓷换热器采用不同换热单元的组合，无需四通换向阀，即可对一种或多种气体连续有效地加热，同时炉膛烟气无需交替改变流动方向，炉膛压力波动减小，安全性提高，并且漏气率低(小于1％)，结构简单，成本降低，有利于现有工业炉的改造，整体烧制的换热器现场施工方便。

附图说明

[0006] 图1是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例使用时的连接结构示意图；

[0007] 图2是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例(即图1中换热器主体2只含有一个主换热体基本单元8和其一端的A型封头基本单元9及另一端的B型封头基本单元10时)的结构示意图；

[0008] 图3是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的剖面(图2中的A-A剖面)结构示意图；

[0009] 图4是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的剖面(图3的B-B剖面)结构示意图；

[0010] 图5是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的剖面(图3的C-C剖面)结构示意图；

[0011] 图6是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的剖面(图3的D-D剖面)结构示意图；

[0012] 图7是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的剖面(图3的E-E剖面)结构示意图；

[0013] 图8是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的主换热体基本单元8的结构示意图；

[0014] 图9是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的A型封头基本单元9的结构示意图；其中，(a)图是与图2中A型封头基本单元9一致的视图；(b)图是(a)图逆时针旋转90度的视图；(c)图是(a)图逆时针旋转180度的视图；

[0015] 图10是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的B型封头基本单元10的结构示意图；其中，(a)图是与图2中B型封头基本单元10一致的视图；(b)图是(a)图逆时针旋转90度的视图；(c)图是(a)图逆时针旋转180度的视图；

[0016] 图11是本发明蜂窝陶瓷换热器一种实施例的C型封头基本单元12的结构示意图；其中，(a)、(b)、(c)视图分别对应图10中的(a)、(b)、(c)视图，但已去掉侧封11；

[0017] 图12是本发明蜂窝陶瓷换热器只有一种被加热气体时的一种实施例的整体结构示意图；

[0018] 图13是本发明蜂窝陶瓷换热器只有一种被加热气体时的一种实施例(参见图12)的主换热体基本单元和封头基本单元的组配结构示意图；

[0019] 图14是本发明蜂窝陶瓷换热器有二种被加热气体时的一种实施例的整体结构示意图；

[0020] 图15是本发明蜂窝陶瓷换热器有二种被加热气体时的一种实施例(参见图14)的主换热体基本单元和封头基本单元的组配结构示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明技术方案为前提进行的实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明权利要求的保护范围不限于下述的实施例。

[0022] 本发明设计的蜂窝陶瓷换热器(简称换热器，参见图1-15)包括烟气入口1、换热器主体2、烟气出口3、被加热气体入口4和被加热气体出口5。其特征在于所述的换热器主体2由一个或一个以上主换热体基本单元8和两个或主换热体基本单元8数量两倍的封头基本单元模块化装配组成；所述主换热体基本单元8由主换热体烟气通道17和主换热体被加热气体通道18组成，并且主换热体烟气通道17和主换热体被加热气体通道18交替分层布置，主换热体烟气通道17内的烟气与主换热体被加热气体通道18内的被加热气体流动方向相反配制；所述封头基本单元由相互垂直的封头烟气通道6和封头被加热气体通道7组成，并且封头烟气通道6和封头被加热气体通道7交替分层布置，封头烟气通道6和封头被加热气体通道7分别与所述主换热体烟气通道17和主换热体被加热气体通道18的形状结构一致。

[0023] 本发明所述封头基本单元实施例有三种设计(参见图9-11)：A型封头基本单元9、B型封头基本单元10和C型封头基本单元12。其中，A型封头基本单元9和B型封头基本单元10均为一面带有侧封11的封头基本单元，，侧封11的作用是防止封头通道的气体窜出该侧封11面；尤其是当加热多种气体时，起到分隔作用，防止与之并联的封头基本单元之间各种气体的混合；C型封头基本单元12为无侧封的封头基本单元(即封头基本单元本身)，用于被加热气体在封头基本单元并联时从一个封头基本单元的通道进入另一个封头基本单元的通道。所述A型封头基本单元9与B型封头基本单元10的区别是带有侧封
11一面的位置不同；A型封头基本单元9所带侧封11一面的位置在其左侧(以图9(a)为基准，图9(b)中的侧封11在其左侧一面；左右仅为相对位置，下同)，B型封头基本单元10所带侧封11一面的位置在其右侧(参见图10(c)中的侧封11；图10(c)与图9(a)位置一致)。换言之，二者的不同结构特征是：A型封头基本单元9所带的侧封11一面位置与B型封头基本单元10所带的侧封11一面位置正好相对，即在A型封头基本单元9出现侧封11一面的位置，而在B型封头基本单元10的该一面位置没有侧封11，而是在其相对一面位置带有侧封11(即图9中的(a)图所带侧封11的一面与图10中的(c)图所带侧封11的一面位置相对；图9中的(c)图所带侧封11的一面与图10中的(a)图所带侧封11的一面位置相对)。所述各封头基本单元(包括A型封头基本单元9、B型封头基本单元10和C型封头基本单元12，下同)，不论采用那种实施例设计，都要求其封头烟气通道6和封头被加热气体通道7分别与所述主换热体烟气通道17和主换热体被加热气体通道18的形状结构一致。换言之，所述封头烟气通道6与主换热体烟气通道17的形状结构一致，所述封头被加热气体通道7与主换热体被加热气体通道18的形状结构一致；所述各封头基本单元与所述主换热体基本单元8组配后，所述的封头烟气通道6与主换热体烟气通道17平滑组接，一致贯通；所述的封头被加热气体通道7与主换热体被加热气体通道18也平滑组接，一致贯通。

[0024] 本发明换热器所述的主换热体烟气通道17、封头烟气通道6、主换热体被加热气体通道18和封头被加热气体通道7(单个通道)的横截面形状是工业方法方便制造的任意形状，包括四边形、圆形、三角形、五边形、六边形等。所述封头烟气通道6与主换热体烟气通道17与封头被加热气体通道7与主换热体被加热气体通道18的大小可以根据阻力损失、蜂窝陶瓷的材料强度与换热特性要求设计。本发明所述基本单元中的单个通道的横截2
面积设计为4～150mm，通道壁厚度为0.2～5mm。

[0025] 本发明换热器的主要制备工艺过程是：先按模具成型，并烧结各种规格的主换热体基本单元、封头基本单元和出入口接头；然后针对目标工业炉所用燃气和氧化剂的体积比例关系和换热要求，配置好燃气和氧化剂各自所需的基本单元数量，布置流程和接头，粘合各单元和接头；再将粘合好的整体换热器烧结成型，即可获得本发明整体的蜂窝陶瓷换热器。本发明所述的换热器采用单元(包括主换热体基本单元8以及适当配置所需的A型封头基本单元9、B型封头基本单元10和C型封头基本单元12)组合模式设计，适用性良好，可根据被加热气体的比例关系设计不同的单元数量，然后按照串联或/和并联组合各单元，最后烧结成一个整体的换热器。

[0026] 本发明换热器的工作参数范围是烟气入口温度为600～1500℃，烟气出口温度为130～200℃；被加热气体的入口温度为来源气体的温度(比如空气通常为常温)，出口温度为600～1200℃。

[0027] 本发明换热器的工作原理和过程是：炉膛燃烧排放的高温烟气从烟气入口1进入换热器主体2，烟气经过所述封头烟气通道6与主换热体烟气通道17时，利用对流、导热和辐射方式将烟气的热量传递给所述封头烟气通道6与主换热体烟气通道17的四壁，烟气通道四壁上的热量通过导热方式将热量传递到所述封头被加热气体通道7与主换热体被加热气体通道18的四壁，然后再通过对流、导热和辐射方式把热量传递给通过所述封头被加热气体通道7与主换热体被加热气体通道18内的被加热气体。使用本发明换热器后，排放的烟气温度降低，而被加热气体温度升高，即被加热气体回收利用了烟气的热量，实现了节能减排的目的。

[0028] 本发明换热器基于模块化设计，取消了现有技术的四通换向阀，通过换热单元的巧妙组合在同一换热器内，完成了对一种或多种被加热气体(比如：氧气/空气/燃气)的加热，同时实现了炉膛压力波动减小，安全性提高，漏气率降低的目标。本发明提出的一种新型蜂窝陶瓷换热器，总的发明构思是：将烟气通道与被加热气体通道分层交替布置，且使烟气与被加热气体流动方向相反，而且主换热体内的烟气与被加热气体的流动均无转弯通道；无需进行烟气换向，顺利实现高效热交换。本发明换热器主要技术特点是一种或多种被加热气体(比如：氧气/空气/燃气)进入炉膛前先通过本发明换热器实施例由来源气体的温度(比如空气通常为常温)加热到1000℃左右，烟气则从炉膛出口温度1250℃左右降低到140℃左右，最大限度地利用了烟气余热，节约了能源；烟气与被加热气体分层交替逆流布置，增强了换热效果；烟气和被加热气体在换热器主换热体内无转弯通道，降低了流动阻力，具有可靠的节能减排积极意义；同时换热器的漏气率低于1％，结构简单，无需烟气换向，炉膛压力安全性提高，便于实际工业化推广实施。

[0029] 以下给出本发明的具体实施例：

[0030] 实施例1

[0031] 设计只加热一种气体的蜂窝陶瓷换热器(参见图12-13)。

[0032] 该换热器适用于无需加热燃料，只需加热氧化剂(如空气或氧气)的情形。该换热器主要由烟气入口1、烟气出口3、空气入口4、空气出口5和换热器主体2组成；烟气入口1安装在换热器主体2的一端，烟气出口3安装在换热器主体2的另一端；构成直线连接；空气入口4和空气出口5分别安装在换热器主体2的同一侧的两个封头基本单元处，构成U字形连接(参见图12)。换热器主体2是换热器的核心(参见图13)，由4个主换热体基本单元8、2个A型封头基本单元9、2个B型封头基本单元10和4个C型封头基本单元12组成。其中，4个主换热体基本单元8并联，各封头基本单元与主换热体基本单元8按气体流通工艺路线串联(参见图13)。各封头基本单元的尺寸均是：
长×宽×高＝100mm×100mm×100mm；主换热体基本单元8的尺寸是：长×宽×高＝
800mm×100mm×100mm；主换热体基本单元8和各封头基本单元所含的单个通道形状结构
2
一致，均为正方形横截面，横截面积为64mm，通道壁厚度为2mm，每个基本单元均含单个通道10层、10列。

[0033] 实施例2

[0034] 设计同时加热两种气体(一是氧化剂为空气，二是燃料为高炉煤气)的蜂窝陶瓷换热器(参见图14-15)。

[0035] 该换热器主要由烟气入口1、烟气出口3、空气入口13、空气出口14、高炉煤气入口15、高炉煤气出口16和换热器主体2组成。换热器主体2是换热器的核心，它由9个主换热体基本单元8、3个A型封头基本单元9、3个B型封头基本单元10和12个C型封头基本单元12组成。9个主换热体基本单元8并联连接，各封头基本单元与主换热体基本单元8按气体流通工艺路线串联连接。换热器主体2分为3层，每层包括3个主换热体基本单元8和6个所需的封头基本单元，下面2层的一侧在封头基本单元处分别安装空气入口13和空气出口14，供加热空气使用；上面一层的另一侧在封头基本单元处分别安装高炉煤气入口15和高炉煤气出口16，供加热高炉煤气使用；各封头基本单元的尺寸均是：长×宽×高＝100mm×100mm×100mm；主换热体基本单元8尺寸是：长×宽×高＝800mm×100mm×100mm；主换热体基本单元8和各封头基本单元所含的单个通道形状结2
构一致，均为正方形，横截面积为64mm，通道壁厚度为2mm，每个基本单元均含单个通道10层、10列。