CN109899826B - 一种共振烟箱及其增强换热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种共振烟箱及其增强换热的方法，该共振烟箱包括烟气进口(1)、烟气出口(3)、以及位于两者之间的共振腔体(2)，烟气进口(1)连接锅炉内部的对流换热装置，烟气出口(3)连接锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道；对流换热装置中流通高温烟气，经对流换热后形成的烟气尾气经烟气进口(1)进入共振腔体(2)，通过烟气出口(3)进入烟道。本发明中，烟气通过烟气进口进入共振腔体，一定速度的烟气流在共振腔体内产生自激振荡并使得此种振荡向烟气行程后方的对流换热装置传导，使得整个行程内的烟气换热得到强化，同时由于共振而激荡的烟气使得烟灰很难积结，从而具有较好的自清洁能力，为锅炉的使用带来了便利。

Description

一种共振烟箱及其增强换热的方法

技术领域

本发明属于工业锅炉及烟气/水换热器技术领域，具体涉及一种共振烟箱及其增强换热的方法。

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槽烟管及管内插入扰流件等实现烟气的扰动，从而达到强化传热的目的。其中螺纹槽烟管只能对周圈烟气起到破坏扰流的作用且强化能力较弱，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，而烟速高则意味着烟气阻力较高；对于插入扰流件则存在有效强化行程短、扰动衰减快的缺点，为了实现强化传热，扰流件需设置很多，同样会增加烟气阻力，且增加了制造难度。

发明内容

本发明的目的在于解决由于热阻过高导致烟管换热效率降低、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，提供一种共振烟箱及其增强换热的方法，该共振烟箱连接锅炉内部的对流换热装置以及锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道，一定速度的烟气流在共振烟箱内产生自激振荡并使得此种振荡向烟气行程后方的对流换热装置传导，使得整个行程内的烟气换热得到强化。该共振烟箱与烟气/水换热装置为相互连接的独立装置，不受烟气温度和烟气/水换热装置中换热管(烟管)管径的限制，且结构简单，易于实现，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种共振烟箱，该共振烟箱包括烟气进口1、烟气出口3、以及位于两者之间的共振腔体2，烟气进口(1)连接锅炉内部的对流换热装置，烟气出口(3)连接锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道；

对流换热装置中流通高温烟气，经对流换热后形成的烟气尾气经烟气进口1进入共振腔体2，通过烟气出口3进入烟道。

(2)一种换热方法，该方法包括使锅炉中的对流换热装置产生共振的步骤；

优选地，该换热方法利用上述(1)中所述的共振烟箱的振动带动对流换热装置产生共振。

根据本发明提供的一种共振烟箱及其增强换热的方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中，烟气通过烟气进口进入共振腔体，一定速度的烟气流在共振腔体内产生自激振荡并使得此种振荡向烟气行程后方的对流换热装置传导，使得整个行程内的烟气换热得到强化；

(2)本发明中，由于共振而激荡的烟气使得烟灰很难积结，从而使共振烟箱具有较好的自清洁能力；

(3)本发明中，共振烟箱结构简单，效果显著，且此种传热方式无需额外的输入能量来产生扰动，烟气阻力较低，具有独特的优越性；

(4)对流换热装置的换热管内布置烟气扰流装置，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；通过改变扰流板的尺寸和重量，或者相邻扰流装置的夹角，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；

(5)对流换热装置的换热管内布置烟气扰流装置，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，烟气冲击换热管管壁，使得烟灰很难积结在换热管管壁上面，从而具有较好的自清洁能力。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的共振烟箱与锅炉中烟气/水换热装置的结构关系示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的共振烟箱的侧视图(左)、以及主视图(右)；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的共振烟箱的侧视图，示出共振腔体位于锅炉对流换热区间中；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的共振腔体的后壁面上设置加强筋的结构示意图；

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，定位轴固定于共振腔体内部，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，定位轴固定于共振腔体内部，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，定位轴固定于共振腔体内部，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平面结构示意图，其中，扰流板包括两个板块。

附图标号说明：

1-烟气进口；

2-共振腔体；

21-前壁面；

22-后壁面；

3-烟气出口；

4-加强筋；

100-定位轴；

200-扰流板；

210-套筒；

220-套环。

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。

如图1和图2所示，本发明提供了一种共振烟箱，该共振烟箱连接锅炉内部的对流换热装置以及锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道，共振烟箱包括烟气进口1、烟气出口3、以及位于两者之间的共振腔体2，

对流换热装置中流通高温烟气，经对流换热后形成的烟气尾气经烟气进口1进入共振腔体2，通过烟气出口3进入烟道。

本发明中，对流换热装置的主要功能单元为换热管，用于承载高温烟气的流动。

在本发明一种优选的实施方式中，如图3所示，共振腔体2的至少一部分位于锅炉的对流换热区间中，对流换热装置和共振烟箱位于锅炉对流换热区间中的外部流通有换热介质，能够与烟气进行换热(虽然共振烟箱的主要功能为引发共振和收集烟气)，优选该换热介质为水。

优选地，共振腔体2的全部部分进入锅炉的对流换热区间中。

在本发明一种优选的实施方式中，在烟气的流通方向上，共振腔体2的截面积大于烟气出口3的截面积，以使得烟气冲击共振腔体2上连接烟气出口3的壁面(即后壁面22)，而引发共振。本发明中，将共振腔体2上连接烟气进口1的壁面称为前壁面21，连接烟气出口3的壁面称为后壁面22。

本发明中，共振腔体2两端分别与烟气进口1及烟气出口3连接而形成Helmholtz共振腔。烟气通过烟气进口1进入共振腔体2，一定速度的烟气流在共振腔内2形成共振，产生自激振荡并使得此种振荡向烟气行程前方和后方传导，使得整个行程内的烟气周期性的拍打、撞击共振腔体的内壁，可强化其中烟气的扰动，提高了烟箱部分的换热效率；由于激荡的烟气使得烟灰很难在烟箱中积结，从而具有较好的自清洁能力。

值得注意的是，共振烟箱产生的震荡能够向后方(也就是锅炉的对流换热区间，震荡程度大时可延伸至整个锅炉)传播，这样，会引发对流换热区间中与共振烟箱连接的对流换热装置的共振，对流换热装置内外分别为烟气和换热介质，其共振减小了烟气侧的换热热阻，强化烟气侧的换热，为共振引发的增强换热的主要贡献单元。

在本发明一种优选的实施方式中，所述共振烟箱为刚性且振动时能产生轻微形变的材料制成，如铸铁(温度范围100～400℃)、铸铝(30～400℃)、铸钢(温度范围50～450℃)、以及合金钢(温度范围450～1250℃)等。

进一步地，在烟气流通方向上，所述共振烟箱(特别是烟气进口1和共振腔内2)不设置可伸缩的区段，以保证共振的传播。

在本发明一种优选的实施方式中，所述共振腔体2为中空筒状结构，优选为轴向对称结构，如圆筒、正多边棱筒体(如正三棱筒体、正四棱筒体)、截面为椭圆形的筒体等。

烟气进口1和烟气出口3可设置为圆形、椭圆形、方形等，优选为对称形状；烟气进口1和烟气出口3的长度可根据不同的使用场合调整。

烟气进口1和烟气出口3与共振腔体2的连接角度及插入深度可依据实际调整。

本发明人经过研究发现，引发共振的条件与进入共振腔体2的气体的流速和共振腔体2的长度密切相关。进入共振腔体2的气体的流速增加，共振腔体2的长度随之增加，反之亦然，更易引发共振；而与共振腔体2的形状和截面积、烟气进口1和烟气出口3与共振腔体2的连接角度和插入深度及截面积无密切相关。

在进入共振腔体2的空气流速为5～10m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为0.5～1m；

在进入共振腔体2的空气流速为10-20m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为1-1.5m；

在进入共振腔体2的空气流速为20-30m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为1.5-2.5m。

如上文中所述，本发明中共振烟箱产生的振动能够向后方传播，进而提高换热效率。然而，不可忽视的是，对机械结构的长期高强度振动必然会影响其牢固性、安全性和使用寿命。为此，本发明对共振烟箱的共振强度进行约束，使其在提高换热强度的同时，不对整个锅炉或发生共振的锅炉部分产生负面影响。

在本发明中，如图4所示，在后壁面22上设置加强筋4，用于对共振强度进行约束，并提高共振烟箱的机械强度。

在本发明一种优选的实施方式中，所述加强筋4在后壁面22上均匀分布，以使得在全方位对共振强度进行约束。

在本发明一种优选的实施方式中，当后壁面22为矩形时，在后壁面22的长度方向和宽度方向上各均匀布置1～5行加强筋。加强筋的总横截面积占后壁面22横截面积的7％～25％。

优选地，当后壁面22为矩形时，在长度方向和宽度方向上各均匀布置3行加强筋。更优选地，在后壁面22的长度方向上，居中的加强筋宽度不小于两侧加强筋的宽度，优选为两侧加强筋宽度的1～2倍，占后壁面22长度的4％～8％；居中的加强筋的厚度不小于两侧加强筋的厚度，优选为两侧加强筋厚度的1～3倍，占共振腔体2厚度(即长度)的2％～4％。

在后壁面22的宽度方向上，居中的加强筋宽度大于两侧加强筋的宽度，优选为两侧加强筋宽度的1～2倍，占后壁面22宽度的4％～10％；居中的加强筋的厚度不小于两侧加强筋的厚度，优选为两侧加强筋厚度的1～3倍，占共振腔体2厚度(即长度)的2％～4％。

上述当后壁面22为矩形时，长度和宽度方向上居中的加强筋的强度大于位于两侧的加强筋的强度，该设置利于调整共振强度。

在本发明一种优选的实施方式中，当后壁面为圆形时，以后壁面22的圆心(一般为烟气出口3)为中心，向后壁面22边缘均匀延伸多条加强筋，加强筋的数目优选为4～16条，加强筋的总横截面积占后壁面22横截面积的5％～25％。优选地，加强筋的数目为8条。

本发明中，加强筋条数和参数的具有重要的意义和作用，其对共振强度进行限制但又不能完全消除共振。当共振腔体为其他形状时，加强筋的设置需要进行相应的调整。

本发明中，在对流换热装置的换热管内部可以设置烟气扰流装置，对换热管中烟气进行扰动，以调整换热管和对流换热装置的振动频率。

在一种优选的实施方式中，烟气扰流装置包括微偏心设置可绕定位轴转动的扰流板200、以及固定扰流板200于换热管中的定位轴100。

定位轴100固定于换热管壁面结构上的任意两点之间，优选定位轴100固定于换热管的同一径向截面内，更优选换热管为轴向对称结构时，定位轴100与换热管径向截面的对称轴吻合，如换热管为圆管时，定位轴100与换热管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5所示，定位轴100位于换热管内部，优选定位轴100通过焊接、螺纹或卡槽等方式固定于换热管内，而无需穿透换热管的壁面。该方式相较于穿过换热管壁面的方式，利于保证换热管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换热管中。

在一种优选的实施方式中，位于换热管内部的定位轴100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，与换热管的内壁接触；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，位于换热管内部的定位轴100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换热管内壁接触，优选其形状与换热管内壁壁面形状相近，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100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100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之间通过加强条连接，加强条优选固接于扰流板200近轴端上。

在本发明中，定位轴100的轴体为圆柱形，或者定位轴100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，扰流板200能够为平板、波纹板、开孔板、锯齿板等结构。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。

在一种优选的实施方式中，如图8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，换热管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°，根据对共振强度的调节程度不同，相邻定位轴之间的夹角能够进行灵活调节。如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，对烟气的阻力降低，振动频率增加，；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，对烟气的阻力增大。

扰流板200摆动频率还与其重量/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，当摆动频率与换热管中的烟气流发生共振时，换热管中烟气换热得到最大的强化。

在一种优选的实施方式中，当烟气流速介于5～35m/s，换热管的直径介于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，换热管的直径介于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。

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换热管管壁上面，从而也使得换热管具有较好的自清洁能力。

本发明的另一方面在于，提供一种换热方法，该方法包括使烟气/水换热装置产生共振的步骤；

优选地，该换热方法利用上述共振烟箱的振动带动烟气/水换热装置产生共振，提高换热效率。

优选地，在进入共振腔体2的空气流速为5-10m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为0.5-1m；

在进入共振腔体2的空气流速为10-20m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为1-1.5m；

在进入共振腔体2的空气流速为20-30m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体2的长度为1.5-2.5m。

实施例

实施例1

如图1所示，一种共振烟箱及采用该共振烟箱的换热方法，该共振烟箱连接锅炉内部的对流换热装置(主要为换热管)以及锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道，共振烟箱包括烟气进口1、烟气出口3、以及位于两者之间的共振腔体2，换热管中流通高温烟气，经对流换热后形成的烟气尾气经烟气进口1进入共振腔体2，通过烟气出口3进入烟道。其中，共振腔体2的全部部分进入锅炉的对流换热区间中，换热管和共振腔体2外部流通有冷水。

共振烟箱整体为合金钢材料制成，共振腔体2的截面积大于烟气出口3的截面积，以使得烟气冲击后壁面22而引发共振。

共振腔体为正四棱柱结构，长度为1.5m，后壁面22的边长为1m，进入共振腔体2的烟气流速为20m/s，共振烟箱产生共振。

实施例2

共振烟箱的结构和换热方法与实施例1一致，区别仅在于，在后壁面22的长度方向(横向)和宽度(纵向)方向上各设置一行加强筋，加强筋的材质为合金钢。两行加强筋分别从后壁面22的长和宽的中间位置上延伸，将后壁面22分割为四部分。

长度方向的加强筋的宽为0.05m，厚度为0.04m；宽度方向的加强筋的宽为0.04m，厚度为0.04m。

实施例3

共振烟箱的结构和换热方法与实施例1一致，区别仅在于，如图4所示，在后壁面22的长度方向(横向)和宽度(纵向)方向上各均匀设置三行加强筋，加强筋的材质为铝。

长度方向上，居中的加强筋的宽为0.06m，厚度为0.04m；两侧的加强筋的宽度为0.05m，厚度为0.02m。

宽度方向上，居中的加强筋的宽为0.05m，厚度为0.04m；两侧的加强筋的宽度为0.04m，厚度为0.02m。

实施例4

共振烟箱的结构和换热方法与实施例1一致，区别仅在于，如图5所示，对流换热装置的换热管内部设置烟气扰流装置，烟气扰流装置包括微偏心设置可绕定位轴转动的扰流板200、以及固定扰流板200于换热管中的定位轴100，定位轴100与换热管的径向截面的直径吻合。

定位轴100通过卡槽方式固定于换热管内，而无需穿透换热管壁面。扰流板200的近轴端包括两个能够套设定位轴100圆柱状部位的套环220，定位轴100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。

进入换热管的烟气流速为30m/s，换热管直径为159mm，换热管的中部设置有6个扰流装置，各定位轴夹角为0°，扰流装置间隔分别为210mm，210mm，150mm，150mm，100mm，扰流板厚度为2mm，横截面积为0.0126m²，重量为0.15kg，换热管能够产生共振。

对比例

对比例1

共振烟箱的结构和换热方法与实施例3一致，区别仅在于，增加加强筋数量，使共振烟箱不产生共振。

实验例

实施例1

本发明人经过测试发现，在相同燃烧条件下产生高温烟气，换热介质为20℃的冷水，经过换热管和共振烟箱换热后，进入后续烟道的烟气尾气温度如下表1所示：

表1

实施例/对比例	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1
						烟气尾气温度/℃	54.4	55.2	55.5	53.8	58

根据以上实施例，对烟气温度分别进行了多次测量后求平均值和对比值进行比较，可以得出后壁面不同规格的加强筋，可以对烟气的震动产生不同程度的影响，当烟气产生明显震动时，烟气温度有明显降低，实施例4中方案的效果最为显著，通过共振可以明显增加换热器的效率。

实施例1相较于实施例2，不设置加强筋，共振强度较强，烟气温度低。

实施例3相较于实施例2加强筋增加，锅炉和烟箱稳定性和安全性提高，且对换热效率无明显降低。

实施例4中在换热管中合理增加扰流装置，利于换热管共振和换热，提高了换热效率。

对比例1增加加强筋数量，使共振烟箱不产生共振，很明显，烟气尾气温度相对较高，说明烟气在对流换热区间中的换热效率较低。

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 (7)

1.一种共振烟箱，其特征在于，该共振烟箱包括烟气进口(1)、烟气出口(3)、以及位于两者之间的共振腔体(2)，烟气进口(1)连接锅炉内部的对流换热装置，烟气出口(3)连接锅炉外部的用于输送烟气尾气的烟道；

对流换热装置中流通高温烟气，经对流换热后形成的烟气尾气经烟气进口(1)进入共振腔体(2)，通过烟气出口(3)进入烟道；

共振腔体(2)的至少一部分位于锅炉的对流换热区间中，对流换热装置和共振烟箱位于锅炉对流换热区间中的外部流通有换热介质；

在后壁面(22)上均匀布置加强筋(4)，其中，将共振腔体(2)上连接烟气出口(3)的壁面称为后壁面(22)；

在进入共振腔体(2)的空气流速为5～10m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体(2)的长度为0.5～1m；

在进入共振腔体(2)的空气流速为10～20m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体(2)的长度为1～1.5m；

在进入共振腔体(2)的空气流速为20～30m/s时，在烟气流通方向上，共振腔体(2)的长度为1.5～2.5m。

2.根据权利要求1所述的共振烟箱，其特征在于，在烟气的流通方向上，共振腔体(2)的截面积大于烟气出口(3)的截面积。

3.根据权利要求1所述的共振烟箱，其特征在于，所述共振烟箱为刚性且振动时能产生轻微形变的材料制成，包括铸铁、铸铝、铸钢、以及合金钢；

在烟气流通方向上，所述共振烟箱上不设置可伸缩的区段。

4.根据权利要求1所述的共振烟箱，其特征在于，当后壁面(22)为矩形时，在长度方向和宽度方向上各均匀布置1～5行加强筋，加强筋的总横截面积占后壁面(22)横截面积的7％～25％；

当后壁面为圆形时，以后壁面(22)的圆心为中心，向后壁面(22)边缘均匀延伸多条加强筋，加强筋的数目优选为4～16条，加强筋的总横截面积占后壁面(22)横截面积的5％～25％。

5.根据权利要求1所述的共振烟箱，其特征在于，对流换热装置包括换热管，换热管内部设置烟气扰流装置，对对流换热装置中的烟气进行扰动。

6.根据权利要求5所述的共振烟箱，其特征在于，该扰流装置包括定位轴(100)、以及微偏心设置可沿定位轴(100)转动的扰流板(200)。

7.一种换热方法，其特征在于，该方法包括利用权利要求1至6之一所述的共振烟箱的振动使锅炉中的对流换热装置产生共振的步骤。

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