CN102305565A - 流动控制强化换热蒸汽蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流动控制强化换热蒸汽蓄热器，包括蓄热器本体、进汽管和供汽管，在蓄热器本体内设有汽水分离器、内循环板体和布汽管，汽水分离器与蓄热器本体外部的供汽管连接，内循环板体和布汽管均沿蓄热器本体轴向布置，汽水分离器设置在内循环板体的上方并连接在蓄热器本体的内壁上，布汽管设置在内循环板体的下方，内循环板体由连接在一起的单体隔板沿蓄热器本体轴向排布而成，布汽管与进汽管连接，在布汽管上分布有内循环桶，内循环桶内设有相对的两个撞击流喷嘴，每个撞击流喷嘴均与布汽管连接。本发明引入了喷射蒸汽撞击流动和内循环流动技术，通过在蒸汽蓄热器内构建良好的流动环境，大幅度提高了蒸汽蓄热器的热、质传输效率。

Description

流动控制强化换热蒸汽蓄热器

技术领域

本发明涉及一种利用流动控制技术强化换热的蒸汽蓄热器，属于蒸汽蓄热器技术领域。

背景技术

蒸汽蓄热器作为一种较为新型的节能产品，是以水为载热体间接储蓄蒸汽的压力容器，其最初的出发点是针对锅炉在多变工况条件下运行时，均衡锅炉出力恒定与供汽负荷瞬时波动之间的矛盾。可确保锅炉在经济负荷下运行，并保持供汽压力稳定。将蒸汽蓄热器并入锅炉供汽系统后，即成为锅炉与用汽部门之间的热平衡库。蒸汽蓄热器以水为介质储蓄热能，当锅炉供汽能力高于生产用汽负荷时，可把多余的蒸汽以高压水的形式自动储蓄在蓄热器内，当用汽负荷大于锅炉供汽能力时，蓄热器能自动送汽补充锅炉供汽的不足，从而能保持对用汽设备均衡供汽，而锅炉也可处于稳定工况下运行。实践表明，锅炉在低负荷、超负荷或是在急剧的变负荷的工况下运行，都会大大地降低其热效率，只有锅炉在额定蒸发量的工况附近稳定运行时效率才能达到最高。采用蓄热器是保证锅炉稳定运行、增大锅炉供汽能力、节省固定投资、节省锅炉燃料消耗的最佳方法之一。

目前，蒸汽蓄热器已广泛应用于石油、冶金、化工、电力和食品加工等行业，另一个具有较大应用空间的领域是——余热回收领域。对于很多工业流程而言，所产生的废蒸汽，直接排放是对能源的极度浪费，回用却又由于诸多因素受到限制。如因可持续性发展及城市发展的要求和需求，工业企业都距离热用户有相当的距离，或者说直接将工业的余热民用化，需要面临投资巨大、管网二次损失大和易受工艺流程波动制约影响而热品质难以恒定等诸多问题；如果将废蒸汽回用于生产，如通过透平膨胀制动或者用于发电，一方面需要大量投资，另一方面是蒸汽的品质受到主体工艺流程波动的影响，导致对应的回用流程效率低下，有悖于废蒸汽回用的初衷。而具有可移动性的蒸汽蓄热器，可按照废蒸汽的强度，有选择性的按照相应的量，存储并通过相应的移动设备，直接作为民用流程的热源，得到有效回用。

无论哪种形式的应用，对于蒸汽蓄热器而言，如何提高蓄热效率，都是其应用和改进的关键所在。提高蓄热效率的一个重要方面在于，如何在蒸汽输入过程中，在蓄热器内部形成高效换热机制，或者说，如何使输入的蒸汽能快速完成对整个蓄热器内水体的均匀加热，是提高蒸汽蓄热器效率的重要因素。

蒸汽蓄热，从其基本特征来分析，是典型的流动与传热相互耦合的问题，其间还存在两次复杂相变的过程，而正是这两重特征的共存，导致蒸汽蓄热问题研究难度的激增。但是对于蒸汽蓄热器而言，更重要的是应用效率的提高。那么自然而然，如何通过流动环境的组织和优化，达到提高蓄热过程传热和传质效率的问题，必然是提高蒸汽蓄热效率的根本所在。这一点在现有的蒸汽蓄热器的改进研究中，还未受到足够的重视。也有研究通过改进蒸汽换热器循环桶形式，来提高传热效率的研究， 如中国专利文献 CN201387002公开的《蒸汽蓄热器》和CN2056236公开的《蒸汽蓄热器循环筒》，但是实际应用效果并不理想。对于蒸汽换热器而言，需要同时考虑蓄热和放热两个方面的问题，但蓄热是整个问题的根本所在，如何将通入蒸汽的热，能够快速均匀地传递给全场，使水得到快速加热，成为整个问题的根本所在。

作为典型的流动问题，对于蓄热过程而言，提高整场传热传质效率的关键在于相应流动的合理组织和控制。现有的蒸汽蓄热装置，在本质上来说，是考虑了这一方面问题的，其表现在于通过喷嘴和循环套筒的组合，将从喷嘴喷射出的蒸汽，作为动力，并通过相应几何形状的套筒，在蓄热器内形成具有内循环特征的流动环境，来提高蒸汽对蓄热器内水的加热效率。喷射入蓄热器内的蒸汽，在相应的流动结构控制下，并不是简单的从底部直接流向上部，而是通过循环流动，加强了与水的相互作用，同时循环流动大尺度涡旋的存在，强化了整个装置的传热传质效率。流动的动力只是来源于喷射而入的蒸汽，无其它外加动力，但通过上述的流动控制，整个蓄热过程热、质交换效率得到大幅度提高，这正是流动控制在蓄热强化中最直接的体现。

中国专利文献CN2222292公开的《有增压装置的蒸汽蓄热器》（是在蓄热器的蒸汽出口上连接一增压装置）和CN2596306公开的《变压式蒸汽蓄热器》（设有一个卧式筒形容器本体，本体上设有一次汽入口、二次汽出口，本体内装有内部配管，内部配管的端头与一次汽入口用法兰相连，二次汽出口通过管路与与集汽室相连通，一次汽入口管和二次汽出口管分别装有截止阀和逆止阀，一次汽入口管和二次汽出口管汇合于母管，母管和入口液压自动阀及出口液压自动阀之间用三通相连通），都是使供汽的压力不受充热汽源压力的限制，不随用汽负荷的波动而变化，可在较大范围内按热用户的需要进行调整，锅炉热效率和热利用率大大提高。但是，都是以增加辅助装置为前提，增加了成本，从实际应用看效果不是很理想。也正是从这点出发，本发明要解决的问题是，如何在相同的蒸汽喷射动力条件下（蒸汽喷射动力一定），进一步提高整个流场的传热和传质效率。

发明内容

本发明针对现有蒸汽蓄热器在传热和传质效率方面存在的不足，提供一种成本低、可大幅度提高传热和传质效率的流动控制强化换热蒸汽蓄热器。

本发明的流动控制强化换热蒸汽蓄热器采用以下技术解决方案：

该流动控制强化换热蒸汽蓄热器，包括蓄热器本体、进汽管和供汽管，在蓄热器本体内设有汽水分离器、内循环板体和布汽管，汽水分离器与蓄热器本体外部的供汽管连接，内循环板体和布汽管均沿蓄热器本体轴向布置，汽水分离器设置在内循环板体的上方并连接在蓄热器本体的内壁上，布汽管设置在内循环板体的下方，内循环板体由连接在一起的单体隔板沿蓄热器本体轴向排布而成，单体隔板的截面呈八字形，布汽管与进汽管连接，在布汽管上分布有内循环桶，内循环桶内设有相对的两个撞击流喷嘴，每个撞击流喷嘴均与布汽管连接。

内循环桶呈梯台形，以使蒸汽在各内循环桶之间循环流动。

应用过程中，蒸汽通过进汽管进入蓄热器本体内的布汽管后，在布汽管上每个内循环桶内部相对布置的两个撞击流喷嘴中喷出，两股蒸汽相向射流形成撞击，在两个方向流动，形成速度分量，使流体流动呈现周期性的振荡，并将上部热流体向下诱导，而蓄热器底部冷流体被诱导进入内循环桶内部振荡加热。这两个方向的流动在蓄热器本体内下部高效形成均匀流场，大幅度提高热质传递效率，从而为蓄热效率的提高奠定第一部分流动基础。同时内循环板体利用混合流动的动能，形成二次内循环流动，将上部较热的流体带向下部，与下部的循环流体对接，使整个流场温度更加快速的均匀化，从而进一步提高蓄热的效率。内循环板体在移动的蒸汽蓄热器中还有一定的稳定性作用，可以抑制液体中心的波动，提高输运过程中的安全性。蓄热器本体内的蒸汽通过汽水分离器进行汽水分离后，由供汽管供给用户。

本发明引入了喷射蒸汽撞击流动和内循环流动技术，通过在蒸汽蓄热器内构建良好的流动环境，对于蓄热效率的提高，起到根本的保障作用，大幅度提高了蒸汽蓄热器的热、质传输效率，从而提高其对应的蓄热效率，同时提高了运输过程中的安全性。

附图说明   

     附图是本发明流动控制强化换热蒸汽蓄热器的结构示意图、

其中：1、撞击流喷嘴，2、内循环板体，3、内循环桶，4、蓄热器本体，5、汽水分离器，6、进汽管，7、供汽管，8、布汽管，9、单体隔板。

具体实施方式   

本发明结合流体力学原理和流动控制技术，对蒸汽蓄热过程提出了全新的撞击流强化热、质传递的概念。如附图所示，本发明的流动控制强化换热蒸汽蓄热器，包括蓄热器本体4、进汽管6和供汽管7。在蓄热器本体4内设有汽水分离器5、轴向布置的内循环板体2和轴向布置的布汽管8，内循环板体2和布汽管沿蓄热器本体4轴向布置，且均贯穿整个蓄热器本体4，汽水分离器5设置在内循环板体2的上方并连接在蓄热器本体4的内壁上，布汽管设置在内循环板体2的下方，内循环板体2由连接在一起的单体隔板9沿蓄热器本体4轴向排布而成，单体隔板9的截面呈上下均开口的八字形（也可以说是呈上下均开口的喇叭状），各个单体隔板9可通过上下两根板条连接在一起。布汽管8与进汽管6连接，连接处位于布汽管8的中部。进汽管6通过阀门与蒸汽主管连接。在布汽管8上分布有若干个内循环桶3，内循环桶3呈梯台形(即四面的上部小于底部)。内循环桶3内设有相对的两个撞击流喷嘴1，每个撞击流喷嘴1均与布汽管8连接。撞击流喷嘴1的仰角可以根据具体情况做出调整。内循环桶3可以固定连接在布汽管8上，也可以固定连接在撞击流喷嘴1上。汽水分离器5通过阀门与蓄热器本体4外部的供汽管7连接。

上述蒸汽蓄热器的应用过程如下所述：

蒸汽通过进汽管6进入蓄热器内部的布汽管8，通过布汽管8的中部向两侧以对称的方式输送到每个内循环桶3内部按照一定的仰角相对布置的两个撞击流喷嘴，各个撞击流喷嘴1中喷出的蒸汽相向射流形成撞击，在两个方向流动，形成速度分量，一个分量为水平方向，流动呈现周期性的振荡，形成水平的均匀化作用，另一分量为竖直方向，即与内循环桶3轴向一致，诱导在内循环桶3内壁周围形成内循环环流，将上部热流体向下诱导，而蓄热器本体4底部的冷流体被诱导进入内循环桶3内部振荡加热。这两个方向的流动在蓄热器本体4内下部高效形成均匀流场，大幅度提高热质传递效率，从而为蓄热效率的提高奠定第一部分流动基础。由于换热过程的存在以及蒸汽流动的诱导作用，密度的变化自然导致蓄热器本体4内上部温度较高，热量过分集中，不利于下部流体的快速加热；同时从内循环桶3中流出的混合流动，会在蓄热器本体4内上部形成较激烈的波动，浪费能量。为了克服这一问题，本发明在蓄热器本体4内上部构建一层通过流动控制理念设计出来的内循环板体2，内循环板体2利用混合流动的动能，形成二次内循环流动，将上部较热的流体带向下部， 与下部的循环流体对接，使整个流场温度更加快速的均匀化，从而进一步提高蓄热的效率。上部的内循环板体2在移动的蒸汽蓄热器中，还有一定的稳定性作用，对液体中心的波动具有一定的抑制作用，提高运输过程中的安全性。蓄热器本体4内的蒸汽通过汽水分离器5进行汽水分离后，由供汽管7供给用户。

本发明与现有技术相比，具有实质性的改进，是应用流体力学原理、传热学原理和流动控制技术提出的新的构思，具体体现在以下两个方面：

一是引入喷射蒸汽撞击流流动控制机制。相邻两个喷嘴改为按一定仰角相向喷射的形式，并使相向喷射的两个喷嘴（即撞击流喷嘴1）处于同一内循环桶3中。这一改进，是对现有蒸汽蓄热装置在本质上的改进，两组喷嘴相向喷射，会在内循环桶3内部形成更良好的水平方向振荡的流动机制，流动将以拟周期的形式，在水平方向来回振荡内循环桶3内部换热，使内循环桶3内部热、质高效传递，并均匀化。另一方面，两喷射流沿内循环桶3轴向的流动分量的相互匹配，将加大对蓄热器本体4内底部冷水的诱导流动，使其进入内循环桶3，一旦进入内循环桶3，就在横向振荡机制下，被快速加热。同时由于内循环桶3梯台形的几何特征，蒸汽会在内循环桶3之间形成循环流动。这种循环流动与传统的单喷嘴循环流动机制相比较而言，其涡流强度在撞击流轴向流动强化机制下得到强化。横向振荡及内循环流动双重强化机制的作用，在蓄热器本体4内形成高效均匀换热的流动机制，传热效率势必得到更大幅度地提升。

二是引入内循环流动机制。为了进一步提高蒸汽与水之间的接触效率，在内循环桶3上方的适当位置架设一层内循环流动装置，即内循环板体2。该装置有两重作用，一方面降低水面的波动，尽量将水蒸汽的能量，用在蓄热器本体4内的水体的加热上，而不是通过假沸腾的形式浪费掉，这个装置对于具有移动特征的蒸汽蓄热器而言，其附加作用是运输过程中流体稳定性得以适当提高，确保运输过程的安全。另一方面，该装置的作用是利用撞击流后套筒内混合流体，向上流动的动力，再次形成内循环，将由于密度影响集中在上部的热量，带到下部循环流动过程中，确保全流场的均匀加热。

以上两个流动控制技术的引入，是本发明不同于现有蒸汽蓄热系统流动控制技术的根本所在，对于蓄热效率的提高，起到根本的保障作用。本发明通过在蒸汽蓄热器内构建良好的流动环境，以进一步提高蒸汽蓄热器的热、质传输效率，从而提高其对应的蓄热效率。本发明可独立应用，也可以直接与现有技术如一次及二次汽水分离技术、可拆卸汽水分离器技术、汽水双供技术以及补水和排污技术相结合，形成完整的蒸汽蓄热体系。

Claims (2)

1.一种流动控制强化换热蒸汽蓄热器，包括蓄热器本体、进汽管和供汽管，其特征是：在蓄热器本体内设有汽水分离器、内循环板体和布汽管，汽水分离器与蓄热器本体外部的供汽管连接，内循环板体和布汽管均沿蓄热器本体轴向布置，汽水分离器设置在内循环板体的上方并连接在蓄热器本体的内壁上，布汽管设置在内循环板体的下方，内循环板体由连接在一起的单体隔板沿蓄热器本体轴向排布而成，单体隔板的截面呈八字形，布汽管与进汽管连接，在布汽管上分布有内循环桶，内循环桶内设有相对的两个撞击流喷嘴，每个撞击流喷嘴均与布汽管连接。

2.根据权利要求1所述的流动控制强化换热蒸汽蓄热器，其特征是：所述内循环桶呈梯台形。

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