一種用於菸葉烘烤設備的高效熱風爐的製作方法

2023-08-11 19:56:06 2

本發明涉及傳熱學領域，尤其涉及一種用於菸葉烘烤設備的高效熱風爐。

背景技術：

菸葉烘烤是一項能耗很大的乾燥作業，菸葉烘烤的成本很大一部分來源於能耗，熱風爐是菸葉烘烤設備的重要組成部分，在菸葉烘烤設備中扮演的是熱能轉換的重要作用，熱風爐換熱性能的好壞直接影響到菸葉烘烤設備的能耗和烤菸成本，尋求高效率低耗能的菸葉烘烤設備一直是菸葉烘烤設備發展的方向和目標。

近年來，國內菸葉烘烤領域在應用燃煤型火管式熱風爐基礎上，陸續出現了燃油、燃氣、熱泵、生物質、太陽能等供熱設備。但是，這些設備也都明顯存在有其自身的不足，不是設備一次性投入太大，就是燃料價格較貴，設備運行成本高，導致烤菸成本居高不下，在經濟性和實用性方面不適合現階段國內煙區的實際情況。新能源在菸葉烘烤領域的開發利用是一種發展趨勢和方向，目前還處於探索發展階段，很多因素還不能完善，與實際應用尚存在一定距離，大規模應用在經濟上還不盡合理。由於我國煤炭燃料資源豐富，價格低廉，目前國內菸葉密集烤房的供熱設備仍然是以燃煤型的火管式熱風爐為主的局面，而且在近期以燃煤為熱源的自控或半自控密集烤房仍將是我國菸葉烘烤設備的發展方向。

但是，目前菸葉密集烤房中普及應用的燃煤型火管式熱風爐存在的問題是熱能利用效率普遍較低，烤菸能耗居高不下。究其原因：一是氣一氣換熱方式的換熱係數本來就較低，加之火管式熱風爐又受到金屬導熱性質的限制，熱阻大，熱轉換效率低。二是爐膛容量與三段式烤菸工藝不匹配，在小火期和中火期爐膛內燃料燃燒不充分，燃燒效率低，以及揮發份、可燃物向外排放和燃料細微顆粒從爐篦間隙下漏造成浪費。三是火管式熱交換器受結構體積的限制，散熱面積小，散熱能力受限，煙氣排放溫度高。四是火管式熱交換器的換熱管設置方式極易堵灰，使換熱管的熱阻增大，造成換熱能力不同程度的下降，堵 灰嚴重時甚至使部分換熱管失效。由於多種因素的制約影響到熱風爐的熱交換性能，造成熱能利用效率普遍較低，烤菸能耗居高不下。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種用於菸葉烘烤設備的高效熱風爐，包括：導熱管(1)，翅片管(2)，爐壁(3)，爐頂(4)和鋼質翅片(5)；本發明採用單相導熱機制，大大提高了導熱器件的傳熱能力和對爐膛溫度的承載能力，突破爐膛溫度對相變傳熱的多種極限限制，解決了普通相變傳熱機制無法勝任的大密度傳熱工況，並通過燃料燃燒和散熱一體化設計，利用具有較高熱交換能力的鋁合金開縫翅片充分擴展換熱面積，使熱風爐形成一個具有強大熱交換能力的換熱結構，可以在不改變原有烤房框架結構和原有配套設施的情況下，大幅提高菸葉烘烤設備的熱能利用效率，實現烤菸生產節能降耗的目的。

本發明解決上述技術問題的技術方案是：包括：導熱管(1)，翅片管(2)，爐壁(3)，爐頂(4)和鋼質翅片(5)；所述導熱管(1)為一組非相變循環迴路導熱管，導熱管(1)在熱風爐上圍繞爐壁(3)的周長依次排列分布，沿爐壁(3)的高度方向垂直設置，導熱管(1)兩端的弧形彎曲段在爐壁(3)上穿越固定，導熱管(1)的兩條軸線以爐壁(3)為隔板分布在爐壁(3)的內、外兩側，爐壁(3)外側的管段上設置有翅片管(2)，爐壁(3)內側的管段為滑璧光管。

所述翅片管(2)為鋁合金翅片管，鋁合金管上設置有直肋翅片，翅片平面上設置有多區域間斷型開縫結構，翅片管(2)通過脹管固定在導熱管(1)一側的管段上。

所述爐頂(4)板面上分布設置有鋼質翅片(5)。

所述熱風爐為立式的圓柱形結構，熱風爐上還設置有添煤口(6)和出渣口(7)，燃燒室與儲渣室之間設置有爐篦(8)，爐頂(4)上設置有與煙囪連接的排煙出口(9)，在出渣口(6)的一側設置有鼓風機進風管(10)。

本發明除了翅片管(2)採用鋁合金材質外，其他配件均採用ns鋼材質；導熱管(1)經過清洗、鈍化處理後製作成形，並在管腔內灌注合適的工作介質。

本發明的技術效果在於：本發明的設計目的是通過大幅度提高熱風爐的熱能轉換效率，解決現有烤菸設備熱能利用效率普遍較低的技術問題。在通常熱 能利用過程當中，能量的利用通常是通過能量的傳輸來實現的，所以能量的利用過程也是一個能量的傳遞過程，能量傳遞的實質實際上就是能量利用的實質；熱風爐在烤菸設備中扮演的是熱能轉換的重要角色，能否將爐膛內燃料燃燒的發熱量及時有效的轉換到烤房當中，對烤菸能耗和烤菸成本有著直接和關鍵性的作用。一款高效的熱風爐不但要實現能量的高效傳輸，還必須有一個合理的換熱結構和足夠的熱交換面積，具備高效的換熱能力，才能實現熱能的高效利用。本發明針對目前國內烤菸設備中大量普及應用的燃煤型火管式熱風爐存在熱能利用效率普遍較低的問題，結合現有烤菸炕房的框架結構和烤菸工藝，以獨特的結構設計和效能優化的熱交換方式，大幅提高熱風爐的熱能轉換效率來提高熱能利用效率，實現本發明的設計目的。

單相導熱機制在熱風爐上的應用，大大提高了導熱器件的傳熱能力和對爐膛溫度的承載能力，突破了爐膛溫度對相變傳熱的多種極限限制，解決了普通相變傳熱無法勝任的傳熱工況，在高熱流密度工況下，為實現熱能的快速轉換和有效利用建立了快速導熱通道。

熱風爐獨特的結構設計為擴展散熱面積提供了條件，能夠充分的擴展散熱面積，使熱風爐形成了一個具有強大熱交換能力的散熱結構，熱風爐的整個換熱過程得到強化，具備了足夠的換熱能力，從而從根本上解決了氣一氣換熱係數低的問題，爐膛外部的換熱條件為導熱元件的高效運行和散熱結構的可靠穩定性提供了保障。

熱風爐的換熱結構採用直肋翅片設置使熱風爐的熱風流程阻力明顯減小，翅片平面上多區域間斷型開縫結構使散熱翅片平面結構發生變化，流經翅片表面流體的邊界層形成分層發展態勢，有效減薄邊界層厚度，加強氣流擾動，換熱係數得到提高，對強化傳熱效果產生了顯著影響，使熱風爐的換熱效率得到大幅提升。

鋁材質換熱材料的選用在熱風爐中發揮了重要作用，性價比優良的鋁材質具有較高的熱交換能力，其高導熱能力和低比熱容的特性決定了其高效的散熱效果，對提高熱風爐的換熱性能有很大幫助。

燃料燃燒和散熱結構的一體化，使熱風爐形成了一個緊湊的產品結構，熱風爐的金屬耗材明顯減少、體積減小、重量大幅減輕。

與現有技術相比，由於熱風爐換熱性質的改變，熱交換過程增強和熱轉換 效率的提升，在三段式烘烤工藝的任何期段，爐膛內燃料的添加量和添加次數都相應減少，爐膛內燃料的堆放體積均明顯下降，在相同供風量情況下燃料燃燒條件得到改善，供氧均勻，燃燒充分，燃燒效率得到提高。由於導熱器件的高效傳熱特性和循環風機的不間斷運行，在烤房穩溫、保溫時段內的溫度維持時間延長，鼓風機啟動次數減少、啟動間隔時間延長、鼓風機工作時運行時間明顯縮短，烤菸設備運行期間的各時段溫度調節靈敏，室內溫度與控制系統配合良好。應用測試結果表明，與現有設備同比熱能利用效率有較大幅度的提高，節能效果非常明顯。可以在不改變原有炕房框架結構和原有配套設施的情況下，配合既定烤菸工藝要求，實現強制通風、熱風循環和烘烤過程自動控制，大幅提高菸葉烘烤設備的熱能利用效率，實現烤菸生產節能降耗，降低烤菸成本，增加菸葉種植收益。

附圖說明

圖1是一種用於菸葉烘烤設備的高效熱風爐側面剖視示意圖。

圖2是熱風爐上的單相循環迴路換熱器件示意圖。

圖3是直肋翅片平面上的多區域間斷型開縫結構示意圖。

圖4是熱風爐橫截面俯視示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步說明。

如圖1所示，本發明包括：導熱管(1)，翅片管(2)，爐壁(3)，爐頂(4)和鋼質翅片(5)；導熱管(1)為一組非相變循環迴路導熱管；導熱管(1)在熱風爐上圍繞爐壁(3)的周長依次排列分布，沿爐壁(3)的高度方向垂直設置，導熱管(1)兩端的弧形彎曲段在爐壁(3)上穿越固定，導熱管(1)的兩條軸線以爐壁(3)為隔板分布在爐壁(3)的內、外兩側，爐壁(3)外側的管段上設置有翅片管(2)，爐壁(3)內側的管段為滑璧光管。爐頂(4)的板面上分布設置有鋼質翅片(5)。熱風爐為立式的圓柱形結構，熱風爐上還設置有添煤口(6)和出渣口(7)，燃燒室與儲渣室之間設置有爐篦(8)，爐頂(4)上設置有與煙囪連接的排煙出口(9)，在出渣口(7)的一側設置有鼓風機進風管(10)。

如圖2或圖1所示，導熱管(1)為非相變循環迴路導熱管，導熱管(1)一側的管段上設置有翅片管(2)，翅片管(2)為鋁合金管，鋁合金管上設置有直肋翅片，翅片管(2)通過脹管固定在導熱管(1)一側的管段上，導熱管(1)另一側的管段為滑璧光管。

如圖3所示，直肋翅片平面上設置有多區域間斷型開縫結構。

如圖4或圖1所示，熱風爐為立式的圓柱形結構，導熱管(1)在熱風爐上圍繞爐壁(3)的周長依次排列分布，爐壁(3)外側的管段上設置有翅片管(2)，翅片管(2)通過脹管固定在導熱管(1)外側的管段上，爐壁(3)內側的管段為滑璧光管。

本發明的技術原理：本發明在使用時，將本發明固定於原有炕房供熱室的循環風機下方，熱風爐工作時，爐膛內的燃料燃燒產生熱量，環路管腔一側的工質吸熱膨脹密度發生變化，分子擴散產生壓差，形成動力，工質向上運動；傳遞到另一側的工質散熱冷卻後密度增大，工質向下運動，在熱能轉換過程中，工質依靠密度差維持自然循環流動過程，將大量的熱量從一側傳向另一側。同時，爐壁外部有一個強有力的散熱結構，在強力風機作用下具備有足夠的換熱能力，工質的熱漲與冷縮在管腔中形成了一個對等關係，兩側管腔中的漲、縮對等形成了工質相變的抑制作用，封閉體系中的流體在有效狀態下被控制在單相或接近單相的形態中，工質在溫度、壓力和體積相互轉換過程中，管腔中只有一種相對統一的物質密度空間，物質在吸收和釋放熱能的膨、縮只在同相態下進行，工作狀態下完全無相變發生。雖然相變無法出現，但管腔內卻存在很大的溫差應力，所以只要另一端的溫度下降，應力就立即減弱，這樣壓力大的一側工質就會發生舒展並釋放熱量，而這樣的釋放是在分子間和原子間進行的，所以熱量也就在這樣的過程中傳導運動，如果分子間的距離與一定的熱運動相吻合併出現步驟和幅度相一致的運動，那麼其導熱量和導熱速度就會以趨向最大化的態勢來完成熱在封閉體系中的快速傳導，實現導熱工質的合理流動和熱量傳遞過程，被轉換出來的熱量在循環風機的作用下形成強制對流，將熱風送入烤房當中。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進，以及不同的用途變換均應包含在本發明的保護範圍之內。