專利名稱：流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種利用流動控制技術(shù)強化換熱的蒸汽蓄熱器，屬于蒸汽蓄熱器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
蒸汽蓄熱器作為一種較為新型的節(jié)能產(chǎn)品，是以水為載熱體間接儲蓄蒸汽的壓力容器，其最初的出發(fā)點是針對鍋爐在多變工況條件下運行時，均衡鍋爐出力恒定與供汽負荷瞬時波動之間的矛盾?？纱_保鍋爐在經(jīng)濟負荷下運行，并保持供汽壓力穩(wěn)定。將蒸汽蓄熱器并入鍋爐供汽系統(tǒng)后，即成為鍋爐與用汽部門之間的熱平衡庫。蒸汽蓄熱器以水為介質(zhì)儲蓄熱能，當鍋爐供汽能力高于生產(chǎn)用汽負荷時，可把多余的蒸汽以高壓水的形式自動儲蓄在蓄熱器內(nèi)，當用汽負荷大于鍋爐供汽能力時，蓄熱器能自動送汽補充鍋爐供汽的不足， 從而能保持對用汽設(shè)備均衡供汽，而鍋爐也可處于穩(wěn)定工況下運行。實踐表明，鍋爐在低負荷、超負荷或是在急劇的變負荷的工況下運行，都會大大地降低其熱效率，只有鍋爐在額定蒸發(fā)量的工況附近穩(wěn)定運行時效率才能達到最高。采用蓄熱器是保證鍋爐穩(wěn)定運行、增大鍋爐供汽能力、節(jié)省固定投資、節(jié)省鍋爐燃料消耗的最佳方法之一。目前，蒸汽蓄熱器已廣泛應(yīng)用于石油、冶金、化工、電力和食品加工等行業(yè)，另一個具有較大應(yīng)用空間的領(lǐng)域是——余熱回收領(lǐng)域。對于很多工業(yè)流程而言，所產(chǎn)生的廢蒸汽， 直接排放是對能源的極度浪費，回用卻又由于諸多因素受到限制。如因可持續(xù)性發(fā)展及城市發(fā)展的要求和需求，工業(yè)企業(yè)都距離熱用戶有相當?shù)木嚯x，或者說直接將工業(yè)的余熱民用化，需要面臨投資巨大、管網(wǎng)二次損失大和易受工藝流程波動制約影響而熱品質(zhì)難以恒定等諸多問題；如果將廢蒸汽回用于生產(chǎn)，如通過透平膨脹制動或者用于發(fā)電，一方面需要大量投資，另一方面是蒸汽的品質(zhì)受到主體工藝流程波動的影響，導(dǎo)致對應(yīng)的回用流程效率低下，有悖于廢蒸汽回用的初衷。而具有可移動性的蒸汽蓄熱器，可按照廢蒸汽的強度， 有選擇性的按照相應(yīng)的量，存儲并通過相應(yīng)的移動設(shè)備，直接作為民用流程的熱源，得到有效回用。無論哪種形式的應(yīng)用，對于蒸汽蓄熱器而言，如何提高蓄熱效率，都是其應(yīng)用和改進的關(guān)鍵所在。提高蓄熱效率的一個重要方面在于，如何在蒸汽輸入過程中，在蓄熱器內(nèi)部形成高效換熱機制，或者說，如何使輸入的蒸汽能快速完成對整個蓄熱器內(nèi)水體的均勻加熱，是提高蒸汽蓄熱器效率的重要因素。蒸汽蓄熱，從其基本特征來分析，是典型的流動與傳熱相互耦合的問題，其間還存在兩次復(fù)雜相變的過程，而正是這兩重特征的共存，導(dǎo)致蒸汽蓄熱問題研究難度的激增。但是對于蒸汽蓄熱器而言，更重要的是應(yīng)用效率的提高。那么自然而然，如何通過流動環(huán)境的組織和優(yōu)化，達到提高蓄熱過程傳熱和傳質(zhì)效率的問題，必然是提高蒸汽蓄熱效率的根本所在。這一點在現(xiàn)有的蒸汽蓄熱器的改進研究中，還未受到足夠的重視。也有研究通過改進蒸汽換熱器循環(huán)桶形式，來提高傳熱效率的研究，如中國專利文獻CN201387002公開的 《蒸汽蓄熱器》和CN2056236公開的《蒸汽蓄熱器循環(huán)筒》，但是實際應(yīng)用效果并不理想。對于蒸汽換熱器而言，需要同時考慮蓄熱和放熱兩個方面的問題，但蓄熱是整個問題的根本所在，如何將通入蒸汽的熱，能夠快速均勻地傳遞給全場，使水得到快速加熱，成為整個問題的根本所在。作為典型的流動問題，對于蓄熱過程而言，提高整場傳熱傳質(zhì)效率的關(guān)鍵在于相應(yīng)流動的合理組織和控制?，F(xiàn)有的蒸汽蓄熱裝置，在本質(zhì)上來說，是考慮了這一方面問題的，其表現(xiàn)在于通過噴嘴和循環(huán)套筒的組合，將從噴嘴噴射出的蒸汽，作為動力，并通過相應(yīng)幾何形狀的套筒，在蓄熱器內(nèi)形成具有內(nèi)循環(huán)特征的流動環(huán)境，來提高蒸汽對蓄熱器內(nèi)水的加熱效率。噴射入蓄熱器內(nèi)的蒸汽，在相應(yīng)的流動結(jié)構(gòu)控制下，并不是簡單的從底部直接流向上部，而是通過循環(huán)流動，加強了與水的相互作用，同時循環(huán)流動大尺度渦旋的存在，強化了整個裝置的傳熱傳質(zhì)效率。流動的動力只是來源于噴射而入的蒸汽，無其它外加動力，但通過上述的流動控制，整個蓄熱過程熱、質(zhì)交換效率得到大幅度提高，這正是流動控制在蓄熱強化中最直接的體現(xiàn)。中國專利文獻CN2222^2公開的《有增壓裝置的蒸汽蓄熱器》(是在蓄熱器的蒸汽出口上連接一增壓裝置)和CN2596306公開的《變壓式蒸汽蓄熱器》(設(shè)有一個臥式筒形容器本體，本體上設(shè)有一次汽入口、二次汽出口，本體內(nèi)裝有內(nèi)部配管，內(nèi)部配管的端頭與一次汽入口用法蘭相連，二次汽出口通過管路與與集汽室相連通，一次汽入口管和二次汽出口管分別裝有截止閥和逆止閥，一次汽入口管和二次汽出口管匯合于母管，母管和入口液壓自動閥及出口液壓自動閥之間用三通相連通)，都是使供汽的壓力不受充熱汽源壓力的限制，不隨用汽負荷的波動而變化，可在較大范圍內(nèi)按熱用戶的需要進行調(diào)整，鍋爐熱效率和熱利用率大大提高。但是，都是以增加輔助裝置為前提，增加了成本，從實際應(yīng)用看效果不是很理想。也正是從這點出發(fā)，本實用新型要解決的問題是，如何在相同的蒸汽噴射動力條件下(蒸汽噴射動力一定)，進一步提高整個流場的傳熱和傳質(zhì)效率。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有蒸汽蓄熱器在傳熱和傳質(zhì)效率方面存在的不足，提供一種成本低、可大幅度提高傳熱和傳質(zhì)效率的流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器。本實用新型的流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器采用以下技術(shù)解決方案該流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器，包括蓄熱器本體、進汽管和供汽管，在蓄熱器本體內(nèi)設(shè)有汽水分離器、內(nèi)循環(huán)板體和布汽管，汽水分離器與蓄熱器本體外部的供汽管連接， 內(nèi)循環(huán)板體和布汽管均沿蓄熱器本體軸向布置，汽水分離器設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的上方并連接在蓄熱器本體的內(nèi)壁上，布汽管設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的下方，內(nèi)循環(huán)板體由連接在一起的單體隔板沿蓄熱器本體軸向排布而成，單體隔板的截面呈八字形，布汽管與進汽管連接，在布汽管上分布有內(nèi)循環(huán)桶，內(nèi)循環(huán)桶內(nèi)設(shè)有相對的兩個撞擊流噴嘴，每個撞擊流噴嘴均與布汽管連接。內(nèi)循環(huán)桶呈梯臺形，以使蒸汽在各內(nèi)循環(huán)桶之間循環(huán)流動。應(yīng)用過程中，蒸汽通過進汽管進入蓄熱器本體內(nèi)的布汽管后，在布汽管上每個內(nèi)循環(huán)桶內(nèi)部相對布置的兩個撞擊流噴嘴中噴出，兩股蒸汽相向射流形成撞擊，在兩個方向流動，形成速度分量，使流體流動呈現(xiàn)周期性的振蕩，并將上部熱流體向下誘導(dǎo)，而蓄熱器底部冷流體被誘導(dǎo)進入內(nèi)循環(huán)桶內(nèi)部振蕩加熱。這兩個方向的流動在蓄熱器本體內(nèi)下部高效形成均勻流場，大幅度提高熱質(zhì)傳遞效率，從而為蓄熱效率的提高奠定第一部分流動基礎(chǔ)。同時內(nèi)循環(huán)板體利用混合流動的動能，形成二次內(nèi)循環(huán)流動，將上部較熱的流體帶向下部，與下部的循環(huán)流體對接，使整個流場溫度更加快速的均勻化，從而進一步提高蓄熱的效率。內(nèi)循環(huán)板體在移動的蒸汽蓄熱器中還有一定的穩(wěn)定性作用，可以抑制液體中心的波動， 提高輸運過程中的安全性。蓄熱器本體內(nèi)的蒸汽通過汽水分離器進行汽水分離后，由供汽管供給用戶。本實用新型引入了噴射蒸汽撞擊流動和內(nèi)循環(huán)流動技術(shù)，通過在蒸汽蓄熱器內(nèi)構(gòu)建良好的流動環(huán)境，對于蓄熱效率的提高，起到根本的保障作用，大幅度提高了蒸汽蓄熱器的熱、質(zhì)傳輸效率，從而提高其對應(yīng)的蓄熱效率，同時提高了運輸過程中的安全性。
附圖是本實用新型流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意圖、其中1、撞擊流噴嘴，2、內(nèi)循環(huán)板體，3、內(nèi)循環(huán)桶，4、蓄熱器本體，5、汽水分離器， 6、進汽管，7、供汽管，8、布汽管，9、單體隔板。
具體實施方式
本實用新型結(jié)合流體力學(xué)原理和流動控制技術(shù)，對蒸汽蓄熱過程提出了全新的撞擊流強化熱、質(zhì)傳遞的概念。如附圖所示，本實用新型的流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器，包括蓄熱器本體4、進汽管6和供汽管7。在蓄熱器本體4內(nèi)設(shè)有汽水分離器5、軸向布置的內(nèi)循環(huán)板體2和軸向布置的布汽管8，內(nèi)循環(huán)板體2和布汽管沿蓄熱器本體4軸向布置，且均貫穿整個蓄熱器本體4，汽水分離器5設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體2的上方并連接在蓄熱器本體4 的內(nèi)壁上，布汽管設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體2的下方，內(nèi)循環(huán)板體2由連接在一起的單體隔板9沿蓄熱器本體4軸向排布而成，單體隔板9的截面呈上下均開口的八字形(也可以說是呈上下均開口的喇叭狀)，各個單體隔板9可通過上下兩根板條連接在一起。布汽管8與進汽管6 連接，連接處位于布汽管8的中部。進汽管6通過閥門與蒸汽主管連接。在布汽管8上分布有若干個內(nèi)循環(huán)桶3，內(nèi)循環(huán)桶3呈梯臺形(即四面的上部小于底部)。內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)設(shè)有相對的兩個撞擊流噴嘴1，每個撞擊流噴嘴1均與布汽管8連接。撞擊流噴嘴1的仰角可以根據(jù)具體情況做出調(diào)整。內(nèi)循環(huán)桶3可以固定連接在布汽管8上，也可以固定連接在撞擊流噴嘴1上。汽水分離器5通過閥門與蓄熱器本體4外部的供汽管7連接。上述蒸汽蓄熱器的應(yīng)用過程如下所述蒸汽通過進汽管6進入蓄熱器內(nèi)部的布汽管8，通過布汽管8的中部向兩側(cè)以對稱的方式輸送到每個內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)部按照一定的仰角相對布置的兩個撞擊流噴嘴，各個撞擊流噴嘴1中噴出的蒸汽相向射流形成撞擊，在兩個方向流動，形成速度分量，一個分量為水平方向，流動呈現(xiàn)周期性的振蕩，形成水平的均勻化作用，另一分量為豎直方向，即與內(nèi)循環(huán)桶3軸向一致，誘導(dǎo)在內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)壁周圍形成內(nèi)循環(huán)環(huán)流，將上部熱流體向下誘導(dǎo)，而蓄熱器本體4底部的冷流體被誘導(dǎo)進入內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)部振蕩加熱。這兩個方向的流動在蓄熱器本體4內(nèi)下部高效形成均勻流場，大幅度提高熱質(zhì)傳遞效率，從而為蓄熱效率的提高奠定第一部分流動基礎(chǔ)。由于換熱過程的存在以及蒸汽流動的誘導(dǎo)作用，密度的變化自然導(dǎo)致蓄熱器本體4內(nèi)上部溫度較高，熱量過分集中，不利于下部流體的快速加熱；同時從內(nèi)循環(huán)桶3中流出的混合流動，會在蓄熱器本體4內(nèi)上部形成較激烈的波動，浪費能量。為了克服這一問題，本實用新型在蓄熱器本體4內(nèi)上部構(gòu)建一層通過流動控制理念設(shè)計出來的內(nèi)循環(huán)板體2，內(nèi)循環(huán)板體2利用混合流動的動能，形成二次內(nèi)循環(huán)流動，將上部較熱的流體帶向下部，與下部的循環(huán)流體對接，使整個流場溫度更加快速的均勻化，從而進一步提高蓄熱的效率。上部的內(nèi)循環(huán)板體2在移動的蒸汽蓄熱器中，還有一定的穩(wěn)定性作用，對液體中心的波動具有一定的抑制作用，提高運輸過程中的安全性。蓄熱器本體4內(nèi)的蒸汽通過汽水分離器5進行汽水分離后，由供汽管7供給用戶。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實質(zhì)性的改進，是應(yīng)用流體力學(xué)原理、傳熱學(xué)原理和流動控制技術(shù)提出的新的構(gòu)思，具體體現(xiàn)在以下兩個方面一是引入噴射蒸汽撞擊流流動控制機制。相鄰兩個噴嘴改為按一定仰角相向噴射的形式，并使相向噴射的兩個噴嘴(即撞擊流噴嘴1)處于同一內(nèi)循環(huán)桶3中。這一改進， 是對現(xiàn)有蒸汽蓄熱裝置在本質(zhì)上的改進，兩組噴嘴相向噴射，會在內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)部形成更良好的水平方向振蕩的流動機制，流動將以擬周期的形式，在水平方向來回振蕩內(nèi)循環(huán)桶3 內(nèi)部換熱，使內(nèi)循環(huán)桶3內(nèi)部熱、質(zhì)高效傳遞，并均勻化。另一方面，兩噴射流沿內(nèi)循環(huán)桶3 軸向的流動分量的相互匹配，將加大對蓄熱器本體4內(nèi)底部冷水的誘導(dǎo)流動，使其進入內(nèi)循環(huán)桶3，一旦進入內(nèi)循環(huán)桶3，就在橫向振蕩機制下，被快速加熱。同時由于內(nèi)循環(huán)桶3梯臺形的幾何特征，蒸汽會在內(nèi)循環(huán)桶3之間形成循環(huán)流動。這種循環(huán)流動與傳統(tǒng)的單噴嘴循環(huán)流動機制相比較而言，其渦流強度在撞擊流軸向流動強化機制下得到強化。橫向振蕩及內(nèi)循環(huán)流動雙重強化機制的作用，在蓄熱器本體4內(nèi)形成高效均勻換熱的流動機制，傳熱效率勢必得到更大幅度地提升。二是引入內(nèi)循環(huán)流動機制。為了進一步提高蒸汽與水之間的接觸效率，在內(nèi)循環(huán)桶3上方的適當位置架設(shè)一層內(nèi)循環(huán)流動裝置，即內(nèi)循環(huán)板體2。該裝置有兩重作用，一方面降低水面的波動，盡量將水蒸汽的能量，用在蓄熱器本體4內(nèi)的水體的加熱上，而不是通過假沸騰的形式浪費掉，這個裝置對于具有移動特征的蒸汽蓄熱器而言，其附加作用是運輸過程中流體穩(wěn)定性得以適當提高，確保運輸過程的安全。另一方面，該裝置的作用是利用撞擊流后套筒內(nèi)混合流體，向上流動的動力，再次形成內(nèi)循環(huán)，將由于密度影響集中在上部的熱量，帶到下部循環(huán)流動過程中，確保全流場的均勻加熱。以上兩個流動控制技術(shù)的引入，是本實用新型不同于現(xiàn)有蒸汽蓄熱系統(tǒng)流動控制技術(shù)的根本所在，對于蓄熱效率的提高，起到根本的保障作用。本實用新型通過在蒸汽蓄熱器內(nèi)構(gòu)建良好的流動環(huán)境，以進一步提高蒸汽蓄熱器的熱、質(zhì)傳輸效率，從而提高其對應(yīng)的蓄熱效率。本實用新型可獨立應(yīng)用，也可以直接與現(xiàn)有技術(shù)如一次及二次汽水分離技術(shù)、可拆卸汽水分離器技術(shù)、汽水雙供技術(shù)以及補水和排污技術(shù)相結(jié)合，形成完整的蒸汽蓄熱體系。
權(quán)利要求1.一種流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器，包括蓄熱器本體、進汽管和供汽管，其特征是 在蓄熱器本體內(nèi)設(shè)有汽水分離器、內(nèi)循環(huán)板體和布汽管，汽水分離器與蓄熱器本體外部的供汽管連接，內(nèi)循環(huán)板體和布汽管均沿蓄熱器本體軸向布置，汽水分離器設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的上方并連接在蓄熱器本體的內(nèi)壁上，布汽管設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的下方，內(nèi)循環(huán)板體由連接在一起的單體隔板沿蓄熱器本體軸向排布而成，單體隔板的截面呈八字形，布汽管與進汽管連接，在布汽管上分布有內(nèi)循環(huán)桶，內(nèi)循環(huán)桶內(nèi)設(shè)有相對的兩個撞擊流噴嘴，每個撞擊流噴嘴均與布汽管連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器，其特征是所述內(nèi)循環(huán)桶呈梯臺形。
專利摘要本實用新型提供一種流動控制強化換熱蒸汽蓄熱器，包括蓄熱器本體、進汽管和供汽管，在蓄熱器本體內(nèi)設(shè)有汽水分離器、內(nèi)循環(huán)板體和布汽管，汽水分離器與蓄熱器本體外部的供汽管連接，內(nèi)循環(huán)板體和布汽管均沿蓄熱器本體軸向布置，汽水分離器設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的上方并連接在蓄熱器本體的內(nèi)壁上，布汽管設(shè)置在內(nèi)循環(huán)板體的下方，內(nèi)循環(huán)板體由連接在一起的單體隔板沿蓄熱器本體軸向排布而成，布汽管與進汽管連接，在布汽管上分布有內(nèi)循環(huán)桶，內(nèi)循環(huán)桶內(nèi)設(shè)有相對的兩個撞擊流噴嘴，每個撞擊流噴嘴均與布汽管連接。本實用新型引入了噴射蒸汽撞擊流動和內(nèi)循環(huán)流動技術(shù)，通過在蒸汽蓄熱器內(nèi)構(gòu)建良好的流動環(huán)境，大幅度提高了蒸汽蓄熱器的熱、質(zhì)傳輸效率。
文檔編號F28D20/00GK202255007SQ201120397910
公開日2012年5月30日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者王小華, 陳文兵 申請人:路生吉