CN110806134A - 一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置及换热系统 - Google Patents

一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置及换热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，包括：管箱；管箱内部靠近冷流体入口处安装有下支撑板，靠近冷流体出口处安装有上支撑板；下支撑板和上支撑板上均设有若干排气孔；若干固定轴安装于下支撑板和上支撑板之间；固定轴上通过轴承安装有若干锯齿梭形风扇内构件；锯齿梭形风扇内构件通过轴承能够相对于固定轴旋转；锯齿梭形风扇内构件包括多个周向均匀布置的叶片，每个叶片设置成锯齿梭形形。本发明锯齿梭形风扇内构件靠近管箱内壁但不接触内壁，不会额外增加热边界层面积，自旋扰流内构件在气流的驱动下，无需外动力，能够自动旋转，增加流体的扰动，有效减小热边界层厚度，提高换热效率。

Description

一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置及换热系统
技术领域
本发明属于强化兰炭尾气余热回收技术领域，特别涉及一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置及换热系统。
背景技术
兰炭产业时我国能源化工支柱特色产业，对全国经济和社会发展有着重要的影响。在煤炭的转化利用过程中，煤炭低温干馏得到固态的兰炭，液态的煤焦油以及气态的煤气，兰炭和煤焦油的生产工艺比较完善，对于煤气的利用有待进一步改善。热煤气中含有大量的余热，热值可达33.5-37.7MJ/m3，现阶段该尾气一部分直接排放，一部分回收利用。若要回收利用采用液氨降温，浪费水电液氨等，造成严重的能源浪费。
为进一步提高煤气余热回收利用，优化和促进煤炭中低温干馏工艺的绿色、高效、可持续化。可对换热器进一步改进，有效提高换热器的传热性能。传统的传热强化技术有主动型和被动型传热强化技术，主动型传热强化技术如机械旋转等方法强化传热，该方法需要通过外加动力设备，从而增加了动力费；被动技术主要包括管内插入添加物强化传热，通过在管壁或管内设置内构件增加流体的扰动，减薄热边界层厚度，从而强化传热过程。对于静态扰流内构件，如麻花铁和扁铁内构件换热器传热性能分别是是空管换热器的1.62-1.8倍和1.2-1.3倍，但阻力却增加了三倍多。扭带内构件换热器传热性能是空管的1.6倍，但阻力增加了9倍，并且扭带对换热管内壁的磨损较为严重。
上述采用静止扰流内构件，虽传热强化效果较好，但换热器的压降增加太大，不适合尾气余热回收过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置及换热系统，以解决上述技术问题。
本发明中，锯齿梭形内构件在尾气流速作用下实现自动旋转，该技术化被动为主动，在不增加热边界层的基础上，有效减薄热边界层的厚度，增强传热性能，且换热器的压降增加较小，既可达到主动强化传热的效果，又可节省动力费用，解决了现有技术中存在的换热器传热效果不佳，换热器压降较大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术分方案：
一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，包括：
管箱，管箱的底端设置有冷流体入口，顶部设有冷流体出口；
管箱内部靠近冷流体入口处安装有下支撑板，靠近冷流体出口处安装有上支撑板；下支撑板和上支撑板上均设有若干排气孔；
若干固定轴安装于下支撑板和上支撑板之间；固定轴上通过轴承安装有若干锯齿梭形风扇内构件；锯齿梭形风扇内构件通过轴承能够相对于固定轴旋转；
锯齿梭形风扇内构件包括多个周向均匀布置的叶片，每个叶片设置成锯齿梭形形。
进一步的，锯齿梭形风扇内构件的叶片的倾斜角为12°-21°。
进一步的，轴承通过轴承夹套轴向固定在固定轴上。
进一步的，锯齿梭形风扇内构件安装于靠近管箱内壁处。
进一步的，下支撑板和上支撑板之间固定安装有5—12根固定轴。
进一步的，每个锯齿梭形风扇内构件包括三个或五个叶片。
进一步的，每个锯齿梭形风扇内构件包括五个叶片，叶片的角度为18°。
进一步的，下支撑板和上支撑板之间固定安装有5—7根固定轴。
进一步的，每根固定轴上设置有15个锯齿梭形风扇内构件。
一种锯齿梭形风扇内构件热交换系统，包括：
冷流体输入系统，热流体输出系统和锯齿梭形风扇内构件换热器装置；
冷流体输入系统包括输气管；
热流体输出系统包括蒸汽泵和壳体；蒸汽泵连接壳体；
管箱设置在壳体内部，热流体位于壳体和管箱之间的间隙；换热器装置的冷流体入口和冷流体出口伸出壳体外侧，并与壳体密封；
蒸汽泵用于将高温尾气输入壳体和管箱之间的间隙，提供热量；
风机通过输气管连接冷流体入口；输气管上设有转子流量计；输气管上靠近冷流体入口处设有入口测温仪；风机工作时，能够将冷流体送入管箱中，锯齿梭形风扇内构件在冷流体的驱动下能够自动旋转，增加冷流体的扰动，有效降低冷流体的热阻，提高传热效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明换热器装置在管箱内固定锯齿梭形风扇内构件上下支撑板，锯齿梭形风扇内构件设置于轴承上，锯齿梭形风扇内构件靠近管箱内壁但不接触内壁，不会额外增加热边界层面积，自旋扰流内构件在气流的驱动下，无需外动力，能够自动旋转，增加流体的扰动，提高气体对管箱内壁的“冲刷”作用，有效减小热边界层厚度，提高换热效率，并且锯齿梭形风扇内构件可以自动旋转，使换热器的压降增加幅度较小。
进一步地，本发明的锯齿梭形风扇内构件形状为锯齿梭形形，锯齿梭形风扇形内构件在空气中的流体阻力较小，旋转更为平稳，更有益于尾气余热回收利用。
进一步地，本发明的锯齿梭形风扇内构件固定轴上下端分别设置有锯齿梭形风扇内构件上下支撑板，上下支撑板连接于管箱内侧。固定轴上设置有轴承夹套，所述轴承夹套固定轴承最终限位锯齿梭形风扇内构件，使得锯齿梭形风扇内构件在固定轴上的排布更为稳固。
进一步地，本发明的锯齿梭形风扇内构件外缘靠近管箱内壁但不接触内壁，在不增加热边界面积的情况下，有效的减薄热边界层的厚度，强化传热过程。
进一步地，本发明的锯齿梭形风扇内构件固定轴在管箱内设置5—12根，该设置使得锯齿梭形风扇内构件固定轴分布更为均匀。
进一步地，本发明还提供了一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置的热交换系统，包括冷流体输入系统，热流体输出系统和换热装置。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1(a)为本发明三叶片锯齿梭形风扇内构件结构示意图；
图1(b)为本发明五叶片锯齿梭形风扇内构件结构示意图；
图1(c)为叶片的沿长度方向的剖面图，剖面垂直于厚度方向；
图1(d)为叶片沿齿谷处的剖面图；
图2为本发明管箱结构示意图；
图3为本发明锯齿梭形风扇内构件下支撑板的结构示意图；
图4为本发明热交换系统的装置示意图；
图5为三叶片和五叶片锯齿梭形风扇内构件不同倾斜角的最大涡量对比图；
图6(a)为锯齿梭形风扇内构件换热器与静止风扇内构件换热器Nu对比图；
图6(b)为锯齿梭形风扇内构件换热器与静止风扇内构件换热器压降对比图。
图中：1为管箱；2下支撑板；3固定轴；4上支撑板；5冷流体出口；6轴承夹套；7轴承；8锯齿梭形风扇内构件；9冷流体入口；10风机；11转子流量计；12输气管；13入口测温仪；14壳体；15出口测温仪；16蒸汽泵；17静气阀。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1(a)至图3所示，本发明提供一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，包括：管箱1、锯齿梭形风扇内构件8、固定轴3、下支撑板2和上支撑板4。
管箱1的底端设置有冷流体入口9，顶部设有冷流体出口5和冷流体出口测温仪15；管箱1内部靠近冷流体入口9处安装有下支撑板2，靠近冷流体出口5处安装有上支撑板4；下支撑板2和上支撑板4上均设有若干排气孔。若干锯齿梭形风扇内构件的固定轴3安装于下支撑板2和上支撑板4之间；固定轴3上安装有轴承7，轴承7的外端安装有锯齿梭形风扇内构件8；锯齿梭形风扇内构件8通过轴承7能够相对于固定轴3旋转。
锯齿梭形风扇内构件8包括多个周向均匀布置的叶片，每个叶片设置成锯齿梭形风扇形。
锯齿梭形风扇内构件8的叶片81倾斜角为12°-21°。
请参阅图1(c)和图1(d)所示，叶片81的总长度L3为60mm；叶片81包括叶根840、多个相互连接的锯齿梭形结构810和叶尖；锯齿梭形结构810中心为齿峰811，两端为齿谷812；齿峰811的截面为一个六边形，齿谷812截面为一个六边形；齿峰811和齿谷812均为中间厚两边薄的梭形；这两个六边形，两个相邻斜边之间的夹角为2α；α为30度；齿谷812截面的最大宽度为L1-L2，齿峰811的最大宽度为L1+L2，L1为3.35mm，L2为0.35mm。齿峰811和齿谷812均为中间厚两边薄的梭形。
相邻锯齿梭形结构810的齿谷812相互连接。叶根840截面与齿谷812截面相同，长L7为0.5mm；叶尖包括连接最末端锯齿梭形结构810的齿谷812的第一块体820和连接第一块体820的第二块体830；第一块体820截面与齿谷812截面相同，长L5为0.8mm；第二块体830的截面为等腰三角形，长L6为0.7mm，宽等于齿谷812截面中上底的宽度。
齿峰811间距L4为5mm，齿谷812间距为5mm，对应两齿谷高度h1为5.7mm，对应两齿峰高度h为10.3mm；锯齿波峰角度ω为110°，锯齿波谷角度λ为110°。
固定轴3上设置有轴承夹套6，轴承夹套6位于轴承7两侧，将轴承7轴向固定在固定轴3上。
固定轴3在管箱1内设置5-12根。
请参阅图4至图6(b)所示，本发明还提供一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置的热交换系统，包括：冷流体输入系统，热流体输出系统和热交换装置；冷流体输入系统包括输气管12；热流体输出系统包括蒸汽泵16，管箱1设置在壳体14内部，热流体位于壳体14和管箱1之间的间隙。换热器装置的冷流体入口9和冷流体出口5伸出壳体14外侧，并与壳体14密封。
壳体14外表面设置有保温材料。
风机10通过输气管12连接冷流体入口9；输气管12上设有转子流量计11；输气管12上靠近冷流体入口9处设有入口测温仪13。风机10工作将冷流体送入管箱1中，锯齿梭形风扇内构件8在冷流体的驱动下自动旋转，增加冷流体的扰动，有效降低冷流体的热阻，提高换热器的传热效果。
高温尾气通过蒸汽泵16输入壳体14和管箱1之间的间隙，提供热量。
冷流体经热蒸汽预热后从冷流体出口5离开换热器。
锯齿梭形风扇内构件固定轴3并列设置5-12根；优选地，设置5-9根；更优选地，设置5-7根；每根固定轴上设置有15个锯齿梭形风扇内构件。
锯齿梭形风扇内构件8的叶片的倾斜角为12°-21°；优选地，设置倾斜角为15°。
锯齿梭形风扇内构件8为三叶片锯齿梭形风扇内构件或五叶片锯齿梭形风扇内构件；优选地，选择五叶片18°倾斜角锯齿梭形风扇内构件。
锯齿梭形风扇内构件8在冷流体的驱动下，自行高速旋转，显著增加冷流体的扰动尤其是对管箱内壁处热边界层的“冲刷”作用，有效减小热边界层厚度，提高换热器的换热性能；
该热交换装置可对旧设备进行改造，成本低，见效快。
低温流体从入口9进入管箱1内，经锯齿梭形风扇内构件8，可增加热阻较大一侧冷流体的扰动，提高气体对换热面的“冲刷”作用，减小传热边界层厚度，有效提高换热效果。
本发明下支撑板2与上支撑板4结构相同，其上均分布有排气孔。
图4中高温蒸汽经蒸汽泵16输入进入壳体和管箱之间的间隙，提供热量，冷流体通过风机10经转子流量计11计量流量后进入冷流体入口9，驱动锯齿梭形风扇内构件高速旋转，减薄热边界层厚度，提高了热量由间隙传递到冷流体这一侧地速率，经冷流体入口气体测温仪13和冷流体出口气体测温仪15测定换热器地努塞尔准数Nu。
实施例1
三叶片锯齿梭形风扇内构件为I，五叶片锯齿梭形风扇内构件为II，叶片的倾斜角为α，经CFD流体力学软件模拟，两种叶片在不同的倾斜角下的涡量如图5所示，由图可知，当倾斜角达到18°时，五叶片锯齿梭形风扇的最大涡量为1800s-1较为适中，当倾斜角为15°或21°时，涡量均较大。因此，倾斜角为18°时，五叶片锯齿梭形风扇内构件可改善气体的流动损失，降低了气流扰动的噪声和风扇的振动。故五叶片18°倾斜角锯齿梭形风扇内构件结构较好，本发明采用该种结构作为内构件结构。
实施例2
管内冷流体是空气，经风机运输，进入转子流量计计量流量后进入换热管内管，流量为50m3/h。管内安装有一串锯齿梭形风扇内构件串。管隙走蒸汽，蒸汽由蒸汽发生器生产。所设计的锯齿梭形风扇内构件在空气地驱动下可在管内自动高速旋转。对以上装置进行对比实验。
组I为固定静止的15组五叶片锯齿梭形风扇内构件；
组II为自旋转的15组五叶片锯齿梭形风扇内构件；
两组换热器进行实验数据的收集，两组实验结果图6(a)和6(b)所示：
由图6(a)和6(b)可知，自旋转五叶片锯齿梭形风扇换热的努塞尔准数Nu为178，换热器的压降1510Pa；静止的15组五叶片锯齿梭形风扇内构件换热器的努塞尔准数Nu为152，换热器的压降5520Pa。所以自旋转的锯齿梭形风扇内构件可有效提高换热器的传热性能，最重要的是显著降低换热器压降的增加。
综合图5、图6(a)和6(b)可知，与五叶片锯齿梭形风扇静止内构件换热器和三叶片锯齿梭形风扇自旋内构件换热器相比，五叶片锯齿梭形风扇自旋内构件换热器综合性能最好。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，包括：
管箱(1)，管箱(1)的底端设置有冷流体入口(9)，顶部设有冷流体出口(5)；
管箱(1)内部靠近冷流体入口(9)处安装有下支撑板(2)，靠近冷流体出口(5)处安装有上支撑板(4)；下支撑板(2)和上支撑板(4)上均设有若干排气孔；
若干固定轴(3)安装于下支撑板(2)和上支撑板(4)之间；固定轴(3)上通过轴承(7)安装有若干锯齿梭形风扇内构件(8)；锯齿梭形风扇内构件(8)通过轴承(7)能够相对于固定轴(3)旋转；
锯齿梭形风扇内构件(8)包括多个周向均匀布置的叶片，每个叶片设置成锯齿梭形形。
2.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，锯齿梭形风扇内构件(8)的叶片的倾斜角为12°-21°。
3.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，轴承(7)通过轴承夹套(6)轴向固定在固定轴(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，锯齿梭形风扇内构件(8)安装于靠近管箱(1)内壁处。
5.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，下支撑板(2)和上支撑板(4)之间固定安装有5—12根固定轴(3)。
6.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，每个锯齿梭形风扇内构件(8)包括三个或五个叶片。
7.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，每个锯齿梭形风扇内构件(8)包括五个叶片，叶片的角度为18°。
8.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，下支撑板(2)和上支撑板(4)之间固定安装有5—7根固定轴(3)。
9.根据权利要求1所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，其特征在于，每根固定轴(3)上设置有15个锯齿梭形风扇内构件(8)。
10.一种锯齿梭形风扇内构件热交换系统，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的一种锯齿梭形风扇内构件换热器装置，包括：
冷流体输入系统，热流体输出系统和锯齿梭形风扇内构件换热器装置；
冷流体输入系统包括输气管(12)；
热流体输出系统包括蒸汽泵(16)和壳体(14)；蒸汽泵(16)连接壳体(14)；
管箱(1)设置在壳体(14)内部，热流体位于壳体(14)和管箱(1)之间的间隙；换热器装置的冷流体入口(9)和冷流体出口(5)伸出壳体(14)外侧，并与壳体(14)密封；
蒸汽泵(16)用于将高温尾气输入壳体(14)和管箱(1)之间的间隙，提供热量；
风机(10)通过输气管(12)连接冷流体入口(9)；输气管(12)上设有转子流量计(11)；输气管(12)上靠近冷流体入口(9)处设有入口测温仪(13)；风机(10)工作时，能够将冷流体送入管箱(1)中，锯齿梭形风扇内构件(8)在冷流体的驱动下能够自动旋转，增加冷流体的扰动，有效降低冷流体的热阻，提高传热效果。
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