CN109899823B - 一种微偏心摆动型烟气扰流装置及增强烟气换热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微偏心摆动型烟气扰流装置及增强烟管换热的方法，属于工业锅炉、烟气/水换热器领域。该扰流装置包括微偏心设置可沿定位轴转动的扰流板(200)、以及固定扰流板(200)于烟管(300)中的定位轴，转动的扰流板(200)对烟管(300)中烟气进行扰动，以降低烟管(300)内壁边界层热阻和/或在烟管(300)中产生局部湍流。本发明中扰流装置制造工艺简单，可降低钢材耗量，提高锅炉、烟气/水换热器效率，尤适用于大直径烟管的强化传热。

Description

一种微偏心摆动型烟气扰流装置及增强烟气换热的方法

技术领域

本发明属于工业锅炉及烟气/水换热器技术领域，具体涉及一种微偏心摆动型烟气扰流装置及增强烟气换热的方法。

背景技术

在烟管烟气/水换热装置中，烟气侧的换热具有较大的热阻，故提高该类换热装置效率的主要措施是减小烟气侧的换热热阻，强化烟气侧的换热。对于传统烟管式换热装置，现有的通常的做法是采用螺纹烟管实现烟气的扰动，从而达到强化传热的目的。其中螺纹烟管因为只能对周圈烟气起到破坏扰流的作用而强化能力较弱，其换热系数约为光管的1.5-2倍。并且上述强化烟管内烟气传热的措施的前提是要保证烟气的流速不能太低，否则烟气强化传热的效果将大打折扣，例如，研究表明，当螺纹烟管中的烟气流速低于15m/s时，螺纹烟管的换热系数接近于光管的换热系数。对于大直径烟管，上述缺点表现的尤为突出。

发明内容

为了解决现有技术中由于热阻过高导致烟管(烟气管道)换热效率降低、换热效率受烟气流速限制、以及现有提升换热效率的措施不能适用于大直径烟管的问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种微偏心摆动型烟气扰流装置，该扰流装置包括一个位于管子内部的定位轴、以及一个微偏心设置可沿轴转动的扰流板，该扰流板可随烟气流动方向偏转摆动，烟气流被扰流板扰动并产生局部湍流，并通过拍打烟气使管中心高温烟气撞击管内壁，强化烟气的扰动，减小边界层热阻，提高换热效率；同时由于扰流装置偏心设置，在高速烟气和湍流区气流的冲击下会有左右摆动，使得烟灰很难积结，从而具有较好的自清洁能力，通过改变扰流板的尺寸和重量，本发明中扰流装置适用于任意直径的烟管，尤其适用于大直径烟管的强化传热，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种烟气扰流装置，该扰流装置包括微偏心设置可沿定位轴转动的扰流板200、以及固定扰流板200于烟管300中的定位轴，

转动的扰流板200对烟管300中烟气进行扰动，以降低烟管300内壁边界层热阻和/或在烟管300中产生局部湍流。

(2)一种增强烟气换热的方法，通过在烟管300中布置上述(1)所述的扰流装置对烟气进行扰动来增强烟气换热；

带有烟气扰流装置的烟管300适用于流速介于5～35m/s的烟气，

在烟管300的直径介于20～76mm时，换热系数可以提高55～100％；

在烟管300的直径介于89～219mm，换热系数可以提高55～150％。

根据本发明提供的一种微偏心摆动型烟气扰流装置及增强烟气换热的方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中，烟管内通过布置有若干微偏心摆动型烟气扰流装置，烟气流在扰流板两侧通过时，对扰流板产生不均衡的压力，使得扰流板产生摆动效果并产生局部湍流，扰流板摆动拍打烟气，使管中心高温烟气撞击管内壁，强化了烟气的扰动，减小边界层热阻，提高换热效率，同时又不至锅炉烟风阻力过高，影响烟气正常流通；

本发明中，通过改变扰流板的尺寸和重量，从而可以改变扰流板的摆动频率，当摆动频率与烟管中的烟气流发生共振时，烟气换热得到最大的强化，即烟气换热效率易于调节至最大。

(2)本发明中，由于扰流板的偏心设置，在高速烟气和湍流区气流的冲击下会有偏转摆动，拍打烟气，烟气冲击管壁，使得烟灰很难积结在管壁上面，从而具有较好的自清洁能力，避免了由于积灰而热阻增加，传热恶化，以致排烟温度升高，效率下降，可保证锅炉持久高效，更避免了当积灰严重结块时，使得烟道阻力增加，锅炉出力降低，甚至被迫停炉清理的可能。

(3)本发明中，扰流装置适用于任意直径的烟管尤其适用于大直径烟管的强化传热，解决了大直径烟管换热系数低的难题。

(4)本发明中微偏心摆动型烟气扰流装置制造工艺简单，结构精巧，钢材耗量低，能够有效提高锅炉、烟气/水换热器效率。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的横截面视图，其中，一体式定位轴穿设烟管内部，扰流板为平板；

图2示出图1中烟气扰流装置的平面结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的横截面视图，其中，分段式定位轴穿设烟管两相对壁面，扰流板为波纹板；

图4示出图3中烟气扰流装置的平面结构示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的横截面视图，其中，定位轴固定于烟管内部，扰流板为平板；

图6示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的平面结构示意图，其中，定位轴固定于烟管内部，扰流板为平板，扰流板近轴端为套筒；

图7示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的平面结构示意图，其中，定位轴固定于烟管内部，扰流板为平板，扰流板近轴端为套环；

图8示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的立体结构示意图，其中，定位轴固定于烟管内部，扰流板为波纹板；

图9示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的平面结构示意图，其中，定位轴固定于烟管内部，扰流板为开孔板；

图10示出根据本发明一种优选实施方式的烟气扰流装置的平面结构示意图，其中，扰流板包括两个板块。

附图标号说明：

101-定位轴I；

102-定位轴II；

103-定位轴III；

110-紧固件I；

120-轴体I；

130-紧固件II；

140-轴体II；

200-扰流板；

210-套筒；

220-套环；

230-加强条；

300-烟管。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本发明提供了一种烟气扰流装置，所述烟气扰流装置通过与烟管300的配合，对烟管300中烟气进行扰动，通过降低烟管300内壁边界层热阻和/或在烟管300中产生局部湍流，提高烟气换热效率。

本发明中，烟管300为光管、螺纹烟管或其他允许烟气通过的管道。

本发明中，烟气扰流装置包括微偏心设置可沿定位轴转动的扰流板200、以及固定扰流板200于烟管300中的定位轴。

本发明中，定位轴可以固定于烟管壁面结构上的任意两点之间，优选定位轴固定于烟管300的同一径向截面内，更优选烟管300为轴向对称管道时，定位轴与烟管300径向截面的对称轴吻合，如烟管300为圆管时，定位轴与烟管300径向截面的直径吻合。

在本发明一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，烟气扰流装置通过穿过烟管300内部且穿透烟管两相对壁面的一体式定位轴I 101将扰流板200固定于烟管300中；

或者，如图3和图4所示，穿过烟管300两相对壁面的分段式定位轴II 102将扰流板200固定于烟管300中；此时，烟气扰流装置的主体部分固定于烟管300中。

其中，“一体式定位轴”是指定位轴两端为实体性连接，该定位轴可以为多个组件组合而成，也可以为一个独立的整体组件。“分段式定位轴”与“一体式定位轴”相对，该定位轴两端的组件独立存在，不发生实体性连接。

在一种优选的实施方式中，穿过烟管300内部且穿透烟管两相对壁面的一体式定位轴I 101包括两端紧固件I 110和连接两端紧固件的轴体I 120，紧固件I 110穿过烟管300壁面，位于烟管300外部的头端最大横截面积大于位于烟管300内的尾端的横截面积，也容易理解，位于烟管300外部的头端的横截面积大于对应位置处烟管300上允许紧固件I110尾端通过的通孔的横截面积。

优选地，紧固件I 110的尾部和轴体I 120两端为螺纹配合，或者过盈配合。紧固件I 110的尾部插入轴体I 120两端与紧固件I 110的尾部相配合的凹体中，或者轴体I 120两端插入紧固件I 110尾部与轴体I 120两端相配合的凹体中。

在另一种优选的实施方式中，穿过烟管300两相对壁面的分段式定位轴II 102包括两端紧固件II 130和分别与两端紧固件配合的轴体II 140。紧固件II 130穿过烟管300壁面，位于烟管300外部的头端最大横截面积大于位于烟管300内的尾端的横截面积，也容易理解，位于烟管300外部的头端的横截面积大于对应位置处烟管300上允许紧固件II 130尾端通过的通孔的横截面积。

同样地，紧固件II 130的尾部和轴体II 140两端为螺纹配合，或者过盈配合。紧固件II 130尾部插入轴体II 140两端与紧固件II 130的尾部相配合的凹体中，或者轴体II140两端插入紧固件II 130尾部与轴体II 140两端相配合的凹体中。

本领域技术人员应当理解，紧固件I 110和轴体I 120、或者紧固件II 130和轴体II 140之间还可以采用本领域内其他能够使紧固件I 110和轴体I 120、或者紧固件II 130和轴体II 140有效一体化的连接方式，如焊接、粘结、或采用额外的连接件等。

在本发明一种优选的实施方式中，如图5至图9所示，(一体式)定位轴III 103位于烟管300内部，优选定位轴III 103通过胀接、焊接、螺纹或卡槽方式固定于烟管300内，而无需穿透烟管300壁面。该方式相较于穿过烟管300壁面的方式，利于保证烟管300的气密性和机械强度性能。此时，整体烟气扰流装置整体位于烟管300中。

其中，胀接是指依靠烟管300对定位轴两端的压力将定位轴固定在烟管300中；焊接是指将定位轴两端焊接在烟管300内部；螺纹是指将定位轴的至少一端以螺纹嵌合形式固定在烟管300内部；卡槽是指在烟管300内壁上设置两相对的凹槽，定位轴两端分别插入两凹槽中进行定位、固定。

在一种优选的实施方式中，位于烟管300内部的一体式定位轴III 103为独立的轴体，轴体两端形状优选与烟管300内壁壁面形状相近，如呈弧面结构，与烟管300内壁接触；轴体主干部分作为扰流装置的支撑结构。

在另一种优选的实施方式中，位于烟管300内部的一体式定位轴III 103包括两端紧固件和连接两端紧固件的轴体，紧固件远离轴体的一端与烟管300内壁接触，优选其形状与烟管300内壁壁面形状相近，如呈弧面结构。

在本发明一种优选的实施方式中，如图6和图7所示，扰流装置的定位轴与扰流板200为轴套连接。扰流板200的近轴端为能够套设定位轴圆柱状部位的套筒210或套环220。

其中，所述套筒210两端为圆孔；套筒210内部中空，允许为任意形状，优选为圆柱体，满足套筒210与套筒210区间内定位轴为间隙配合。

固定在扰流板200近轴端的所述套环220为至少两个，优选对称设置，使得扰流板200与定位轴之间的作用力分布均匀；优选地，套环220设置于扰流板200的两端；更优选地，扰流板200上相邻套环220之间通过加强条230连接，加强条230优选固接于扰流板200近轴端上。

在本发明中，定位轴的轴体为圆柱形，或者定位轴上设置圆柱结构部分，以与扰流板200近轴端的套筒210或套环220配合；

优选地，圆柱形轴体上对应套筒210两端圆孔的部位、或对应套环220的部位径向截面收缩，形成能够对套筒210两端和套环220限位的凹环。

在本发明中，如图6至图9所示，扰流板200能够为平板、波纹板、开孔板、锯齿板等结构。

其中，平板，板面平整，无波纹或通孔设计。

波纹板，板面上具有与烟气流动方向一致的凹槽和/或凸起，如在板面上间隔开设凹槽和凸起。此时的烟气相比平板紊乱程度更强，更易形成絮流，使得传热效果更强。

开孔板，板面上开设垂直于板面的通孔。同样地，此时的烟气相比平板紊乱程度更强，扰流板的摆动扰流作用更强，使得传热效果更好。开孔板上的通孔可设置为相同孔径或不同孔径的圆孔。

锯齿板，扰流板边缘可设计为锯齿形状，其扰流作用相对平板较小，但其烟气阻力亦较低。

在本发明中，扰流板200形状可设计为半圆形、椭圆形、三角形、多边形或组合体等各种形式，优选为半圆形。

在本发明中，如图10所示，扰流装置上的扰流板200不仅可以为一个整体板块，还可以为绕定位轴转动的多个板块，整体板块或者多个板块均能够对烟气起到扰流作用。

在本发明中，定位轴、扰流板200的材料根据烟气温度的不同可以设计为碳钢(小于450℃)、合金钢(小于1000℃)、塑料(小于140℃)等各类材料。

在本发明中，烟管300中的扰流装置可以为一个或多个，扰流板200与烟气流动方向一致，相邻定位轴之间的夹角为0～90°，在不同烟管300区段，根据不同的目的，相邻定位轴之间的夹角能够进行灵活调节。

在一种实施方式中，相邻定位轴之间的夹角为0°，扰流板200拍打烟气的方向一致，烟气流通速度快，烟灰能够较快脱离烟气。

在一种实施方式中，相邻定位轴之间的夹角为90°，扰流板200拍打烟气的方向垂直，烟气流通速度慢，换热效率高。

本发明中，由于扰流装置的偏心设置，在高速烟气和湍流区气流的冲击下会有左右(或上下)摆动，拍打烟气，烟气冲击管壁，使得烟灰很难积结在管壁上面，从而使得烟管300具有较好的自清洁能力。

在本发明中，带有烟气扰流装置的烟管300适用于流速介于5～35m/s的烟气，在烟管300的直径介于20～76mm，换热系数可以提高约55～100％；

在烟管300的直径介于89～219mm，换热系数可以提高约55～150％。这说明扰流装置的配置，能够解决现有技术中当烟气流速低于15m/s时，光管或螺纹烟管，特别是大直径烟管换热系数低的问题。

在本发明一种优选的实施方式中，当烟气流速介于5～35m/s，烟管300的直径介于20～76mm时，扰流装置的扰流板200的重量约为0.002～0.03kg，截面积为0.0001～0.0015m²；

当烟气流速介于5～35m/s，烟管300的直径介于89～219mm时，扰流装置的扰流板200的重量为0.04～0.3kg，截面积为0.003～0.02m²。

扰流板200对烟气产生阻力的大小与其重量/尺寸相关，扰流板200重量和/或尺寸减小，对烟气的阻力降低，扰流板200的摆动频率增加；扰流板200重量和/或尺寸增加，对烟气的阻力升高，扰流板200的摆动频率减小。即本发明中可以通过改变扰流板200的尺寸和重量，从而改变扰流板200的摆动频率，当摆动频率与烟管300中的烟气流发生共振时，烟气换热得到最大的强化。

在本发明中，布置有扰流装置的烟管300位于烟气/水换热装置的对流换热部分。

本发明的另一方面在于，提供一种增强烟气换热的方法，该方法包括对烟管中的烟气进行扰动来增强烟气换热，该扰动能够降低烟管内壁边界层热阻和/或在烟管中产生局部湍流。

优选地，本发明通过在烟管300中布置上述的若干扰流装置实施对烟气的扰动。

实施例

实施例1

如图1和图2所示，一种微偏心摆动型烟气扰流装置及采用该扰流装置增强烟气换热的方法，烟管300为光管，长度1.1m，直径159mm(或108mm)，位于烟气/水换热装置的对流换热区域。

该扰流装置包括微偏心设置可沿定位轴I 101转动的扰流板200、以及固定扰流板200于烟管300中的定位轴I 101，定位轴I 101与烟管300径向截面的直径吻合。

烟气扰流装置通过穿过烟管300内部的一体式定位轴I 101将扰流板200固定于烟管300中。定位轴I 101包括两端紧固件I 110和连接两端紧固件的轴体I 120，通过烟管300上允许紧固件I 110尾端通过的较小的通孔对紧固件I 110限位。紧固件I 110的尾部和轴体I 120两端为螺纹配合，紧固件I 110的尾部插入轴体I 120两端与紧固件I 110的尾部相配合的凹体中。

扰流板200为一个平板，材质为合金钢，设计为半圆形，扰流板的厚度为2mm，截面积为0.008m²，重量为0.12kg。

扰流板200的近轴端包括两个能够套设定位轴I 101圆柱状部位的套环220，定位轴I 101的轴体为圆柱形，以与扰流板200近轴端的套环220配合，且对应套环220的部位径向截面收缩，形成能够对套环220限位的凹环。

烟管300中设置有6个扰流装置，扰流装置间隔分别为210mm，210mm，150mm，150mm，100mm，相邻定位轴I 101之间的夹角均为0°。

实施例2

如图3和图4所示，烟气扰流装置的结构与实施例1一致，区别仅在于，将一体式定位轴II 102更换为穿设烟管300两相对壁面的分段式定位轴II 102。

实施例3

如图5和图7所示，烟气扰流装置的结构与实施例1一致，区别仅在于，定位轴III103通过卡槽方式固定于烟管300内，而无需穿透烟管300壁面。定位轴III 103为独立的轴体，轴体两端呈球面结构，与烟管300内壁接触；轴体主干部分作为扰流装置的支撑结构。

实施例4

如图8所示，烟气扰流装置的结构与实施例3一致，区别仅在于，扰流板200为一个波纹板。波纹板上相邻套环220之间通过加强条230连接，加强条230固接于波纹板近轴端。该波纹板波纹方向平行于烟气方向。

实施例5

如图9所示，烟气扰流装置的结构与实施例3一致，区别仅在于，扰流板200为一个开孔板。开孔板上的通孔为圆形均布

实施例6

如图10所示，烟气扰流装置的结构与实施例3一致，区别仅在于，烟管为螺纹烟管，长度1.1m，直径0.159m，螺距为0.08m，螺纹槽深3mm，扰流板200包括两个平板，两个平板能够组合成半圆形。

实施例7

烟气扰流装置的结构与实施例3一致，区别仅在于，烟管为螺纹烟管，长度1.1m，直径0.159m，螺距为0.08m，螺纹槽深3mm，扰流板200为一个开孔板，开孔板上的通孔为圆形均布。对比例

对比例1

一种增强烟气换热的方法，与实施例1一致，区别仅在于，将烟气通入烟管300中，烟管300为光管，烟管300中不设置扰流装置。

对比例2

一种增强烟气换热的方法，与实施例1一致，区别仅在于，将烟气通入烟管300中，烟管300为螺纹烟管，烟管300中不设置扰流装置。

实验例

实施例1

对实施例1～7和对比例1～2中烟管的对流换热系数进行测评，进入烟管中的烟气的温度为61℃，与其对流换热的水的温度为48℃。评测结果如下表1。

表1

由表1可知，配备有本发明中扰流装置的烟管的对流换热系数明显高于现有技术中未配备扰流装置的烟管。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，该微偏心摆动型烟气扰流装置包括微偏心设置可沿定位轴转动的扰流板(200)、以及固定扰流板(200)于烟管(300)中的定位轴，扰流板(200)可随烟气流动方向偏转摆动，

转动的扰流板(200)对烟管(300)中烟气进行扰动，以降低烟管(300)内壁边界层热阻和/或在烟管(300)中产生局部湍流；

扰流板(200)为平板、波纹板、开孔板、或锯齿板结构；

扰流板(200)形状设计为半圆形、椭圆形、三角形、多边形或组合体形式；

扰流板(200)通过穿过烟管(300)内部且穿透烟管两相对壁面的一体式定位轴I(101)固定于烟管(300)中；或者，

扰流板(200)通过穿过烟管(300)两相对壁面的分段式定位轴II(102)固定于烟管(300)中；或者，

定位轴III(103)位于烟管(300)内部，定位轴通过胀接、焊接、螺纹或卡槽方式固定于烟管(300)内，而无需穿透烟管(300)壁面。

2.根据权利要求1所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，穿过烟管(300)内部的一体式定位轴I(101)包括两端紧固件I(110)和连接两端紧固件的轴体I(120)；

穿过烟管(300)两相对壁面的分段式定位轴II(102)包括两端紧固件II(130)和分别与两端紧固件配合的轴体II(140)；

紧固件I(110)和紧固件II(130)穿过烟管(300)壁面，位于烟管(300)外部的头端最大横截面积大于位于烟管(300)内的尾端的横截面积。

3.根据权利要求2所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，紧固件I(110)的尾部和轴体I(120)两端为螺纹配合，或者过盈配合；

紧固件II(130)的尾部和轴体II(140)两端为螺纹配合，或者过盈配合。

4.根据权利要求1所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，位于烟管(300)内部的一体式定位轴III(103)为独立的轴体，轴体两端与烟管(300)内壁接触；轴体主干部分作为微偏心摆动型烟气扰流装置的支撑结构。

5.根据权利要求1所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，位于烟管(300)内部的一体式定位轴III(103)包括两端紧固件和连接两端紧固件的轴体，紧固件远离轴体的一端与烟管(300)内壁接触。

6.根据权利要求1所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，扰流板(200)近轴端为能够套设定位轴圆柱状部位的套筒(210)或套环(220)；

定位轴的轴体为圆柱形，或者定位轴上设置圆柱结构部分，以与扰流板(200)近轴端的套筒(210)或套环(220)配合。

7.根据权利要求6所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，圆柱形轴体上对应套筒(210)两端圆孔的部位径向截面收缩，形成能够对套筒(210)两端限位的凹环；或

圆柱形轴体上对应定位轴两端圆柱结构的径向截面收缩，形成能够对套环(220)限位的凹环。

8.根据权利要求1所述的微偏心摆动型烟气扰流装置，其特征在于，扰流板(200)形状设计为半圆形；

扰流板(200)可以为一个整体板块，或者为绕定位轴转动的多个板块；

烟管(300)中的微偏心摆动型烟气扰流装置可以为一个或多个，扰流板(200)与烟气流动方向一致，相邻定位轴之间的夹角为0～90°。

9.一种增强烟气换热的方法，通过在烟管(300)中布置上述权利要求1至8之一所述的微偏心摆动型烟气扰流装置对烟气进行扰动来增强烟气换热；

带有微偏心摆动型烟气扰流装置的烟管(300)适用于流速介于5～35m/s的烟气；

在烟管(300)的直径介于20～76mm时，换热系数可以提高55～100％；

在烟管(300)的直径介于89～219mm时，换热系数可以提高55～150％。

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