CN201031230Y - 一种带混沌效应的高炉冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带混沌效应的高炉冷却装置，包括，数个冷却板，串联形成冷却板组；所述的一个冷却板的进口端的管路上串设一混沌发生器；各冷却板之间的管路上分别串设一混沌中继器，该混沌发生器、混沌中继器由一弯管及相应的阀门组成，该弯管分别与冷却板内的冷却水通道相连通。通过在冷却板间接入混沌中继装置，实现冷却板的长管路混沌效应，从而极大地提高流体的混合质量与传热效率，提高生产效率，降低能耗。而且，其可以在不影响系统基本工作条件，不改变冷却装置现有外形，不增加换热器使用和维护成本的前提下，增加流体的湍动，提高热传导效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及高炉设备，特别涉及基于混沌效应的高炉冷却装置。
背景技术
高炉作为炼铁的重要设备为炼钢提供原料。高炉内部通过设置冷却器，充分冷却内衬，延长内衬寿命，冷却是延长高炉寿命和安全生产的重要措施。
高炉冷却介质常采用水、空气及气水混合物，冷却方式有水冷、风冷和气化冷却三种。水的热容量大，导热性能好，且廉价易得，被广泛的应用到高炉冷却。从炉体看冷却方式可以分为内部冷却和外部冷却两种形式。1)外部冷却，多采用喷水冷却的方式，通过冷却炉壳冷却内衬，但通常情况下，只有高炉在炉役末期被烧坏或者严重脱离时，为了维持生产，才采用此种方法。2)内部冷却，冷却元件安装在炉壳和内衬间，以增强冷却效果。
现有高炉内部冷却主要采用冷却板、冷却壁的形式，如图1所示，包括冷却板10、20以及将冷却板相连接的直管30。现阶段高炉处于高负荷率生产条件下，高炉冷却系统的承受巨大的工作压力，冷却板、冷却壁烧损现象时常发生，严重影响了高炉的安全生产。高炉冷却系统已经定型，无法进行大型的技术改造，只能在现有的设备的基础上努力提高冷却系统的工作效率。因此，可以通过两种方式来提高冷却系统的冷却效率，一是提高冷却系统的工作压力，即增加冷却系统的通流流量；二是提高单位流量冷却水的热量携带能力。但冷却系统的供流压力的提高需要考虑冷却系统的承载能力等多方面因素，无法随意的改变。而提高单位流量冷却水的热量携带能力能够在不影响系统基本工作条件、无需对冷却系统进行大的改造的基础上，通过改变流体流场的状况达到提高冷却系统效率的目的。
提高单位流体的热量携带能力的传统方法包括增加热传递的表面面积、对传热表面进行处理或者采用机械装置增强流体的混合等，但这些方法往往会导致换热器成本的增加以及换热器外形的改变。流体加入运动部件(叶片、挡板等)后，尽管可以增加流体的湍动，提高热传导效率，但会使流体产生高的剪切应力和压力损失，由于换热器使用寿命的减小而增加设备使用和维护的成本。
国外有研究表明，在层流状态下，流体微团的混沌混合所产生的混沌对流可以提高热传递效率，使得加热比较均匀，并且不会增加能量损失。但这类研究多集中在如何在低雷诺数下通过诱发流体混沌特征以提高流体的混合效率，当流体处于高雷诺数(Re>105)状态时，原有的混沌发生器将不能诱发流体产生混沌特征，而在这种高雷诺数情况下，为了通过诱发和加强流体的混沌特征，并进一步提高换热器的换热效率，必须对混沌发生器的结构进行重新设计，这一方面国内外尚没有相关的仿真研究与实验研究。
高炉冷却装置还有采用冷却板组形成，即由4组冷却板构成，每组冷却板中间通过带阀门的管道连接成一个整体，流体流经的路径相对较长，流体的湍流状态在长管道中逐步衰减，冷却板的冷却效果无法达到最佳。另外，该冷却装置现场条件已经定型，无法实施大规模改造，且不能改变现有系统的基本工作条件。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于混沌效应的高炉冷却装置，通过在冷却板间接入混沌中继装置，实现冷却板的长管路混沌效应，从而极大地提高流体的混合质量与传热效率，提高生产效率，降低能耗。而且，其可以在不影响系统基本工作条件，不改变冷却装置现有外形，不增加换热器使用和维护成本的前提下，增加流体的湍动，提高热传导效率。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是，一种带混沌效应的高炉冷却装置，包括，数个冷却板，串联形成冷却板组；所述的一个冷却板的进口端的管路上串设一混沌发生器；各冷却板之间的管路上分别串设一混沌中继器，该混沌发生器、混沌中继器由一弯管及相应的阀门组成，该弯管分别与冷却板内的冷却水通道相连通。
又，所述的弯管由数个周期弯管形成。
另外，所述的弯管的弯曲半径与管道半径比值为8∶1～15∶1。
所述的弯管的扭转角度α为5～15度。
本实用新型利用流体的混沌特性来提高现有冷却设备冷却效率的一套辅助装置。可以在某一限定区域内诱发流体运动的混沌现象，对流体进行剧烈的拉伸与折叠，通过高效的无切割混合来极大地提高流体的混合质量与传热效率，提高生产效率，降低能耗。该装置无需对现有的高炉冷却设施进行大规模的改造，可以在不影响系统基本工作条件，不改变冷却装置现有外形，不增加换热器使用和维护成本的前提下提高单位流体的热携带能力。
高炉采用冷却板组进行冷却，每组由四个冷却板组成，每两个冷却板之间通过带阀门的管道连接成一个整体，流体流经的路径相对较长，混沌效应在长管道中逐步衰减，冷却板的冷却效果无法达到最佳。为避免这种衰减，可以在每两个冷却板间接入混沌中继装置，以实现长管路的混沌效应。
本实用新型的有益效果
本实用新型可以在不改变现有冷却设施基本参数与空间位置的前提下将冷却板内单位流体的热携带能力提高约4.5％；同时，这种结构的混沌中继器具有结构简单，无运动部件，能够在短距离内实现流体高效混合的特点；适用于现有冷却系统内部的高雷诺数流体。
附图说明
图1为现阶段高炉冷却装置示意图；
图2为本实用新型一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型实施例中混沌发生器的结构示意图。
图4为图3的侧视图。
具体实施方式
参见图2～图4，本实用新型带混沌效应的高炉冷却装置的一实施例，在本实施例中，冷却装置包括，4个冷却板1、2，串联形成冷却板组；所述的冷却板1的进口端的管路上串设一混沌发生器3；各冷却板1、2之间的管路上分别串设一混沌中继器4，该混沌发生器3、混沌中继器4由一弯管31、41及相应的阀门32、42组成，该弯管31、41分别与冷却板1、2内的冷却水通道相连通。
在本实施例中，该弯管31、41分别采用四周期扭转弯管组合，该弯管的弯曲半径160mm。所述的弯管的扭转角度α为12度。
当小曲率弯管组合扭转角度为11.25度时，其内部流体的混沌特征最为明显。同时，这种结构的混沌中继器具有结构简单，无运动部件，能够在短距离内实现流体高效混合的特点，可以在不改变现有冷却设施的前提下将冷却板内单位流体的热携带能力提高约4.5％。其主要参数参见表1：
表1
| 项目 | 现有冷却装置 | 本实用新型 | 备注 |
| 出口流量(kg/s) | 1.4412439 | 1.4412431 | |
| 壁面热通量(W/m2) | 550621.418 | 600175.3 | 提高9.0％ |
| 出口热通量(W/m2) | -806956.81 | -843465.25 | 提高4.5％ |
| 出口处平均能量(J/kg) | 558698.1 | 583985.2 | 提高4.5％ |
| 出口处总能量(J/kg) | 2.212444×108 | 2.312581×108 | 提高4.5％ |
当流体通过单独一段弯管时，截面二次流的搅拌作用会对流体进行拉伸与折叠，从而在出口截面形成马蹄形映射。当雷诺数较低时(Re＝4000)，由于二次流作用时间足够长，这种拉伸与折叠相对更加剧烈一些，出口处显示出完整的马蹄形映射。增加弯管周期数可以延长二次流的作用时间，而通过改变每两段弯管之间合适的扭转角度，可以加大二次流的作用效果。
实际使用中冷却装置内部流体的雷诺数约为8×105，在这一范围内，当扭转角度为12度时，一周期扭转弯管内二次流的作用效果大。在这一雷诺数下(流速约为2m/s)，尽管二次流的作用时间相对于单段弯管在低雷诺数状态下时(流速约为0.1m/s)急剧缩短，但二次流强度的增加弥补了这一部分损失，使得流体在短时搅拌下，也可以产生完整的一阶马蹄形映射，其形状与低雷诺数下单段弯管所产生的映射情况相似。也就是说，当作用时间减小到原来的1/20倍时(雷诺数增大到原来的20倍)，仅仅需要增加半周期弯管即可以获得与原来相同的拉伸效果。当采用四周期弯管作为混沌中继器时，将诱发冷却板内部的长管路混沌效应。
本实用新型适用于现有冷却系统内部的高雷诺数流体，实施后可以在不改变现有冷却设施基本参数与空间位置的前提下将冷却板内单位流体的热携带能力提高约4.5％。在同类采用冷却板、冷却壁形式进行冷却，冷却水处于高雷诺数状态，且不能对现有冷却装置进行大规模改进的大型生产企业中均可以得到应用。
综上所述，本实用新型利用流体的混沌特性，在某一限定区域内诱发流体运动的混沌现象，对流体进行剧烈的拉伸与折叠，进行实际高效的无切割混合，从而极大地提高流体的混合质量与传热效率，提高生产效率，降低能耗。而且，其可以在不影响系统基本工作条件，不改变冷却装置现有外形，不增加换热器使用和维护成本的前提下，增加流体的湍动，提高热传导效率。
Claims (6)
1.一种带混沌效应的高炉冷却装置，包括，
数个冷却板，串联形成冷却板组；其特征是，
所述的一个冷却板的进口端的管路上串设一混沌发生器；各冷却板之间的管路上分别串设一混沌中继器，该混沌发生器、混沌中继器由一弯管及相应的阀门组成，该弯管分别与冷却板内的冷却水通道相连通。
2.如权利要求1所述的带混沌效应的高炉冷却装置，其特征是，所述的弯管由数个周期弯管形成。
3.如权利要求1所述的带混沌效应的高炉冷却装置，其特征是，所述的弯管由四个周期弯管形成。
4.如权利要求1或2或3所述的带混沌效应的高炉冷却装置，其特征是，所述的弯管的弯曲半径与管道半径比值为8∶1～15∶1。
5.如权利要求1或2或3所述的带混沌效应的高炉冷却装置，其特征是，所述的弯管的扭转角度α为5～15度。
6.如权利要求4所述的带混沌效应的高炉冷却装置，其特征是，所述的弯管的扭转角度α为5～15度。
Priority Applications (1)
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| CNU2007200692474U CN201031230Y (zh) | 2007-04-24 | 2007-04-24 | 一种带混沌效应的高炉冷却装置 |
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| CN (1) | CN201031230Y (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010128197A1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-11-11 | Luvata Espoo Oy | Method for producing a cooling element for pyrometallurgical reactor and the cooling element |
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2007
- 2007-04-24 CN CNU2007200692474U patent/CN201031230Y/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2010128197A1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-11-11 | Luvata Espoo Oy | Method for producing a cooling element for pyrometallurgical reactor and the cooling element |
| EA020127B1 (ru) * | 2009-05-06 | 2014-08-29 | Лувата Эспоо Ой | Способ изготовления охлаждающего элемента для пирометаллургического реактора и охлаждающий элемент |
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