一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件和方法

摘要

本发明提供了一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件和方法，通过在换热设备水平管路中安装一种由垫圈和导流叶片组成的构件，依靠液固两相流入水平管路时提供的动能，使得液固两相流经导流叶片时产生螺旋流，以此克服了颗粒在水平管内流动时因重力作用而产生的沉积现象，同时提高了换热设备的防、除垢及换热性能，减少了换热设备的清洗次数，可广泛应用于能源、化工、制药、海水淡化等领域。

权利要求

1.一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，至少包括：导流叶片和垫圈，所有的导流叶片沿同一轴心线均布后对焊在一起，沿轴线方向入流端一侧导流叶片保持平直段，出流端一侧导流叶片扭曲成一定角度，入流端与垫圈内侧焊接连接。

2.根据权利要求1所述的一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，其特征在于：

所述的垫圈内圆直径d＝D，D表示水平管路直径，外圆直径d1，且D＜d1＜D1，D1表示水平管路法兰孔中心圆直径，所述的导流叶片总长度L＝(1～10)D，导流叶片数目为3～10片，入流端和出流端之间的夹角α＝(5～25)°，入流端平直段与出流端扭曲部分长度之比为(0.2～1)∶1，导流叶片高度h＝D/2-2。

3.一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的方法，其特征在于：在换热设备水平管路中安装如权利要求1或2所述的一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，依靠液固两相流入水平管路时提供的动能，使得液固两相流经导流叶片时产生螺旋流，以此克服颗粒在水平管内流动时因重力作用而产生的沉积现象。

4.根据权利要求3所述的一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的方法，其特征在于：

所述的一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件顺流动方向布置在水平管路内，垫圈两侧靠水平管路上的法兰夹紧固定，构件安装组数依据水平管路总长度、直径、内表面粗糙度及液固两相物性进行确定，第一组构件安装位置距颗粒入口的距离L0＝(0.5～100)D，D表示水平管路直径，以后相邻两组构件之间的安装距离L1＝(0.5～1.0)H，H表示液固两相螺旋流一个衰减周期所经过的距离。

说明书

一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件和方法，特别涉及一种带有水平管路的汽液固三相流化床换热系统，属于能源、化工、制药、海水淡化领域。

背景技术

[0002] 换热是一种常见的单元操作之一，广泛应用于在能源、化工、制药、海水淡化等行业的生产过程中。为了降低换热器壁面的结垢速率，并达到强化传热的目的，D.G.Klaren等将玻璃或陶瓷等惰性固体颗粒加入到换热设备中，开发了汽液固三相流化床换热设备，由于固体颗粒在换热管中运动，破坏流动的边界层，增加了汽化核心，同时还加大了流体对壁面的剪切力，破坏了边界层内温度和浓度分布，因此，与普通换热设备相比，三相流化床换热设备具有更好的防、除垢及换热性能，并延长了清洗周期。该换热设备型式上采用了一种具有单根下降管的内循环式流化床，其特点在于：管束中央设有一根下降管，用于分离固体颗粒，并实现固体颗粒在管束中的循环。但是这种结构组成也存在着不足之处，主要在于固体颗粒的进出通道数目不同，其结构上的不对称性容易带来操作的不稳定性。J.St.Kollbach和R.Rautenbach对单根下降管的内循环式流化床换热设备进行了改进，设计了具有多根下降管的内循环式流化床换热设备。但齐世学等对内循环式流化床换热设备的研究发现：固体颗粒的循环并不一定通过设定的中央循环回路，虽然多根下降管可以从一定程度上解决单根下降管情况下进出通道数目不同所引起的不对称性带来的操作不稳定性，但其设备结构与操作运行都更为复杂，成本也较高。对此，D.G.Klaren等又开发了一种外循环式流化床换热设备。为了避免固体颗粒经外循环返回换热设备时偏于一侧，在外循环管路上采用了一段水平管路，固体粒子与液体一起通过水平管路从底部入口段进入换热设备。这种外循环式流化床换热设备较其它结构形式明显存在以下优点：①操作流速高，速度范围为1m/s～3m/s；②上升换热管束内固体颗粒分布较均匀；③易于操作。

[0003] 针对某些换热过程的特殊需要，湘潭大学的吴金香等开发了一种卧式结构列管换热设备，该换热设备的主要结构特点在于：双管程，列管水平布置，斜装隔离板的入口室，兼具固体粒子分离与储集功能的出口室，适当高度的循环管与流化入口管。清洗时，换热器内加入惰性固体颗粒，采用周期性流态化清洗技术。运行试验表明，此设备具有较强的除垢能力与较好的传热效果。

[0004] 外循环式流化床换热设备及卧式结构列管换热设备结构上的共同点在于：都存在水平管路，且管路中均有液体和颗粒两相流过。由于重力作用，颗粒在水平流动过程中倾向于向管路底部沉积，这种颗粒沉积，一方面会使管路流通面积变小、流动阻力增加，另一方面还会增加传热阻力，影响整个系统的换热效率，同时还会造成管路垢层厚度增加。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于，为带有水平管路的汽液固三相流化床换热设备提供一种克服水平管路颗粒沉积的构件和方法，强化换热设备的防、除垢及换热性能。

[0006] 本发明的目的通过下列途径实现：

[0007] 一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，至少包括：导流叶片和垫圈，所有的导流叶片沿同一轴心线均部后对焊在一起，沿轴线方向入流端一侧导流叶片保持平直段，出流端一侧导流叶片扭曲成一定角度，入流端与垫圈内侧焊接连接。

[0008] 所述的垫圈内圆直径d＝D，D表示水平管路直径，外圆直径D＜d1＜D1，D1表示水平管路法兰孔中心圆直径，所述的导流叶片总长度L＝(1～10)D，导流叶片数目为3～10片，前缘(入流端)和后缘(出流端)之间的夹角(称为导叶包角)α＝(5～25)°，入流端平直段与出流端扭曲部分长度之比为X1/X2＝(0.2～1)∶1，导流叶片高度h＝D/2-2。

[0009] 在换热设备水平管路中安装上述一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，依靠液固两相流入水平管路时提供的动能，使得液固两相流经导流叶片时产生螺旋流，以此克服颗粒在水平管内流动时因重力作用而产生的沉积现象。

[0010] 所述的一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件顺流动方向布置在水平管路内，垫圈两侧靠水平管路上的法兰夹紧固定，构件安装组数依据水平管路总长度、直径、内表面粗糙度及液固两相物性等进行确定，第一组构件安装位置距颗粒入口的距离L0＝(0.5～100)D，D表示水平管路直径，以后相邻两组构件之间的安装距离L1＝(0.5～1.0)H，H表示液固两相螺旋流一个衰减周期所经过的距离。

[0011] 本发明与现有技术相比，存在明显的优点在于：

[0012] (1)换热设备水平管路无明显颗粒沉积现象，液体和颗粒在水平管路中分布均匀；(2)液固两相流经构件产生的螺旋流强化了颗粒与管壁间的接触，提高了换热设备的防、除垢及换热性能；(3)减少了换热设备的清洗次数。

附图说明

[0013] 图1是本发明实施例中换热设备水平管路的结构示意图；

[0014] 图2是一种克服换热设备水平管路颗粒沉积构件的结构示意图；

[0015] 图3是本发明实施例中安装了克服颗粒沉积的构件前后水平管路内固含率的对比。

具体实施方式

[0016] 下面通过具体的实施例并结合附图来详细说明本发明。

[0017] 附图1为换热设备水平管路的结构示意图，液体和颗粒从水平管路一端流入，从另一端流出。在换热设备水平管路中顺流动方向安装了两组克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，依靠液固两相流入水平管路时提供的动能，使得液固两相流经构件时产生螺旋流，以此克服颗粒在水平管内流动时因重力作用而产生的沉积现象。

[0018] 附图2为一种克服换热设备水平管路颗粒沉积的构件，由导流叶片和垫圈组成，所有的导流叶片沿同一轴心线均部后对焊在一起，沿轴线方向入流端一侧导流叶片保持平直段，出流端一侧导流叶片扭曲成一定角度，入流端与垫圈内侧焊接连接。垫圈内圆直径d＝D，D表示水平管路直径，外圆直径D＜d1＜D1，D1表示水平管路法兰孔中心圆直径，构件的垫圈两侧靠水平管路上的法兰夹紧固定，第一组构件安装位置距颗粒入口的距离L0＝55D，D表示水平管路直径，第一组和第二组组构件之间的安装距离L1＝9.5H，H表示液固两相螺旋流一个衰减周期所经过的距离。导流叶片总长度L＝3D，导流叶片数目为3片，前缘(入流端)和后缘(出流端)之间的夹角(称为导叶包角)α＝20°，入流端平直段与出流端扭曲部分长度之比为X1/X2＝0.6∶1，导流叶片高度h＝D/2-2。

[0019] 附图3为安装克服颗粒沉积构件前后水平管路中固含率分布的对比，安装克服颗粒沉积的构件后，管路下部固含率降低，管路上部固含率升高，整个管路截面上固含率分布均匀性变好，颗粒沉积倾向明显减弱。

[0020] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。