CN103154612B - 气动管罩 - Google Patents

Abstract

一种气动管罩（2），其包括主体（10），比如半圆柱形主体，用于保护管子（4）免受有害环境的影响，以及第一和第二翅片（20、20’），该翅片可以是锥形的，用于改变在管子（4）周围区域的气体的流动方向。

Description

气动管罩

相关申请的交叉引用

本申请要求美国专利申请第61/355783号的权益，通过引用将该美国专利申请结合到本申请中。

技术领域

本发明主要涉及管罩和挡板。更具体地，本发明涉及气动管罩。

背景技术

在许多应用和环境中，比如锅炉(其中包括蒸发器)，气体具有到某些区域的趋势。这种不均匀的气流分布可降低在这些应用及环境中的管子之间的传热效率，并进一步导致这些管子被更加迅速地弄脏和磨损。

挡板可用于改变气流方向，但是具有许多缺点，而且相应地，其通常不能用于许多应用和环境(包括锅炉)中。挡板通常是固体平板，从在应用或环境中的一区域延至另一区域。例如，在锅炉情形中，挡板可从后壁延至通路中心。这使得锅炉中的一部分管子不能用于热传递，并且消减了气体净流动面积的实质部分，以及增大了在其它管子区域中的气体速度，从而导致管子的性能降级。在本领域中，知晓管罩对于保护管子免受其所在的有害环境的影响是有用的，但是并不知晓管罩有助于气流分布。

考虑到前述情况以及由于其它原因，在本领域中，有必要采用气动管罩，其可在应用或环境中更加有效率且有效果地改变气流方向，而同时提供护罩以用于保护管子免受其有害应用或环境的影响。

发明内容

在此提供一种新型的气动管罩。一个实施例可包括主体，比如半圆柱形主体，用于保护管子免受有害环境的影响，和第一和第二翅片，该翅片可以是锥形的，用于改变在该管子周围区域的气体的流动方向。

附图说明

图1是本发明的气动管罩的实施例。

图2是本发明的气动管罩的实施例的第二视图。

图3示出了安装在管子上的本发明的气动管罩的实施例。

图4a至4c示出了在转废为能(EfW)锅炉的第三通路里的蒸发器的多个视图。

图5示出了沿着在蒸发器的出口处的后壁安装的气动管罩的实施例的计算流体力学(CFD)模型网格细节。

图6a至6c是蒸发器的CFD模拟结果，其中没有采用本发明的气动管罩。

图7a至7c是蒸发器的CFD模拟结果，其中在该蒸发器的入口和出口处的管子上安装有本发明的气动管罩的实施例。

图8a至8c是蒸发器的CFD模拟结果，其中在该蒸发器的入口和出口处的管子上安装有本发明的气动管罩的另一实施例。

图9a和9b是涉及关于在使用本发明的气动管罩之前和之后在EfW锅炉里的蒸发器的热回收而收集的数据的曲线图。

具体实施方式

在此公开的本发明可概念化为一种气动管罩，该气动管罩可用于多种应用中，从而有助于最大限度地提高传热效率并且减轻气流分布不均的影响，而同时提供护罩以保护管子免受应用环境的影响。图1和2示出了这样的气动管罩2的实施例，图3示出了安装在管子4上的这样的气动管罩2的实施例。在一些实施例中，气动管罩2可由主体10，比如半圆柱形主体，以及第一和第二翅片20、20’组成。主体10可围绕着或置于管子4的表面或其一部分，从而保护所述管子4或其所述部分。在一些实施例中，所述主体10可保护所述管子4或所述其一部分免受磨损和腐蚀，除其它以外，该磨损和腐蚀可来自于管子4对在其环境(比如锅炉环境)中的热气、飞尘以及其它有害物质的暴露。主体10可具有的半径与其围绕着或置于的管子4的外半径基本相同。因此，在一些实施例中，主体10的半径可以取决于管子4的外半径而变化。主体10的长度类似地可以至少取决于气动管罩2设计来保护的管子4的部分以及第一和第二翅片20、20’的所需长度而变化。主体10可由可用于保护管子4免受管子4的环境的影响的任意类型的材料制成，包括金属和陶瓷材料。在某些实施例中，主体10可由钢比如碳钢组成。

主体10可具有第一边缘12a、第二边缘12b、第一端部14a和第二端部14b。第一翅片20可沿主体10的所述第一边缘12a纵向延伸，而第二翅片20’可沿主体10的所述第二边缘12b纵向延伸。类似地，所述翅片20、20’可每个具有外侧边缘22、22’、第一端部24a、24a’和第二端部24b、24b’。在某些实施例中，所述翅片20、20’可以是锥形的，从而每个所述翅片20、20’在其第一端部24a、24a’处或附近比在其第二端部24b、24b’处或附近更宽，并且相应地，每个所述翅片的外侧边缘22、22’可以是倾斜的。在某些其它的实施例中，翅片可以不是倾斜的或锥形的。每个翅片20、20’的锥形(如果有的话)程度及长度可至少有助于控制在应用或环境(比如锅炉)中，更具体地，在这样的应用或环境中的管子的储气部(bank)中的气体的流动和分布，并且可取决于气体跨过该管子的理想的再分布。在一些实施例中，在锅炉中的管子的间距会影响翅片20、20’的锥度，并且所述管子相距越远，翅片20、20’则可越宽。在某些实施例中，翅片20、20’的各自第一端部24a、24a’可以接触或可以几乎接触在相邻管子上的管罩的翅片20、20’的各自第一端部24a、24a’。而且在某些实施例中，可将翅片20、20’的各自第一端部24a、24a’或第二端部24b、24b’互锁或焊接至在相邻管子上的管罩的翅片20、20’的各自第一端部24a、24a’或第二端部24b、24b’，视具体情况而定。每个翅片20、20’可由与主体10同样类型的材料组成，例如包括钢(包括碳钢)。还应当理解的是，主体10和翅片20、20’可由单个材料块(比如单个金属件)形成。

可通过各种方式将本发明的气动管罩2固定至管子4。在某些实施例中，可将一个或以上的紧固件用于将所述管罩2固定至所述管子4。所述紧固件可包括但不限于许多不同类型的紧固件，包括卡扣、夹子、螺栓以及绑带。在安装气动管罩2时，可将高导热材料比如胶泥的薄层沉积于每个管罩2之下或管罩2所要放置的可应用管子4的表面上。可将所述管罩2安装在可应用管子4的任一侧，包括顶面或底面，如可由具体情况而决定或期望的那样。在某些实施例中，可将管罩2安装在可应用管子4的顶面上，并且可将第二管罩2安装在该管子4的底面上(或反之亦然)。

图4a示出了在EfW锅炉里的第三通路的侧剖立视图，在该锅炉中，可安装本发明的气动管罩2。在该特定锅炉中，热气可从蒸发器52的底部左手侧进入以加热那里的管子4。为了最大限度地提高在该锅炉中(以及在其它应用中)的传热效率，重要的是，应将该气体跨过该管子4的长度均匀地分布。然而，在许多情况下，在应用中，该气体可以偏向(predispose)某些区域。通过示例，在图4a中，由于做了转弯进入在第三通路里的蒸发器52，所以气体可以偏向该蒸发器52的后壁54。由于这种趋势，管子4的最靠近后壁54的部分倾向于接收过多的气体(该气体具有更高的温度和速度)，这会导致该管子4的此部分的性能降级，而管子4的靠近前壁56的部分倾向于接收较少的气体，因而具有较少的传热。可尤其是沿着后壁54在蒸发器52的入口58和出口60处安装本发明的气动管罩，从而有助于最大限度地提高传热效率、减轻气流分布不均的影响以及保护管子免受有害锅炉环境的影响。图4b也示出了在这样的第三通路里的该蒸发器52的侧视图。如在图4b中也可看出，管子4可以以蛇形的方式从蒸发器52的顶部延伸至底部，并且可沿着后壁54在蒸发器52的入口58和出口60处安装气动管罩2。图4c示出了在这样锅炉的该第三通路里的该蒸发器52的放大的平面图。可再次看出在每根管子4上沿着或靠近后壁54安装的本发明的气动管罩2。

下面描述对于这样的EfW锅炉蒸发器的计算流体力学(CFD)模拟结果。这些模拟结果示出了分别带有和不带有本发明的气动管罩的该蒸发器的横截面上的压力、温度和速度的轮廓图。

在一开始，要指出的是，图5示出了CFD模型的网格细节。特别地，图5示出了在该蒸发器的出口处沿着后壁安装的本发明的气动管罩的实施例的CFD模型的网格细节。该图可以使本领域的技术人员更好地理解用在该CFD模型中的网格的质量、概念以及解析度。

再次参照图4c，要进一步指出的是，CFD模拟采用下面的尺寸。然而，如在此讨论的，尺寸(包括长度、宽度和厚度)可能会变化，这取决于气动管罩的实施例以及其所用场合。在该特定实施例中，蒸发器52的后壁54和前壁56二者的宽度都是30’-8”(30英尺8英寸)。在该蒸发器52中共有29根管子4，并且每根管子4的长度为10’(10英尺)、宽度为3”(3英寸)以及各管子4的相邻间距约为1’(1英尺)。如上所述，仅蒸发器52(具体地说，总计29根管子4中的五根)的横截面用在这些CFD模拟中。气动管罩2的两个单独的实施例被模拟。在模拟的第一实施例中，气动管罩2的长度为4’-11”(4英尺11英寸)、在一端的宽度为4.86”(4.86英寸)以及在第二更宽的一端(该更宽的一端可更靠近后壁54或被置于抵靠着该后壁)的宽度为9”(9英寸)。所述管罩2也由厚度为0.125”(0.125英寸)的钢形成。(这样的第一实施例称为“测试实施例一”。)在测试的第二实施例中，气动管罩2再次是一端部的宽度为4.86”(4.86英寸)且第二更宽的端部的宽度为9”(9英寸)，但是在该实施例中，长度仅为3’-6”(3英尺6英寸)。所述管罩2再次是由厚度为0.125”(0.125英寸)的钢组成。(这样的第二实施例称为“测试实施例二”。)

图6a至6c是没有采用本发明的气动管罩2的蒸发器52的CFD模拟结果。图6a示出了在第三通路以及特别是在蒸发器52里的静态压力轮廓(英寸-水柱)。从结果中可以看出，假设气体倾向于朝向蒸发器52的后壁54，在靠近后壁54的入口58处的压力高于靠近前壁56的压力。图6b示出了速度量值轮廓(英尺/秒)。从结果中可以看出，在整个蒸发器52的后壁54附近，气体趋于具有显著更高的速度。最后，图6c示出了静态温度轮廓(F)。从结果中可以看出，整个蒸发器52的热分布不均匀，在后壁54周围的区域比在前壁56周围的区域热得多。

图7a至7c是蒸发器52的CFD模拟结果，其中气动管罩2的测试实施例一安装在蒸发器52的入口58和出口60处的管子4上。图7a示出了在第三通路以及特别是在蒸发器52里的静态压力轮廓(英寸-水柱)。从结果中可以看出，当采用了本发明的气动管罩2时，沿后壁54的压力在整个蒸发器52上更加均衡。图7b示出了速度量值轮廓(英尺/秒)。从结果中可以看出，由于沿着在入口58处的后壁54布置了气动管罩，所以气体速度在该蒸发器的前壁56附近增加了。然而，在整个全部的蒸发器上，气体速度更加均匀，而不是在后壁54的附近聚集。最后，图7c示出了静态温度轮廓(F)。从结果中可以看出，温度在入口58处的前壁附近上升了，再次假设沿着后壁54布置了气动管罩。但是热分布在整个蒸发器52上变得更加均匀，而不是那里的气体和热量聚集在后壁54附近。

图8a至8c是蒸发器52的CFD模拟结果，其中气动管罩2的测试实施例二安装在蒸发器52的入口58和出口60处的管子4上。图8a示出了在第三通路以及特别是在蒸发器52里的静态压力轮廓(英寸-水柱)。从结果中可以看出，当采用了本发明的气动管罩2时，沿后壁54的压力在整个蒸发器52上再次更加均衡。图8b示出了速度量值轮廓(英尺/秒)。从结果中可以看出，气体速度在前壁56附近再次增加了，但是在整个全部的蒸发器52上，气体速度比没有采用气动管罩时大致更加均匀(虽然与测试实施例一相比，测试实施例二不如其均匀)。还要指出的是，与测试实施例一相比，在入口58附近在中间处，气体速度更高，因为测试实施例二在长度上比测试实施例一更短。最后，图8c示出了静态温度轮廓(F)。从结果中可以看出，热分布在整个蒸发器52上再次变得更加均匀，而不是气体及其热量在后壁54附近处聚集。将图6a至6c与图7a至7c以及图8a至8c相比，可进一步看出，通过采用气动管罩，在第三通路的蒸发器52里的气流分布、速度以及温度的改善相应地改进了在该锅炉的第四通路里的过热器50中的气流分布、速度以及温度。

从前述的采用CFD Ansys Fluent软件进行的CFD模拟中还可确定下列结果：

从前面可以看出，不论是采用测试实施例一还是采用测试实施例二，在入口58与出口60之间的蒸发器52里都有压降。测试实施例二的压降稍微更小，因为该实施例比测试实施例一更短。从前面还可看出，在该特定锅炉中，测试实施例一提高的气体速度及温度均匀性多于测试实施例二。(这些是整个蒸发器上的气体速度及温度的均匀性的测量。)从前面可进一步看出，在该特定锅炉中，测试实施例一提高的传热稍微多于测试实施例二。(这是从气体中吸收的进入蒸发器管子里的能量的测量。)然而，如在其它地方指出的那样，气动管罩的对于给定的应用将会最有效果和最有效率地工作的尺寸(包括长度、宽度以及厚度)和布置将取决于该应用。例如，在某些应用中，通过包括在蒸发器的中部以及在入口和出口处的一排管子上的气动管罩，可进一步改进气体速度及温度均匀性和传热。要进一步指出的是，前述CFD模拟结果仅涉及该蒸发器(即，总计29根管子中的五根)的横截面。因此，如果考虑了在该特定模拟的蒸发器里的另外24根管子的话，那么气流速度及温度均匀性和传热可能甚至更高。

在采用具有测试实施例一的尺寸的气动管罩之前和之后，从现场收集关于在EfW锅炉中的蒸发器里的热回收的其它数据。图9a至9b示出了在类似的140天的时间之后该数据收集的结果。更具体地说，图9a示出了在140天期间在锅炉中的蒸发器的入口和出口处的温度，其中没有采用气动管罩。图9b示出了在类似的140天期间在同一锅炉负载中的所述蒸发器的入口和出口处的温度，其中采用了具有测试实施例一的尺寸的气动管罩。比较图9a和9b可以看出，当采用了本发明的气动管罩时，从入口至出口的气体温度下降更大且更加一致。此外，当采用这样的管罩时，在蒸发器出口处的温度总体上更低。因此，当采用本发明的气动管罩时，蒸发器倾向于在更长的时间段内保持更加清洁，并且相应地，在给定时间段上的热回收的损失更低并减少了锅炉停用时间。(随着时间的推移，锅炉通常被堵塞或弄脏且热回收降低。)特别地，在蒸发器出口处的较低温度会是重要的，因为在某些应用中，下一通路(例如第四通路)可能包含更加脆弱或敏感的部件(例如过热器)。因此，较低的温度可有助于减少在这样的下一通路里的这些部件上的腐蚀，并且可相应地进一步减少锅炉停用时间。正如本领域的技术人员理解的那样，当在140天期间采用气动管罩时，基于上述数据的计算表明在蒸发器里的热回收方面提高了30％。

虽然本发明的前述应用涉及在EfW锅炉里的蒸发器，但是应理解的是，本发明的气动管罩可用于范围广泛的应用，包括范围广泛的锅炉、气化器和热交换器以及其中的部件。实际上，本发明的管罩可用于其中具有不均匀的气流分布的任意应用中，从而有助于减轻这样的不均匀分布的影响并最大限度地提高传热效率，而同时提供护罩以保护管子免受应用环境的影响。

此外，虽然本发明的前述应用讨论了气动管罩在蒸发器入口和出口处的安装，但是应理解的是，本发明的气动管罩可安装在EfW锅炉(以及各种其它类型及设计的锅炉)的各个位置，这取决于通过可应用锅炉的相关气体的趋势，如可由工程分析(比如CFD模型)确定的。

Claims (22)

1.一种管罩，用于保护管子且同时导向气体的流动，所述管罩包括：

a.配置用于保护管子的主体，所述主体具有第一边缘和第二边缘；

b.用于导向气体的流动的第一和第二翅片，其中，所述第一翅片沿着所述主体的所述第一边缘纵向延伸，而所述第二翅片沿着所述主体的所述第二边缘纵向延伸并且其中所述第一和第二翅片纵向沿着所述主体是锥形的以使得每个所述翅片在所述主体的第一端部比在所述主体的第二端部更宽。

2.如权利要求1所述的管罩，其中，所述管罩配置用于插在锅炉、气化器或热交换器中的管子上。

3.如权利要求1所述的管罩，其中，所述主体是半圆柱形的。

4.如权利要求3所述的管罩，其中，所述主体具有的半径与所述管子的外半径基本相同。

5.如权利要求1所述的管罩，其中，所述主体和所述第一和第二翅片由单个材料块形成。

6.如权利要求1所述的管罩，其中，所述主体和第一和第二翅片由钢组成。

7.如权利要求1所述的管罩，还包括一个或多个紧固件。

8.如权利要求7所述的管罩，其中，所述紧固件是卡扣、夹子、螺栓或绑带。

9.一种气动管罩，所述气动管罩包括：

a.主体；以及

b.第一翅片和第二翅片，其中，所述第一翅片沿着所述主体的第一侧边纵向延伸且是锥形的，而所述第二翅片沿着所述主体的第二侧边纵向延伸且是锥形的；

c.其中，所述主体和第一和第二翅片配置用于保护管子且同时导向气体的流动；

所述主体和第一和第二翅片是由单个金属件形成的。

10.如权利要求9所述的气动管罩，其中，所述气动管罩配置用于插在锅炉、气化器或热交换器中的管子上。

11.如权利要求9所述的管罩，其中，所述主体是半圆柱形的，具有的半径与所述管子的外半径基本相等。

12.如权利要求9所述的管罩，还包括可用于将所述管罩固定至管子的紧固件。

13.一种通过采用气动管罩重新分布通过管子的气流且在具有不均匀的气流分布的系统中保护所述系统中的管子的方法，其中，所述系统具有多排管子，所述方法包括下列步骤：

a.获取多个气动管罩，该管罩具有用于重新分布气流的锥形翅片和用于保护管子的主体，其中所述第一和第二翅片纵向沿着所述主体是锥形的以使得每个所述翅片在所述主体的第一端部比在所述主体的第二端部更宽；

b.将气动管罩安装在所述系统中的第一排管子中的一个或多个管子上；以及

c.将气动管罩安装在所述系统中的第二排管子的一个或多个管子上。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述系统是锅炉、气化器或热交换器。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一排管子位于所述系统中的一区域的入口处。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二排管子位于所述系统中的一区域的出口处。

17.如权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：在安装每个气动管罩之前，将高导热材料薄层沉积于所述气动管罩之下或该气动管罩将要被安装所在的管子的表面上。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述高导热材料是胶泥。

19.一种用于改进不均匀气流分布和保护管子的系统，所述系统包括：

a.一排或多排的管子；

b.多个气动管罩，其中，每个所述气动管罩包括主体和纵向沿着所述主体的一个或多个锥形翅片，从而每个所述翅片在所述主体的第一端部比在所述主体的第二端部更宽，用于导向气体流动，其中所述多个气动管罩安装在第一排管子中的一个或多个管子上以及第二排管子中的一个或多个管子上。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述一排或多排管子位于锅炉、气化器或热交换器里。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述第一排管子位于所述锅炉、气化器或热交换器的第一区域里的入口处，而所述第二排管子位于所述锅炉、气化器或热交换器的所述第一区域里的出口处。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述多个气动管罩安装在沿着所述锅炉、气化器或热交换器的后壁的所述第一排管子和所述第二排管子上。