CN212320455U - 一种高效熔铝炉空气高温预热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效熔铝炉空气高温预热系统，包括第一蓄热室、第二蓄热室、换向阀和高效换热器；两蓄热室设有烟气入口、空气出口、烟气出口、空气入口；换向阀为四通阀，设有可切换的烟气入口/空气出口和换向阀烟气出口/空气入口、以及固定的换向阀烟气出口和换向阀空气入口；换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口以切换方式分别连接蓄热室烟气出口/空气入口、蓄热室空气入口/烟气出口；高效换热器包括高效换热元件；换向阀烟气出口、换热器空气出口与高效换热器的接口相连。本装置解决了蓄热室阻力大、排烟温度高的问题，降低了排烟热损失和系统功耗，提升了烟气余热回收的效果，降低了产品的天然气消耗。

Description

一种高效熔铝炉空气高温预热系统

技术领域

本实用新型涉及换热器设备技术领域，尤其涉及一种高效熔铝炉空气高温预热系统。

背景技术

高温空气燃烧技术是一种广泛应用于工业炉窑的新型燃烧技术，又称蓄热式燃烧技术。高效蓄热系统是该燃烧技术得以实现的重要设备。高效蓄热系统以蓄热体为介质将高温烟气的热量传递给助燃空气，从而加热入炉空气，实现对高温烟气的热量回收。现今大部分高效蓄热系统单独采用蓄热室，这种蓄热室是一种高温、高效、紧凑式换热装置，能将助燃空气预热到很高的温度，同时拥有较高的换热效率。但是这种蓄热室气体阻力极大，而且排烟温度也较高，尤其是小型设备，其排烟温度需在一些必要条件下才可以保证在200℃。从而导致整个燃烧系统的排烟热损失高、功耗高，所以整个系统的经济性有待提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种高效熔铝炉空气高温预热系统。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种高效熔铝炉空气高温预热系统，与熔铝炉连接，包括第一蓄热室、第二蓄热室、换向阀和高效换热器；所述第一蓄热室设有蓄热室烟气入口/空气出口、蓄热室烟气出口/空气入口；所述第二蓄热室设有蓄热室空气出口/烟气入口、蓄热室空气入口/烟气出口；所述换向阀为四通阀，设有换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口、换向阀烟气出口、换向阀空气入口；所述换向阀烟气出口、换向阀空气入口均为固定式的进出口，所述换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口均为可切换的通道，所述换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口以切换方式分别连接所述蓄热室烟气出口/空气入口、蓄热室空气入口/烟气出口；所述高效换热器包括高效换热元件、换热器空气入口、换热器空气出口、换热器烟气入口、换热器烟气出口、第一管板和第二管板；所述高效换热元件安装在所述高效换热器的腔内，其两端分别用所述第一管板、第二管板固定；所述换热器烟气入口位于所述第一管板一侧，所述换热器空气出口位于所述第二管板一侧，所述高效换热器内部具有通道，该通道将所述换热器烟气入口与所述换热器空气出口分别连通；所述蓄热室烟气入口/空气出口与熔铝炉相接，所述蓄热室烟气出口/空气入口与所述换向阀烟气入口/空气出口相连，所述换向阀烟气出口与所述换热器烟气入口相接，所述换热器空气出口与所述换向阀空气入口相连，所述换向阀烟气出口/空气入口与所述蓄热室空气入口/烟气出口相接，所述蓄热室空气出口/烟气入口与熔铝炉相接。

烟气从蓄热室烟气入口进入蓄热室加热其内的蓄热体，然后从蓄热室烟气出口流出，进入高效换热器内加热空气，最后从换热器烟气出口排出；空气从换热器空气入口进入，被烟气加热，然后从换热器空气出口流出，进入蓄热室冷却其内的蓄热体，同时空气被进一步加热，最终进入熔铝炉参与燃烧；本系统设有两个蓄热室，可交替为熔铝炉送入助燃空气，排出高温烟气，由换向阀控制实现烟气和空气流向的改变。

所述第一蓄热室内与所述第二蓄热室内均敷设有耐火材料层，两蓄热式内装有陶瓷球蓄热体。耐火材料层，可保证蓄热室不被高温烟气烧坏；陶瓷球具有耐高温、蓄热密度高、导热性能优良、抗热震性高、耐腐蚀、抗渣、抗氧化等性能，还有足够的结构强度，使用寿命长、成本低廉的优点，陶瓷球可被反复加热和冷却。

所述换向阀为具有周期性动作的换向周期的换向阀。换向阀周期性地动作，可实现两个蓄热室中气流方向的切换，轮流被加热和冷却。

所述高效换热元件为三维变形管，所述三维变形管设有若干根，相邻所述三维变形管之间紧挨在一起形成稳定定位的自支撑结构。三维变形管形成自支撑结构，可节省折流板，实现烟气和空气的纯逆流动，提高换热效率，降低阻力，而且可实现排烟温度仅高于环境温度20℃。在不违反能量守恒定律的前提下，可将烟气温度降到尽可能低。

所述高效换热元件内部通道为空气通道，其外部与所述高效换热器的腔内之间为烟气通道，空气通道的气流方向与烟气通道的气流方向为逆向设置。逆向设置的气流方向，可使换热效率更高。

所述三维变形管为采用高比表面的换热管。高比表面的三维变形管，换热效果好，有助于热量的回收。

若干根所述三维变形管形成换热管束，若干根所述三维变形管之间通过凸点接触而相互支撑，并形成轴向多通道、纵向全通道的流通通道。三维变形管之间通过凸点接触相互支撑，使得其换热管束结构非常紧凑，占空间位置小，易于安装；轴向多通道、纵向全通道的流通通道，换热介质在三维变形管里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢、积灰的情况。

所述三维变形管的横截面为近椭圆形。近椭圆形的横截面，不存在圆形截面具有的磨损角，三维变形管的磨损量大大降低，并且不会积灰。

所述三维变形管为圆管经过二次加工成螺旋状异型管。螺旋状异型管造型的三维变形管，使得其形成的流场非常稳定均匀，没有死角，积灰几率大大减小。

本系统高效换热器采用了三维变形管作为高效换热元件，因此高效换热器又称为“三维变空间高效换热器”。

与现有技术对比，本实用新型的优点在于：

(1)熔铝炉采用本系统可以克服单独使用蓄热室阻力大的缺点，还克服了单独使用三维变空间高效换热器不能应用于高温环境的缺点。

(2)熔铝炉采用本系统可以提高燃料燃烧效率，本系统可以将助燃空气加热到更高的温度，以利于燃料的燃烧。

(3)本系统可以将烟气余热得到极限回收，三维变空间高效换热器可以将排烟温度降得低至仅高于环境温度20℃，最大限度地对烟气进行余热回收。

(4)本系统可以提高熔铝炉的热效率，由于排烟温度降得很低，对应的排烟热损失很小，热效率就相应地得到提高。

(5)本系统阻力小，可以降低系统功耗。单独使用蓄热室最大的缺点就在于阻力大，而增加了三维变空间高效换热器后可以减少一部分陶瓷球蓄热体，以大幅降低阻力，降低引风机功耗。

(6)本系统将蓄热室布置在三维变空间高效换热器之前，还可以起到对烟气的过滤作用，保障了三维变空间高效换热器运行的安全性

(7)本系统既克服了蓄热室系统阻力高、排烟温度高的缺点，又克服了三维变空间高效换热器不能应用于过高温度的缺点，将二者优势集于一身，降低排烟温度的同时还可以降低系统阻力，大幅节约天然气，提升熔铝炉的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型实施例蓄热室内陶瓷球蓄热体排布方式的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的结构示意图；

图3为本实用新型实施例高效换热器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例三维变形管的结构示意图；

图5为本实用新型实施例三维变形管的侧视图；

图6为常规使用普通圆管的磨损示意图；

图7为本实用新型实施例三维变形管采用高比表面管的防磨原理图。

图中附图标记含义：1、蓄热室烟气入口/空气出口；2、蓄热室空气出口/烟气入口；3、蓄热室烟气出口/空气入口；4、蓄热室空气入口/烟气出口；5、换向阀烟气入口/空气出口；6、换向阀烟气出口/空气入口；7、换向阀烟气出口；8、换向阀空气入口；9、换热器烟气入口；10、换热器空气出口；11、换热器空气入口；12、换热器烟气出口；13、第一管板；14、第二管板；15、三维变形管；20、第一蓄热室；30、第二蓄热室；40、换向阀；50、高效换热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图5，为一种高效熔铝炉空气高温预热系统，与熔铝炉连接，包括第一蓄热室20、第二蓄热室30、换向阀40和高效换热器50；第一蓄热室20设有蓄热室烟气入口/空气出口1、蓄热室烟气出口/空气入口3；第二蓄热室30设有蓄热室空气出口/烟气入口2、蓄热室空气入口/烟气出口4；换向阀40为四通阀，设有换向阀烟气入口/空气出口5、换向阀烟气出口/空气入口6、换向阀烟气出口7、换向阀空气入口8；换向阀烟气出口7、换向阀空气入口8均为固定式的进出口，换向阀烟气入口/空气出口5、换向阀烟气出口/空气入口6均为可切换的通道，换向阀烟气入口/空气出口5、换向阀烟气出口/空气入口6以切换方式分别连接蓄热室烟气出口/空气入口3、蓄热室空气入口/烟气出口4；高效换热器50包括高效换热元件、换热器空气入口11、换热器空气出口10、换热器烟气入口9、换热器烟气出口12、第一管板13和第二管板14；高效换热元件安装在高效换热器50的腔内，其两端分别用第一管板13、第二管板14固定；换热器烟气入口9位于第一管板13一侧，换热器空气出口10位于第二管板14一侧，高效换热器50内部具有通道，该通道将换热器烟气入口9与换热器空气出口10分别连通；蓄热室烟气入口/空气出口1与熔铝炉相接，蓄热室烟气出口/空气入口3与换向阀烟气入口/空气出口5相连，换向阀烟气出口7与换热器烟气入口9相接，换热器空气出口10与换向阀空气入口8相连，换向阀烟气出口/空气入口6与蓄热室空气入口/烟气出口4相接，蓄热室空气出口/烟气入口2与熔铝炉相接。

烟气从蓄热室烟气入口进入蓄热室加热其内的蓄热体，然后从蓄热室烟气出口流出，进入高效换热器50内加热空气，最后从换热器烟气出口12排出；空气从换热器空气入口11进入，被烟气加热，然后从换热器空气出口10流出，进入蓄热室冷却其内的蓄热体，同时空气被进一步加热，最终进入熔铝炉参与燃烧；本系统设有两个蓄热室，可交替为熔铝炉送入助燃空气，排出高温烟气，由换向阀40控制实现烟气和空气流向的改变。

第一蓄热室20内与第二蓄热室30内均敷设有耐火材料层，两蓄热式内装有陶瓷球蓄热体。耐火材料层，可保证蓄热室不被高温烟气烧坏；陶瓷球具有耐高温、蓄热密度高、导热性能优良、抗热震性高、耐腐蚀、抗渣、抗氧化等性能，还有足够的结构强度，使用寿命长、成本低廉的优点，陶瓷球可被反复加热和冷却。参阅图1，本申请的蓄热室装有的陶瓷球蓄热体是若干个陶瓷球依次堆叠，上层陶瓷球安放在下层两个陶瓷球之间，形成紧密的堆叠结构。

换向阀40为具有周期性动作的换向周期的换向阀40。换向阀40周期性地动作，可实现两个蓄热室中气流方向的切换，轮流被加热和冷却。

高效换热元件为三维变形管15，三维变形管15设有若干根，相邻三维变形管15之间紧挨在一起形成稳定定位的自支撑结构。三维变形管15形成自支撑结构，可节省折流板，实现烟气和空气的纯逆流动，提高换热效率，降低阻力，而且可将排烟温度减低到仅比环境温度高20℃，在不违反能量守恒定律的前提下，可将烟气温度降到尽可能低。三维变形管15可实现小端差传热，小端差为换热器某一端两种流体的温度差，例如本实施例中本换热器一段空气入口温度为环境温度40℃，排烟温度为60℃，该概念可以衡量换热器最大热交换能力，本换热器可实现排烟温度仅高于环境温度20℃。

高效换热元件内部通道为空气通道，其外部与高效换热器50的腔内之间为烟气通道，空气通道的气流方向与烟气通道的气流方向为逆向设置。逆向设置的气流方向，可使换热效率更高。

三维变形管15为采用高比表面的换热管。高比表面的三维变形管15，换热效果好，有助于热量的回收。

若干根三维变形管15形成换热管束，若干根三维变形管15之间通过凸点接触而相互支撑，并形成轴向多通道、纵向全通道的流通通道。三维变形管15之间通过凸点接触相互支撑，使得其换热管束结构非常紧凑，占空间位置小，易于安装；轴向多通道、纵向全通道的流通通道，换热介质在三维变形管15里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢、积灰的情况。

三维变形管15的横截面为近椭圆形。近椭圆形的横截面，不存在圆形截面具有的磨损角，三维变形管15的磨损量大大降低，并且不会积灰。

三维变形管15为圆管经过二次加工成螺旋状异型管。螺旋状异型管造型的三维变形管15，使得其形成的流场非常稳定均匀，没有死角，积灰几率大大减小。

本系统高效换热器50采用了三维变形管15作为高效换热元件，因此高效换热器50又称为“三维变空间高效换热器”。

本实施例中，蓄热室烟气入口/空气出口1，换向阀40动作前，为第一蓄热室20的烟气入口，熔铝炉中的高温烟气从蓄热室烟气入口/空气出口1进入第一蓄热室20；换向阀40动作以后，为第一蓄热室20的空气出口，助燃空气从蓄热室烟气入口/空气出口1进入熔铝炉。蓄热室空气出口/烟气入口2，与蓄热室烟气入口/空气出口1对应，换向阀40动作前，为第二蓄热室30空气出口，助燃空气从蓄热室空气出口/烟气入口2进入熔铝炉，换向阀40动作后，为烟气入口，熔铝炉的高温烟气从蓄热室空气出口/烟气入口2进入第二蓄热室30。蓄热室烟气出口/空气入口3，可根据换向阀40的动作而切换，原理如蓄热室烟气入口/空气出口1以及蓄热室空气出口/烟气入口2的。蓄热室空气入口/烟气出口4，可根据换向阀40的动作而切换，原理如蓄热室烟气入口/空气出口1以及蓄热室空气出口/烟气入口2的。换向阀烟气入口/空气出口5与换向阀烟气出口/空气入口6，换向阀40动作前与蓄热室烟气入口/空气出口1对应，换向阀烟气入口/空气出口5为烟气入口，熔铝炉中的高温烟气经过第一蓄热室20后，由换向阀烟气入口/空气出口5进入换向阀40，而助燃空气则从高效换热器50流出经过换向阀40后从换向阀烟气出口/空气入口6流出，然后进入第二蓄热室30。

本实施例中，换向阀40是可以设置固定的动作时间，一个换向周期，换向阀40动作一次，第一蓄热室20和第二蓄热室30的工质流向改变一次。如图2中实线箭头和虚线箭头两种流向指向所示，具体地，换向阀40动作之前，烟气在两个蓄热室和换向阀40之间按照实线箭头方向流动，从熔铝炉经第一蓄热室20的蓄热室烟气入口/空气出口1进入，加热第一蓄热室20内的陶瓷球蓄热体，烟气温度降低后从第一蓄热室20的蓄热室烟气出口/空气入口3流出，并从换向阀烟气入口/空气出口5进入，经换向阀烟气出口7流出，然后从高效换热器50的换热器烟气入口9进入，预热助燃空气，温度进一步降低后，从高效换热器50的换热器烟气出口12排出，同时由换热器空气入口11进入而被加热的助燃空气从换热器空气出口10流出后，从换向阀空气入口8进入，经换向阀烟气出口/空气入口6流出，再进入第二蓄热室30的蓄热室空气入口/烟气出口4，在第二蓄热室30内被进一步加热到更高的温度，从第二蓄热室30的蓄热室空气出口/烟气入口2流出进入熔铝炉，此时第二蓄热室30中的陶瓷球蓄热体被空气冷却。达到一个换向周期后，烟气在两个蓄热室和换向阀40之间按照虚线箭头方向流动，烟气从第二蓄热室30的蓄热室空气出口/烟气入口2流入，第二蓄热室30中的陶瓷球蓄热体被加热，烟气从蓄热室空气入口/烟气出口4流出，再经换向阀烟气出口/空气入口6流入、换向阀烟气出口7流出，然后进入高效换热器50，然后流向与换向周期之前相同，相应地，助燃空气从高效换热器50出来，经过换向阀空气入口8进入、换向阀烟气入口/空气出口5流出，进入第一蓄热室20，冷却第一蓄热室20中的陶瓷球蓄热体，同时空气被进一步加热，然后进入熔铝炉。如此，完成一个循环，而后周而复始。

为了能够降低系统阻力，第一蓄热室20和第二蓄热室30中的陶瓷球蓄热体高度需经过计算后确定，原则上在保证蓄热室热工参数不变的情况下，尽可能降低陶瓷球蓄热体的高度、以减小系统功耗。

为了达到更好的换热效果，高效换热器50内部采用逆流换热的热交换方式，第一管板13、第二管板14之间为换热空间。具体地，烟气从高效换热器50的换热器烟气入口9进入壳侧，从高效换热器50的换热器烟气出口12流出，除了出入口有少部分横向冲刷，在换热器内部绝对多数都是沿着管长方向的纵向流，空气由高效换热器50的换热器空气入口11进入三维变形管15内，然后从换热器空气出口10流出，方向正好与烟气流向相反，以取得更好的换热效果。

图6为常规使用普通圆管的磨损示意图，图中所示60°角的圆管处形成一个黑点色块，表示圆管在此处出现60°磨损角，图中右边有一个漩涡型构造，表示此处有涡流；图7为本实用新型实施例采用高比表面管的防磨原理图，图中所示60°处并没在高比表面管上形成黑点色块，表示其不存在60°磨损角，图中右侧180°处并没出现漩涡型构造，表示该处无涡流产生。高比表面管具有防磨特点的详细阐述，一般的圆管磨损点最大的地方出现在60°角的地方，该地方最先磨穿，并且180°角的位置(也就是圆管顺着流向的背面)有涡流，速度下降，在该地方最容易产生积灰。根据圆管换热管在烟气流场的磨损规律，其最大的磨损位置出现在圆截面60°角的地方，而高比表面管的截面是近椭圆形，没有存在60°磨损角，在背面也不存在涡流点，不会积灰。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种高效熔铝炉空气高温预热系统，与熔铝炉连接，其特征在于：包括第一蓄热室、第二蓄热室、换向阀和高效换热器；所述第一蓄热室设有蓄热室烟气入口/空气出口、蓄热室烟气出口/空气入口；所述第二蓄热室设有蓄热室空气出口/烟气入口、蓄热室空气入口/烟气出口；所述换向阀为四通阀，设有换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口、换向阀烟气出口、换向阀空气入口；所述换向阀烟气出口、换向阀空气入口均为固定式的进出口，所述换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口均为可切换的通道，所述换向阀烟气入口/空气出口、换向阀烟气出口/空气入口以切换方式分别连接所述蓄热室烟气出口/空气入口、蓄热室空气入口/烟气出口；所述高效换热器包括高效换热元件、换热器空气入口、换热器空气出口、换热器烟气入口、换热器烟气出口、第一管板和第二管板；所述高效换热元件安装在所述高效换热器的腔内，其两端分别用所述第一管板、第二管板固定；所述换热器烟气入口位于所述第一管板一侧，所述换热器空气出口位于所述第二管板一侧，所述高效换热器内部具有通道，该通道将所述换热器烟气入口与所述换热器空气出口分别连通；所述蓄热室烟气入口/空气出口与熔铝炉相接，所述蓄热室烟气出口/空气入口与所述换向阀烟气入口/空气出口相连，所述换向阀烟气出口与所述换热器烟气入口相接，所述换热器空气出口与所述换向阀空气入口相连，所述换向阀烟气出口/空气入口与所述蓄热室空气入口/烟气出口相接，所述蓄热室空气出口/烟气入口与熔铝炉相接。

2.根据权利要求1所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述第一蓄热室内与所述第二蓄热室内均敷设有耐火材料层，两蓄热式内装有陶瓷球蓄热体。

3.根据权利要求1所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述换向阀为具有周期性动作的换向周期的换向阀。

4.根据权利要求1所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述高效换热元件为三维变形管，所述三维变形管设有若干根，相邻所述三维变形管之间紧挨在一起形成稳定定位的自支撑结构。

5.根据权利要求1所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述高效换热元件内部通道为空气通道，其外部与所述高效换热器的腔内之间为烟气通道，空气通道的气流方向与烟气通道的气流方向为逆向设置。

6.根据权利要求4所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述三维变形管为采用高比表面的换热管。

7.根据权利要求6所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：若干根所述三维变形管形成换热管束，若干根所述三维变形管之间通过凸点接触而相互支撑，并形成轴向多通道、纵向全通道的流通通道。

8.根据权利要求6所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述三维变形管的横截面为近椭圆形。

9.根据权利要求8所述的高效熔铝炉空气高温预热系统，其特征在于：所述三维变形管为圆管经过二次加工成螺旋状异型管。

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