专利名称：一种突扩形烟风通道气流均匀化导流装置的设计方法
技术领域：
本发明属于热能工程应用技术领域，具体涉及一种用于余热锅炉以及其它具有突扩形烟风通道如回转式空气预热器入口段气流均匀化导流装置的设计方法。
背景技术：
工业过程中的通流烟风道通常具有圆形或矩形截面，而需要布置对流管束的余热锅炉以及换热设备一般采用矩形通道，而且布置对流管束的矩形通道的截面积远大于通流段的入口截面，这种结构普遍存在于气流通流段和换热段的转换中间。因此，在余热锅炉对流管束入口段形成了突扩形的烟风通道，当介质流过突扩段时，气流边界层从烟气入口处就开始发生分离，而产生强烈的涡流区，从而引起烟气速度分布不均匀。
突扩形通流烟风道出口的烟气流速的不均匀性直接影响对流管束的传热效率和稳定性，对于烟气中含灰量较大的余热锅炉及其他设备，这种烟气流速的不均匀性和不稳定性在一定程度上影响着对流管束的工作稳定性，如气流的边界层分离产生的涡流区引起对流管束磨损和破裂，从而引起换热设备的强迫停炉事故。当对流管束的管内换热系数一定且对流管束自身的结构不变时，对流管束外侧的烟气流速对其传热系数影响很大。由于余热锅炉及其他换热设备的对流管束与烟风道入口处的稳流段很短，烟气通过突变截面处其速度还没有达到稳定状态就直接进入换热段。这样，就会在烟气进进对流管束时，形成烟风道截面两侧烟气流速较低，而中间部位流速过高，从而使烟风道入口部位两侧的传热系数和换热量均低于中间部位，而造成整体的换热效率的下降。由于烟气的积灰程度和烟气速度成反向作用关系，在烟气含灰量较大的烟道中，这种烟道入口处速度两侧大中间小的速度不均匀性使得翅片管受热面两侧积灰比较严重，从而也进一步影响对流管束的换热效率。而烟风道中部烟气流速较设计工况大，势必造成对流管束的局部磨损。这将影响换热设备运行的经济性和稳定性。因此，改善锅炉烟道入口烟气的流动工况，对于提高余热锅炉及其他换热设备的换热效率和改善烟道积灰、磨损都有着很大意义。
目前对于改善锅炉烟道入口处烟气流动工况最直接的方法就是加长烟道稳流段的长度，使烟气流尽可能在到达换热面处时已经充分发展，进而使流场达到稳定。但是这样做会使得烟道加长，增加设备制造成本，而且，烟风道的加长也使得锅炉散热损失增大，降低锅炉热效率。
通过设置烟道入口的导流叶片，使得烟道流场均匀化，从而增加换热面的换热系数，在相同锅炉负荷的情况下，可以减少换热面面积，并且使锅炉受热面积灰和磨损得到更好地改善，而加装气流均匀化导流装置成本低，而且可以提高锅炉受热面的传热效率，降低受热面的消耗量，降低事故率。赵钦新等(文献再生式空气预热器烟风道(含风罩)入口气流动力模化[J].西安交通大学学报，1995，29(11)26-32)通过对在生式空气预热器的圆形突扩段在其加入导流叶片后的速度场的研究表明，通过导流叶片的加入，可以明显改善烟道气流的均匀性。
近几年随着全面节能减排工作的开展，工业过程余热利用技术发展迅速，由于突扩形烟风道缺少气流均匀化导流装置而造成的受热面磨损事故和烟尘塞积造成的停炉事故也日渐增多。目前，具有突扩形烟风通道气流均匀化导流装置的具体结构设计的创新很多，而且，可以千差万别，但是，导流装置设计方法的创新一直没有获得突破。工业生产中，设计人员都是采用经验设计的方法来设计相应的导流装置或导流叶片对烟风道气流实现均匀化。但是，经过多次设计使用，我们发现传统的经验设计方法所设计的导流装置不能完全避免磨损和烟尘塞积事故的发生，而且，工业生产实际中经常出现烟风道在弯转之后布置突扩变形烟风道，而且，传统的经验设计也没有考虑余热锅炉中对流管束对突扩形烟风通道气流均匀化的作用。因此，寻求一种通用的突扩形烟风通道的换热器的气流均匀化导流装置的设计方法势在必行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于余热锅炉以及其它具有突扩形烟风通道的换热器如回转式空气预热器入口突扩段的气流均匀化导流装置的设计方法，该设计方法使烟风通道内导流叶片所分割的各个流道的横截面面积相等比例的放大至出口，从而使得通截面烟气流速达到均匀化，提高了余热锅炉受热面传热的有效性。
一种突扩形烟风通道气流均匀化导流装置的设计方法，该导流装置由同心的导流叶片拼接而成，并由支架结构固定于突扩形烟风通道的入口处，该导流装置将突扩形烟风通道流场分为独立的子区域，当气流进进突扩段时，导流叶片对其流动实现均匀分流，其特征在于，先对突扩形烟风通道入口划分为一组同心的正方形或圆形，再根据每一组所划分的导流环形区域的入口截面积与出口截面积的比例都相等的原则，即求得出口处的环形面积，再确定导流叶片的高度，最后根据导流叶片的高度确定导流叶片出口处的实际尺寸，即当导流叶片出口处为圆形时，该实际尺寸为圆形的半径，当导流叶片出口处为方形时，该实际尺寸为方形的长和宽，其中，A1、A2......An为导流叶片所划分的环形区域入口截面积；A1`、A2`......An`为环形区域出口截面积。
气流入口处截面积的划分应根据等比例原则即进行划分，并根据实际情况进行修正，其中λ为常数，An为导流叶片所划分的第n层环形区域的入口截面积，An-1为导流叶片所划分的与第n层环形区域相邻的内层环形区域的入口截面积。
导流叶片的高度hn的确定，可根据导流叶片入口处半径或当量半径与入口整体截面的半径或当量半径的比例来确定即，并根据实际情况进行修正，其中，hn表示任意第n层导流叶片的高度，h表示突扩形烟风通道的高度，An为导流叶所划分的第n层环形区域的入口截面积，A表示突扩形烟风通道的入口截面积。
对于导流叶片出口处为方形时，其具体尺寸根据以下公式确定，其中an为任意第n层导流叶片的入口处方形的当量长度，a`n为任意第n层导流叶片的出口处所划分的边的长度，a``n为实际的任意第n层导流叶片的底边的长度，hn表示任意第n层导流叶片的高度，h表示突扩形烟风通道的高度。
对于导流叶片出口处为圆形时，其具体尺寸根据以下公式确定，其中，rn为任意第n层导流叶片的入口处方形的长度，r`n为任意第n层导流叶片的出口处所划分的边的长度，r``n为实际的任意第n层导流叶片的底边的长度，hn为任意第n层导流叶片的高度。
对于圆变方突扩形烟风通道，当圆形入口尺寸与方形出口尺寸相当时，可将该相当侧的导流叶片去掉，形成半封闭的翅片。
所说的λ为1-1.2。
所说的根据实际情况进行修正是指根据突扩形烟风通道入口来流Re和突扩形烟风通道出入口面积比
来修订，即当Re>＝3000时或时，λ<1~1.2，反之λ>＝1~1.2。
所说的根据实际情况对导流叶片的高度hn进行修正，其具体方法是根据突扩形烟风通道的出入口来流Re进行修正，当来流Re>＝3000时，外层导流叶片高度应增加δn，反之，外层导流叶片高度应减小δn，δn＝0.1～0.3(hn-hn-1)，其中，hn为任意第n层导流叶片的高度，hn-1为任意第n-1层导流叶片的高度。
该设计方法的核心是采用均速度的原则突扩形烟风通道的进出口几何面积应使得各分流区域出口处烟气速度相等，这样，当通过突扩形烟风通道的烟气在烟风通道出口处混合时的流速均相同，从而达到均流效果。根据均速度原则，每个在突扩形烟风通道入口处被划分的环形截面应与相应的出口处所划分的环形截面面积的比例都是相等的；为了达到最优化均流效果，还要根据实际情况对导流叶片的设计尺寸进行优化以适应压力和气体密度变化的影响。导流叶片的位置应使导流叶片的中心主轴重合，以保证整个流场的均匀。
对于圆变方的导流叶片组组还可以根据实际尺寸设计成半封闭式，即当出口为矩形的突扩形烟风通道出口一边长度和圆形入口处的圆直径相当时，导流叶片可以省去另一边所对应的导流叶片，以节约材料。
图1为四种不同类型的导流叶片的三维示意图，其中图1(a)为天圆地方形式的单级导流叶片；图1(b)为天圆地方形式的多级导流叶片；图1(c)为天方地方形式的导流叶片；图1(d)为天方地方形式的导流叶片，其中第二组叶片为半封闭。图中所示标号为1、外壳结构，2、支架结构，3、导流叶片。
图2为气流流过突扩形烟风通道时的流动示意图，其中图2(a)为流动情况示意图，图2(b)为边界层分离情况示意图。图中所示标号为4烟气主流，5扩口内壁面，6分离区，7射流外边界，8起始段，9突扩形烟风通道壁，10来流段管壁。
图3为导流叶片的均流原理示意图。图中所示标号为11来流，6分离区，13突扩形烟风通道，3导流叶片，13烟风通道入口，14烟风通道出口。
图4为导流叶片设计方法流程示意图，其中图4(a)为圆变方突扩形烟风通道流通空间划分示意图，图4(b)为圆变圆形突扩形烟风通道流通空间划分示意图，图4(c)为确定导流叶片高度示意图，图4(d)为确定导流叶片出口处实际尺寸示意图。图中所示标号为13突扩形烟风通道入口，14突扩形烟风通道出口，15导流叶片出口。
图5为不同来流速度时的三级导流叶片的中心轴对称面和出口截面的速度场布分情况图，其中，左边为三级导流叶片的中心轴对称面速度场分布情况图，右边为三级导流叶片的出口截面的速度场分布情况图；图5(a)是来流速度为20m/s的模拟情况图，图5(b)是来流速度为6m/s的模拟情况图. 图6为模拟λ＝1.2时的三级导流叶片在入口为Φ700mm，出口为1535mm×985mm的矩形，高为588.75mm的圆变方扩口来流速度为6m/s的气流进行的数值模拟的对称面和出口的速度梯度图，其中，左边为中心轴对称面的速度梯度图，右边为出口的速度梯度图。
具体实施例方式 以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明的导流装置由同心的导流叶片3拼接而成，导流叶片3上配置有外壳结构1，导流叶片3由支架结构2固定于突扩形烟风通道的入口处，该导流装置将突扩形烟风通道流场分为独立的子区域，当气流进进突扩段时，导流叶片1对其流动实现均匀分流。导流叶片的形式比较多，有天圆地方的形式，也有入口和出口均为矩形的设计方法。在实际效果中，这两种设计方法在相同的尺寸下的均流效果差异不是很大，为了设计和加工的方便，可以采用天圆地方的封闭叶片形式，如图1(a)、1(b)所示。另一种是一组进出口均为矩形的封闭或半封闭壳体的形式，如图1(c)、1(d)所示。
参见图2，当烟气主流4刚开始进入突扩形烟风通道时，其流动情况近似相当于自由射流，此时，烟气将沿原有射流角α射出，并向前继续发展。射流外边界7与相对静止烟气进行质量和动量交换，使得沿这射流发展方向轴向速度逐渐减小。一般情况下，射流角α都小于突扩形烟风通道的扩口角，这样，在突扩形烟风通道壁9处的速度边界层很容易产生边界层的分离，在位于烟气主流4和突扩形烟风通道壁9处形成分离区，产生反向速度梯度，并且此处为高压区。由于射流外边界7的卷吸以突扩形烟风通道壁9边界层的分离，必然在分离区6产生漩涡和回流。这样，在突扩形烟风通道出口14处的速度不均匀必然就导致烟道入口处速度分布的不均。
参见图3，通过加入导流叶片3，将突扩形烟风通道划分为几个独立的区域，并使其相应的射流角α变小，破坏了造成内壁边界层分离的条件，使得每一个被分割区域的速度分布都比较均匀。
参见图4，该设计方法遵循均速度原则为对于导流叶片尺寸和结构，使得在气流流动方向上每个截面上的气流速度是相等的。具体方法如下 1.1先对突扩形烟风通道流通空间进行划分，对于圆变方突扩形烟风通道，通过一组同心的正方形将突扩形烟风通道入口13处的的截面积划分为一组环形，设突扩形突扩形烟风通道入口13处的面积为A，出口处14面积为A`，突扩形烟风通道被划分的环形区域入口面积分别为A1、A2......An、出口处为A1`、A`2......A`n，则，在算得出口处所划分的环形面积A1`、A`2......A`n后，出口环形应由一组与出口截面方形相似的同中心的长方形来划定，再根据A1`、A`2......A`n确定将圆变方突扩形烟风通道出口14出划分为环形的一组长方形的长与宽，如图4(a)所示。
1.2对于圆变圆突扩形烟风通道，通过一组同心圆将突扩形烟风通道入口13处的的截面积划分为一组环形，出口14环形应也为一组同心圆且有，其中rn为每组所划分突扩形烟风通道入口13处的圆的半径，r为为突扩形烟风通道入口13处的圆的半径，rn`为每组所划分突扩形烟风通道出口14处的的圆的半径r为为突扩形烟风通道出口14处的圆的半径，如图4(b)所示。
2.根据导流叶片出口15处截面积与整个突扩形烟风通道出口14处的面积比的平方根求得每一层导流叶片的高度hn，即，如4(c)图所示，应根据突扩形烟风通道入口13处的来流Re对hn进行修正，当来流Re较大时，外层翅片高度应比增加δn，反之，应减小δn，δn＝0.1~0.3(hn-hn-1)。
3.根据所求得的每组导流叶片的高hn和划分的突扩形烟风通道入口14和出口15处的环形的尺寸an、an`计算出导流叶片入口和出口15处的尺寸如图4(d)所示在该方法中，由于导流叶片3入口和突扩形烟风通道入口处重合，所以每一级导流叶片入口处的尺寸就是划分突扩形烟风通道入口13处每一级的划分环形的正方形或圆的尺寸an、an`或rn、rn`，根据几何关系算得得导流叶片出口15处的尺寸。
3.1对于圆变方突扩形烟风通道有，an为步骤1.1中所划分的突扩形烟风通道入口13处正方形的边长，a`n为步骤1.1中突扩形烟风通道出口14处所划分的相应边的长度，a``n为导流叶片出口15处长度，hn为步骤2中所确定的导流叶片的高度。此时，导流叶片的形状为方变方形。当导流叶片的形状为圆变方形时，每组导流叶片入口处的半径等于和步骤1.1中相应入口正方形面积相等的圆的半径，出口处的尺寸和高度都不变。
3.2对于圆变圆的突扩形通流烟通道用相应的r、r``n、及r``n、代替a、a``n、及a``n及并有，其中rn为步骤1.2中所划分的突扩形烟风通道入口13处圆半径，
为步骤1.2中突扩形烟风通道出口14处所划分的相应圆的半径，a``n为导流叶片出口15处的圆半径，hn为步骤2中所确定的导流叶片的高度。
导流叶片入口处子区域的划分，为等比例原则即假设每一层外侧圆环的面积与内侧的比为，根据要设计的圆环层数就可以得到每一层的尺寸，一般λ的取值为1-1.2，根据出入口来流Re和出入口面积比
而定，当两者都较大时λ值应相应尽量的的小，以免叶片扩张角过大而造成边界层分离。
本方法的原理是认为当烟气主流4通过被导流叶3片所划分的突扩变形通流烟通道时是均匀膨胀的，即ρ1≈ρ2≈……≈ρn、ρ`1≈ρ`2≈……≈ρ`n及ρ``1≈ρ``2≈……≈ρ``n如图5所示，当烟气主气流气流在刚进入通道时各处的速度都相同v1＝v2＝……＝vn，设流过每个通道的烟气的质量流量为Q1、Q2、……Qn，则由于及，可认为烟气沿着导流叶片方向密度变化均匀， 及 即v1≈v2≈v3≈……≈vn及 v1≈v2≈v3≈……≈vn及v1`≈v2`≈v3`≈……≈vn`。可以发现，在气流流动方向的每一个截面上，气体的流速是基本相等的，从而在气体流过变截面通道时达到均流效果。
已经通过fluent计算软件对加有通过该设计方法设计的导流叶片的通流烟通道的内部烟气速度进行了数值模拟。在一个圆通道为Φ2800mm，方通道为6141mm×3940mm高为2355mm的圆变方通道里，并通过对其加入一系列的导流叶片在不同的来流速度的情况下进行数值模拟，来观察导流叶片对扩口流场的影响情况。对模拟数值进行后处理，得到其流速的表面积积分平均值和速度均方差，其中，vi速是根据划分网格后出口处所计算得的出口处的每个网格的的速度，该均方差σ可以反应出出口速度的均匀性。其模拟结果如表1所示 表1 不同叶片组数的均流效果情况 可见，该设计方法在对变形通道的速度均匀化方面叶片的设计很有效。
图5(a)、5(b)分别为来流速度为20m/s和6m/s的三级叶片的轴对称面和出口处的速度场分布图，可以看出，和6m/s的情况相比较在20m/s的来流速度的情况下，由于在叶片尾部的湍流扰动情况比较严重，并在叶片的下游处形成了涡流，出口速度场中是的内部的速度反而小于周边的速度，引起速度的再次不均匀性。
表2为按照不同λ的值对天圆地方的扩口，入口为700mm，出口为1535×985的矩形，高为588.75的圆变方扩口来流速度为6m/s的气流进行的数值模拟的结果，可以看出随着λ的变化σ不均匀度也随着变化，其中当λ为1.2和0.87时，均流效果最好。
表2 不同λ值时的三级导流叶片的导流情况 由图6可以看出加入λ为1.2的导流叶片时，突扩形烟风通道出口处的烟气速度场已经均匀。
权利要求
1.一种突扩形烟风通道气流均匀化导流装置的设计方法，该导流装置由同心的导流叶片拼接而成，并由支架结构固定于突扩形烟风通道的入口处，该导流装置将突扩形烟风通道流场分为独立的子区域，当气流进入突扩段时，导流叶片对其流动实现均匀分流，其特征在于，先对突扩形烟风通道入口划分为一组同心的正方形或圆形，再根据每一组所划分的导流环形区域的入口截面积与出口截面积的比例都相等的原则，即求得出口处的环形面积，再确定导流叶片的高度，最后根据导流叶片的高度确定导流叶片出口处的实际尺寸，即当导流叶片出口处为圆形时，该实际尺寸为圆形的半径，当导流叶片出口处为方形时，该实际尺寸为方形的长和宽，其中，A1、A2......An为导流叶片所划分的环形区域入口截面积；A1`、A2`......An`为环形区域出口截面积。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，气流入口处截面积的划分应根据等比例原则即进行划分，并根据实际情况进行修正，其中λ为常数，An为导流叶片所划分的第n层环形区域的入口截面积，An-1为导流叶片所划分的与第n层环形区域相邻的内层环形区域的入口截面积。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，导流叶片的高度hn的确定，可根据导流叶片入口处半径或当量半径与入口整体截面的半径或当量半径的比例来确定即并根据实际情况进行修正，其中，hn表示任意第n层导流叶片的高度，h表示突扩形烟风通道的高度，An为导流叶片所划分的第n层环形区域的入口截面积，A表示突扩形烟风通道的入口截面积。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，对于导流叶片出口处为方形时，其具体尺寸根据以下公式确定其中αn为任意第n层导流叶片的入口处方形的当量长度，
为任意第n层导流叶片的出口处所划分的边的长度，
为实际的任意第n层导流叶片的底边的长度，hn表示任意第n层导流叶片的高度，h表示突扩形烟风通道的高度。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，对于导流叶片出口处为圆形时，其具体尺寸根据以下公式确定其中，rn为任意第n层导流叶片的入口处方形的长度，
为任意第n层导流叶片的出口处所划分的边的长度，
为实际的任意第n层导流叶片的底边的长度，hn为任意第n层导流叶片的高度。
6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，对于圆变方突扩形烟风通道，当圆形入口尺寸与方形出口尺寸相当时，可将该相当侧的导流叶片去掉，形成半封闭的翅片。
7.如权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所说的λ为1-1.2。
8.如权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所说的根据实际情况进行修正是指根据突扩形烟风通道入口来流Re和突扩形烟风通道出入口面积比
来修订，即当Re>＝3000时或时，λ<1~1.2.反之λ>＝1~1.2。
9.如权利要求1或3所述的设计方法，其特征在于，所说的根据实际情况对导流叶片的高度hn进行修正，其具体方法是根据突扩形烟风通道的出入口来流Re进行修正，当来流Re>＝3000时，外层导流叶片高度应增加δn，反之，外层导流叶片高度应减小δn，δn＝0.1～0.3(hn-hn-1)，其中，hn为任意第n层导流叶片的高度，hn-1为任意第n-1层导流叶片的高度。
全文摘要
本发明公开了一种用于具有突扩形烟风通道的气流均匀化导流装置的设计方法，该设计方法遵循每一组所划分的导流环形区域的入口面积与出口面积比都相等的原则，并根据烟风通道突扩口处的结构尺寸及进、出口来流雷诺数Re来修正每组导流叶片的尺寸；用该设计方法设计出的导流装置能有效提高突扩形烟风通道出口的烟气速度场的均匀性，从而提高余热锅炉及其他换热器的传热有效性和运行可靠性。
文档编号F28F13/00GK101435672SQ20081023261
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者赵钦新, 朝 王, 王学斌, 岩 彭, 周建国, 王宇峰, 惠世恩 申请人:西安交通大学