CN103954161B - 一种组合式仿生防磨h型翅片椭圆式烟气换热管 - Google Patents

Abstract

一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，包括沿着气体流动方向的两排以上椭圆管和设置在椭圆管两侧的翅片，翅片的迎风侧设置有若干对半球形丁胞，半球形丁胞的底部开设有贯穿翅片的第一通孔，翅片的背风侧设置有若干涡产生器，每个涡产生器的一侧开设有与涡产生器相邻的第二通孔。本发明采用椭圆管作为基管，在椭圆管中两侧设置翅片，通过在翅片上设置若干对半球形丁胞和涡产生器，丁胞的存在可以有效地降低流动阻力，避免流场中大涡湍流的形成。同时，这种新型组合式翅片结构能够有效地提高综合换热效率，大幅度减少尾部积灰和管子磨损。

Description

一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管。

背景技术

我国电站锅炉以燃煤为主，而动力用煤多为劣质煤，烟气中飞灰浓度高。尾部烟道省煤器是低温换热的主要设备之一。而在尾部烟道，烟气中存在着飞灰，煤颗粒，硫份等成分，烟气在管外流动，水在管内流动。飞灰的存在使得换热器部分积灰严重，将导致传热效果恶化，排气温度升高，锅炉效率下降，同时，烟气阻力也将随之增加，使得引风机电耗增加。另外，飞灰积累在受热面后还会加快管壁的腐蚀。同时烟气中的颗粒对省煤器管子的冲刷将造成传热管的磨损，由此会发生管子破损泄露事故，不利于锅炉的安全运行。以上问题的存在要求锅炉尾部烟道省煤器具有强化传热，防止磨损、积灰的作用。为了增强换热器传热性能，减少尾部烟道的磨损积灰，通常采用在管外安装翅片，但受到经济性和翅片效率的限制使得翅片的面积不能无限的增加。所以为了进一步提高管子的传热性能，降低管子的磨损积灰，把翅片表面做一些微小结构变动。

其中比较有效增强传热效果的方式是在翅片表面冲压出的涡产生器，这种涡产生器在主流中可造成二次流动，破坏翅片表面的边界层，减少尾部滞止区，提升速度和温度梯度的协同性，能有效的强化翅片表面的传热性能，降低磨损，减轻积灰。然而，这种涡产生器在提高换热性能的同时，势必会造成流动阻力的大幅增加，也就意味着压气机的功耗大幅增加。如果压气机功耗的增加超过换热量增加的话，从传热过程的综合效果来看，这种技术实际上反而是不节能的。在传热学技术中，最理想的情况是在尽量不增加流动阻力或者流动阻力增加很少的情况下，尽可能多地提高传热量，体现出综合换热性能的技术要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，在保证其阻力减少或者增加不大的情况下，增加其传热能力，增强综合换热性能，而且能够减轻积灰、腐蚀以及磨损，提高设备运行的安全性，延长使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：包括椭圆管和设置在椭圆管两侧的翅片，翅片的迎风侧设置有若干对半球形丁胞，半球形丁胞的底部开设有贯穿翅片的第一通孔，翅片的背风侧设置有若干涡产生器，每个涡产生器的一侧开设有与涡产生器相邻的第二通孔。

在椭圆管的迎风侧设置有若干球冠状仿生耐磨凸起，球冠状仿生耐磨凸起到椭圆管中心的连线与椭圆管长轴的夹角为-20°～20°

所述球冠状仿生耐磨凸起的高度与直径之比为(0.3～0.5):1，球冠状仿生耐磨凸起之间的间距与直径之比为(1.5～2)：1。

所述翅片的开缝宽度与椭圆管的短轴长度之比为1/3～1/4。

所述翅片的长度与椭圆管长轴长度之比为(1.46～1.6)：1，翅片的宽度与椭圆管的短轴长度之比为(0.73～0.85)：1，翅片上相邻两个半球形丁胞之间的球心距离与半球形丁胞的半径之比为(3～3.5)：1；第一通孔为圆形，第一通孔的半径与半球形丁胞的半径之比为(0.5～0.6)：1。

所述涡产生器的中心到椭圆管中心的横向距离与椭圆管的长轴长度之比为(0.46～0.5)：1；相邻两个涡产生器中心之间的距离与椭圆管的短轴长度之比为(1～1.2)：1。

所述涡产生器为长方体状结构，并且涡产生器的长边与来流方向夹角为-30°～30°。

所述涡产生器的高度与长度之比为(0.4～0.5)：1。

所述第二通孔为长方体状结构，并且长宽之比为(2.5～3)：1。

所述翅片以焊接的方式固定在椭圆管上；涡产生器沿椭圆管的水平中心线上下对称冲出，在冲出的同时，翅片上形成第二通孔。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明采用椭圆管作为基管，该管可以减小流动阻力、尾部气流滞止区的范围和颗粒对管子的冲刷，降低椭圆管的尾部积灰；在椭圆管中两侧设置翅片，通过在翅片上设置若干对半球形丁胞和涡产生器，丁胞的存在可以有效地降低流动阻力，避免流场中大涡湍流的形成，增强综合传热效率。当流体流经半球形丁胞时，这种球形凹坑结构可以将流场中的涡吸引到球形中，阻止了流场中大涡湍流的形成，有利于减小阻力；同时，半球形丁胞底面开设穿透翅片的第一通孔，使翅片两边的气流扰动与混流，也可强化传热，减少了积灰。当流体流经涡产生器时，由于涡产生器结构的影响，边界层遭到破坏，传热管尾部滞止区明显减少，流体扰动明显增强，卷吸滞止区的气体进入主流区，从而强化了传热管的对流传热性能，同时尾部滞止区速度发生扰动，增加了吹扫作用，不利于飞灰的沉积。本发明在雷诺数(Re)在一定范围的情况下，相比于单独纵向涡翅片，组合式半球形丁胞和涡产生器能够在增强换热的情况下，降低其流动阻力，提高了设备运行的安全性，延长设备的使用寿命。

进一步，本发明通过在椭圆管的迎风侧设置仿生耐磨凸起，球冠状仿生耐磨凸起到椭圆管中心的连线与椭圆管长轴的夹角为-20°～20°，能够大幅度减小换热器的磨损。本发明根据在沙漠戈壁中生存的岩蜥身体表面具有耐磨损的几何结构特征，通过电子显微镜的观察、分析，得到一种基于这种生物表面，并将球冠状仿生耐磨突起设置在椭圆管上，形成球状仿生耐磨结构表面，这种换热管可以应用在电厂省煤器中。

本发明中通过设置合理的翅片的长度与椭圆管长轴长度、翅片的长度与椭圆管短轴长度以及半球形丁胞之间的球心距离与半径之比，从而可以影响流场，再加上管子迎风侧-20°～20°之间加工有球冠状凸起仿生耐磨表面，针对换热器在比较恶劣的工作环境中，如电厂中的省煤器，有大量的煤灰颗粒，能够改变颗粒在流场中的流动，进而减少煤灰颗粒与换热器表面的碰撞，保护换热器，降低爆管发生概率，保证电厂机组的正常运行。

本发明的换热能力比相同条件下的单独纵向涡翅片结构要强，在空气流过换热器时，其阻力有一部分来自于空气与翅片表面的摩擦力。而这种丁胞表面可以通过减小壁面的速度梯度和湍流强度，在丁胞内部产生的类似龙卷风的气流可以造成一种类似气垫的效应，即使是在湍流流动的情况下，也能防止阻力的增加，实现了对流动阻力的控制；并且本发明中的椭圆管的磨损相比于传统的H型翅片管翅片结构的磨损程度小很多，换热器安全性得到有效地保证。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明翅片示意图，其中，图2(a)为表面的结构示意图；图2(b)是沿图2(a)中A-A线的截面图；

图3是本发明实施例的雷诺数和换热效果的关系图；

图4是本发明实施例的雷诺数和阻力系数的关系图；

图5是本发明实施例的雷诺数与管子磨损量的关系图；

图中，1为翅片，2为椭圆管，3为半球形丁胞，4为第一通孔，5为涡产生器，6为第二通孔，7为球冠状仿生耐磨凸起。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步详细说明：

参见图1和图2，本发明包括沿着气体流动方向的两排以上椭圆管2，椭圆管2采用顺排或者错排的形式排列，每个椭圆管2两侧对称设置有翅片1，翅片1是采用磨具加工制得，翅片1与椭圆管2以焊接方式固定，两个翅1的中间为椭圆管2，形似H型，翅片1的迎风侧设置有若干对半球形丁胞3，半球形丁胞3的底部开设有贯穿翅片的第一通孔4，翅片1的背风侧设置有若干长方体状的涡产生器5，涡产生器5的高度与长度之比为(0.4～0.5)：1，并且涡产生器5的长边与来流方向夹角为-30°～30°。翅片1的背风侧开设有若干个长方体状的第二通孔6，并且第二通孔6的长宽之比为(2.5～3)：1；第二通孔6与涡产生器5相邻设置。

本发明中在椭圆管的迎风侧-20°～20°之间设置若干有球冠状仿生耐磨凸起7，球冠状仿生耐磨凸起的高度与直径之比为(0.3～0.5):1，凸起之间的间距与直径之比为(1.5～2)：1。球冠状仿生耐磨凸起7可以改变飞灰颗粒对于椭圆管的冲击，大幅度地减少椭圆管的磨损量。球冠状仿生耐磨凸起7可以与椭圆管做成一体的，也可以做成凸起单体之后与椭圆管表面组装在一起。

参见图2(a)，本发明通过在椭圆管2的迎风侧设置有若干球冠状仿生耐磨凸起7，球冠状仿生耐磨凸起7到椭圆管中心的连线与椭圆管2长轴的夹角为-20°～20°，即球冠状仿生耐磨凸起7关于椭圆管的中心线对称设置，球冠状仿生耐磨凸起7到椭圆管中心的连线与椭圆管2长轴的夹角β的范围为-20°～20°。设置球冠状仿生耐磨凸起7，能够大幅度减小换热器的磨损。本发明根据在沙漠戈壁中生存的岩蜥身体表面具有耐磨损的几何结构特征，通过电子显微镜的观察、分析，将这种生物仿生耐磨凸起应用到换热管中，换热管上的球冠状仿生耐磨结构表面能够减小换热器的磨损。

参见图2(a)和图2(b)，本发明中翅片的开缝宽度与椭圆管2的短轴长度之比为1/3～1/4，翅片1的长度与椭圆管2的长轴长度之比为(1.46～1.6)：1，翅片1的宽度与椭圆管2的短轴长度之比为(0.73～0.85)：1；第一通孔4的半径与半球形丁胞3半径之比为(0.5～0.6)：1。

参见图2(a)，所述涡产生器5的中心到椭圆管2中心的横向距离与椭圆管2的长轴长度之比为(0.46～0.5)：1；两个涡产生器5中心距离与椭圆管2的短轴长度之比为(1～1.2)：1。

本发明中的涡产生器5是沿椭圆管2的水平中心线上下对称冲出的，在冲出的同时，翅片1上形成矩形的第二通孔6。

本发明中当流体流过半球形丁胞3时，会在半球形丁胞3的结构中形成一种称之为龙卷风状的流动形态，这种流动形态可以影响流场中的涡结构，破坏了流场中的湍流涡结构，这样流场中大部分的涡都被吸引到这种结构中，有效地避免流场中大涡湍流的形成，减少流动阻力，增强换热器综合换热效率；并且很重要的一点是在一定的流速情况下，其能够防止阻力增加，相比于单独的纵向涡翅片，能够在降低阻力的情况下提升换热量，这是在强化换热方面一直追求的目标。在空气流过换热器时，其阻力有一部分来自于空气与翅片表面的摩擦力。而半球形丁胞对流动阻力的控制可以表述为这种丁胞表面可以通过减小壁面的速度梯度和湍流强度，在半球形丁胞内部产生的类似龙卷风的气流可以造成一种类似气垫的效应，即使是在湍流流动的情况下，也能防止阻力的增加。针对不同于本发明的工况，可以设计不同个数和尺寸的丁胞结构，以达到防止阻力增加，提高综合换热效果。虽然在强化换热领域曾有过这方面的技术，但其雷诺数都大多只停留在层流阶段，而在本发明中，其流动状态已经在湍流阶段。本发明中半球形丁胞的数量为若干个，所述的若干个半球形丁胞关于椭圆管2对称分布，分布在翅片的迎风侧。丁胞的数量以及尺寸位置可以根据流动工况的不同来设计。理论上来说，丁胞的数目越多，其综合传热效果越好。

本发明中涡产生器5的存在，可以使流场传热管尾部滞止区明显减少，流体扰动明显增强，卷吸滞止区的气体进入主流区，边界层遭到破坏，从而强化了传热管的对流传热性能，同时尾部滞止区速度发生扰动，增加了吹扫作用，不利于飞灰的沉积；同时，涡产生器5也可以改善换热器的磨损情况。涡产生器5冲角即涡产生器5的长边与来流方向夹角，对换热效果和换热器的磨损都有影响。

本发明提供的新型组合式翅片管对于翅片上结构的改动影响流场，这种影响的好处在于针对换热器所在比较恶劣的工作环境，如电厂中的省煤器，有大量的煤灰颗粒，能够改变颗粒在流场中的流动，进而减少煤灰颗粒与换热器表面的碰撞，保护换热器，降低爆管发生概率，保证电厂机组的正常运行。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

实施例：

考虑到第一通孔4和半球形丁胞3可以增强气流扰动，减小阻力；同时，考虑到加工的复杂和费用等因素，本发明采用模具加工出4个第一通孔4和半球形丁胞3。

椭圆管长、短半轴长度分别为64mm，40mm；翅片厚度为3mm，长为76.5mm，宽为54mm，开缝宽度为10mm，半球形丁胞球半径为2mm，第一通孔半径为1mm，半球形丁胞底面穿孔之后可以使翅片之间气流串流，也可强化传热，减轻灰分在换热器上的沉积。同一翅片上丁胞球心相距6mm，分布在不同翅片(即分布在椭圆管两侧的两个翅片)上的丁胞球心之间的距离最小为26mm。涡发生器高度为4mm，第二通孔长为10mm，宽为4mm。球冠状仿生耐磨凸起7半径为1mm，间距为1.5mm，分布在迎风侧与椭圆管中心水平线呈-20°～20°角范围内。在雷诺数(Re)在15000～25000的范围内，图3～5分别表示换热能力，流动阻力，管子磨损情况，并在图上表示出了相同结构尺寸的H型翅片椭圆管和对应的纵向涡翅片管相对应的数值。从图3可以看出，本发明所涉及到的翅片结构，组合式翅片管的换热能力总是要比相同条件下的单独纵向涡翅片结构要强。从图4可以看出，在雷诺数(Re)小于18000的情况下，相比于单独纵向涡翅片，组合式半球形丁胞和涡产生器能够在增强换热的情况下，降低其流动阻力，这在强化换热方面一直追求的目标。在空气流过换热器时，其阻力有一部分来自于空气与翅片表面的摩擦力。而丁胞对流动阻力的控制可以表述为这种丁胞表面可以通过减小壁面的速度梯度和湍流强度，在丁胞内部产生的类似龙卷风的气流可以造成一种类似气垫的效应，即使是在湍流流动的情况下，也能防止阻力的增加。针对不同于本实施例中的工况，可以设计不同个数和尺寸的丁胞结构，以达到防止阻力增加，提高综合换热效果。从图5可以看出新型组合式翅片的防磨性能相比于传统的H型翅片管，其管子磨损量减少了90％左右，磨损量得到大幅度地降低，而且随着雷诺数的增大，其防磨性能越来越强。

Claims (8)

1.一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，包括椭圆管(2)和设置在椭圆管(2)两侧的翅片(1)，翅片(1)的迎风侧设置有若干对半球形丁胞(3)，半球形丁胞(3)的底部开设有贯穿翅片的第一通孔(4)，翅片(1)的背风侧设置有若干涡产生器(5)，每个涡产生器(5)的一侧开设有与涡产生器(5)相邻的第二通孔(6)；

所述涡产生器(5)的中心到椭圆管(2)中心的横向距离与椭圆管(2)的长轴长度之比为(0.46～0.5)：1；相邻两个涡产生器(5)中心之间的距离与椭圆管(2)的短轴长度之比为(1～1.2)：1；

所述涡产生器(5)为长方体状结构，并且涡产生器(5)的长边与来流方向夹角为-30°～30°。

2.根据权利要求1所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，在椭圆管(2)的迎风侧设置有若干球冠状仿生耐磨凸起(7)，球冠状仿生耐磨凸起(7)到椭圆管中心的连线与椭圆管(2)长轴的夹角为-20°～20°。

3.根据权利要求2所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述球冠状仿生耐磨凸起(7)的高度与直径之比为(0.3～0.5):1，球冠状仿生耐磨凸起(7)之间的间距与直径之比为(1.5～2)：1。

4.根据权利要求1或2所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述翅片(1)的开缝宽度与椭圆管(2)的短轴长度之比为1/3～1/4。

5.根据权利要求1或2所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述翅片(1)的长度与椭圆管(2)长轴长度之比为(1.46～1.6)：1，翅片(1)的宽度与椭圆管(2)的短轴长度之比为(0.73～0.85)：1，翅片(1)上相邻两个半球形丁胞(3)之间的球心距离与半球形丁胞(3)的半径之比为(3～3.5)：1；第一通孔(4)为圆形，第一通孔(4)的半径与半球形丁胞(3)的半径之比为(0.5～0.6)：1。

6.根据权利要求1所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述涡产生器(5)的高度与长度之比为(0.4～0.5)：1。

7.根据权利要求1所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述第二通孔(6)为长方体状结构，并且长宽之比为(2.5～3)：1。

8.根据权利要求1所述的一种组合式仿生防磨H型翅片椭圆式烟气换热管，其特征在于，所述翅片(1)以焊接的方式固定在椭圆管(2)上；涡产生器(5)沿椭圆管(2)的水平中心线上下对称冲出，在冲出的同时，翅片(1)上形成第二通孔(6)。