CN102374810A - 低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，包括蓄热器本体，充热蒸汽分汽管和蒸汽连接管路，所述充热蒸汽分汽管沿所述蓄热器长度方向水平设置在蓄热器壳体内水空间下部，所述充热蒸汽分汽管两端封闭，其四分之一长度内侧设有进汽口且上半圆管壁设有多个喷汽孔；所述蒸汽连接管包括第一连接管、第二连接管和第三连接管，所述第一连接管的一端与所述进气管连通，另一端与所述第三连接管的中部连通，所述第三连接管的两端两个朝下的出汽口分别与两个第二连接管的中部连通，所述第二连接管的两端分别与所述充热蒸汽分汽管内侧进汽口连接。利用本发明的蒸汽蓄热器能提升蓄热器节能减排降碳的经济和社会效益。

Description

低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器

技术领域

本发明涉及一种蒸汽蓄热器，尤其是涉及一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器。

背景技术

蒸汽蓄热器是一种工业上常用的储存蒸汽的节能设备。应用此设备可以将余热利用设备高峰时产生暂时送不出去的蒸汽储存起来，在产汽高峰过后再外输供给用户。

常用的蒸汽蓄热器为高压力进汽蓄热，低压力排汽放热变压工作方式。按照这种变压工作原理，蓄热器在蓄热放热过程中，充汽蓄热量，水空间温度，蒸汽空间压力三个状态参数应该是同步变化的。而在实际应用中，现有蓄热器经常程度不同地发生蒸汽空间压力迅速增大，水空间温度上升缓慢，充汽蓄热效率低达不到蓄热量的现象。虽然这种功能性的缺陷在生产运行中可以通过人工放汽降压措施使蒸汽空间压力、水空间温度、充汽蓄热量三个状态参数吻合，接近实际状态，避免蒸汽压力安全阀频繁起跳的不正常现象，不会形成安全事故，却增加被动处理问题的工作量，又浪费能源，影响企业经济效益。

现有蓄热器之所以存在上述缺陷，不是因为蓄热器原理系统不正确，而是因为蓄热器内蒸汽管路结构性能作用达不到蓄热器快速换热要求造成的。因为在现有蓄热器蒸汽管道结构中，进汽管来的充热蒸汽是经水空间上部两根水平支管朝下分流进入水空间多根垂直分汽管后喷入水中的，而设置在垂直分汽管上不同高度层的喷嘴对应水空间静压力不等，上层喷嘴对应水空间静压力小，喷汽克服水静压力的阻力损失小；下层喷嘴对应水空间静压力大，喷汽克服水静压力的阻力损失大。根据并联管路“各分支管路的管段几何尺寸、局部构件确定后，按照节点间各分支管路的阻力损失相等，来分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大”的流量分配规律(见《流体力学泵与风机》中国建筑工业出版社149页)，垂直分汽管上的各层喷嘴的喷汽流量必然不相等。充汽蓄热时，蒸汽容易从上层喷嘴走捷径大流量快速上升进入蒸汽空间，使蒸汽空间压力迅速增大，而不容易绕远路经过下层喷嘴和深水层再上升进入蒸汽空间。因此，喷入深水层的蒸汽流量越往下越小，水温度越低，水密度越大，蓄热器水空间难以形成以水密度差为动力的上下对流混合快速换热条件，水空间上表面与最下层温度差只能通过长时间缓慢热平衡消除，严重影响充汽蓄热速度。由此可知，充热蒸汽管道空间结构不合理是形成现有蓄热器功能性缺陷的关键原因，需要探索解决。

发明内容

本发明实施例所要解决的问题在于，提供一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特点是通过管路结构变化改进充热蒸汽物流状态的模式，将充热蒸汽从蓄热器上方进汽管引入蓄热器后沿等径并联分支管流入水空间最下部的两根水平分汽管，然后再从两根水平分汽管向上均匀喷入整个水空间与水进行热交换。这种蓄热器能克服现有蓄热器缺陷，实现快速高效蓄热，并避免生产运行中被动的人工操作问题。

本发明蓄热器的理论根据来源于流体力学并联管路流量分配规律，以蓄热器内充热蒸汽为四个并联分支管与分汽管相连接“管道系统”(简称管系，按流体与设计条件划分的多根管道连接成的一组管道。)结构为例，其并联管路数学表达式如下：

$\frac{1}{\sqrt{S}}=\frac{1}{\sqrt{S_1}}+\frac{1}{\sqrt{S_2}}+\frac{1}{\sqrt{S_3}}+\frac{1}{\sqrt{S_4}}---\left(1\right)$

Q₁:Q₂:Q₃: $Q_4=\frac{1}{\sqrt{S_1}}:\frac{1}{\sqrt{S_2}}:\frac{1}{\sqrt{S_3}}:\frac{1}{\sqrt{S_4}}---\left(2\right)$

式中：S——并联管路的总阻抗；

S_1-4——分别为四个并联分支管的阻抗；

Q_1-4——分别为四个并联分支管的流量。

上述原理性的数学表达式表明，各个并联分支管的阻抗与流量互为函数，广义上能使上述数学表达式成立的阻抗与流量值有无数个，无论S_1-4以及Q_1-4是否各自相等，都可以使上述原理性数学表达式成立，但是，对于本发明蓄热器蒸汽管道系统结构而言，还要防止分汽管喷汽阻力损失不相等对蒸汽并联分支管阻抗与流量产生负面作用，影响高效充汽蓄热的问题。因此，只有能使S₁＝S₂＝S₃＝S₄，分汽管喷汽克服水空间静压力阻力损失相等，Q₁＝Q₂＝Q₃＝Q₄三个条件同时具备的蒸汽管道的结构才能保证充热蒸汽以最大流量从水空间下方分汽管均匀喷入整个水空间与水进行充分热交换，使蓄热器处于理论最佳蓄热状态。根据这个原理性的数学表达式启示，本发明蓄热器实施例顺应上述三个条件同时具备的需要，以相同的“管道组成件”(用于连接或装配成管道的元件，包括管子、管件、法兰、垫片、紧固件、阀门以及管道特殊件等)设计充热蒸汽管道系统结构，将进汽管来的充热蒸汽按一分为二，二分为四的“等径”并联分支管路由接引至横向水平设置在水空间最低处的两根分汽管，再由分汽管将蒸汽均匀喷向水空间。与现有技术比较，这种蒸汽管道结构的独特优点是：进入蓄热器的充热蒸汽只能在各个并联分支管阻抗相等，流量相等约束状态下有序进行物流运动，在水空间与水快速高效换热，从而推出这种低水位分汽管下加热喷汽蓄热器。

具体地，本发明实施例提供的一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，包括主要由蓄热器壳体、汽水分离装置、进汽管、出汽管、支座组成的蓄热器本体，充热蒸汽分汽管和蒸汽连接管路，其中：

所述两根充热蒸汽分汽管沿所述蓄热器长度方向水平设置在蓄热器壳体内水空间下部，所述充热蒸汽分汽管两端封闭，其四分之一长度内侧设有进汽口且上半圆管壁设有多个喷汽孔；这种下沉在水空间下部的水平分汽管的特点是多个喷气孔空间位置等高，克服水空间静压力阻力损失相同，蒸汽流量均等。

所述蒸汽连接管包括一个Z形的第一连接管、两个第二连接管和一个门形的第三连接管，所述第一连接管的一端与所述进气管连通，另一端与所述第三连接管的中部连通，所述第三连接管的两端两个朝下的出汽口分别与两个第二连接管的中部连通，所述两个第二连接管的两端出汽口分别与所述两根充热蒸汽分汽管上的进汽口连接。这种蒸汽连接管的特点是能将充热蒸汽等量引入所述分汽管的四个进汽口。

其中，所述汽水分离装置设置在所述蓄热器壳体上方的内壁上，所述进汽管设置在所述蓄热器壳体上方，其下端伸入所述蓄热器壳体内部，与所述蒸汽连接管上端进汽口相连接，所述出汽管也设置在所述蓄热器壳体上方，其下端伸入所述蓄热器壳体上部的汽水分离器中，将蒸汽引出蓄热器。

所述充热蒸汽分汽管与所述蓄热器壳体中部的直段部分等长。

由本发明低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器蒸汽管路结构设计可知，本发明能以机械方式利用并联管路流量分配规律的原理创造S₁＝S₂＝S₃＝S₄，分汽管喷汽阻力损失相同，Q₁＝Q₂＝Q₃＝Q₄三者同时具备的条件，将蓄热器三个条件同时具备才能出现的最佳蓄热特征状态锁定为常态。因此，本发明奏效显著，能应用一个并联管路流量分配规律，同时解决现有蓄热器长期存在的三个功能性缺陷问题，将传统蓄热器技术水平提升到一个新的高度，与现有技术相比较，其优点如下：

一是蓄热速度快。本发明实施例蓄热器下加热方式能在蓄热器整个水空间形成以水密度差为动力的上下剧烈对流，汽水混合速度快，热交换效率高，能将单位时间充汽蓄热量最大量化，接近理论计算值。

二是汽水同温度。由于本发明实施例蓄热器下加热自下而上的升温方式能强制汽水两种介质在整个水空间均匀混合，充热高温蒸汽热量能及时分布扩散传递到整个水空间，汽水温度迅速拉平，处于相同温度。所以通过水空间温度可以准确判断蓄热器的瞬时蓄热状态。

三是蒸汽压力准。由于本发明实施例蓄热器下加热结构能使所有充热蒸汽在水空间上升过程中最大限度获得与水进行充分热交换的时间与空间，彻底杜绝蒸汽走捷径进入蒸汽空间升高汽压的可能性，只有与水充分换热后的饱和蒸汽才能进入蒸汽空间，所以蒸汽空间压力与充汽蓄热量参数对应吻合，成正比同步变化，蒸汽空间压力能真实反映同一时间的蒸气蓄热量状态。

四是不用人为监管。由于本发明实施例蓄热器下加热蒸汽管路结构为机械加工焊接构件，加工制作精度要求不高，无运动部件和易磨损件，所以生产运行中不用人监管和进行检修维护，能长期无故障工作安全运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器的蓄热器总装简图。

图2是图1的左视图(A-A断面图)。

图3是图1的俯视图。

图4是图2的Ⅰ部放大图。

图5是图2的Ⅱ部放大图。

图6是图5的Ⅲ部放大图。

图中主要附图标记：1.蓄热器壳体，2.汽水分离装置，3.进汽管，4.出汽管，5.支座，6.分汽管，7.第二连接管，8.第三连接管，9.第一连接管，10.喷汽孔(若干，Φ6-10mm)，11.固定卡(若干)，12.汽水分界线，13.蒸汽空间，14.水空间。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构做进一步说明。

图1是本发明实施例提供的一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器的蓄热器总装简图。图2是图1的左视图(A-A断面图)。图3是图1的俯视图。图4是图2的Ⅰ部放大图。图5是图2的Ⅱ部放大图。图6是图5的Ⅲ部放大图。

如图1、图5和图6所示，本发明实施例提供的一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，包括主要由蓄热器壳体1、汽水分离装置2、进汽管3、出汽管4、支座5组成的蓄热器本体，充热蒸汽分汽管6和蒸汽连接管路，其中：

所述充热蒸汽分汽管6沿所述蓄热器长度方向水平设置在蓄热器壳体1内水空间14下部，所述充热蒸汽分汽管6两端封闭，其四分之一长度内侧设有进汽口且上半圆管壁设有多个喷汽孔10；

所述蒸汽连接管包括一个Z形的第一连接管9、两个第二连接管7和一个门形的第三连接管8，所述第一连接管9的一端与所述进汽管3连通，另一端与所述第三连接管8的中部连通，所述第三连接管8的两端两个朝下的出汽口分别与两个第二连接管7的中部连通，所述第二连接管7的两端分别与所述充热蒸汽分汽管6内侧进汽口连接。

在实际应用中，蓄热器壳体1由两个椭圆封头与中部筒状直段部分构成，充热蒸汽分汽管6沿蓄热器壳体1的长度方向设置，作为优选，所述充热蒸汽分汽管6与所述蓄热器壳体1中部的直段部分等长。

本发明实施例的蓄热器的充热蒸汽分汽管6管壁上均布钻制的多个喷汽孔10，其直径为Φ6-10mm，喷汽孔10数量视具体情况决定，一般情况下，所述充热蒸汽分汽管6上设置的喷汽孔10的总截面积为所述进汽管3的管孔截面积的4～6倍。

充热蒸汽分汽管6上设置的多个喷汽孔10用于向水空间喷出蒸汽，进行热交换，为使蒸汽均匀进入整个水空间14，所述充热蒸汽分汽管6、蒸汽连接管、进汽管3的管径相等，并将所述多个喷汽孔10均匀地多行排列设置于所述充热蒸汽分汽管6的上半圆管壁上，相邻两行喷汽孔10之间的夹角相等。在本发明实施例中所述多个喷汽孔10按每根分汽管6钻三行孔均匀分布在所述两根充热蒸汽分汽管6的上半圆管壁上，并且相邻两行喷汽孔10之间成30°夹角，这种设计结构不仅可以使充热蒸汽按分汽管6截面法线方向均匀喷入水空间14，还可以扩大喷汽在水空间的换热范围。

因为在本发明蓄热器实施例中，所述充热蒸汽分汽管6具有一定长度，为避免充热蒸汽分汽管6因为进汽连接点少，造成进汽连接点处蒸汽压力大，远离连接点处蒸汽压力小，充热蒸汽分汽管喷汽不均匀现象，如图1所示，所述充热蒸汽分汽管6上的进汽口为两个且分别设在距离所述充热蒸汽分汽管6两端四分之一管长的内侧处，保证所述充热蒸汽分汽管6各个喷汽孔10喷汽压力均衡，喷汽均匀。

在图1至图5中，本发明的蓄热器本体与现有蓄热器相同，如蓄热器壳体1、汽水分离装置2、进汽管3、出汽管4、以及两个支座5的设置等。主要的改造之处是充热蒸汽用四个并联分支管流入蓄热器水空间14下部用固定卡11定位的充热蒸汽分汽管6。区别于现有技术的垂直设置的分汽管，本发明将两根充热蒸汽分汽管6设计为水平平行状可以保证由基本等高的喷汽孔10喷入水空间14的蒸汽喷气阻力损失相同，流量相等，规避充热蒸汽走捷径进入蒸汽空间13的问题。

本发明蓄热器充汽蓄热时，从进汽管3进入的蒸汽沿着第一连接管9、第三连接管8、第二连接管7连接成的并联管路流动，将蒸汽一分为二，二分为四，四并为二平均引入蓄热器水空间14下部的两根充热蒸汽分汽管6中，再由均布在分汽管6上部的喷汽孔10将蒸汽均匀喷入水空间14，这种管路结构的特点是：汽水热交换从水空间14下部水温度最低处开始，所有充热蒸汽只能从水空间14下部相同水平高度向上升起，每个喷汽孔喷出的蒸汽向上浮动过程中都能最大限度获得相同的与水进行热交换的时间与空间，蒸汽自身的多余热量能被较低度的热水充分吸收，只有与水同等度的蒸汽才能进入蒸汽空间13。充汽蓄热过程中，蒸汽空间13的压力，水空间14的

度，以及充汽蓄热量同步变化，蓄热器单位时间内的充汽蓄热量加，接近理论值，这种管路结构的优点很容易推广到现有蓄热器中。

由上所述可知，本发明蓄热器的优点是用机械方法限定蓄热器按并联管路流量分配规律的原理长期安全可靠地在最佳状态工作，所以不存在现有蓄热器的缺陷。本发明原理巧妙，可作性强，既适用于新设计制造，也适用于大量现有蓄热器克隆改造。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如将本发明上述实施例所公开的两根充热蒸汽分汽管变更为多个，对于本领域的普通技术人员来说，上述改进所能达到的效果是显而易见的。这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，包括主要由蓄热器壳体、汽水分离装置、进汽管、出汽管、支座组成的蓄热器本体，充热蒸汽分汽管和蒸汽连接管路，其特征是：

所述充热蒸汽分汽管沿所述蓄热器长度方向水平设置在蓄热器壳体内水空间下部，所述充热蒸汽分汽管两端封闭，其四分之一长度内侧设有进汽口且上半圆管壁设有多个喷汽孔；

所述蒸汽连接管包括一个Z形的第一连接管、两个第二连接管和一个门形的第三连接管，所述第一连接管的一端与所述进气管连通，另一端与所述第三连接管的中部连通，所述第三连接管的两端两个朝下的出汽口分别与两个第二连接管的中部连通，所述第二连接管的两端出汽口分别与所述充热蒸汽分汽管上的进汽口连接。

2.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述充热蒸汽分汽管与所述蓄热器壳体中部的直段部分等长。

3.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述充热蒸汽分汽管、蒸汽连接管、进汽管的管径相等。

4.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述充热蒸汽分汽管上喷汽孔的总截面积为所述进汽管的管孔截面积的4～6倍。

5.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述多个喷汽孔均匀地成多行排列设置于所述充热蒸汽分汽管的上半圆柱上，相邻两行喷汽孔间的夹角相等。

6.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述充热蒸汽分汽管为两根平行设置的直管或者为一根环形管。

7.根据权利要求1所述的低水位水平分汽管下加热喷汽蓄热器，其特征是：所述充热蒸汽分汽管上的进汽口为两个且分别设在距离所述充热蒸汽分汽管两端四分之一管长的内侧处。

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