專利名稱：一種帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高爐設(shè)備，特別涉及基于混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置。
技術(shù)背景高爐作為煉鐵的重要設(shè)備為煉鋼提供原料。高爐內(nèi)部通過設(shè)置冷卻 器，充分冷卻內(nèi)襯，延長(zhǎng)內(nèi)襯壽命，冷卻是延長(zhǎng)高爐壽命和安全生產(chǎn)的重 要措施。高爐冷卻介質(zhì)常采用水、空氣及氣水混合物，冷卻方式有水冷、風(fēng)冷 和氣化冷卻三種。水的熱容量大，導(dǎo)熱性能好，且廉價(jià)易得，被廣泛的應(yīng) 用到高爐冷卻。從爐體看冷卻方式可以分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩種形 式。1)外部冷卻，多采用噴水冷卻的方式，通過冷卻爐殼冷卻內(nèi)襯，但 通常情況下，只有高爐在爐役末期被燒壞或者嚴(yán)重脫離時(shí)，為了維持生產(chǎn)，才采用此種方法。2)內(nèi)部冷卻，冷卻元件安裝在爐殼和內(nèi)襯間，以增強(qiáng) 冷卻效果?，F(xiàn)有高爐內(nèi)部冷卻主要采用冷卻板、冷卻壁的形式，如圖1所示，包 括冷卻板10、 20以及將冷卻板相連接的直管30?，F(xiàn)階段高爐處于高負(fù)荷 率生產(chǎn)條件下，高爐冷卻系統(tǒng)的承受巨大的工作壓力，冷卻板、冷卻壁燒 損現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了高爐的安全生產(chǎn)。高爐冷卻系統(tǒng)已經(jīng)定型， 無法進(jìn)行大型的技術(shù)改造，只能在現(xiàn)有的設(shè)備的基礎(chǔ)上努力提高冷卻系統(tǒng) 的工作效率。因此，可以通過兩種方式來提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率， 一是 提高冷卻系統(tǒng)的工作壓力，即增加冷卻系統(tǒng)的通流流量；—-..:是提高單位流 量冷卻水的熱量攜帶能力。但冷卻系統(tǒng)的供流壓力的提高需要考慮冷卻系 統(tǒng)的承載能力等多方面因素，無法隨意的改變。而提高單位流量冷卻水的 熱量攜帶能力能夠在不影響系統(tǒng)基本工作條件、無需對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行大的 改造的基礎(chǔ)上，通過改變流體流場(chǎng)的狀況達(dá)到提高冷卻系統(tǒng)效率的目的。提高單位流體的熱量攜帶能力的傳統(tǒng)方法包括增加熱傳遞的表面面 積、對(duì)傳熱表面進(jìn)行處理或者采用機(jī)械裝置增強(qiáng)流體的混合等，但這些方
法往往會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器成本的增加以及換熱器外形的改變。流體加入運(yùn)動(dòng)部 件(葉片、擋板等)后，盡管可以增加流體的湍動(dòng)，提高熱傳導(dǎo)效率，但 會(huì)使流體產(chǎn)生高的剪切應(yīng)力和壓力損失，由于換熱器使用壽命的減小而增 加設(shè)備使用和維護(hù)的成本。國(guó)外有研究表明，在層流狀態(tài)下，流體微團(tuán)的混沌混合所產(chǎn)生的混沌 對(duì)流可以提高熱傳遞效率，使得加熱比較均勻，并且不會(huì)增加能量損失。 但這類研究多集中在如何在低雷諾數(shù)下通過誘發(fā)流體混沌特征以提卨流體的混合效率，當(dāng)流體處于高雷諾數(shù)(Re>105)狀態(tài)時(shí)，原有的混沌發(fā)生 器將不能誘發(fā)流體產(chǎn)生混沌特征，而在這種高雷諾數(shù)情況卜'，為了通過誘 發(fā)和加強(qiáng)流體的混沌特征，并進(jìn)一步提高換熱器的換熱效率，必須對(duì)混沌 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這--方面國(guó)內(nèi)外尚沒有相關(guān)的仿真研究與實(shí) 驗(yàn)研究。高爐冷卻裝置還有采用冷卻板組形成，即由4組冷卻板構(gòu)成，每組冷 卻板中間通過帶閥門的管道連接成.-個(gè)整體，流體流經(jīng)的路徑相對(duì)較長(zhǎng)， 流體的湍流狀態(tài)在長(zhǎng)管道中逐步衰減，冷卻板的冷卻效果無法達(dá)到最佳。 另外，該冷卻裝置現(xiàn)場(chǎng)條件已經(jīng)定型，無法實(shí)施大規(guī)模改造，且不能改變 現(xiàn)有系統(tǒng)的基本工作條件。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，通過 在冷卻板間接入混沌中繼裝置，實(shí)現(xiàn)冷卻板的長(zhǎng)管路混純效應(yīng)，從而極大 地提高流體的混合質(zhì)量與傳熱效率，提高生產(chǎn)效率，降低能耗。而且，其 可以在不影響系統(tǒng)基本工作條件，不改變冷卻裝置現(xiàn)有外形，不增加換熱 器使用和維護(hù)成本的前提下，增加流體的湍動(dòng)，提高熱傳導(dǎo)效率。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，--種帶混沌效應(yīng)的高爐 冷卻裝置，包括，數(shù)個(gè)冷卻板，串聯(lián)形成冷卻板組；所述的-個(gè)冷卻板的 進(jìn)口端的管路上串設(shè)- 一 混沌發(fā)生器；各冷卻板之間的管路_分別串設(shè) - 混 沌中繼器，該混沌發(fā)生器、混沌中繼器由一彎管及相應(yīng)的閥門組成，該彎 管分別與冷卻板內(nèi)的冷卻水通道相連通。又，所述的彎管由數(shù)個(gè)周期彎管形成。
另外，所述的彎管的彎曲半徑與管道半徑比值為8:1 15:1。 所述的彎管的扭轉(zhuǎn)角度a為5 15度。本實(shí)用新型利用流體的混沌特性來提高現(xiàn)有冷卻設(shè)備冷卻效率的 套輔助裝置。可以在某一限定區(qū)域內(nèi)誘發(fā)流體運(yùn)動(dòng)的混沌現(xiàn)象，對(duì)流體進(jìn) 行劇烈的拉伸與折疊，通過高效的無切割混合來極大地提高流體的混合質(zhì) 量與傳熱效率，提高生產(chǎn)效率，降低能耗。該裝置無需對(duì)現(xiàn)有的高爐冷卻 設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模的改造，可以在不影響系統(tǒng)基本工作條件，不改變冷卻裝 置現(xiàn)有外形，不增加換熱器使用和維護(hù)成本的前提下提高單位流體的熱攜 帶能力。高爐采用冷卻板組進(jìn)行冷卻，每組由四個(gè)冷卻板組成，每?jī)蓚€(gè)冷卻板 之間通過帶閥門的管道連接成一個(gè)整體，流體流經(jīng)的路徑相對(duì)較長(zhǎng)，混沌 效應(yīng)在長(zhǎng)管道中逐步衰減，冷卻板的冷卻效果無法達(dá)到最佳。為避免這種 衰減，可以在每?jī)蓚€(gè)冷卻板間接入混沌中繼裝置，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)管路的混沌效應(yīng)。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型可以在不改變現(xiàn)有冷卻設(shè)施基本參數(shù)與空間位置的前提下將冷卻板內(nèi)單位流體的熱攜帶能力提高約4.5%;同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的混沌中繼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)部件，能夠在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)流體高效混合的特點(diǎn)；適用于現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的高雷諾數(shù)流體。


圖1為現(xiàn)階段高爐冷卻裝置示意圖；圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中混沌發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
參見圖2 圖4，本實(shí)用新型帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置的一實(shí)施例， 在本實(shí)施例中，冷卻裝置包括，4個(gè)冷卻板1、 2，串聯(lián)形成冷卻板組；所述的冷卻板l的進(jìn)口端的管路上串設(shè)一混沌發(fā)生器3;各冷卻板1、 2之間
的管路上分別串設(shè)一混沌中繼器4，該混沌發(fā)生器3、混沌中繼器4由一彎管31、 41及相應(yīng)的閥門32、 42組成，該彎管31、 41分別與冷卻板1、 2內(nèi)的冷卻水通道相連通。在本實(shí)施例中，該彎管31、 41分別采用四周期扭轉(zhuǎn)彎管組合，該彎 管的彎曲半徑160mm。所述的彎管的扭轉(zhuǎn)角度cx為12度。當(dāng)小曲率彎管組合扭轉(zhuǎn)角度為11.25度時(shí)，其內(nèi)部流體的混沌特征最 為明顯。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的混沌中繼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)部件，能夠 在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)流體高效混合的特點(diǎn)，可以在不改變現(xiàn)有冷卻設(shè)施的前提 下將冷卻板內(nèi)單位流體的熱攜帶能力提高約4.5%。其主要參數(shù)參見表1:表1項(xiàng)目現(xiàn)有冷卻裝置本實(shí)用新型備注出口流量(kg/s)1.44124391.4412431壁面熱通量(W/m2)550621.418600175.3提高9.0%出口熱通量(W/m2)-806956.81-843465.25提高4.5%出口處平均能量(J/kg)558698,1583985.2提高4.5%出口處總能量(J/kg)2.212444X1082.312581 X 108提高4.5%當(dāng)流體通過單獨(dú)一段彎管時(shí)，截面二次流的攪拌作用會(huì)對(duì)流體進(jìn)行拉伸與折疊，從而在出口截面形成馬蹄形映射。當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)(R『4000)， 由于二次流作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，這種拉伸與折疊相對(duì)更加劇烈--些，出口處 顯示出完整的馬蹄形映射。增加彎管周期數(shù)可以延長(zhǎng)二次流的作用時(shí)間， 而通過改變每?jī)啥螐澒苤g合適的扭轉(zhuǎn)角度，可以加大二次流的作用效果。實(shí)際使用中冷卻裝置內(nèi)部流體的雷諾數(shù)約為8X105，在這一范圍內(nèi)， 當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為12度時(shí)， 一周期扭轉(zhuǎn)彎管內(nèi)二次流的作用效果大。在這一
雷諾數(shù)下(流速約為2m/s)，盡管二次流的作用時(shí)間相對(duì)于單段彎管在低 雷諾數(shù)狀態(tài)下時(shí)(流速約為0.1m/s)急劇縮短，但二次流強(qiáng)度的增加彌補(bǔ) 了這一部分損失，使得流體在短時(shí)攪拌下，也可以產(chǎn)生完整的-- 階馬蹄形 映射，其形狀與低雷諾數(shù)下單段彎管所產(chǎn)生的映射情況相似。也就是說， 當(dāng)作用時(shí)間減小到原來的1/20倍時(shí)(雷諾數(shù)增大到原來的20倍)，僅僅 需要增加半周期彎管即可以獲得與原來相同的拉伸效果。當(dāng)采用四周期彎 管作為混沌中繼器時(shí)，將誘發(fā)冷卻板內(nèi)部的長(zhǎng)管路混沌效應(yīng)。本實(shí)用新型適用于現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的高雷諾數(shù)流體，實(shí)施后可以在 不改變現(xiàn)有冷卻設(shè)施基本參數(shù)與空間位置的前提下將冷去l」板內(nèi)單位流體 的熱攜帶能力提高約4.5%。在同類采用冷卻板、冷卻壁形式進(jìn)行冷卻，冷 卻水處于高雷諾數(shù)狀態(tài)，且不能對(duì)現(xiàn)有冷卻裝置進(jìn)行大規(guī)模改進(jìn)的大型生 產(chǎn)企業(yè)中均可以得到應(yīng)用。綜上所述，本實(shí)用新型利用流體的混沌特性，在某一限定區(qū)域內(nèi)誘發(fā) 流體運(yùn)動(dòng)的混沌現(xiàn)象，對(duì)流體進(jìn)行劇烈的拉伸與折疊，進(jìn)行實(shí)際高效的無 切割混合，從而極大地提高流體的混合質(zhì)量與傳熱效率，提高生產(chǎn)效率， 降低能耗。而且，其可以在不影響系統(tǒng)基本工作條件，不改變冷卻裝置現(xiàn) 有外形，不增加換熱器使用和維護(hù)成本的前提下，增加流體的湍動(dòng)，提高 熱傳導(dǎo)效率。
權(quán)利要求1.一種帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，包括，數(shù)個(gè)冷卻板，串聯(lián)形成冷卻板組；其特征是，所述的一個(gè)冷卻板的進(jìn)口端的管路上串設(shè)一混沌發(fā)生器；各冷卻板之間的管路上分別串設(shè)一混沌中繼器，該混沌發(fā)生器、混沌中繼器由一彎管及相應(yīng)的閥門組成，該彎管分別與冷卻板內(nèi)的冷卻水通道相連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，其特征是，所述的 彎管由數(shù)個(gè)周期彎管形成。
3. 如權(quán)利要求1所述的帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，其特征是，所述的 彎管由四個(gè)周期彎管形成。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，其特征是， 所述的彎管的彎曲半徑與管道半徑比值為8:1 15:1。
5. 如權(quán)利要求1或2或3所述的帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，其特征是， 所述的彎管的扭轉(zhuǎn)角度a為5~15度。
6. 如權(quán)利要求4所述的帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，其特征是，所述的 彎管的扭轉(zhuǎn)角度a為5~15度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種帶混沌效應(yīng)的高爐冷卻裝置，包括，數(shù)個(gè)冷卻板，串聯(lián)形成冷卻板組；所述的一個(gè)冷卻板的進(jìn)口端的管路上串設(shè)一混沌發(fā)生器；各冷卻板之間的管路上分別串設(shè)一混沌中繼器，該混沌發(fā)生器、混沌中繼器由一彎管及相應(yīng)的閥門組成，該彎管分別與冷卻板內(nèi)的冷卻水通道相連通。通過在冷卻板間接入混沌中繼裝置，實(shí)現(xiàn)冷卻板的長(zhǎng)管路混沌效應(yīng)，從而極大地提高流體的混合質(zhì)量與傳熱效率，提高生產(chǎn)效率，降低能耗。而且，其可以在不影響系統(tǒng)基本工作條件，不改變冷卻裝置現(xiàn)有外形，不增加換熱器使用和維護(hù)成本的前提下，增加流體的湍動(dòng)，提高熱傳導(dǎo)效率。
文檔編號(hào)C21B7/10GK201031230SQ20072006924
公開日2008年3月5日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者劉仕虎, 夏欣鵬, 張煥榮, 朱錦明, 楊建平, 趙承鈞 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司