CN110986626B - 周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束及管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束及管壳式换热器；周向变化肋结构的防积叉排灰三维肋管束，所述三维肋管束由若干沿横向和纵向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；相邻排的三维肋管交错布置；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片；以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—‑30°区域内的肋片的高度为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，本发明可广泛应用在电力、能源等领域。

Description

周向变化肋结构的防积灰叉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，具体涉及一种周向变化肋结构的防积灰叉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。

叉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。管束叉排布置即前后两排管束错开排布，在实际工业生产中，具有管外流体扰动大、换热能力强的优点。随着换热器长时间的运行，由于燃料未燃尽和一些不可燃物质凝结后都会形成飞灰，当利用换热设备回收工业烟气余热时，飞灰颗粒将会在换热器受热面上形成积灰层，这将恶化换热器的传热性能，甚至会产生局部的温度不均，出现爆管等恶性事故，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，提出了一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束及管壳式换热器。

本发明的技术方案是：一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，所述三维肋管束由若干沿横向和纵向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；相邻排的三维肋管交错布置；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片。

以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片的高度为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，其余位置的肋片的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁。

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管，其表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

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；其次针对流体横掠情况下较常见的管束交错排列方式，对其中所排布的三维肋管进行分别的设计，以此达到减少整体换热器积灰的目的。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束的优选方案，0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；D为三维肋管直径。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束的优选方案，0.075≤h₄/D<0.1125。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束的优选方案，0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。

本发明的第二个技术方案是， 一种周向变化肋结构的防积灰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，进口管与下集管连接，出口管与上集管连接；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；相邻排的三维肋管交错布置；布置在奇数排的三维肋管相互对应设置，布置在偶数排的三维肋管相互对应设置；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片；

以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片的高度为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，其余位置的肋片的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁；

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管，其表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器的优选方案， 0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；D为三维肋管直径。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器的优选方案，0.075≤h₄/D<0.1125。

根据本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器的优选方案，0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。

本发明所述的周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束及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；其次针对流体横掠情况下较常见的管束交错排列方式，对其中所排布的三维肋管进行分别的设计，以此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是一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋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是除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管的肋片高度设置示意图。

图4是布置在第二排的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4. 一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，所述三维肋管束由若干沿横向和纵向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，相邻排的三维肋管交错布置；所有位于奇数排的三维肋管前后相互对应设置，所有位于偶数排的三维肋管前后相互对应设置； 每个三维肋管的外表面设置有若干肋片7。

所述三维肋管6的轴向与烟气流入方向垂直；以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片的高度为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，其余位置的肋片的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁。

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管6，其表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片7的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

在具体实施例中，0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；0.075≤h₄/D<0.1125；0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。D为三维肋管直径。

参见图1至图4， 一种周向变化肋结构的防积灰叉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与下集管5连接，出口管2与上集管4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并排布置的三维肋管6构成，相邻三维肋管6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；相邻排的三维肋管交错布置；所有位于奇数排的三维肋管前后相互对应设置，所有位于偶数排的三维肋管前后相互对应设置； 每个三维肋管6的外表面设置有若干肋片7；

所述三维肋管6的轴向与烟气流入方向垂直；以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管6，这些三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片7的高度为h₁，位于与烟气流入方向呈75°—120°区域内的肋片7的高度为h₃，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片7的高度为h₂，其余位置的肋片7的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁；

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管6表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

在具体实施例中，0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；0.075≤h₄/D<0.1125；0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。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。三维肋管管束迎风面的积灰主要分布在与烟气流入方向呈30°—-30°区域A内的肋片表面，来流的含尘烟气直接冲涮目标管束的迎风侧，飞灰颗粒与管束迎风面发生碰撞后动能降低，从而在迎风侧的滞止点区域发生沉积，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。

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。由于三维肋管管束背风面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厚。且小飞灰颗粒主要在背风面的肋表面上，而大飞灰颗粒主要分布在背风面的基管上，对于含尘烟气中的颗粒而言，颗粒的粒径越小，其比表面积越大，比表面能及粘附力越大。而颗粒的运动及粘附过程由粘附力、重力和流体曳力的相对大小所决定。粒径越大的颗粒其粘附力相较于曳力和重力就越小，因此也越不容易沉积且更易于脱除。则可减小该区域肋片高度，目的是减少小粒径飞灰沉积量，使吹灰更易清除积灰。

在与烟气流入方向呈75°—120°区域的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。

如图4所示，烟气横向冲刷第二排的三维肋管束，图左半部分为迎风面，右半部分为背风面。相比于其它排管束的积灰量来说，第二排管束迎风侧的积灰量较少。这是因为第二排管束位于第一排管束的间隙处，不受上游管束尾涡的影响，再加上来流含尘烟气速度较高，大部分飞灰颗粒与第二排管束迎风侧发生碰撞后发生反弹或者直接随含尘烟气流向下游管束。下游管束虽然同样位于前排管束的间隙处，但下游管束将受到前排管束尾涡的影响，飞灰沉积量相比第二排管束较大。则可将第二排管束肋结构单独设计，其背风面中心区域D和顶部区域E与其它排管束积灰特性类似，该区域肋片高度h₅、h₆优选为0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075，其他区域肋片高度h₇优选为0.075≤h₇/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)

1.一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，所述三维肋管束由若干沿横向和纵向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（6）的轴向与烟气流入方向垂直；相邻排的三维肋管交错布置；每个三维肋管的外表面设置有若干肋片；

以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片的高度为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，其余位置的肋片的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁；

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管，其表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

2.根据权利要求1所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，其特征在于：0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；D为三维肋管直径。

3.根据权利要求2所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，其特征在于：0.075≤h₄/D<0.1125。

4.根据权利要求3所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管束，其特征在于：0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。

5.一种周向变化肋结构的防积灰叉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）与下集管（5）连接，出口管（2）与上集管（4）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；相邻排的三维肋管交错布置； 每个三维肋管的外表面设置有若干肋片（7）；

以烟气进口为起点，除布置在第二排的三维肋管外的其他三维肋管，这些其他三维肋管表面的位于与烟气流入方向呈30°—-30°区域内的肋片的高度为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，其余位置的肋片的高度为h₄，h₂<h₄<h₁；h₃<h₄<h₁；

以烟气进口为起点，布置在第二排的三维肋管，其表面的位于与烟气流入呈75°—120°区域内的肋片的高度为h₆，位于与烟气流入方向呈165°—-165°区域内的肋片的高度为h₅，其余位置的肋片的高度为h₇，h₅<h₇，h₆<h₇。

6.根据权利要求5所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.1125≤h₁/D<0.15；0.075≤h₇/D<0.1125；D为三维肋管直径。

7.根据权利要求6所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.075≤h₄/D<0.1125。

8.根据权利要求7所述的一种周向变化肋结构的防积灰叉排三维肋管壳式换热器，其特征在于：0.05≤h₂/D<0.075；0.05≤h₃/D<0.075；0.05≤h₅/D<0.075；0.05≤h₆/D<0.075。

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