CN110986625A - 肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器 - Google Patents

肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器；一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，三维肋管束由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距，其特征在于：位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；三维肋管的外表面设置有若干肋片；在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈‑60°—‑30°区域内的肋片高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—‑165°区域内的肋片高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，本发明可应用在电力、能源等领域。

Description

肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器
技术领域
本发明涉及管壳式换热器，具体涉及一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器。
背景技术
能源危机一直是困扰着世界各国家的重要问题，在我国，钢铁、电力、建材、化工等产业均是高能耗产业，能源消费占全球能源消费的23％，煤炭消费占我国能源消费的60％，火电消费占煤炭消费的54％，从统计数据来看，锅炉系统整体的热损失中有70％以上来自尾部排烟热损失，而排烟温度每降低10—20℃，整体热效率将升高0.6％—1％，相应减少煤耗1.2％—2.4％。但是，由于尾部烟气温度低，传热温差较小，传统尾部换热器换热性能不高，使整体系统的烟气余热回收率仅为29％，比国外平均水平低15～20％，这大大制约了系统热效率的提高，人们迫切需要一种高效的解决方案。
三维肋管是一种新型的强化换热元件，其独特的肋结构使得三维肋管可以从多方面强化传热：首先，三维肋的存在，引起管壁附近流体的肋间加速，减薄了热边界层，而热边界层的热阻在紊流流体总热阻占主导地位，这样便能促进流体与管壁的换热；其次，流体绕三维肋的流动，在肋后形成卡门涡街，带来大量不稳定的漩涡，强化了流体间的换热；最后，肋片的存在显然扩大了换热面积。综上所述，三维肋管在低于余热回收领域有着很大的应用前景和研究价值。
顺排管壳式换热器是工程上使用较为广泛的一种间壁式换热器。管束顺排布置即前后两排管束正对排布，在实际工业生产中，具有管外流动稳定、流阻较小，且易于清洁等优点。随着系统的长时间换热，管外流体中的不凝结颗粒可能在管子表面聚集沉淀形成积灰，这些积灰除了会恶化传热以外，积灰层在换热器管束间还会发生搭桥现象，导致烟道通风面积减小，流通阻力增大，从而增加引风机的额外能耗，甚至增加热力系统运行噪声，同时引起烟道振动开裂现象。除此之外，积灰还会增加换热器局部流速，从而增加烟气对管束迎风侧的冲刷力度，导致换热器管束表面发生严重的磨损现象。更为严重的是，积灰还可能会导致换热器泄露现象，严重影响换热器运行的稳定性、经济性和安全性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束及管壳式换热器。
本发明的技术方案是：一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，所述三维肋管束由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距；其特征在于：所述三维肋管的轴向与烟气流入方向垂直；位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片。
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片的高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片的高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束的优选方案，0.1125≤h1/D<0.15；D为三维肋管直径。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束的优选方案，0.1125≤h2/D<0.15。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束的优选方案，0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125。
本发明的第二个技术方案是，一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器,包括三维肋管束、出口管、进口管、上集管和下集管；其特征在于：三维肋管束竖直连接在上集管和下集管之间，进口管与上集管连接，出口管与下集管连接；流体从进口管流入，经过下集管、三维肋管束和上集管，从出口管流出；烟气横掠三维肋管束，与三维肋管束管内流体进行换热。
所述三维肋管束由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距，所述三维肋管的轴向与烟气流入方向垂直；位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片。
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片的高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片的高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器的优选方案，0.1125≤h1/D<0.15；D为三维肋管直径。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器的优选方案，0.1125≤h2/D<0.15。
根据本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器的优选方案，0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125。
本发明利用每一根三维肋管周向上肋结构的变化来减少飞灰在管子表面各个位置的沉积量，摒弃通常三维肋管单一肋结构的惯例，使三维肋管在同一周向截面上肋片高度存在变化，轴向方向保持一致，以此达到减少管子各个部位积灰的目的；并达到减少整体换热器积灰的目的。
本发明所述的肋高沿周向变化的防积灰三维肋管束及顺排管壳式换热器的有益效果是：本发明利用每一根三维肋管周向上肋结构的变化来减少飞灰在管子表面各个位置的沉积量，摒弃通常三维肋管单一肋结构的惯例，使三维肋管在同一周向截面上肋片高度存在变化，轴向方向保持一致，以此达到减少管子各个部位积灰的目的；并达到减少整体换热器积灰的目的；本发明可广泛应用在电力、能源等领域。
附图说明
图1是嗯发明所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束管壳式换热器的结构示意图。
图2是三维肋管束1的布置示意图。
图3是三维肋管的肋片高度设置示意图。
具体实施方式
参见图2至图3.一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，所述三维肋管束1由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管6构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距，所述三维肋管6的轴向与烟气流入方向垂直；位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管6的外表面设置有若干肋片7。
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片的高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片的高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
在具体实施例中，0.1125≤h1/D<0.15；0.1125≤h2/D<0.15；0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125；D为三维肋管直径。
参见图1至图3，一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器,包括三维肋管束1、出口管2、进口管3、上集管4和下集管5；三维肋管束1竖直连接在上集管4和下集管5之间，进口管3与上集管4连接，出口管2与下集管5连接；流体从进口管3流入，经过下集管5、三维肋管束1和上集管4，从出口管2流出；烟气从左向右横掠三维肋管束1，与三维肋管束1管内流体进行换热。
所述三维肋管束1由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管6构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距，所述三维肋管的轴向与烟气流入方向垂直；位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管6的外表面设置有若干肋片7。
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片的高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片的高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
在具体实施例中，0.1125≤h1/D<0.15；0.1125≤h2/D<0.15；0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125；D为三维肋管直径。
在三维肋管管束迎风面，迎风面为与烟气流入方向呈(-90°，90°)的区域。而迎风面的积灰主要分布在区域A的三维肋表面上，区域A包括与烟气流入方向呈(30°—60°)及(-60°—-30°)两个区域，其原因是顺排管束位于前排管束的尾涡区域，来流气体中的飞灰颗粒主要与迎风侧中心区域两侧位置发生碰撞，进而使该区域更易产生飞灰的沉淀，且迎风面由于正对来流冲刷，飞灰颗粒大多是因为惯性碰撞形成沉积，则更大的肋高则意味着更大的流体扰动，使飞灰更不易沉淀在所述区域。则该区域的肋片高度h1优选0.1125≤h1/D<0.15。
在三维肋管束背风面，背风面为与烟气流入方向呈(-180°，-90°)U(90°，180°)的区域。背风面的中心区域为与烟气流入方向呈165°—-165°的区域B的肋管表面上的积灰层明显比两侧的肋管表面的积灰层仅有少量增加，这主要由于顺排管束较小的流场扰动，使背风面中心区域未出现大范围的飞灰团聚现象，则可增加该区域肋片高度，目的是强化换热。在区域B的肋片高度h2优选为0.1125≤h2/D<0.15。
在与烟气流入方向呈75°—120°的区域C通常会出现较大颗粒的飞灰沉积。主要原因为：烟气绕流肋管过程中，在肋管表面形成了边界层分离，分离区中一部分大颗粒被卷吸到肋管表面，在重力作用下沉积，且可认为越大的扰动会造成分离点的出现更加提前。则区域肋片高度h3优选为0.05≤h3/D<0.075，原因是：利用较小的肋片高度相应地减小该区域的流体扰动，减小区域C的范围；同时利用相对于迎风面更小的肋片高度减小流体绕流时流道面积的变化量，从而抑制边界层的分离，减少该区域的飞灰沉积量。
在上述区域A、B、C区域外的肋片，选择一适中的肋片高度h4，优选为0.075≤h4/D<0.1125。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，所述三维肋管束(1)由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管(6)构成，相邻三维肋管之间具有一定的间距；其特征在于：所述三维肋管的轴向与烟气流入方向垂直；位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管(6)的外表面设置有若干肋片(7)；
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片高度为h2，其余区域的肋片的高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
2.根据权利要求1所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，其特征在于：0.1125≤h1/D<0.15；D为三维肋管直径。
3.根据权利要求2述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，其特征在于：0.1125≤h2/D<0.15；D为三维肋管直径。
4.根据权利要求3的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管束，其特征在于：0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125；D为三维肋管直径。
5.一种肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器,包括三维肋管束(1)、出口管(2)、进口管(3)、上集管(4)和下集管(5)；其特征在于：三维肋管束(1)竖直连接在上集管(4)和下集管(5)之间，进口管(3)与上集管(4)连接，出口管(2)与下集管(5)连接；流体从进口管(3)流入，经过下集管(5)、三维肋管束(1)和上集管(4)，从出口管(2)流出；烟气横掠三维肋管束(1)，与三维肋管束(1)管内流体进行换热；
所述三维肋管束(1)由若干沿横向和纵向按顺序并排布置的三维肋管(6)构成，所述三维肋管的轴向与烟气流入方向垂直；相邻三维肋管之间具有一定的间距，位于前排的三维肋管与位于后排的三维肋管一一对应；每个三维肋管(6)的外表面设置有若干肋片(7)；
在三维肋管表面，位于与烟气流入方向呈30°—60°区域内的肋片和与烟气流入方向呈-60°—-30°区域内的肋片高度均为h1，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片高度为h3，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片高度为h2，其余区域的肋片高度为h4，h1>h4>h3；h2>h4>h3。
6.根据权利要求5所述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.1125≤h1/D<0.15；D为三维肋管直径。
7.权利要求6述的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.1125≤h2/D<0.15；D为三维肋管直径。
8.权利要求7的肋高沿周向变化的防积灰顺排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.05≤h3/D<0.075；0.075≤h4/D<0.1125；D为三维肋管直径。
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