CN102016414B - 控制气流径向温度分布的新型设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于控制气流的温度径向分布的新设备，其中所述气流用来用作位于所述设备下游的交换器中的载热流体。

Description

控制气流径向温度分布的新型设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制气流温度的设备，其中上述气流构成热流体，该热流体例如从燃烧中获得的，并被设计为在冷却后用作位于该设备下游的交换器中的冷却流体。该位于下游的交换器不属于本发明，且可以是任何类型。

根据本发明的设备使得能够降低气流的温度，同时遵循一个给定的径向温度分布。

根据本发明的设备，例如，可以沿着烟气回路设置并且使得能够提供一温度降低的气流，其中所述气流在其整个剖面上具有尽可能均匀的径向温度分布。

更具体地，根据本发明的设备应用于在可以达到2500℃，通常在1000℃到2500℃之间的温度下可获得的燃烧气体，其被期望以非常均匀的方式降至低于1000℃的温度，其中非常均匀的方式，即所述的温度的径向分布在气流的任何剖面上均是“扁平”的。

该径向均匀性的问题是复杂的，因为热气流(例如从借助于燃烧器实现的燃烧中获得的)通常具有如下的径向温度分布：在所述流中心的温度和所述流周边的温度之间有明显的差异。根据所使用的燃烧器的技术和最经常为湍流的流态，经常观察到气流的中心的温度接近2500℃，而其周边温度在1500℃附近。

本发明所达到的第一目的是，在少于1秒的给定时间内将“热”气流的温度降低至小于1000℃、更特别地小于700℃的水平，并且使得所获得的被称为“冷”流的气流具有尽可能均匀的径向温度分布的特征，其中所述“热”气流在1000℃至2500℃之间的温度下可获得，并会具有径向温度不均匀性。

该设备也允许在该设备与待处理的气流接触的壁处提供一区域，该区域内所述气流的温度总是低于在所述流的周边的温度，如果可能的话低于500℃，这允许以一种价格比较低廉的冶金方式来生产所述设备的大部分甚至全部。

应注意到，第二目的在一定程度上和第一目的对立，因为最终涉及得到具有均匀径向分布的气流，而第二目的在于在由该气流经过的该设备的整个通道中产生该气流的径向分布，该径向分布的特征在于具有冷壁区域(温度低于500℃)，而中心区域能够达到1500℃的温度，这样的目的在于保护设备的壁避免过高的温度。

因此，该设备能够解决由以下两个目的所确定的问题，其中第一目的在于，在该设备内部的通道处产生一具有冷壁区域的分布，第二目的在于，在所述设备的输出处产生一“扁平”分布，其中，该两个目的应该在满足少于1秒的总驻留时间的情况下实现。

背景技术

专利US7,018,435 B1描述了一种设备，其中靠近围绕着助燃剂喷流的壁注入燃料，以便在进入反应区域(在此处为催化氧化反应)前，确保良好的助燃剂/燃料混合。然而，该发明不关注氧化发生所在腔室的温度的监测。此外，在该发明中，中心流不形成涡旋运动。

还可提到威斯汀豪斯(Westinghouse)技术，在其所谓的“多环”燃烧器中的该技术使用了冷却流体，该冷却流体被注入到一个包括挡板的环形管中，但进入该管中的所述流体不产生旋转。此外，用于这项技术的燃烧器必须是具有旋转燃烧气体的设备的燃烧器。

一般来说，与主流体的流动大约相切地注入冷却流体以便冷却该主流体并使其产生一定程度的涡旋运动这一原则，是本领域技术人员所熟知的。

本发明提供一套具体比值，其能够限定整个设备的几何结构以便达到之前描述的两个目的。

附图说明

图1提供在一般气流情况下的依照本发明的设备的示意图，其中气流是从上游的燃烧得到。热流由置于原位(即在该设备内部)的燃烧器产生这一特殊情况在该图中以虚线显示。

图2和图3显示了使用根据本发明的设备(实线)和不使用根据本发明的设备(虚线)的情况下气流所获得的温度径向分布测量记录。图2对应于在设备的输入处(会聚部分)获得的测量记录，图3对应于在该设备的输出处获得的测量记录。

图4和图5显示了在垂直于该设备的轴线的剖切平面中绘制的等温线图。

图4是在没有使用该设备的情况下得到的，而图5是在使用依照本发明的设备的情况下得到的。

发明概要

依照本发明的设备可以被定义为一种设计用来冷却热气流的设备，该设备在冷却热气流的同时沿着所述设备的整个通道遵循所述气流的壁处的温度约束并且在所述设备的输出处遵循尽可能均匀的径向温度分布。

更具体地说，依照本发明的设备是一种用于控制处于直径为Di的内部管4中的、大致沿着所述设备的对称轴流动的热气流的温度的轴对称设备，所述设备包括：

-直径为De的圆柱形腔1，其在长度L1上环绕直径为Di的管；

-长度为Lc的会聚锥形部分2，其使得从直径De过渡到严格小于De的直径Ds；

-直径为Ds、在长度L2上延伸的圆柱形管3；

-至少一个直径为Dc的冷却流体的进流管5，大致垂直于设备的轴线安放，通向由圆柱形室1和直径为Di的管4所限定的环形区处。

该进流管5使得能够向位于外部圆柱形室1和内部管4之间的环形部分6供给冷却流体。

根据依照本发明的设备的优选特征，冷却流体的进流管5位于距设备的输入剖面为距离d之处，其中d/Di大于0.1。

根据依照本发明的设备的另一个优选特征，内部管4包含有延伸长度大约等于L1/2的燃烧器。

由于由该设备产生的温度分布，直径为De的圆柱形腔1通常由普通钢制成。

待冷却的热流可以是由任何产生温度能够达到2500℃的燃烧气体的燃烧系统所产生的。在一些情况下，热气流是由原位的燃烧器、即位于直径为Di的内部管中的设备之中的燃烧器所产生的。在这种情况下，包含有所述燃烧器的火焰管的长度优选地是在0.5L1至0.8L1之间。

优选地，格栅8设置在环形空间6中，处于大致垂直于该设备的轴线、并且距离该设备的输入处(对应于横坐标X＝0)为L1/4至L1/2的平面中。

当热流是由原位的燃烧器所产生，并且当所述燃烧器产生燃烧气体的涡旋运动时，冷却流体由管5引入到环形空间中，优选地使得产生和来自燃烧器的燃烧气体的涡旋运动的方向相同的所述冷却流体的涡旋运动。

本发明还可以被定义为一种使用依照本发明的设备来冷却热气流的方法，其中冷却流体通过管5以一般在5m/s至80m/s之间、并优选地在10m/s至30m/s之间的平均流率注入。所述流率与进流管5的剖面有关或当存在着多个进流管时与所述进流管中的每一个有关。

该使用依照本发明的设备来冷却热气流的方法，使得能够产生这样的壁区域，即在该壁区域中的温度一般在200℃至500℃之间。

最后，该使用依照本发明的设备来冷却热气流的方法，同时使得能够在所述设备的输出处在其整个剖面上产生均匀的径向温度分布，即在该气流的中心处的温度与在该气流的周边处的温度之间的温度差小于35％。

发明的详细说明

本发明描述了一种设备，其能够对处于直径为Di的管4中的热气流降温，同时确保其在所述流的整个剖面上的均匀性。

该设备由轴对称单元构成，所述轴对称单元包括：

-直径为De的圆柱形腔1，其在长度L1上环绕直径为Di的管4；

-长度为Lc的会聚锥形部分2，其使得从直径De过渡到严格小于De的直径Ds；

-直径为Ds、在长度L2上延伸的圆柱形管3；

-至少一个直径为Dc的冷却流体的进流管5，大致垂直于设备的对称轴安放，并使得能够向位于直径为De的外部圆柱形腔1和直径为Di的管4之间的环形部分6供给冷却流体，其中设备遵从以下的比例：

-L1/Di在0.5至2之间并优选地在1至2之间，

-Lc/Di在0.5至5之间并优选地在0.6至2之间，

-L2/Di在1.5至10之间并优选地在2至5之间，

-Dc/Di在0.1至0.4之间并优选地在0.2至0.3之间，

-De/Di在1至5之间并优选地在1至2之间。

为了很好地理解下文，X应被标注为设备的主对称轴，根据其对应的坐标来计算不同的长度(L1、Lc、L2、…)，从方法的观点看，X还对应于气流流动所沿循的坐标。

Y应被标注为垂直于X轴并且包含进流管5的轴，。

Z应被标注为垂直于包含X轴和Y轴的平面的轴。

冷却流体的进流管5优选地位于距设备的输入剖面(X＝0)为距离d之处，例如，使得d/Di大于0.1。该进流管可以是单一的管或可以被分成若干个沿着X轴均匀分布的进流管。

在有多个进流管5的情况下，其数目以及每个进流管的直径的选择按以下方式进行：遵从能够使气流的温度降低至期望温度的冷却流体的总流率，并且遵从冷却气体的输出速度标准。

通常，进流管5处的冷却流体的输出速度在5m/s至80m/s之间，并优选地在10m/s至30m/s之间。

进流管5处的冷却流体的速度矢量的方向垂直于X轴，以便在环形空间6内部引起所述冷却流体的涡旋运动。该涡旋运动的效果是均匀化所有围绕环形空间6的所述冷却流体流，并因此而均匀化设备的周边的温度场。

已经表明，该冷却流体的涡旋运动有助于在环形区域6的壁的周边处，在与待冷却的气流的整个混合过程中保持降低的温度。

该待冷却的气流可以在所述设备的上游自任何生热系统(例如炉子)产生，或可以由就位于所述设备内部的燃烧器产生。本发明适合任何类型的燃烧器，无论该燃烧器是否为预混型(或预先混合燃料和助燃剂)。优选地，燃烧器产生非预混火焰，即所谓的扩散火焰。

本发明还适合任何类型的气体或液体燃料。通常，燃料由任何的烃类馏分或可能含有氢气的轻气体构成。助燃剂通常是空气，但其还可以是富氧空气并且甚至在某些情况下是纯氧。

更优选地，产生热气流的燃烧器是一种包含有用于旋转(在英语术语中被称为″swirl″)所产生的燃烧气体的设备的燃烧器。在这种情况下，环形区6内的冷却流体的涡旋运动是以与由燃烧器产生的燃烧气体的涡旋运动的方向相同的方向实现的。

优选地燃烧器置于被称为火焰管的管内，该火焰管的直径di大约在0.2Di至1Di之间。

更优选地，含有燃烧器的火焰管的长度是大约在0.5L1至0.8L1之间。

在与冷却流体混合之后，热气流的径向温度分布结构，具有壁区域，在该壁区域内气流的温度在设备的整个长度上小于500℃，并在位于设备的下游的任何一点上均小于700℃。在这些条件下，界定设备的壁和位于设备下游的管可以使用根据AISI标准的309型钢(即典型成分为24％的Cr和14％的Ni)或其他任何等效的钢。

圆柱形管3能够经受高至700℃的壁温，其中在圆柱形管3内热交换继续在待冷却的气流和冷却流体之间进行。如果没有依照本发明的设备，那么构成含有气流的腔的壁的材料的选择将是更加受限的，因为壁温约为900℃至1200℃。

在管4和圆柱形腔1之间的环形空间6可以包括格栅8，格栅8设置在大致垂直于设备的轴线并相对原点X＝0的距离在L1/4至L1/2之间的平面中。该格栅的目的在于均匀化围绕环形区6的冷却流体流。

冷却流体通常是处于环境温度的空气。它也可以是惰性气体，例如，氮气、氩气或氦气。在一些惰况中，冷却流体还可以由含有CO₂的混合气构成，例如足够冷的并且不含有任何水的烟道气体(称作″干烟道气体″的烟道气体）。

在一个涉及在下游使用气流作为载热流体的特别情况中，在气流在位于下游的交换器中用作载热流体之后，冷却流体可以至少部分地由一部分冷却了的气流构成。

依照本发明的实例

提供了关于使用和不使用依照本发明的设备的热流比较例。

两个效果被清楚地证明，即1)产生壁区域，该壁区域在设备的限定部分被冷却，以及2)气流被限制在圆柱形刷(pinceau)之内。

热流由置于直径为di的管内的燃烧器产生。该燃烧器的长度等于250mm。

依照本发明的设备的几何数据如下：

L1＝320mm，(L1/Di＝1.58)

L2＝400mm，(L2/Di＝1.98)

Lc＝131mm，(Lc/Di＝0.648)

Ds＝102mm，(Ds/Di＝0.50)

De＝254mm，(De/Di＝1.257)

Di＝202mm，

Dc＝52mm，(Dc/Di＝0.257)

di＝78mm，(di/Di＝0.386)。

助燃剂由流率为10.8g/s的空气构成，并且燃料由流率为1.06g/s的液体乙醇构成。

扩散火焰稳定在直径di＝78mm、并且具有0.386的di/Di比值的火焰管的输出处。

在位于直径为Di的管和直径为De的外部套管之间的环形空间6中，冷却空气流被垂直于设备的剖面注入，流率为35g/s，对应于14.0m/s的速度。

该冷却空气的流率保证了使所述流体在整个环形空间6上涡旋。该冷却空气是通过直径Dc＝52mm、位于距离设备的起端(X＝0)50mm处、并且垂直于设备的X轴的管5引入的。

不使用该设备的情况对应于没有冷却空气的注入。气流的平均温度为1900℃。

使用设备的情况对应于有冷却空气注入位于直径为Di的管和直径为De的外部套管之间的环形空间6中。在与冷却流体混合之后，气流的平均温度是700℃。此外，壁温始终小于580℃。

图2和图3显示了用流体力学代码产生的数字模拟的结果，其中热气流是由原位的直径di＝78mm的燃烧器产生的。

图2对应于使用该设备的(实线画的曲线)以及没有使用该设备的(虚线画的曲线)比较分布图，其中记录的平面是位于会聚区域的输入处(X＝L1)的剖切平面。

图3对应于使用该设备的(实线画的曲线)以及没有使用该设备的(虚线画的曲线)比较分布图，其中记录的平面是位于设备的输出端(X＝L1+Lc+L2)的剖切平面。

注意到，使用该设备时，径向温度分布在壁上具有冷却的区域，在该冷却区域内的温度大约为300℃，如果没有使用该设备则这种区域不存在，其中壁区域中的温度大约为1600℃。

在壁处的这种冷却效应使得能够在构成该设备的壁4和2上使用普通钢冶金。

此外，在图3中，可以看出，径向分布是均匀的，其含义是在中心(T＝730℃)和壁(T＝550℃)之间的温差小于35％。

应注意到的是，考虑到该设备的一个功能是永久地产生温度小于500℃的所谓的″壁温度区域″，以便保护所述设备的相应的壁，在该设备输出处的这种水平的温度均匀性是难以达到的。

考虑到由依照本发明的设备达到的第二目标(即产生″冷″的壁区域)，在该设备的输出处的径向温度分布的均匀性表现水平应被理解。

图4和图5显示了等温线图并使得能够看到使用和不使用该设备时的温度场。

图4(不使用该设备)显示了尤其围绕圆锥区域2的等温曲线的分布，而在图5中(使用该设备)，则观察到了等温曲线的非常明显的收紧，也就是说等温曲线集中在大致与火焰管对准的圆柱形刷中。

这种收紧效应是特别有利的，因为它使得能够限制热流，而同时保持冷的壁区域。

Claims (16)

1.一种轴对称设备，用于控制处于直径为Di的内部管(4)内并大致沿着所述设备的轴线流动的热气流的温度，所述设备包括： 

-直径为De的圆柱形腔(1)，其在长度L1上环绕直径为Di的管； 

-长度为Lc的会聚锥形部分(2)，其使得从直径De过渡到严格小于De的直径Ds； 

-直径为Ds、在长度L2上延伸的圆柱形管(3)； 

-至少一个直径为Dc的冷却流体进流管(5)，其大致垂直于所述设备的轴线方向安放，并使得能够向位于外部圆柱形腔(1)和内部管(4)之间的环形空间(6)供给冷却流体，其中所述设备遵从以下的比例： 

L1/Di在0.5至2之间； 

Lc/Di在0.5至5之间； 

L2/Di在1.5至10之间； 

Dc/Di在0.1至0.4之间； 

De/Di在1至5之间。 

2.依照权利要求1的轴对称设备，其中，冷却流体进流管(5)位于距所述设备的输入剖面为距离d之处，使得d/Di大于0.1。 

3.依照权利要求1或2的轴对称设备，其中，内部管(4)包含有延伸长度等于L1/2的燃烧器。 

4.依照权利要求1至2中任何一个的轴对称设备，其中，直径为De的圆柱形腔(1)由普通钢制成。 

5.依照权利要求1至2中任何一个的轴对称设备，其中，当热流是由位于直径为Di的内部管中的设备之中的燃烧器所产生时，包含有所述燃烧器的火焰管的长度是在0.5L1至0.8L1之间。 

6.依照权利要求1至2中任何一个的轴对称设备，其中，在环形空间(6)中设置格栅(8)，所述格栅(8)处于在L1/4至L1/2之间的距离处大致垂直于所述设备的轴线的平面中。 

7.依照权利要求1至2中任何一个的轴对称设备，其中，当热流是由位于直径为Di的内部管中的设备之中的燃烧器所产生，并且所述燃烧器产生燃烧气体 的涡旋运动时，冷却流体由冷却流体进流管(5)引入到环形空间中，以便产生与来自燃烧器的燃烧气体的涡旋运动的方向相同的所述冷却流体的涡旋运动。 

8.依照权利要求1的轴对称设备，其中，L1/Di在1至2之间。 

9.依照权利要求1的轴对称设备，其中，Lc/Di在0.6至2之间。 

10.依照权利要求1的轴对称设备，其中，L2/Di在2至5之间。 

11.依照权利要求1的轴对称设备，其中，Dc/Di在0.2至0.3之间。 

12.依照权利要求1的轴对称设备，其中，De/Di在1至2之间。 

13.一种使用依照权利要求1至12中任何一个的设备来冷却热气流的方法，其中，冷却流体以在5m/s至80m/s之间的平均流速注入。 

14.依照权利要求13的方法，其中，冷却流体以在10m/s至30m/s之间的平均流速注入。 

15.一种使用依照权利要求1至12中任何一个的设备来冷却热气流的方法，其中，冷却流体是处于环境温度的空气，并在垂直于所述设备的轴线的平面中具有涡旋运动。 

16.一种使用依照权利要求1至12中任何一个的设备来冷却热气流的方法，其中，在所述设备的锥形部分(2)处的气流具有壁区域，该壁区域内的温度在200℃至500℃之间。 

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