CN111998324B - 一种蒸汽换热器的间距设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸汽换热器的间距设计方法，所述蒸汽换热器包括上锅筒和下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，其特征在于，所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置是片状结构，所述片状结构在上升管的横截面上设置；沿着上升管内流体的流动方向，上升管内设置多个稳流装置，设距离上升管入口的距离为H，相邻稳流装置之间的间距为S，S=F₁(H)，即S是以距离H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：S’<0。本发明提供一种新式结构的稳流装置的蒸汽换热器设计方法，采取此方法设计的锅炉，不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

Description

一种蒸汽换热器的间距设计方法

本发明是申请日2018年6月20日、申请号2018106325359、发明名称“一种蒸汽锅炉的设计方法”的分案申请。

技术领域

本发明是委托高校进行研发的项目。本发明属于蒸汽发生领域，尤其涉及一种蒸汽锅炉，属于IPC分类号F22领域。

背景技术

从炉中接受热量、并使流体从低位流到高位的回路称之为“上升回路”，而接受热量、并使流体从高位流到低位的回路称之为“下降回路”。一个回路由一根管子或一组管子组成，这组管子从一个公共点，如联箱或蒸汽锅筒引出，终止于同样为联箱或锅筒这样的公共点。

在大多数自然循环锅炉设计中，构成蒸发部分的受热管一般供流体向上流动，但在多锅筒锅炉中，蒸发管束的下降受热管则不然。在这种类型的锅炉中，下降受热管提供炉内和蒸发管束部分的上升管的全部循环流量。

一方面，上升管的流体在向上过程中，一般是汽液两相流，从而使得上升管内的流体是汽液混合物，汽液两相流的存在使得影响了上升管吸热的效率。

另一方面，从上升管出口到上锅筒这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相（汽团）从上升管位置进入上锅筒，由于气（汽）液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气（汽）液相越不连续，气团聚集越大，撞击能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。

在前面申请中也设计了多种解决上述问题的上升管装置，例如2017102546447多管式，但是此种装置在运行中发现，因为管子之间是紧密结合在一起，因此三根管子之间形成的空间A相对较小，因为空间A是三根管子的凸弧形成，因此空间A的大部分区域狭窄，会造成流体难于进入通过，造成流体短路，从而影响了流体的换热，无法起到很好的稳流作用。同时因为上述结构的多根管子组合在一起，制造困难。再例如2017102666326结构，虽然该结构解决了流体短路现象，但是却存在流通面积大大缩小的问题，导致流动阻力的增加。再例如2017102949490的环形稳流装置，环形结构中稳流装置采用环形结构，导致整体上稳流装置环空在周向上分隔不均匀，而且因为存在环形结构，使得环空的四个夹角的位置出现了小于90度的锐角，这会导致在小于90度的锐角部分存在流体流动短路的问题。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的蒸汽锅炉及其设计方法，从而解决上升管吸热效率低的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的蒸汽锅炉，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种蒸汽锅炉的设计方法，所述蒸汽锅炉包括上锅筒和下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，其特征在于，所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置是片状结构，所述片状结构在上升管的横截面上设置；所述稳流装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边；所述设计方法如下：随着上升管管径的增加，正方形通孔的边长也不断增加。

作为优选，但是随着上升管管径的越来越大，正方形通孔的边长不断增加的幅度越来越小。

作为优选，所述上升管内壁设置缝隙，所述稳流装置的外端设置在缝隙内。

作为优选，上升管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置。

作为优选，上升管内设置多个稳流装置，相邻稳流装置之间的距离为M1，正方形通孔的边长为B1，上升管的边长为B2，满足如下要求：

M1/B2=a*Ln(B1/B2) +b

其中a,b是参数，其中1.69<a<1.70,4.86<b<4.87；

11<B2<46mm；

1．9<B1<3.2mm；

15<M1<31mm。

作为优选，a=1.692,b=4.863。

作为优选，随着B1/B2的增加，a越来越小，b越来越小。

作为优选，所述稳流装置包括下面两种类型中的至少一种，第一种类型是正方形中心稳流装置，正方形通孔位于上升管的中心，第二种类型是正八边形中心稳流装置，正八边形通孔位于上升管的中心。

作为优选，相邻设置的稳流装置类型不同。

作为优选，上升管内设置多个稳流装置，距离上升管入口的距离为H，相邻稳流装置之间的间距为S，S=F₁(H)，满足如下要求：

S’<0, S”>0。

作为优选，上升管内设置多个稳流装置，距离上升管入口的距离为H，稳流装置的长度为C，C=F₂(H)，满足如下要求：

C’>0, C”>0。

作为优选，上升管内设置多个稳流装置，距离上升管入口的距离为H，稳流装置的正方形通孔的边长为D，D=F₃(H)，满足如下要求：

D’<0, D”>0。

作为优选，所述上升管内壁设置凹槽，所述稳流装置的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与上升管的内壁对齐。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）本发明提供一种新式结构的稳流装置的蒸汽锅炉设计方法，采取此方法设计的锅炉，在上升管内存在汽液两相流动时，强化传热，同时减弱上升管的振动，降低噪声水平。

2）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的稳流装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳流装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的稳流装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

3）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

4）本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳流装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

5）本发明通过设置稳流装置为片状结构，使得稳流装置结构简单，成本降低。

6）本发明通过在上升管高度方向上设置相邻稳流装置之间的距离、稳流装置的孔的边长、上升管的管径、管间距等参数大小的规律变化，研究了上述参数的最佳的关系尺寸，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

7）本发明通过对环形稳流装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。

附图说明

图1是本发明的蒸汽锅炉结构示意图；

图2是本发明的蒸汽锅炉结构另一个实施例示意图；

图3-1本发明稳流装置横截面结构示意图；

图3-2本发明稳流装置横截面另一个结构示意图；

图4是本发明稳流装置在上升管内布置示意图；

图5是是本发明稳流装置在上升管内横截面布置的示意图。

图中：1、上锅筒，2、下锅筒， 3、上升管，4、稳流装置，41外壳，42管子，5、下降管，6下降管，7下锅筒，8上升管，9上升管，10炉膛燃烧室，11出口联箱，12烟道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所述的一种蒸汽锅炉，包括上锅筒1和下锅筒2，所述上升管3和下降管5连接上锅筒1和下锅筒2。水从上锅筒1进入下降管5内。水在下降管中向下流动，并被收集在下锅筒2中。锅炉的上升管3由炉膛燃烧室10中燃料的燃烧来加热。由上升管3吸收的热量使管内的液体沸腾，由此生成水和汽的两相混合物。上升管3中的两相混合物到达上锅筒1。从上锅筒1中的供水管（未示出）放出的过冷水和从分离装置中放出的饱和液体混合在一起形成过冷液体，过冷液体流出上锅筒1进入下降管5，按照这样的流程就完成了一个流动循环。

进一步如图2所述的另一种实施例的蒸汽锅炉，包括上锅筒1和下锅筒2，所述上升管3和下降管5连接上锅筒1和下锅筒2。水从上锅筒1进入炉内排烟道12中受热蒸发管束的下降管5内。水在下降管中向下流动，并被收集在下锅筒2中。由于下降管5吸收了热量，所以进到下锅筒2中的水的温度升高。根据所吸收热量的多少，下锅筒2中的水可以是过冷的或者饱和的。离开下锅筒2的流体（一般汽水混合物）一部分向上流入蒸发管束的上升管3中。向上流入上升管3的液体吸热并进入上锅筒1。

离开下锅筒2的流体一部分通过下降管6到达炉膛下锅筒7。进到一个下锅筒7的液体分布到与该下锅筒7相连的各炉管8中。炉管由炉膛燃烧室10中燃料的燃烧来加热。由炉管8吸收的热量使炉管8中的液体沸腾，由此生成水和汽的两相混合物。炉管8中的两相混合物或者通过与上锅筒1直接连接的炉管8到达上锅筒1，此时的炉管8也就是上升管，或者在下锅筒7与上锅筒1至今设置出口联箱11，通过中间上升管9将两相混合物从炉膛回路的出口联箱11传送到上锅筒1。上锅筒1内的内部分离装置将两相混合物分开而成汽和水。从上锅筒1中的供水管（未示出）放出的过冷水和从分离装置中放出的饱和液体混合在一起形成过冷液体，过冷液体流出上锅筒1进入下降管5，按照这样的流程就完成了一个流动循环。

对于蒸汽锅炉的蒸发管束、选定的受到燃烧气流冲刷的炉膛炉壁和对流炉壁来说，要求保证一个临界输入热量，以使流体在管束和对流炉壁回路中所有的管子内充分向上环流而又不致产生流动的不稳定性。

所述上升管3和/或上升管8和/或上升管9内设置稳流装置4，所述稳流装置4如图3所示，所述稳流装置4的结构如图3-1、3-2所示。所述稳流装置4是片状结构，所述片状结构在上升管3的横截面上设置；所述稳流装置4为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔41和正八边形通孔42。如图1所述正方形通孔41的边长等于正八边形通孔42的边长，所述正方形通孔的四个边43分别是四个不同的正八边形通孔的边43，正八变形通孔的四个互相间隔的边43分别是四个不同的正方形通孔的边43。

本发明采用新式结构的稳流装置，具有如下优点：

1）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的稳流装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳流装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的稳流装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3）本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳流装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4）本发明通过设置稳流装置为片状结构，使得稳流装置结构简单，成本降低。

本发明通过设置环形稳流装置，相当于在上升管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将气液两相在所有上升管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个上升管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

后面所提及的上升管，都是上升管3、上升管8和上升管9中的至少一个。

本发明通过设置正方形和八边形稳流装置，相当于在上升管3内增加了内翅片，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将汽液两相在上升管3的所有横截面位置进行了分割，从而在整个上升管截面上实现汽液界面以及汽相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，所述稳流装置包括两种类型，如图3-1所示，第一种类型是正方形中心稳流装置，正方形位于上升管或者下降管的中心，如图3-2所示。第二种是正八边形中心稳流装置，正八边形位于上升管或者下降管的中心，如图3-1所示。作为一个优选，上述两种类型的稳流装置相邻设置，即相邻设置的稳流装置类型不同。即与正方形中心稳流装置相邻的是正八边形中心稳流装置，与正八边形中心稳流装置相邻的是正方形中心稳流装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳流装置的大孔和小孔的位置变化，使得通过大孔的流体接下来通过小孔，通过小孔的流体接下来通过大孔，进一步进行分隔，促进汽液的混合，使得分隔和换热效果更好。

作为优选，所述上升管3的横截面是正方形。

作为优选，沿着流体流动的方向，上升管3的管径不断的增加。主要原因如下：1）通过增加上升管的管径，可以减少流动的阻力，使得上升管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进环路热管的循环流动。2）因为随着流体的不断的流动，液体在上升管内不断的蒸发，从而使得汽体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。3）通过上升管的管径的增加，可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。

作为优选，沿着流体流动的方向，上升管3的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀，减少冲击现象。

作为优选，沿着上升管3内流体的流动方向（即图3的高度方向），上升管3内设置多个稳流装置4，从上升管的入口到上升管的出口，相邻稳流装置之间的距离越来越短。设距离上升管入口的距离为H，相邻稳流装置之间的间距为S，S=F₁(H)，即S是以距离H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0;

主要原因是因为上升管内的汽体在上升过程中会携带者液体，在上升过程中，上升管不断的受热，导致气液两相流中的汽体越来越多，因为汽液两相流中的汽相越来越多，上升管内的换热能力会随着汽相增多而相对减弱，震动及其噪音也会随着汽相增加而不断的增加。因此需要设置的相邻稳流装置之间的距离越来越短。

此外，从上升管8出口到出口集管11这一段，还有从上升管9和3到上锅筒1这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相（汽团）从上升管位置进入冷凝集管，由于气（汽）液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气（汽）液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻稳流装置之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以提高换热效果。

进一步优选，从上升管的入口到上升管的出口，相邻稳流装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0;

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低9％左右的震动和噪音，同时提高7％左右的换热效果。

作为优选，每个稳流装置4的长度保持不变。

作为优选，除了相邻的稳流装置4之间的距离外，稳流装置其它的参数（例如管径等）保持不变。

作为优选，沿着上升管内流体的流动方向（即沿着上升管延伸方向），上升管内设置多个稳流装置，从上升管的入口到上升管的出口，不同稳流装置4内的稳流装置的正方形通孔的边长越来越小。即稳流装置的管子直径为D，D=F₃(X)，D’是D的一次导数，满足如下要求：

D’<0;

作为优选，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的正方形通孔的边长越来越小的幅度不断增加。即

D”是D的二次导数，满足如下要求：

D”>0。

具体理由如相邻稳流装置之间的距离的变化相同。

作为优选，稳流装置的长度和相邻稳流装置的距离保持不变。

作为优选，除了稳流装置的管子直径外，稳流装置其它的参数（例如长度、相邻稳流装置之间的距离等）保持不变。

进一步优选，如图4所示，所述上升管内部设置缝隙，所述稳流装置4的外壳42设置在缝隙内。

进一步优选，上升管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置4。这种方式使得设置稳流装置的上升管的制造简单，成本降低。

通过分析以及实验得知，稳流装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，正方形的边长也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5Mpa以下，或者单根上升管的沿程阻力小于等于5Pa/M）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻稳流装置之间的距离为M1，正方形通孔的边长为B1，上升管为正方形截面，上升管正方形截面的边长为B2，满足如下要求：

M1/B2=a*Ln(B1/B2) +b

其中a,b是参数，其中1.69<a<1.70,4.86<b<4.87；

11<B2<46mm；

1．9<B1<3.2mm；

15<M1<31mm。

作为优选，a=1.692,b=4.863。

进一步优选，随着B1/B2的增加，a越来越小，b越来越大。

作为优选，正方形通孔的边长B1是正方形通孔内边长和外边长的平均值，上升管正方形截面的边长B2是上升管内边长和外边长的平均值。

作为优选，正方形通孔的外边长等于上升管正方形截面的内边长。

作为优选，随着B2的增加，B1也不断增加。但是随着B2的增加，B1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着B2的增加，M1不断减小。但是随着B2的增加，M1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

通过分析以及实验得知，上升管的间距也要满足一定要求，例如不能过大或者过小，无论过大或者过小都会导致换热效果不好，而且因为本申请上升管内设置了稳流装置，因此稳流装置也对上升管间距有一定要求。因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5Mpa以下，或者单根上升管的沿程阻力小于等于5Pa/M）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

相邻稳流装置之间的距离为M1，正方形的边长为B1，上升管为正方形截面，上升管的边长为B2，相邻上升管中心之间的间距为M2满足如下要求：

M2/B2=d*(M1/B2)²+e+f*(M1/B2)³-h*(M1/B2)；

其中d,e,f,h是参数，

1.249<d<1.252,1.495<e<1.510,0.39<f<0.40,0.920<h<0.930；

11<B2<46mm；

1．9<B1<3.2mm；

15<M1<31mm。

16<M2<76mm。

相邻上升管中心之间的间距为M2是指上升管中心线之间的距离。

进一步优选，d=1.2511,e=1.508,f=0.396，h=0.923；

作为优选，随着M1/B2的增加，d，e,f越来越大， h越来越小。

作为优选，随着B2的增加，M2不断增加，但是随着B2的增加，M2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果。

作为优选，所述下降管中也设置稳流装置4。下降管之间间距的设置的优化和上升管相同。

作为优选，上升管或者下降管长度L为4000－5500mm之间。进一步优选，4200－4800mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

作为优选，在上升管与水平面形成的夹角为A情况下，可以增加修正系数c对数据进行修正，即

c* M1/B2=a*Ln(B1/B2) +b；c=1/sin(A)^m，其中0.09<m<0.11，优选m=0.10。

20°<A<80°，优选为40－60°。

作为优选，所述上升管的管径大于下降管的管径。主要是增加下降管的阻力，降低上升管的阻力，使得蒸汽从蒸发部流动更容易，环路热管更好的形成循环。

作为优选，所述下降管的横截面是正方形。

作为优选，沿着流体流动的方向，下降管的管径不断的减小。主要原因如下：1）因为随着流体的不断的流动，液体在下降管内不断的冷凝，从而使得流体体积越来越小，压力也越来越小，因此通过减少管径来满足不断增加的流体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀，换热均匀。2）通过吸热管的管径的减小，可以节约材料，降低成本。

作为优选，沿着流体流动的方向，下降管的管径不断的减小的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种蒸汽锅炉的间距设计方法，所述蒸汽锅炉包括上锅筒、下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，其特征在于，所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置是片状结构，所述片状结构在上升管的横截面上设置；所述稳流装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边；沿着上升管内流体的流动方向，上升管内设置多个稳流装置，设距离上升管入口的距离为H，相邻稳流装置之间的间距为S，S=F₁(H)，即S是以距离H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从上升管的入口到上升管的出口，相邻稳流装置之间的距离越来越短的幅度不断增加，即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0。

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