[0001] 本发明涉及换热器技术领域，特别涉及一种高温气气换热器。

[0002] 以炭黑、石化、环保等行业为例，在生产过程中会产生大量的高温烟气，往往采用气气换热器等换热设备对高温烟气进行余热回收。

[0003] 以常规的管壳式气气换热器为例，由于烟气温度较高，往往在800℃左右，甚至更高温度，在烟气流入换热管之前，对于烟气入口侧的管板、换热管与管板的连接而言，高温烟气会首先对管板、换热管与管板连接处进行高温冲击，随着管板、换热管的受热膨胀作用，使得管板、换热管中会产生极大的高温应力，很容易发生管板变形开裂、管板与换热管连接焊缝破坏等问题，使得换热器因高温膨胀破坏的影响而无法维持正常运行。

[0033] 下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。

[0034] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本申请中“上”、“下”等方位词均以附图1中的方向坐标为准；附图1中换热器内的黑色箭头表示物质流动方向。同时，本申请的附图中仅画出了两根换热管6，其余换热管6以线条简单示意，以避免视图杂乱。

[0035] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0036] 实施例1

[0037] 在现有技术中，对于高温烟气进行换热的管壳式气气换热器而言，由于烟气温度较高，往往在800℃左右，甚至更高温度，在烟气流入换热管之前，对于烟气入口侧的管板、换热管与管板的连接而言，高温烟气会首先对管板、换热管与管板连接处进行高温冲击，随着管板、换热管的受热膨胀作用，使得管板、换热管中会产生极大的高温应力，很容易发生管板变形开裂、管板与换热管连接焊缝破坏等问题，使得换热器因高温膨胀破坏的影响而无法维持正常运行。

[0038] 需要说明的是，本申请中提及的气气换热器主要是指高温气态物质与低温气态物质进行换热，本申请以高温烟气、低温空气为例进行介绍，但并不局限于烟气、空气等具体物质组分，并且完全可以替换为其他气态物质之间的换热。

[0039] 为了解决现有技术中高温气气换热器在管板、换热管处存在较大的高温应力，容易导发生高温膨胀破坏的问题，本实施例提出一种高温气气换热器，如附图1‑7所示，所述高温气气换热器包括自下至上依次连接的下箱体1、管壳2、上箱体3；为了便于划分，本申请以下管板41、上管板5为界，将下管板组件4(可以具体为下管板41)、上管板5之间的换热器结构视为管壳2，所述管壳2内设置换热管6。

[0040] 具体的，所述上箱体3的下部设置上管板5，所述上管板5分别与上箱体3、管壳2连接，所述下箱体1的上部设置下管板组件4，所述下管板组件4能够相对于下箱体1、管壳2移动，所述上管板5与下管板组件4之间通过换热管6连接。即，本申请中，所述上管板5可以视为固定式管板，所述下管板组件4可以视为浮动式组件。

[0041] 所述下箱体1包括烟气箱11、第一空气箱12，所述第一空气箱12的下端与烟气箱11连接，第一空气箱12的上端与管壳2连接，所述烟气箱11的顶部设置波纹接管112，所述波纹接管112在受力作用下能够产生一定的伸缩，所述波纹接管112向上延伸至第一空气箱12内，并与下管板组件4的下端连接。所述烟气箱11设置烟气入口111，所述第一空气箱12设置空气出口121。所述上箱体3包括烟气管31、第二空气箱32，所述烟气管31与上管板5的上表面连接，并贯穿第二空气箱32。所述烟气管31设置烟气出口311，所述第二空气箱32设置空气入口321。

[0042] 其中，所述下管板组件4包括下管板41、隔热箱42，所述隔热箱42的一端与下管板41的下表面连接，所述隔热箱42的另一端与波纹接管112连接，所述隔热箱42与波纹接管
112之间设置隔板43，所述隔热箱42、隔板43、下管板41之间形成隔热腔44，所述换热管6的下端与下管板41连接，所述隔板43设置与换热管6一一对应的插接管45，所述插接管45向上延伸并贯穿隔热腔44，直至所述插接管45的上端延伸至对应的换热管6内部。所述隔热腔44为相对密闭的独立腔体，隔热腔44内部为空气或其他导热系数低的物质，在正常运行状态下，隔热腔44内部不与隔热腔44外部进行物质交换。

[0043] 从而本申请通过设置波纹接管112、浮动的下管板组件4，在高温气气换热器运行过程中，随着下管板组件4的浮动以及波纹接管112的对应伸缩，换热管6等部件所产生的受热膨胀作用会被减弱或削减，有利于降低管板、换热管处存在的高温应力，避免高温膨胀导致结构破坏的情况发生。

[0044] 同时，由于波纹接管112位于第一空气箱12内，波纹接管112内的高温烟气能够首先与第一空气箱12内的空气进行换热，经过初步换热降温后的烟气再流入换热管6进行后续的换热，一来使得波纹接管112也作为换热部件，增大了换热面积，有利于提高换热效率，另一方面高温烟气首先在波纹接管112内换热降温，在一定程度上降低了流入插接管45、换热管6的烟气温度，也在一定程度上减弱了烟气对管板、换热管的高温影响。

[0045] 此外，本申请的下管板组件4内具有隔热腔44，以及相应的插接管45结构，一方面使得高温烟气先流入插接管45内，并随着插接管45直接流入换热管6内，使得高温烟气不与下管板41接触，避免了高温烟气直接冲击下管板41，避免了“下管板41以及换热管6与下管板41连接处的直接受热膨胀，导致其高温应力较大”的情况发生，另一方面由于波纹接管112内为相对高温的烟气，而隔热腔44位于波纹接管112与下管板41之间，隔热腔44作为相对独立密闭的腔室(以隔热腔44内为空气来举例，在密闭状态下，空气的导热系数约为
0.023W/m·k)，能够使得隔热腔44在波纹接管112与下管板41之间进行有效地隔热，使得隔热腔44为下管板41提供良好的低温保护，进一步避免“管板、换热管处存在较大的高温应力，容易导发生高温膨胀破坏”等情况的发生。

[0046] 作为优选的，所述插接管45伸入换热管6的长度≥300mm，具体是指，在插接管45插入换热管6后，所述插接管45上端与换热管6下端之间的距离≥300mm。从而使得插接管45上端与换热管6下端之间具有足够长的距离，让高温烟气尽可能地远离下管板41，有利于进一步降低高温烟气对下管板41、下管板41与换热管6连接处的热量冲击。

[0047] 但需要说明的是，本申请中插接管45上端并不会从换热管6下端延伸至换热管6上端，根据实际的换热管6长度，往往将插接管45上端延伸至换热管6的中下部或下部位置即可，以确保换热管6仍是作为换热主体，保障管壳2处的换热效率。

[0048] 如附图4所示，本申请中插接管45并是与换热管6内壁完全贴合；具体的，所述插接管45的外壁设置支撑环46，所述支撑环46的一侧与插接管45的外壁连接，另一侧与换热管6的内壁抵接，一来减小插接管45与换热管6之间的接触面，减弱插接管45对换热管6的直接热量传递，二来对插接管45与换热管6之间的插接进行支撑、限位，避免发生管子之间的震动、轻微位移、转动等，三来对隔热腔44进行一定程度的密封，尽可能避免高温烟气流入隔热腔44中。对于支撑环46设置的个数、位置，不仅仅局限于附图4所示的内容，本申请可以在插接管45的不同高度位置设置多个支撑环46，尤其是，在插接管45上端与换热管6下端之间的位置，在插接管45外壁设置多个支撑环46。

[0049] 对于烟气、空气的流动而言，烟气箱11、第一空气箱12之间为相互独立的腔室，烟气管31、第二空气箱32之间为相互独立的腔室；在管壳2中，换热管6的管内流道(管程)、管壳2的壳内流道(壳程)为相互独立的腔室。

[0050] 沿着烟气流动方向，所述烟气箱11通过换热管6与烟气管31连通，具体的，烟气管31、波纹接管112作为烟气的汇流管，所述波纹接管112与每一个换热管6的入口连通，所述烟气管31与每一个换热管6的出口连通，使得烟气能够依次流经烟气箱11、波纹接管112、各个换热管6、烟气管31。

[0051] 沿着空气流动方向，所述第二空气箱32通过管壳2(内部)与换热管6(外部)之间的空间与第一空气箱12连通，具体的，所述上管板5设置第二孔51，所述下管板41设置第一孔411，所述第二空气箱32通过第二孔51与管壳2内腔连通，所述第一空气箱12通过第一孔411与管壳2内腔连通，使得空气能够依次流经第二空气箱32、管壳2、第一空气箱12。

[0052] 由于烟气管31、波纹接管112的汇流，不能与第一孔411、第二孔51的设置发生空间干涉，所述上管板5、下管板41的板面积不仅均大于烟气管31下端的横截面面积，也均大于波纹接管112上端的横截面面积，使得在烟气管31外的上管板5留有开设第二孔51的空间位置，在波纹接管112外的下管板41留有开设第一孔411的空间位置。

[0053] 本申请中，烟气与空气的换热位置有三处，分别为波纹接管112、换热管6、烟气管31。

[0054] 对于波纹接管112、烟气管31而言，所述波纹接管112的至少一部分管段为第一波纹管113，所述烟气管31的至少一部分管段为第二波纹管312；波纹管结构的设置，一方面波纹管的伸缩作用，能够为气气换热器内相关部件提供一定的缓冲位移量，避免气气换热器内相关部件之间内应力过大，另一方面波纹管的管壁形状，在单位体积的空间内，增大了波纹接管112、烟气管31处的换热面积，有利于提高换热效率，同时，在烟气、空气流经波纹管的波纹形状时，能够有效地增大气态介质的湍流程度，能够进一步提高换热效率。

[0055] 如附图5‑6所示，所述第二空气箱32内设置折流筒322，所述折流筒322的下端与上管板5连接，所述第二孔51被设置在折流筒322、烟气管31之间所围出的上管板5处，所述折流筒322的上端向上适当延伸，优选的，折流筒322的上端高于空气入口321的最高点，并高于第二波纹管312的上端，使得空气由空气入口321进入第二空气箱32中，不会直接通过第二孔51流入管壳2，而是在第二空气箱32中先向上流动，越过折流筒322之后，再沿着折流筒322、烟气管31(第二波纹管312)之间的空间流动至第二孔51，增大了烟气管31与空气的接触面积、接触时长，有利于提高换热效率。此外，所述折流筒322的上端设置多个缺口323，以适当降低空气流动阻力，使得空气更容易越过并流入到折流筒322内。对于第二孔51，可以均匀地设置在折流筒322、烟气管31之间的空间。

[0056] 所述下管板41的第一孔411的设置情况，如果下管板41下侧没有设置如上管板5处的折流筒，则可以降低下管板41靠近空气出口121一侧的第一孔411的孔密度，增大下管板41远离空气出口121一侧的第一孔411的孔密度，或者说，下管板41远离空气出口121一侧所开设的第一孔411的孔密度＞下管板41靠近空气出口121一侧所开设的第一孔411的孔密度，使得空气从第一孔411流入第一空气箱12内，有尽可能多的空气能够流经波纹接管112，与波纹接管112换热后，再流出空气出口121。当然，下管板41下侧也可以设置与上管板5处的折流筒322相似的结构，此时可以无需考虑第一孔411的孔密度调节，具体可以参考折流筒322的相关内容，不再赘述。

[0057] 所述管壳2包括自上至下依次连接的第二变径段23、窄径段22、第一变径段21，所述第二变径段23的上端与第二空气箱32连接，在自上至下方向上，所述第二变径段23的横截面面积逐渐减小；所述第一变径段21的下端与第一空气箱12连接，在自上至下方向上，所述第一变径段21的横截面面积逐渐增大；从而减小了窄径段22的横截面面积，有利于减小气气换热器整体所占用的空间，使得管壳2内结构紧凑，空气能够贴着换热管6流动，有利于提高换热效率；此外，空气依次流经第二空气箱32、第二孔51、第二变径段23、窄径段22、第一变径段21、第一孔411、第一空气箱12，使得空气的流动空间发生变小(空气流动至第二孔51)、变大(空气由第二孔51流入第二变径段23)、变小(空气由第二变径段23流入窄径段
22)、变大(空气由窄径段22流入第一变径段21)，使得空气至少在流经管壳2处，受流动空间尺寸的改变，空气的流动速度会随之发生多次改变，相应的，空气的湍流程度也会随之不断增大，有利于进一步提高空气与烟气的换热效率。

[0058] 优选的，所述第二变径段23的最小横截面面积与最大横截面面积之比为1：3.4‑4.2，所述第一变径段21的最小横截面面积与最大横截面面积之比为1：3.4‑4.2。本申请通过对第二变径段23、第一变径段21的渐变尺寸进行限定，一方面有利于进一步优化管壳2的整体尺寸比例，使得管壳2内部结构更为紧凑，减小气气换热器整体所占用的空间，另一方面在尽可能增强空气湍流程度的基础上，在一定程度避免空气流动阻力过大、空气流速过慢等情况的发生。

[0059] 所述窄径段22内设置折流板8，所述折流板8优选为三弓形折流板，使得空气在窄径段22内能够主要维持自上至下的流动方向，以尽量降低折流板对空气流动方向的改变，尽量减弱空气流动阻力的增大程度。

[0060] 所述下箱体1的内壁设置隔热层，以降低高温烟气对下箱体1的主体结构造成的热冲击影响。所述隔热箱42内也可以设置隔热层，以尽可能降低隔热箱42外的高温环境对隔热腔44内的传递作用，使得隔热腔44能够起到较好的隔热保护的作用。

[0061] 实施例2

[0062] 本实施例在实施例1的基础上进行改进，具体如附图8‑9所示。

[0063] 首先，对于空气的流动而言。

[0064] 所述折流筒322的内壁设置第二环板324，所述第二环板324的设置位置与第二波纹管312的波纹内凹部(波谷)平齐；所述第一空气箱12的内壁设置第一环板122，所述第一环板122的设置位置与第一波纹管113的波纹内凹部(波谷)平齐。从而通过在第一空气箱12、第二空气箱32中的空气流动路径上分别设置环板结构，并将环板结构与波纹管结构进行对应设置，有利于促使空气更多地朝着波纹管结构流动，提高了与波纹管结构接触的空气量，也有利提高空气与波纹管之间的接触时长，能够进一步提高烟气管31、波纹接管112处的换热效率，使得本申请中的气气换热器的换热过程不仅仅集中于管壳2中。

[0065] 优选的，所述第二环板324与第二波纹管312的波纹内凹部一一对应设置，所述第一环板122与第一波纹管113的波纹内凹部一一对应设置。

[0066] 对于第一环板122的设置，考虑到避免对空气出口121造成阻挡，可以将位于空气出口121处的第一环板122切割掉一部分弧段，以对空气出口121进行避让。

[0067] 此外，所述第二变径段23内设置导流板7，所述导流板7位于第二孔51的下方，用于引导空气朝着换热管6方向流动，由于第二孔51相对于换热管6较为靠外，导流板7的设置，用于对第二孔51流入第二变径段23内的气流进行导向，使得空气能够较为集中地朝向换热管6流动，增大与换热管6接触的空气量，以提高管壳2内的换热效率。

[0068] 对于高温烟气的流动而言，所述烟气箱11内设置导流结构，所述导流结构包括导流弧板114、支架115，所述导流弧板114在高度上与烟气入口111平齐，所述导流弧板114的凸面正对烟气入口111，所述导流弧板114的凹面通过支架115与烟气箱11内壁连接。在烟气由水平流向变为竖直流向的过程中，通过导流结构的设置，有够有效改善烟气流速的分布情况，使得进入波纹接管112内的烟气分布、烟气流速更为均匀，一方面有利于提高波纹接管112处的换热效率，另一方面也有利于提高烟气在波纹接管112内的换热降温程度，进一步降低了流入插接管45、换热管6的烟气温度，减弱了烟气对管板、换热管的高温影响。同时，在波纹接管112内均匀分布的烟气也能够以较为均匀的流量分别流入每一个换热管6内，在一定程度上也有利于进一步改善管壳2内的换热效果。

[0069] 本实施例的其余技术内容与实施例1保持一致，不再赘述。

[0070] 实施例3

[0071] 在实施例1、2中，为了满足装配、连接，在相关截面形状相同的同时，也可以理解成第一变径段21下端的横截面面积(或称为“端面面积”，下同)与第一空气箱12上端的横截面面积相同，第二变径段23上端的横截面面积与第二空气箱32下端的横截面面积相同。

[0072] 本实施例的内容与实施例1或实施例2保持一致，区别在于，如附图10所示，本实施例中，所述第二变径段23上端的横截面面积＜第二空气箱32下端的横截面面积，且第二变径段23上端的横截面面积≥折流筒322下端的横截面面积，从而在不影响介质流动、换热的基础上，能够进一步优化管壳2的结构，使得管壳2内部的结构更为紧凑，进一步减小气气换热器整体所占用的空间。

[0073] 在本发明中，对于任意气气换热设备而言，可以包括本申请中所述高温气气换热器，且在本申请提供的相关结构及装配关系的基础上，所述高温气气换热器还包括人孔、流量检测器、温度检测器等常规部件，鉴于其为现有技术，在此不进行赘述。

[0074] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。