专利名称：热交换器以及包含该热交换器的锅炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及热交换器，尤其是涉及使用在锅炉和废气锅炉中的热交换器。
背景技术：
已经认识到在带销的管道式锅炉的运行期间，在某些情况下会产生不希望的和不可接受的高噪音水平。具有使用在锅炉中诸如销的表面扩大元件的管道在先前的专利公开中已经被描述，例如US5,626,187，W003/005467A1，W003/033969A1，W090/02916A1，在此所有这些公开作为参考结合入本说明书中。
本发明涉及具有对流室的锅炉，该对流室包括多个用于热交换的管道，具体地说，涉及包括管道的锅炉，该管道装配有用于改进热交换的表面扩大元件，诸如多个销。
这种类型的某些锅炉已经被证明会产生不可接受的高噪音水平，并且需要抑制或者消除这种噪声的存在。这些噪音已经被确定由范围在300-700Hz之内的单频音调所组成。对造成该音调产生的噪音产生机构的彻底调查已经进行了分析，并且已经认识到该音调起源于锅炉的对流室。
解决策略分成四个种类。第一并且最简单的方法是在噪音源之后减少噪音，例如通过在锅炉的排气中安装风道消音器。
另一个策略在于阻碍或者中断回流机构。冷态试验的结果表明，如果回流机构被阻碍或者制止，能够实现减少高达60分贝。
第二策略在于在对流室中引入阻尼，以防止声学响应达到某个水平，在该水平下声学响应开始显著地影响作为噪音源头的非稳流结构，并且因此可阻止回流。
第三策略是引入分离板，以将倾向于回流模式的频率移动到激发频率的范围之外。
第四策略是改进销，以充分减少未耦合的激发，使得回流永不出现，或者中断相互作用机构，该相互作用机构会引起能量从平均流动到脉动流动和声场的转换。
这些常规策略不是互相排斥的，并且最终的解决方式可能包括所有四个策略。
声音或者噪声抑制装置已经在诸如EP0876539的专利公开中描述，在此该公开作为参考结合到本说明书中。
发明内容
上述要求以及许多目的，优点和特征将根据本发明的教导，通过在第一介质和第二介质之间交换热的热交换器被获得，其中该许多目的，优点和特征将从根据本发明的用于在第一和第二介质之间交换热的热交换器的当前和优选实施例的下面详细描述中变得明显，该热交换器包括一个壳体，该壳体具有一个包围多个基本上平行的管道的分隔室，该分隔室包括进口和出口，它们如此设置使得第一介质被迫从进口到出口以基本上平行于管道的流向进行流动；多个细长的表面扩大部件，用于改进热交换，每个具有固定到其中一个管道上的第一端，并且相对于流向倾斜且基本横向地延伸到第二自由端。
这些管道以诸如并排设置的许多的几何形状设置在热交换器中，从而形成了类似正方形或者矩形的总的几何形状，优选这些管道构造为蜂巢状结构。
该表面扩大部件由一个薄片形成，该薄片包括一个底座部分和一个包括多个具有自由端的部件的部分。可选择的，该表面扩大部件可以分别地形成，例如，该表面扩大部件能够在单独的过程中成形并且随后固定到该管道上。或者，该表面扩大部件可以与管道整体形成。
在本发明的当前优选实施例中，第二自由端相对于流向位于第一端的上游。在现有技术中已知的表面扩大部件已经被定向，从而使得表面扩大部件的自由端相对于流向位于第一端的下游，并且随后冷凝水积聚表面上以及表面扩大部件和管道的接合点处的问题已经被注意到。之前，该表面扩大部件被这样定向是因为假定这样的定向将产生最低的压降，同时获得最大或者接近最大的传热，但是意外的已经发现对表面扩大部件这样的定向已经加大了噪音水平，而压降仍然一样。
在本发明的当前的优选实施例中，热交换器进一步包括至少一个安装在至少两个管道之间的声音抑制板，从而使得分隔室被再分成两个或多个子分隔室。意外的发现该板可衰减在锅炉中产生的噪音，而不会导致附加的压降。设置具有表面扩大部件的管道，从而使得能够实现单位面积的管道数最高，从而使表面扩大部件之间的间距达到最小。该板可以包含多块装配成单一结构的材料。可选择地，该板是单块材料并且可以被弯曲或者定形，从而使得该板紧密的安装在管道之间的空间中，例如在表面扩大部件之间。
在本发明的当前的优选实施例中，表面扩大部件基本上为管道形。表面扩大部件优选为管道形，即销形。该表面扩大部件的横截面可以采用其它的形状，例如梯形，正方形，矩形，椭圆或者这些形状的任何结合和/或它们的变化。
表面扩大部件可在第一和第二端之间定义一个距离为10到60mm的长度，例如20到55mm，例如40到50mm，例如41到50mm，优选43mm。该表面扩大部件的长度可以与所有的表面扩大部件一样，或者长度可以不同，例如这些表面扩大部件可具有两个不同的长度。可选择地，这些表面扩大部件的长度可沿着管道增加或者减少。进一步可选择地，这些表面扩大部件的长度可以是随机的或者拟随机选择。还进一步可选择地，这些表面扩大部件的长度可以作为离管道上特定的点的距离的函数进行变化，例如离第一个表面扩大部件。
优选地表面扩大部件由钢例如不锈钢制成，或者可选择地由铝或者铜制成。这些表面扩大部件优选由具有高温熔点和高导热性的材料制成。
可选择地，表面扩大部件可以定义为曲线。表面扩大部件可定义为可微分的曲线，或者可选择的，包括弯曲或者中断的曲线，这些表面扩大部件进一步可选择地包括多个弯曲或者中断。
声音抑制板包括多个尺寸在0.01mm到2mm范围内的孔，例如0.5到1.5mm，例如0.75到1.25mm，优选基本上等于1mm。该声音抑制板的孔可以具有不同的尺寸，或者所有的孔具有基本上相同的尺寸。孔的布置或者分布基本上均匀的横过该板，或者孔可以设置在多个特定的区域。
孔可以基本上是椭圆的，圆形的，正方形，矩形或者它们的任意结合。优选这些孔全部基本上为椭圆。可选择地，第一组孔可具有一个几何形状，第二组孔可具有另一个几何形状，进一步可选择地，多组孔中的每组可具有一个特定的几何形状，从而可以结合上述所有的几何形状。
优选地声音抑制板可以由钢，不锈钢，铝，镀锌钢制成，或者可选择的由陶瓷材料制成。
声音抑制板的厚度可以为0.020″到0.2″，例如0.040″，例如0.080″，例如0.120″，优选1mm。
在本发明的当前的优选实施例中，第一介质是烟道气或者空气，第二介质主要是水和/或蒸汽。第一介质优选位于管道之间，并且从炉等设备中携带热量到热交换器中。但是，利用其它流体的另外的实施例可以被设想。热量从第一介质通过表面扩大部件被吸收到第二介质，并且第二介质为水时，依靠在管道中的压力，水最终可以到达一个水可以被蒸发为蒸汽的点。
根据本发明的教导，锅炉，尤其是用于安装在海轮中的锅炉，可以包含具有上述任何方面的热交换器。相据本发明的教导，锅炉可以安装在海轮中，例如运输船(freighter)，货船，货轮，一般货船，油船等等。
在下文中，本发明将参见附图进行更详细的说明，其中图1是包含根据本发明热交换器的锅炉的示意的横截面视图；图2是图1锅炉的示意的垂直剖视图；图3是图1锅炉的对流室的示意的横截面的部分从上到下的视图；和图4是图3片断的示意的提升视图。
具体实施例方式
图1是包括根据本发明热交换器的锅炉的水平截面侧视图，锅炉的整被标明为附图标记10。锅炉10包括安装在锅炉10顶部的燃烧器出口12。燃烧器出口12与位于锅炉10内部的炉腔14流体连通。燃烧室出口12释放火焰16到炉腔14之中。热气借助于侧壁20中的开口18逃逸出炉腔14。热烟道气沿着多个管道24从对流室22的底部通过。管道24装配有多个具有至少两个不同长度的销。在本发明的当前优选实施例中，管道24的下部装配有15排具有34mm长度的销。这些短销装配到管道上用于接收直接来自于炉腔14中的烟道气，并且将其冷却到大约150℃。在这部分中给管道装配长销会导致这些长销熔化。在包括短销26的该部分的上方部分中，可包括至少一个包含长的部分。在当前优选实施例中，长销具有大约43mm的长度。
所有的这些销可以通过电阻焊接法焊接到管道上，例如电阻对焊，电阻闪光焊，电阻冲击焊，电阻缝焊，电阻点焊，可选择的任意其它的焊接技术，进一步可选择的包括它们的结合。这些销可以在管道或者管道部分的形成期间与管道24整体形成。在本发明的当前优选实施例中，在管道24上的销被拉或者推通过一个基体，该基体具有比装配有多介销的管道24的横截面小的横截面，从而导致长销相对管道24的表面被弯曲到一个角度。优选地，短销26不弯曲，但是较小的销也可弯曲的实施例是可以预见的。由于张力和其它的物理现象，长销被从管道24的表面弯曲大约5mm。如果销从管道24弯曲不同的距离，这些销会在特定位置被削弱。
在本发明的当前的优选实施例中，这些销处于基本上的定位位置，但是可以设想第一销可以相对于设置在第一销上方或者下方的第二销进行转换的构造。作为一个可选择的方式将这些销在管道周围放置在水平的圆周上，这些销被设置使得它们形成如建筑的楼梯，该构造通常在采用具有连续表面的表面放大部件的热交换器中可见。可以参考专利公开US3,752,228，US4,258,782，US4,227,572，US4,648,441，US5,240,070，US5,046,556，US3,621,178和US5,617,916，所有这些公开以它们的全部内容作为参考结合在当前的说明书中以用于所有的目的。
已经知道包括销管道的锅炉和热交换器会产生难以接受的高水平噪音。该噪音已经被确定为主要由在300-700Hz范围内的单频音调组成。对造成该音调产生的噪音产生机理的彻底调查已经进行了分析，并且已经认识到该音调起源于锅炉的对流室。
在管道24上销后面的气流中的周期性波动会在这些销自身上面引起不稳定的压力波动，这会在内部作为声源。假定不存在回流，这些声源可合理的近似为具有频率分布的点偶极子，该频率分布的最大值围绕着来自无量纲的斯特劳赫尔数的频率，在此斯特劳赫尔数定义为压力波动的峰值频率乘以销的直径并且除以自由气流平均流速。
如果没有回流，强加在对流室22中的声音的频率响应依赖于该室的结构，并且假定很少或者没有阻尼，对设定的强制产生最大响应的频率等于对流室22的固有频率。但是，当存在显著阻尼时，产生最大响应的频率偏离该模式复杂的固有频率的实数部分。该数学的巧妙对所观察的频率的预测具有重要影响。
通过经验已经可以确定使弯曲的销朝向气流进行弯曲来构造管道24可以减少由在销后面的气流中的周期性波动所产生噪音而不会有附加的压降。在所有锅炉的先前的实施例中，其中锅炉包括具有表面扩大部件的管道，例如销或者镶钢片，该表面扩大部件在随着气流的方向进行弯曲，即下游方向。
噪音可以通过在对流室22的侧壁上引入吸音材料得到进一步的降低，例如Rockwoll材料，可选择地该吸音材料可设置在壁36，44，40和42的外面之间，进一步可选择的吸音材料可应用或者固定到锅炉的外面，例如在从锅炉导出的排气管道的上面，或者可选择的在排气管道之中。
在烟道气已经通过包含短销24的部分和包含长销26和28的部分之后，烟道气通过排气口30从锅炉10中排出。
锅炉10进一步装配有与管道接头24流体连通的贮水槽32。该热的烟道气通过管道24的表面和表面扩大部件，例如在管道上的销，传送热量到管道24，因此将热量传送给从贮水槽32中搜集的在管道24内部的水或者蒸汽。水在管道24内部被加热和蒸发，并且蒸汽上升进入蒸汽室34中，在该室中蒸汽可再次冷凝成水，并且借助于炉腔14的侧壁中的管道返回到贮水槽32中。在本发明的当前的优选实施例中，蒸汽释放到没有图示的系统中，在该系统中蒸汽被用于其它的目的，例如，加热燃烧器12中的油并且用于驱动泵系统，在此也没有示出。在锅炉10内部的水可以从外部水源中进行补给。
图2是沿着线A-A的图1的锅炉的剖视图。图2示出了由四排管道36，38，40和42构成的对流室22中的管道24的布置。这些管道与焊接在相邻管道之间的金属条相互连接，从而建立一个壁。炉腔14由板壁44构成。在构成壁42的管道的顶部，一些管道向外弯曲以建立排气口30，并且在该区域内没有金属条被焊接到管道上。
图2进一步示出了如果在炉腔14中存在燃烧器出口12的布置。许多撑杆46被采用以支撑蒸汽室34的顶部和底部。
在对流室22中，在管道24之间内设置的两个吸音部件50，52被示出。吸音部件50，52部分地用来分隔对流室22，并且因此改变对流室22的音频特性。吸音部件50，52优选为具有不导致压降的特性的类型。在本发明的当前优选实施例中，吸音部件50，52是在EP0876539B1中所描述的材料的板。在本发明的优选实施例中采用的吸音部件是在市场上购买的瑞典的公司Sontech Noisecontrol，产品名称为AcustiMet的产品。
图3是示出了吸音部件52和图1和2的锅炉的多个管道24的盒B的放大视图。管道24放置成蜂窝状的构造，用于实现销和管道的最大密度，但是其它的构造也是可以设想的，例如正方形，圆形或者任何其它的几何构型或者它们的结合。吸音部件52可弯曲，使得其可放置在至少两个相邻的销28之间的狭窄间隙中。在本发明的当前的优选实施例中，销之间的间隙在3到5m之间变化。销之间的理论上的间隙为6mm。
图4是沿着图3的线C-C的简图，示出了相对于箭头R所示出的热气流方向的销28的空间分布，以及吸音部件52的布置。
一旦在锅炉中产生噪音，其就会主要通过排气管道传播到船上。通过锅炉构件传送到机舱的任何噪音相对于从诸如通风系统中来的更高的内部背景噪音水平来说很可能是微不足道的，。
正常的管道消音器可通过采用设置在挡板中的穿孔金属板后面的消音材料来使声音衰减。在锅炉的排气管道中消音器的安装不会消除噪音源，但是可用于在噪音产生之后吸收它。一个1m的消音器根据其能够适应的压降可减少大约15-30dB(A)。
安装消音器是简单，有效和灵活的解决方式。对于在可接受的压降下给予需要的声音衰减，而不会由于流过消音器本身引起附加的噪音增加，适当的消音器的选择是相对直接的工艺规程。
还需要注意到如果除了通过排气管道还存在噪音传播通路，没有在源头上解决噪音问题仍然会产生噪音可以被察觉的可能。
对流室之中的吸声装置引入的目的是防止该室的初始声音响应达到足够促成回流过程的水平。冷态试验的结果表明这是非常成功的方式来消除相互作用机理，并且因此显著地减少声音水平。
在对流室中的吸声装置可以为板，例如实心板或者多孔板。
该多孔板通过维持穿过该板的压差同时允许通过板中的小孔流动来工作。压降是由于惯性和粘滞力的结合所引起的，并且导致声能的损失，其相当于由于在板的两侧上的压力作用中的差异。实际上，该能量通过在流过该板中的粘滞作用而转换为热量。通过颇有策略地将这些板放置在室中，可以实现对于某些模式的非常高的吸收作用。
冷态试验的结果表明采用多孔板可以实现显著的衰减。在一个试验中，所有的音调被完全的除去，导致大约50dB的衰减。
如果安装多孔板为声音解决方式，需要说明的第一个问题是关系这些板的布置，这些板的布置会产生最大的衰减和对阻碍回流作用所必要的衰减量。不幸地，冷态试验的结果不能直接应用到锅炉上，因为锅炉室的模态结构与冷态试验室的结构完全不同。这是一部分由于不同的几何结构，并且部分由于在锅炉中的大的垂直温度梯度。
第一步骤是识别在观察频率和未经处理的锅炉的固有模式的频率之间的一致性。这需要从未经处理的锅炉中得到音调频率的测量值，同样需要该锅炉的对流室的固有频率的计算值。一旦这些易于回流的模式被识别出来，通过在每个模式中对于不同布置计算衰减量就可以确定这些板的最佳布置。通过适当地测量冷态试验的结果，对衰减的适当值做出有根据的估计是可能的，并且由此可以评价所选择的布置是否能够提供足够的衰减来阻碍回流作用。
对于每个锅炉尺寸，确定对流室中板的最佳布置的过程是类似的。
板的声学特性可由其电阻率进行描述，其描述了在穿过该板的压降和通过其的流速之间的关系。电阻率具有与声阻抗相同的单位，并且板的最佳电阻率等于其所放置的空气的阻抗。这是一个必须说明的关键的问题，当其在热的锅炉中作为解决策略接近多孔板时，在此温度沿着该室的轴心显著变化。在计算中适当的电阻率问题必须被阐明以确定最优的板布置。在给定温度下传送最佳电阻率的孔径尺寸的问题也必须阐明。
对多孔板的可选择的方式是位于该室的壁上的吸声材料。单个最重要的实际问题是确定一种能够在锅炉中承受高温并且同时能够提供足够的声音吸收来阻碍回流作用的材料。
位于壁上的绝缘材料随着时间其声学特性会发生一定的退化，除非进行定期的和适当的清洁。
假设能够找到合适的材料，适当的安装其的过程与穿孔的板的安装过程大致类似。但是在这种情况下，为阻碍回流作用必需衰减多少这一问题是十分重要的，并且主要的问题涉及到吸声材料需要放置其上的壁的数目以及实现所需衰减所必需的材料的数量，特别是其厚度。
冷态试验结果的测量连同每个模式下的衰减计算一起可允许有根据的估计怎样构成充分的衰减，不论给定的布置是否会提供足够的衰减来阻碍回流作用。
引入吸音到该室的可选择的解决方式是用实心板将室隔开，试图创建多个较小的室，这些较小的室的截面模式具有比在锅炉中观察到的最大流速的最高激发频率更大的频率。
在室顶部的温度可确定最低频率，在该频率下给定的截面模式能够存在。锅炉顶部的温度约300℃。为了最低的截面的固有模式的频率在300℃时大于700Hz，子室的最长长度应该不超过大约30cm。这相当于将该室分为三角形的子室，每个子室包围三个销管道。
最终的解决策略在于引导不稳定流以试图引起不会导致能够与流动显著地相互作用的声音响应的激发。实现比目的有两种方式。第一，，如果斯特劳赫尔数能够被减少以使最高激发频率保持在截面模式的最低频率之下，那么回流可以被避免或者被延迟到更高的流速。第二，其可能在流动中利用三维效果，以产生对声学响应的影响较少一致、较少关联和较少敏感的激发。
试验已经表明当43mm销以标准方式进行弯曲时，能够产生最显著的改进，但是相反方向除外，从而使得它们被定位成倾斜于与固定端上游的销自由端的流动。该构造导致在噪音水平的改进以及音调开始中的延迟到更高的速度。
与标准的43mm销配置相比，250Hz左右的音调的开始从8.7ms-1延迟到9.3ms-1(7％)，但是伴随的噪音水平在开始时高7dB，并且在最大值处高3dB。420Hz左右的音调从13.9ms-1延迟到15.8ms-1(14％)，噪音水平在开始时降低7dB，并且在最大值处降低5dB。最后，690Hz左右的音调从21.1ms-1延迟到23.6ms-1(12％)，噪音水平在开始时降低16dB。
这些结果看来表明在音调开始处延迟大约10％。应用到锅炉上，这将意味着在70％负荷下出现的音调将延迟到大约75％。在调整之后，在93％负荷下出现的音调将延迟到96％。
权利要求
1.一种用于在第一介质和第二介质之间交换热量的热交换器，包括一个壳体，该壳体具有一个包围多个基本上平行的管道的分隔室，所述分隔室包括进口和出口，它们如此设置使得所述第一介质被迫从所述进口到所述出口以基本上平行于所述管道的流向进行流动；多个细长的表面扩大部件，用于改进热交换，每个具有固定到其中一个所述管道上的第一端，并且相对于所述流向倾斜且基本横向地延伸到第二自由端。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第二自由端相对于所述流向位于所述第一端的上游。
3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括至少一个安装在至少两个所述管道之间的声音抑制板，从而使得所述分隔室被再分成两个或更多的子分隔室。
4.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述表面扩大部件基本上是管道形状。
5.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述表面扩大部件在所述第一端和所述第二端之间定义一个范围为10到60m的长度，例如20到55mm，例如40到50mm，例如41到49mm，优选43mm。
6.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述表面扩大部件由钢制成，例如不锈钢，可选择的由铝或者铜制成。
7.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述表面扩大部件定义为曲线。
8.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述声音抑制板包括多个尺寸在0.01mm到2mm范围内的孔，例如0.5到1.5mm，例如0.75到1.25mm，优选基本上等于1mm。
9.如权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述孔基本上为椭圆形，圆形，正方形，矩形或者它们的任何结合。
10.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述声音抑制板由钢，不锈钢，铝，镀锌钢或者陶瓷材料制成。
11.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述声音抑制板可以具有0.020″到0.2″的厚度，例如0.040″，例如0.080″，例如0.120″，优选1mm。
12.如前述任一权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述第一介质是气体，优选为烟道气，并且所述第二介质主要为水和/或蒸汽。
13.一种锅炉，特别是安装在海轮中的锅炉，其包括根据权利要求1至12中任一权利要求所述的热交换器。
全文摘要
本发明涉及一种用于在第一介质和第二介质之间交换热量的热交换器，其包括一个壳体，该壳体具有一个包围多个基本上平行的管道(24)的分隔室，该分隔室包括进口和出口，如此设置使得第一介质被迫从进口到出口以基本上平行于管道的流向(R)进行流动；多个细长表面扩大部件(28)，用于改进热交换，每个具有固定到其中一个管道上的第一端，并且相对于流向倾斜且基本横向地延伸到第二自由端，第二自由端相对于流向位于所述第一端的上游，该热交换器进一步包括至少一个安装在管道之间的穿孔的声音抑制板(52)，从而使得分隔室被再分为两个或者更多的子分隔室。
文档编号F28F1/34GK1989387SQ200580011479
公开日2007年6月27日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年4月1日
发明者托马斯帕拉普·波泽森, 奥拉夫·克努森 申请人:奥尔堡工业有限公司