CN106679465B - 一种防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器 - Google Patents

一种防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器 Download PDF

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Abstract

一种防积灰、防磨损和防低温腐蚀的烟气换热器，包括换热器壳体和翅片管束，述换热管束设置在壳体中，呈顺排布置；翅片管包含基管部和H型翅片，翅片管的基管上设置有丁胞结构，翅片管的翅片上在基管迎风侧和背风侧分别设置有涡发生器；本发明能够在增强换热的情况下，降低其流动阻力，能够显著降低换热器的积灰、磨损及腐蚀风险，提高了设备运行的安全性，延长设备的使用寿命。

Description

一种防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器
技术领域
本发明属于利用烟气余热的换热器技术领域，适用于能源、石油、化工、冶炼等行业的各种类型的换热设备及加热设备中，具体涉及一种能够增强防积灰、防磨损、防腐蚀，提高烟气换热器换热效率的烟气换热器。
背景技术
在我国的能源消费中，工业耗能占到最大的份额，其中石油、化工、电力部门均是能源消耗大户。同时在各行业的余热总资源中，烟气余热资源占有较大的比重。对烟气余热的有效利用，可以大幅度地减少一次能源的消耗，提高能源利用效率。而换热器是锅炉等余热回收设备的重要组成部件。通常，烟气在管外流动，气体侧热阻为主热阻，在烟气侧加装翅片是强化换热的一种重要方式。故在烟气换热器中，翅片管的设计最为重要，它是烟气换热器的核心部分，因此以往的研究者对此进行大量的实验与模拟研究。已经出现的翅片管形式包括螺旋翅片管、环形翅片管、H型翅片管和针肋管。研究表明对于环形翅片，积灰、磨损现象严重，螺旋翅片和针肋结构复杂、加工困难，且流动阻力较大，而H型翅片管具有较好的流动换热性能及防积灰、防磨损及防腐蚀性能。
H型翅片管是在方形翅片管的基础上发展而来的，是把两片中间带有圆弧的矩形钢片对称地与光管焊接在一起形成的翅片管，因其正面形状与字母“H”相似，故称为H型翅片管。H型翅片管加工简单，翅化系数较高，传热性能较好，且具有较强的自清灰能力，因此可以有效的减小换热设备的结构，减少积灰磨损，减小流动阻力，提高换热能力，被广泛应用于余热锅炉、电站锅炉及各种工业换热器中。
对于H型翅片管而言，具有较好的防积灰、防磨损及防腐蚀性能，但在实际生产实践中，翅片管的背风侧仍存在大量的积灰。由于积灰的导热系数很低，随着积灰程度的增加，翅片管的换热性能进一步恶化，换热器的运行经济性大幅降低，甚至还会出现换热设备堵塞等严重后果。这主要是由于当烟气在H型翅片管束中流动时，会在翅片管背风侧出现明显的气流分离和回流区。较低流速的背风侧换热性能较低，且容易产生积灰现象。尽管H型翅片管的翅片间隙能够产生一定的轴向气流，但并不能显著降低积灰。因此，翅片管背风侧积灰的抑制措施需要进一步的探索。
另外，与光管相比，H型翅片管具有较高的换热性能，但明显增加了换热器的阻力。通常来说，系统的阻力损失是存在限制的，这就要求换热器在设计时需要满足阻力的约束。而对于H型翅片管而言，较高阻力的产生仍然归结于边界层的分离，低速回流区的形成。这主要是由于对于基管轴向两层翅片间部分，仍然为光管，边界层较早的分离，因此，推迟边界层分离，使边界层分离点后移的结构设计仍需进一步的改进。
发明内容
本发明针对现有烟气利用换热设备中存在的积灰严重和对流传热能力较差的问题，提出一种换热性能好、流动阻力小、不宜积灰、抗磨损和低温腐蚀的烟气余热回收换热器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括分别设置有管外介质进口和管外介质出口的换热器壳体，在换热器壳体内设置有呈顺排布置的翅片管束，所述翅片管束包含若干相连通的基管和安装在基管上的若干翅片组，在基管上设置有管内介质进口和管内介质出口，翅片组为沿基管轴向设置在基管外壁上的翅片组，其中每个翅片组包含两片位于至少一根基管两侧的四边形翅片，每片翅片内侧设置有与基管的外壁相吻合的凹槽，翅片通过凹槽与基管外壁相连接，两片翅片处于与基管轴线垂直的同一平面上，相互之间有大于零的间隙，所述翅片组与基管组成的整体沿基管径向断面呈H型，所述翅片管的基管上设置有丁胞结构，所述的在基管迎风侧和背风侧的两片翅片上分别设置有涡发生器。
所述的换热器采用碳钢、ND钢或抗露点腐蚀钢制成。
所述的基管为圆管或椭圆管。
所述的基管上的丁胞采用顺列和错列布置。
所述的基管上丁胞为凹坑，丁胞直径d与基管直径D之比为1/30～1/10，丁胞深度h与基管直径D之比为1/50～1/25，基管圆周上丁胞夹角β为10～30°，基管轴线方向上丁胞间距t与基管直径D之比为1/10～1/5。
所述的同一组翅片的间隙w与基管直径D之比为1/3～1/2。
所述的基管两侧的翅片上对称布置矩形的涡发生器。
所述的涡发生器与来流方向的夹角θ为20～30°。
所述的涡发生器的高度b与翅片间距Fp之比为1/3～3/5，涡发生器长度l与高度b之比为2～3。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在基管两侧设置翅片，通过在翅片上设置涡产生器。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。由于前侧涡发生器起到流体引导和防磨损的作用，而后侧涡发生器可以抑制管后尾涡区的发展，阻碍飞灰颗粒的沉积。在雷诺数(Re)在一定范围的情况下，相比于传统的H型翅片管翅片结构，本发明能够在增强换热的情况下，降低其流动阻力，能够显著降低换热器的积灰、磨损及腐蚀风险，提高了设备运行的安全性，延长设备的使用寿命。
进一步的，本发明采用椭圆管作为基管，其流线型的结构可以减小流动阻力、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；前排管子的尾迹区没有得到充分的发展，就在后排管表面发生再附着，这大大减小了颗粒卷入管后尾迹区的可能性。当采用椭圆管时，大部分颗粒直接被主流带走，而不与壁面发生作用。
进一步的，在基管上布置凹坑丁胞结构，当流体流经凹坑丁胞结构时，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；同时，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。由于该丁胞结构的气垫作用及旋转效应，在实现高效低阻效果的同时，也降低了飞灰颗粒对换热表面的磨损及积灰。
附图说明
图1是本发明烟气换热器的示意图。
图2是换热装置的零部件示意图。
图3是图2中一个周期单元的结构示意图，其中1为轴测图，2为俯视图，3为主视图。
图4是本发明中涡发生器H型翅片管与传统H型翅片管积灰特性的对比图。
图5是本发明中涡发生器H型翅片管与传统H型翅片管腐蚀特性的对比图。
图6是本发明丁胞管与传统圆管在横掠情况下的换热阻力特性对比图。
图中1、换热器壳体，2、翅片管束，3、管外介质进口，4、管外介质出口，5、管内介质进口，6、管内介质出口，7、基管，8、翅片组，9、涡发生器，10、丁胞结构。
具体实施方式
下面结合附图所描述的实施方式对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，3，本发明包括换热器壳体1和翅片管束2，其中，翅片管束2设置在换热器壳体1中，呈顺排布置，所述换热器壳体1的两相对侧分别设置有管外介质进口3和管外介质出口4，所述翅片管束2包含若干相连通的基管7和安装在基管7上的若干翅片组8，在基管7上设置有管内介质进口5和管内介质出口6。所述翅片组8为沿基管轴向以预定间距连接在基管的外壁上的翅片组，其中每个翅片组包含两片位于至少一根基管两侧的四边形翅片，每片翅片内侧设置有与基管的外壁相吻合的凹槽，翅片通过凹槽与基管外壁相连接，两片翅片处于与基管轴线垂直的同一平面上，相互之间有大于零的间隙，所述翅片组8与基管7组成的整体沿基管径向断面呈H型。所述翅片管的基管7上设置有丁胞结构10。所述翅片管的翅片上在基管迎风侧和背风侧分别设置有涡发生器9。
上述余热利用换热器可以直接应用于烟气余热的回收，当然该装置也可以制造成模块化结构，用于电站锅炉省煤器、过热器等场合。
作为一个优选的实施例，换热管束采用顺列H型椭圆翅片管，基管上布置错列丁胞。
通过对该高效烟气换热器的结构参数进行大量数值计算，得到以下最佳值：
所述基管上丁胞为凹坑，丁胞直径d与基管直径D之比为1/30～1/10，丁胞深度h与基管直径D之比为1/50～1/25，基管圆周上丁胞夹角β为10～30°，基管轴线方向上丁胞间距t与基管直径D之比为1/10～1/5。
所述丁胞结构，优选的是，d/D＝1/10，h/D＝1/50，β＝30°，t/D＝1/6。
所述翅片的开缝宽度w与基管直径D之比为1/3～1/2。
所述涡发生器与来流方向的夹角θ为20～30°。
所述涡发生器的高度b与翅片间距Fp之比为1/3～3/5，涡发生器长度l与高度b之比为2～3。
假设翅片管束为10排管，管径为38mm，翅片高度为73.4mm，缝隙宽度为15mm，翅片间距为16mm，翅片厚度为2.5mm，横向管间距为108mm，纵向管间距为120mm。对于丁胞表面，采用错列布置，丁胞直径为6mm，丁胞轴向间距为6mm，丁胞周向夹角为30°，丁胞深度为0.8mm。对于纵向涡结构，纵向涡高度为8mm，长度为16mm，与主流方向夹角为30°。针对此结构参数，分别对H型翅片管与本发明结构的积灰和低温腐蚀特性进行数值计算，同时对丁胞表面与光管的流动换热性能进行对比分析。采用上述用于烟气余热回收的烟气换热器，与现有技术中顺排布置H型翅片管束相比，颗粒沉积率、酸冷凝量和酸液质量分数的如图3和图4所示。从图3可以看出，与常用的圆形H型翅片管相比，采用本发明结构，颗粒沉积率降低约59.1％左右；从图4可以看出，与常用的圆形H型翅片管相比，采用本发明结构，在来流速度6～10m/s范围内，翅片表面平均酸沉积率降低了约18.4％，酸液浓度增加了约0.3％左右，基本处于不变。综合图4和图5，可以看出，采用本发明结构，能够显著降低颗粒沉积，且减小低温腐蚀的可能性。另外，在不同横向管间距S1时丁胞表面与光管流动换热性能的对比如图6所示。从图6可以看出，采用本发明的丁胞表面，换热性能显著增加，阻力显著降低，在横向管间距S1为3.0D时，与光管相比，丁胞表面的换热性能提高约25.3％左右，阻力降低约31.5％左右。

Claims (8)

1.一种防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，包括分别设置有管外介质进口(3)和管外介质出口(4)的换热器壳体(1)，在换热器壳体(1)内设置有呈顺排布置的翅片管束(2)，所述翅片管束(2)包含若干相连通的基管(7)和安装在基管(7)上的若干翅片组(8)，在基管(7)上设置有管内介质进口(5)和管内介质出口(6)，翅片组(8)为沿基管(7)轴向设置在基管(7)外壁上的翅片组，其中每个翅片组包含两片位于至少一根基管两侧的四边形翅片，每片翅片内侧设置有与基管(7)的外壁相吻合的凹槽，翅片通过凹槽与基管外壁相连接，两片翅片处于与基管轴线垂直的同一平面上，相互之间有大于零的间隙，所述翅片组(8)与基管(7)组成的整体沿基管径向断面呈H型，所述翅片管束(2)的基管(7)上设置有丁胞结构(10)，在所述的基管(7)迎风侧和背风侧的两片翅片上分别设置有涡发生器(9)，其特征在于：所述的基管(7)上的丁胞为凹坑，丁胞直径d与基管(7)直径D之比为1/30～1/10，丁胞深度h与基管(7)直径D之比为1/50～1/25，基管(7)圆周上丁胞夹角β为10～30°，基管(7)轴线方向上丁胞间距t与基管(7)直径D之比为1/10～1/5。
2.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的换热器采用碳钢、ND钢或抗露点腐蚀钢制成。
3.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的基管(7)为圆管或椭圆管。
4.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的基管(7)上的丁胞采用顺列和错列布置。
5.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：同一组所述的翅片的间隙w与基管(7)直径D之比为1/3～1/2。
6.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的基管(7)两侧的翅片上对称布置矩形的涡发生器(9)。
7.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的涡发生器(9)与来流方向的夹角θ为20～30°。
8.根据权利要求1所述的防积灰、防磨损、防腐蚀的烟气换热器，其特征在于：所述的涡发生器(9)的高度b与翅片间距Fp之比为1/3～3/5，涡发生器长度l与高度b之比为2～3。
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