CN103547859A - 具有涡流抑制的减温器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种具有涡流抑制的减温器。一种示例性减温器包括主体部分，该主体部分具有提供冷却水至流体流径的通道，该减温器还包括邻接到该主体一端的涡流抑制装置。该涡流抑制装置被放置于流体流径中，以衰减或抑制涡流分离或流动引起的振动，该振动通过在流体流径中的流体被施加到减温器上。

Description

具有涡流抑制的减温器
技术领域
本专利基本上涉及减温器，更具体地，涉及具有涡流抑制的减温器。
背景技术
蒸汽供给系统通常制造或产生具有相当高的温度(例如：温度高于饱和温度)的过热蒸汽，过热蒸汽的温度高于下游设备允许的最高工作温度。在某些情况下，温度高于下游设备所允许的最高工作温度的过热蒸汽可能损坏下游设备。
因而，蒸汽供给系统通常具有减温器来降低或控制减温器下游的流体或蒸汽的温度。一些已知的减温器(例如，插入式减温器)包括主体部分，该主体部分被实质上垂直地悬挂于或放置于在通道(例如，管道)中流动的蒸汽的流体流径。减温器包括通道，该通道注射或喷洒冷却水进入该蒸汽流，以降低从该减温器流至下游的蒸汽温度。
然而，在某些应用中，过热蒸汽以相对高速流过流体流径，并且可能经受不稳定的、通过处于流体流径中间的减温器主体的流动。这种高速或不稳定的流动可能造成涡流的分离，导致由涡流引起的振动和/或提升力施加于减温器的主体，这有可能引起主体的振动。尤其是，在某些情况，涡流引起的振动在实质上近似或等于减温器主体的自然频率的频率上共振，这可能造成减温器断裂或被损坏，因而降低减温器的工作寿命。
发明内容
在一个示例中，一个示例的减温器包括主体部分，该主体部分具有通道，该通道向流体流径提供冷却水；以及涡流抑制装置，该流涡流抑制装置邻接于所述主体的一端。所述涡流抑制装置被放置于所述流体流径中，以衰减或抑制涡流的分离或流动引起的振动，该振动由所述流体流径中的流体施加给所述减温器。
在另一个示例中，一个示例的减温器包括主体，该主体具有通道，该通道在所述主体的第一端的凸缘和位于凹部且邻近于所述主体的第二端的至少一个开口之间。当所述减温器通过所述凸缘被耦接到流体流径时，所述主体被悬挂于流体流动中，以使所述主体实质上垂直于所述流体流动，并且至少一个开口实质上平行于所述流体流动。该减温器包括涡流抑制装置，该涡流抑制装置与所述主体一体地形成于邻近所述第二端和所述凹部，其中，所述涡流抑制装置用来衰减或抑制涡流的分离或流动引起的振动，该振动由流过所述主体的流体施加给所述减温器的所述主体。
附图说明
图1示出了由已知的减温器装置实现的流体系统。
图2A示出了由这里描述的示例性的、具有涡流抑制的减温器实现的流体系统。
图2B示出了图2A的示例性减温器。
图3示出了这里描述的另一种示例性减温器。
图4示出了这里描述的另一种示例性减温器。
具体实施方式
在此描述的示例性减温器设备提供涡流抑制，来极大的降低或消除涡流引起的振动，该振动由涡流的分离产生，因而增加了减温器的工作寿命。在此描述的示例性减温器可以被蒸汽供给系统使用来极大降低涡流引起的振动，该振动可能由以相对较高的速度(例如，300英尺/秒)流过减温器的过热蒸汽所引起。
特别地，在此描述的示例性减温器包括涡流抑制装置，该装置邻接于该减温器的主体的一端。该涡流抑制装置抑制或很大程度上降低涡流的分离，来改变或衰减共振涡流引起的振动和相关的、稳定拖曳和/或干扰的放大，或防止涡街(例如，二维的涡街或半流)的形成。
在一些示例中，涡流抑制装置与减温器的主体一体地形成。在这些示例中，该涡流抑制装置可以包括螺旋箍条、多个肋条、曲线、多个突起表面(例如，曲面)、多个孔和/或任何其他合适的几何体或形状来抑制或很大程度上降低涡流的分离，否则该涡流分离可能随着流体流过减温器的主体而发展。该减温器和/或该涡流抑制装置可以由金属(例如，不锈钢)制造，并且该涡流抑制装置可以通过，例如，机加工、焊接、铸造和/或其他任何适合的制造工艺与该减温器的主体形成整体，或耦接到减温器的主体。
图1示出了由已知的减温器102实现的示例性流体供给系统100(例如，蒸汽供给系统)。如所示，减温器102通过在管道104的第一边或入口110和第二边或出口112之间的凸缘106和108被耦接于管道104。过热流体(例如，蒸汽、氨等)以相对较高的速度在入口110和出口112之间流动，穿过减温器102的主体114。
如所示，主体114包括在第一端118和第二端120之间的流体通道116。在此示例中，主体114是一个圆柱形主体(例如，阻流体)。第一端118包括凸缘部分112，该凸缘部分被放置于凸缘106和108之间，并耦接减温器102至管道104。如所示，当耦接至管道104时，主体114被悬挂于流体流径124内，实质上垂直于流过流体流径124的过热流体的方向。换句话说，主体114的第二端120未牢固或以其他方式耦接到管道104上，并且在工作时可以相对于纵轴126弯曲、弯折和/或移动。
在工作中，过热流体在过热的温度(例如，高于饱和温度的温度)，以相对较高的速度在入口110和出口112之间流过减温器102的主体114。减温器102通过通道116和开口128注射或喷洒冷却水进入流体流径124，以冷却或降低在出口112的过热流体温度(例如，至大约过热蒸汽的饱和温度)。这种冷却可以被要求以防止出口112下游的设备损坏。
然而，因为主体114被放置于流体流径124中，过热蒸汽的速度和/或压强可能在主体114的一部分上发生改变或波动。随着过热流体流动穿过减温器102的主体114，这种压强和/或速度的变化或波动可能造成紊流或不稳定的流动(例如，具有相对较高雷诺数的流体流动)发展。在严苛的、过热流体具有相对较高的速度的应用中，不稳定的流动能够产生在主体114的实质部分上的分隔或分离的流动，这能够引起涡流的分离。
涡流的分离可能产生流体流动场，该流体流动场在主体114的下游具有涡街(例如，二维涡街或半流)，该涡街这可能引起或造成波动的压强或振动(例如，湍流涡流)，并施加到主体114上。随着过热流体流动的速度增大，旋涡会在主体114的每一边交替分离(例如，不对称地)，且实质上垂直于流体流动。此外，不对称的涡流分离常常发展或造成振荡的流动特性，该特性具有离散的或分离的频率，此频率在工作中能够造成主体114振荡或振动。
这些旋涡或振荡流体流动能够造成有害的周期性力或振动，它被施加到减温器的主体114上。例如，这种力能够造成过度的振动和/或提升力被施加主体114上。在一些情况下，旋涡的分离频率实质上近似于或等同于减温器102的主体114的自然频率，该分离频率就造成了共振振动，该振动使主体114以强烈的方式振动或振荡，造成主体114破损，断裂和/或以其他方式变得损坏。
图2A示出了由在此所述的示例性减温器202实现的示例性流体流动系统200。图2B示出了图2A的示例性减温器。不像图1的减温器102，减温器202包括涡流抑制装置或设备204，以抑制或显著地减少分离，以及因此减少涡流引起的振动，该振动可能由以相对较高的速度(例如，350英尺/秒)流过减温器202的流体(例如，过热蒸汽，过热氨等)造成。
在这个示例中，减温器202被耦接至流体管道206，该管道提供流体流径或通道208。例如，流体流动系统200可以是一个热恢复系统发生器，可以是一个锅炉中间调温系统或其他任何流体系统。如所示，减温器202被放置于管道206的入口或第一侧210a和管道206的出口或第二侧210b之间。入口210a可以被流体地耦接至第一蒸汽源(例如，过热器、涡轮的出口)，出口210b可以被流体地耦接到下游设备，例如，诸如蒸汽涡轮。示例性减温器202可以被用于严苛的服务应用，在此应用中减温器202可以被暴露于高热循环和压力，高流体流动速度和/或由流体或涡流引起的振动。
参照图2A和2B，减温器202包括主体212，该主体在主体212的第一端216和位于凹或平部220且邻近于主体212的第二端222的至少一个开口之间具有路线或通道214。如所示，主体212通常是一个细长的圆柱体，并且包括开口218a和另一个开口218b。主体212和通道214实质上平行于轴226(即，实质上垂直于流体流动)，每个开口218a，b都有轴228，此轴实质上垂直于轴226(即，实质上平行于流体流动)。此外，开口218a，b均可以接纳喷嘴(未示出)，该喷嘴可以被装配来喷洒冷却流体(例如，水)进入正在被冷却的流体(例如，蒸汽)中。附加地或替代地，虽然未示出，主体212可以在第一端216和第二端222之间包括锥形的剖面。
主体212的第一端216包括耦接减温器202至管道206的凸缘230。凸缘230可以被焊接于主体212，或者通过，例如，铸造、机加工或其他合适的制造工艺与主体212一体地形成。另外，如所示，安装凸缘232与凸缘230和/或主体212一体地形成，以通过管道106的凸缘234耦接减温器202至管道206。紧固件236耦接安装凸缘232和管道206的凸缘234。然而，在其他例子中，安装凸缘232可以是分离的部件，并且主体212的凸缘230可以被放置于或安装于凸缘232和管道206的凸缘234之间。安装凸缘232可以包括垫圈和/或凹陷(未示出)，来接纳主体212的凸缘230。当被耦接到管道206时，主体212被悬置于流体流径208中，并且可以在工作时相对于纵轴226弯曲或移动(例如，细微地移动或振动)。换句话说，主体212的第二端222未被耦接或紧固于管道206。减温器202是一种插入式减温器，该种减温器被插入或放置于流体流径208中，且实质上垂直于流体流动。
控制阀238(例如，滑动杆阀)被流体地耦接至主体212的通道214的入口240，以控制冷却流体流动至通道214。阀安装凸缘244通过，例如，焊接被耦接至安装凸缘232。
如图2A和2B所示，涡流抑制装置204(例如，通过机加工)一体地形成于主体212且邻近于第二端222和凹部220。例如，涡流抑制装置204可以通过机加工金属(例如，不锈钢)原料条或原料块，一体地形成于主体212。在其他示例中，涡流抑制装置204可以通过铸造、焊接或其他合适的制造工艺形成或耦接到主体212。例如，涡流抑制装置204可以通过焊接或其他合适的紧固结构被耦接到主体212。
主体和/或涡流抑制装置204可以由碳素钢(例如，ATSMSA105、ATSM WCC等)，合金钢(例如，ASTM F91、ASTM C12A等)，不锈钢(例如，不锈钢316)和/或其他任何合适的材料构成。虽然在此例中，涡流抑制装置由与主体212相同的材料构成，但是在其他示例中，涡流抑制装置204与主体212可以由不同材料构成。
图2A和2B所示的涡流抑制装置204包括多个螺旋箍条。如示例所示，涡流抑制装置204包括螺旋箍条246a-c(或螺丝锥构造)，该螺旋箍条由例如，碳素钢或不锈钢构成。螺旋箍条246a-c被置于沿着主体212邻接第二端222的部分，并且以非连续的结构缠绕于主体212的外表面248(例如，被凹部中断或切断)。然而，在其他例子中，螺旋箍条246a-c可以以连续的方式缠绕于主体212的外表面248和/或凹部220。例如，螺旋箍条可以被放置于主体212的外表面248和/或开口218a，b之间的凹部220。涡流抑制装置204可以包括任何数量个、具有任何厚度和尺寸的螺旋箍条，并且从主体212的外表面248突出任何距离，以提供非线性或实质上不光滑的外表面248来，抑制或极大程度地降低涡流分离，因而，干扰或阻止随着流体在工作中流过主体212时由涡流引起的振动或振荡的形成。
例如，螺旋箍条的个数可以由主体212的外直径的系数或比例决定。如所示，涡流抑制装置204包括三个螺旋箍条246a-c，三者通常相互平行。螺旋箍条246a-c的节距可以在例如，主体212的外直径的3.5倍到5倍之间，高可以是，例如主体212的外直径的大约0.1倍左右。在其他例子中，螺旋箍条246a可以具有与螺旋箍条246b和/或246c不同的节距和/或高度。螺旋箍条246a-c可以通过机加工一体地形成于主体212，或者螺旋箍条246a-c可以是被焊接至主体212的分离的部件。在其他例子中，如图3和4所示，涡流抑制装置204可以包括其他任何合适形状或表面来抑制或降低涡流分离，因而降低施加于主体212的、由涡流引起的振动或振荡。
在工作时，过热流体(例如，过热蒸汽，过热氨等)以相对较高的速度(例如350英尺/秒)和相对较高的温度(例如，温度范围在大约1100℉到1300℉)在管道206的入口210a和出口210b之间流过减温器202。当过热蒸汽在入口210a和出口210b之间流过减温器202的主体212，减温器202注射或喷洒冷却流体(例如，水)进入流过减温器202的流体，以降低或控制在出口210b的过热流体的温度到大约，例如，过热流体的饱和温度。特别是，减温器202通过管道214和开口218a，b注射或喷洒冷却流体(例如，水)的雾化水滴进入流体流径208。冷却液体蒸发，吸取过热蒸汽的能量以降低过热流体的温度到，例如，接近过热流体的饱和温度(例如蒸汽的饱和温度)。
冷却速率可以由液滴的尺寸、液滴分布和/或冷却流体的速度所控制，并且，在流体流径208中的过热流体(例如，蒸汽)的温度可以通过使用控制阀238来改变冷却流体的流速来控制。另外，控制阀238可以包括控制器，来接收来自于下游传感器的信号，该信号指示在管道206的出口210b的过热流体的温度。基于传感器感知的温度，控制阀238移动控制阀的致动器，来调节或控制通过通道214和开口218a，b的流体流入流体流径208的冷却流体的流速，以控制在出口210b的过热流体的温度。如前述，这种过热蒸汽的冷却可以防止出口210b下游的设备(例如蒸汽涡轮)损坏。
当流体以相对较高的速度流过减温器202的主体212，涡流抑制装置204抑制或很大程度上降低涡流分离，以瓦解不稳定的流动，不然，随着过热流体流过减温器202的主体212，这种流动会发展。如前述，不稳定的流动(例如，具有相对高的雷诺数的流体流动)可以造成涡流分离，并导致在主体212的下游形成具有涡街的流体流动场。这种涡街可以产生振荡流动或由涡流引起的振动，这可能产生有害的、被施加于减温器202的主体212的周期性力。
然而，涡流抑制装置204破坏或降低涡流分离，以防止或衰减减温器202的主体212下游的涡街形成。结果，涡流抑制装置204降低涡流引起的振动或振荡流动，否则，该流动会施加于减温器202的主体212上。当过热蒸汽流过主体212，涡流抑制装置204极大程度地降低或防止涡流交替或不均匀地分离或在主体212的、实质上垂直于流体流径的任一端形成。换句话说，当过热流体流过主体212，涡流抑制装置204促进边界层相对于主体212脱离或分离。
更具体地说，涡流抑制装置204或螺旋箍条246a-c降低或改变流体流动中涡流分离的频率，以缓和流动或施加于减温器202的主体212的由涡流引起的振动的影响和相关的提升力。在这种方式下，涡流抑制装置204或螺旋箍条246a-c阻止分离频率或涡流振荡之间的共振状态的发展，该频率或振荡实质上近似于或等同于减温器202的主体212的自然频率或振荡。结果，减温器202防止在涡流的分离频率和主体的自然频率之间共振状态或共振振动的发生，该状态或振动可能导致主体212毁坏、破裂、断裂和/或以其他方式损坏，因而提高减温器202的工作寿命。
图3示出了另一种示例性减温器300，该减温器可以被用来实现图2A和2B的示例性系统200。减温器300包括另一种示例性涡流抑制设备或装置302，以衰减或降低涡流分离和/或涡流引起的振动。图示3的示例性减温器300的那些实质上近似于或等同于前述图2A和2B的示例性减温器202的元器件、且与图2A和2B描述的元器件具有实质上相似或等同的功能的元器件与那些参照图2A和2B所描述的元器件使用相同的附图标记，并且它们在这里不再具体描述。反而，感兴趣的读者可以参考前面结合图2A和2B的相应的描述。
涡流抑制设备或装置302被置于沿着主体212，邻近于第二端222和凹部220。在这个示例中，涡流抑制装置302包括多个肋部或花键304，它们被置于邻近主体212的第二端222。例如，多个肋条304或花键304可以构成或定义一个花键端。多个肋条或花键304可以被连续的放置于主体212的外表面306，以相等的、随机的或变化的距离间隔开。在其他例子中，多个肋部304可以有角度，或相对于主体212的轴226倾斜，或缠绕(例如，螺旋缠绕)于主体212的外表面306。多个肋部或花键304可以通过机加工或其他任何合适的制造工艺形成。
图4示出了另一种示例性减温器400，该减温器可以被用来实现图2A和2B的示例性系统200。减温器400包括另一种示例性涡流抑制设备或装置402，以衰减或降低涡流分离和/或由涡流引起的振动。图4的示例性减温器400的、那些实质上近似于或等同于前述图2A和2B的示例性减温器202的元器件的、且与那些元器件具有实质上相似或等同的功能的元器件与前述参照图2A和2B所描述的元器件使用相同的参考编码，并且在这里不再具体描述。反而，感兴趣的读者可以参考前面结合图2A和2B的相应的描述。
在此示例中，涡流抑制装置402包括多个突出或升起的表面404，该表面被放置于邻近主体212的第二端222和凹部220。例如，多个突出或升起的表面404可以是球状的或圆形的突出，它们可以从主体212的外表面406延伸离开。凸起的表面404可以具有任何半径和/或曲率半径(例如，线性，固定或可变)，并且可以围绕着主体212的外表面406以相等的或变化的距离间隔开。多个突出或升起的表面404可以通过机加工、铸造或任何适合的制造工艺形成。在其他例子中，涡流抑制装置402可以包括多个凹表面、开口或其他任何合适的形状来抑制涡流分离，因而抑制在流体流径中(图2A的流体流径)的涡流引起的振动。
此外，此述的示例性减温器200、300、400可以作为工厂安装选项被提供，或，可以改装已有的现场中的流体系统(例如，图2A的流体系统200)。
虽然已经在此处描述了某些示例性方法、装置和产品，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利涵盖所有在字面上或在等同原则下实质上落在所附权利要求的范围内的方法、装置和产品。

Claims (20)

1.一种减温器，其特征在于，包括：
主体部分，该主体部分具有通道，该通道向流体流径提供冷却水；以及
涡流抑制装置，该流涡流抑制装置邻接于所述主体的一端，所述涡流抑制装置被放置于所述流体流径中，以衰减或抑制涡流的分离或流动引起的振动，该振动由所述流体流径中的流体施加给所述减温器。
2.如权利要求1所述的减温器，其特征在于，所述主体部分通过凸缘耦接到流体流动管道。
3.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述主体部分在所述凸缘和所述主体部分的所述端之间包括非锥形的侧面。
4.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述主体部分实质上垂直于所述流体流径地悬挂。
5.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括邻接于所述主体的所述端的螺旋箍条。
6.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述螺旋箍条通过铸造与所述主体一体地形成。
7.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括花键的表面。
8.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述花键的表面与所述主体一体地形成。
9.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括多个邻接于所述主体的所述端的突起表面。
10.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述多个突起表面包括球状的突出物。
11.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述流体包括过热蒸汽。
12.一种被耦接到管道的减温器，所述减温器包括：
主体，该主体具有通道，该通道在所述主体的第一端的凸缘和位于凹部且邻近于所述主体的第二端的至少一个开口之间，其中，当所述减温器通过所述凸缘被耦接到流体流径时，所述主体被悬挂于流体流动中，以使所述主体实质上垂直于所述流体流动，并且所述至少一个开口实质上平行于所述流体流动；以及
涡流抑制装置，该涡流抑制装置与所述主体一体地形成于邻近所述第二端和所述凹部，其中，所述涡流抑制装置用来衰减或抑制涡流的分离或流动引起的振动，该振动由流过所述减温器的所述主体的流体施加给所述减温器的所述主体。
13.如权利要求12所述的减温器，其特征在于，所述通道提供冷却水到所述流体流径。
14.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置通过焊接耦接到所述主体。
15.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括螺旋箍条。
16.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括多个肋部。
17.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述涡流抑制装置包括多个邻接到所述主体的所述端的突起表面。
18.如前述任一权利要求所述的减温器，其特征在于，所述多个突起表面包括球状突起。
19.一种减温器，包括：
提供冷却水至流体流径的装置，所述提供冷却水的装置包括被实质上垂直于所述流体流径放置的主体；以及
当所述提供冷却水的装置被耦接到所述流体流径时，为所述提供冷却水的装置衰减涡流的分离或流动引起的振动的装置，其中，该衰减装置与所述提供冷却水的装置一体地形成。
20.如权利要求19所述的减温器，其特征在于，所述衰减装置包括用于通过非线性几何形状来干扰流体流动的装置，以降低涡街的形成。
CN201180001598.0A 2010-07-20 2011-06-17 具有涡流抑制的减温器 Active CN103547859B (zh)

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