晨怡热管 >> 资料积累 >> 换热散热 >> 热管换热器在烟气余热回收中的应用

热管换热器在烟气余热回收中的应用

晨怡热管 中国石油大学(华东)机电工程学院 (山东257061) 王斌斌 仇性启 2010-3-4 1:35:18
【摘要】 介绍了热管技术,并分析了其传热机理。热管换热器具有许多独特的优点,已经获得了广泛的工业应用,应用主要集中在中低温余热资源回收利用方面,应完善高温热管,以拓宽热管换热器在高温余热资源中的应用。
    【关键词】 热管  热管换热器  烟气  余热回收
    一、前言
    目前,国内外烟气余热同收装置,有回转式换热器、焊接板(管)式换热器、热管换热器、热媒式换热器,同时还有有效吹灰或加装程控吹灰装置、加装低压省煤器等,其中以热媒式和热管式为主。热媒式换热器由于运转设备多,设备维护和运转费用高,对系统的要求十分苛刻,在国内应用较少。热管是一种新型、高效的传热元件,其内部是靠工质循环实现热量传递,它的当量热导率可达金属的1o3--1o4倍。以热管为传热元件的热管换热器较其他型式换热器具有独特的优点,在利用热能、回收废热、节约原料、降低成本等方面,特别适用于中低温的余热回收,广泛应用于锅炉余热回收,取得了明屁的节能效果。
    二、热管的工作原理及基本特性
    热管是一个封闭系统,由管壳、吸液芯和工质组成(如图1所示)。管壳通常由金属制成,两端焊有端盖,管壳内壁装有一层由多孔性物质构成的管芯(若为重力式热管则无管芯),管内抽真空后注入某种工质,然后密封。热管利用工质相变的物理过程,以潜热的形式传递热量。当热管的蒸发段被加热时,管内的工质吸收潜热被蒸发,变成蒸汽,压力增大后沿中间通道流向另端,蒸汽在冷凝段接触到冷的吸热芯表面,冷凝成液体并放出潜热;工质在蒸发段蒸发时,其汽液交界面下凹,形成许多弯月形液面,产生毛细压力,液态工质在管芯毛细压力和重力等的同流动力作用下义返同蒸发段,继续吸热蒸发,如此循环往复,工质的蒸发和冷凝便把热最不断地从热端传递到冷端。
                        
    螺旋槽管其强化传热的机理为:壳程流体在非传热界面的区域,如管问支撑物的局部地区,形体阻力损失很小,而大部分的流体压降町用米促进传热管传热界面上的流体湍流,能以较低的流体输送功获取较高的传热膜系数;螺旋槽管可利用粗糙的传热肋面来促进流体边界层的湍流度,减薄传热滞流底层厚度,从而强化边界层传热,螺旋槽管明显地强化了管内传热,同时,对于管外流体横掠管束而占,螺旋槽管表面的凹槽有利于边界层流体的分离和强化流体的扰动。因此,管外流体的换热能力也有所提高。
    节距P和槽深e是影响螺旋槽管传热的主要因素。当节距一定,槽道越深或当槽深一定,节距越小时,螺旋槽管强化管外凝结换热的效果越显著。降低了层流热阻,提高了液流传热系数,但同时也提高r液流的扰动性,使液体微团间产生相互混合掺混摩擦,消耗T部分能量,故而流阻高于光管。槽道深度对液膜厚度的影响非常明显,在浅槽范围内,槽道越深,液膜越薄且均匀一致,强化传热的性能越好。
    三、热管换热器的结构和基本特性
    1.热管换热器的结构
    热管换热器是常见的结构,如图2所示。
                          
    利用热管能够方便地在热源与冷源问实现热传递,把若f支路热管组装成一体,中间用隔板把热管的蒸发段和凝结段隔开,形成l『冷、热介质的流道,把热源中的热量源源不断地传给冷源,这种热管元件的组装体就是热管换热器。
    典型的热管换热器,其外形一般为长方体,主要部件为热管管束、外壳、隔板。热管的蒸发段和凝结段被隔板隔开。热管管束、外壳、隔板组成了冷、热流体的流道。隔饭对热管管束起部分支排作用,其主要功能是密封流道,以防止两种流体的相互渗透 热管元件的蒸发段和凝结段外壁均加装翅片,其目的是强化整个传热过程;两侧流体均为乖直横掠流动,提高了传热系数。为防止烟气秘尘堵塞,烟气侧翅片间距较大;在空气侧,气流较清洁,为获得较高的翅化系数,肋片间距可取小些。热管管束一般为错列布置,这样可使放热系数提高。热管管束安装位置有水平、倾斜和垂直三种。
    从热管换热器结构型式来看,可分为整体式、分离式、凹转式和组合式。
    2.热管换热器的基本特性
    热管换热器与其他形式的换热器比较起来有许多的优点,但最本质的和最独特的有以下几点:
    (1)传热性能好 热管换热器优良传热性能的获得,首先是在两流体侧均方便地实现了翅化,增大了冷热流体的热交换面积,大大减小了两侧的对流热阻,因而强化了整个传热过程;其次,把传统的换热器的交叉流型改为纯逆流流动,在不改变冷热流体人口温度的条件下,增大了该传热过程中冷热流体换热的平均温压;再次,把一侧气体的管内流动改为垂直外掠流动。这三方面的原因可使热管换热器较其他形式的换热器,特别是常规管壳式换热器的传热性能好得多。
    (2)冷、热流体两侧的传热面可以自由布置热管换热器的传热元件是热管,其蒸发段、冷凝段长度及翅化比按给定的传热量、流体温度、流量以及各流体的性质及清洁程度等各侧独立决定,两侧互不牵连。这就从结卡句卜确保热管换热器能适用于温度、流量及清洁稗度相差恳琳的两种流体I'NJ的传热 这一特点,其他形式的换热器(管壳式、板式、 转式等)均不具有。
    (3)传热而 部破坏时,能确保两流体彼此不掺混热管换热器杜绝流休问掺混现象。在这种换热器中,当一热管元件某一端壳壁损坏时,造成的影响仅仅足该元件火效I酊停止传热,两种流体仍被元件另一端的壳壁隔开,通过元件壳壁的泄漏 会发生(除非同一元件的加热段、冷却段壳壁同时损坏,这种情况极其少见),因而能确保流体的品质不致变坏。再加上单根热管元件损坏后更换方便,并不影响换热器整体。凶而存流休品质要求严格,冷热流体不能相瓦污染的情况下进行热交换时,热管换热器自然是理想的换热设备。
    (4)热管换热器有较高的防积灰堵灰能力 热管是烟气在管外壁流动横掠换热,州气的扰动性加强 冉加上热管壁温高,管擘壁温高,管外始终呈干燥状态,因此,也就不会结膜不易黏附烟灰,因而它就能有效地防止堵塞。
    (5)热管换热器有较高的抗低温腐蚀的能力烟气进入低温受热面后,其中的水蒸气可能用于烟温降低或在接触温度较低的受热面时发牛凝结。烟气中水蒸气开始凝结的温度称为水露点。水露点一般比较低,所以一般不易在低温受热面发生结露,但如果凝结时可能使受热而金属产生氧腐蚀。
    当燃用含硫燃料时,硫燃烧后形成二氧化硫,其中一部分会进一步氧化成 氧化硫。 氧化硫与烟气中水蒸气结合成硫酸蒸气。烟气中硫酸蒸气的凝结温度称为酸露点。它比水露点要高很多。烟气中三氧化硫含量愈多,酸露点就愈高。 烟气中硫酸蒸气本身对受热面的工作影响不大。但当它在壁温低于酸露点的受热面上凝结下来时,就会对受热面金属产生严重腐蚀作用。这种由于金属壁低于酸露点而引起的腐蚀称为低温腐蚀。强烈的低温腐蚀通常发牛在低温级空气预热器中空气和烟气温度最低的区域。烟气刈受热面低温腐蚀常用酸露点的高低来表示。露点愈高,腐蚀范围愈广,腐蚀也愈严重。其腐蚀速度与金属瞳面温度有很大关系,如图3所示.
                         
    由图可见,随着金属壁断温度的降低,出现两个严重腐蚀区和两个相对安全区。对于一定的煤种及运行方式,腐蚀曲线也足一定的。对于一般的管式空气预热器采用诸如提高排烟温度和热风再循环以及暖风机提高入口温等措施,可以避开第一个严露腐蚀区,但是,第一个严重腐蚀区腐蚀是难以避免的。而对于热管空气预热器,在设计中,可根据锅炉工况特点调整热管加热段和冷凝段的长度,以及调整低温处热臂冷、热两段翅片的间距、数量等办法来调整炯气侧与空气侧的热阻比,从而达到控制热管壁温的目的。使烟气侧壁温高于运行工况酸露点温度,而避开硫酸蒸气的结露。
    四、热管换热器的评定
    换热器性能改善的目标函数有四个。
    1)减少换热面积F,缩小换热器的体积。
    2)增加换热器的传输热量Q。
    3)提高校加热流体的出口温度,这意味替换热器两传热介质之间平均温度差△Tm的减少。
    4)降低流体的压力损,火△p及减少流体输送功率N,对于F、Q、△Tm及△p(或功率消耗N)等四项日标中.在另外三项一定时即可得出该项目标函数的性能评判准则。
             
    由于热管内工作液体的蒸发温度Ts干u蒸汽凝结温度Te基本相等,工作液体的汽化潜热和蒸汽的凝结热相等,因而工作液体的蒸发量和蒸汽的凝结量也相等,则工作液体吸收烟气热量使熵的增加和工作蒸汽凝结放热使熵的减少相互抵消,所以△St由以下两部分组成
    1)高温烟气流过热管换热器时,由于吸热使熵减少
                
    冷流体水是不可压缩流体,由于压差流动引起的熵增为:
                 
    设热管换热器总的熵增率为S,也就是热管换热器每传递单位热量所消耗的可用能
                
    热管换热器总的熵增率为S,其值越小,热管换热器的热经济性越好。因此,可以把系统总的熵增率作为不同形式的热管换热器在不同情况下的经济性评价指标。
    五、热管换热器的应用
    热管换热器应用较多的场合是:工业锅炉或工业窑炉用来加热空气的热管式空气预热器及用来加热给水的热管热水器;电站锅炉中用来代替蒸汽暖风器的前置式热管空气预热器及空调制冷中用来回收余热的热管式换热器、热管锅炉、热管蒸发器等。
    1.热管式空气预热器
    热管空气预热器是气—气换热器的一个典型代表,它利用锅炉、加热炉等排烟余热、预热进入炉内的助燃空气,不仅可提高炉子的热效率,还可以减轻对环境的污染,因此,热管空气预热器在余热回收利用中得到了非常广泛的应用。
    热管空气预热器外形一般为长方体,主要部件为热管管束、壳体和隔板。隔板、壳体内壁和热管束外壁问的空间即为热、冷流体流道,隔板对热管束起部分支撑作用,其主要功能是密封流道,以阻止两种流体相互掺混。
    热管元件的蒸发段和凝结段外壁均加装翅片,其目的是强化整个气一气传热过程;两侧气体均为垂直横掠流动,提高了传热系数。但热管空气预热器的管外翅片存在积灰和增大阻力降的问题,目前热管空气预热器的结构较简单,导致其冷热流体问的换热并不充分。
    2.热管蒸发器(余热锅炉)
    余热锅炉与常规余热锅炉相比,前者更具有明显的优越性,其体积紧凑,传热效率高,结构简单,维修方便,更重要的是如果单根热管破坏不影响设备运行,提高了设备长期运行的可靠性。不论是采用高温空气预热器方式还是采用高温热管蒸汽发生器方式,烟气温度可将至2OO~C以下,这对大型加热炉的热回收率的提高有很大意义。
    国内外许多加热炉采用了余热锅炉和空气预热器相结合的流程来回收烟气的高温余热。即首先将高温烟气通过余热锅炉降至500—600℃温度范围。产生1.9—3MPa的蒸汽,降温后的烟气通过空气预热器将空气预热至250℃,烟气温度降至300℃以下进入热管省煤器,将105℃的脱氧水加热至250℃左右。烟气温度降至300℃以下,经引风机送至烟囱排放。这种流程的优越性在于,余热锅炉可以以较少的设备投资回收烟气高温部分的余热,所产生的蒸汽如果可以外销则在极短的时间内收凹投资,空气通过预热器可以加热至300℃以上,一次能耗可以节约14%---18%,这是最合算的流程,如果采用蒸汽透平发电,再将背压蒸汽外销,也是一种经济效益很好的方案。热管空气预热器和热管省煤器可以在较低的条件下充分发挥其传热效率高和体积紧凑的特点。
    六、结束语
    针对热管换热器的结构、原理、评定准则进行了分析,并总结了其在工业领域中的应用情况。同时热管换热器在烟气余热回收中也有广泛的应用,主要集中在中低温余热资源的余热回收利用。其发展是完善高温热管,降低其成本,提高其可靠性,以拓宽热管换热器在高温余热资源中的应用,提高热管换热器与其他形式高效热交换器的竞争力。
    参考文献
    1.顾维藻,马重芳.强化传热[M]。北京:科学技术出版社,1990
    2 杨世铭,陶文铨.传热学:第3版[M].北京:高等教育出版社,1999
    3 沈维道,蒋敏智,童钧耕。工程热力学:第3版[M].北京:高等教育出版社,2001
    4 姚寿广,屠传经,朱德书.管内强化换热元件综合热力性能分析及评价[J].动力工程,2002(3)
    5.林宗虎.强化传热技术及其工业应用[M].北京:机械工业出版社,1987
    6.[日]山本格.日本的热管技术及其应用[J].能源工程,1996(3)
    7.庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社。2000 GM
责任编辑: banye 参与评论
本站地图|热管配套|企业邮局|产品说明

Copyright © 1996-2010 China Harbin DawnHappy Heat Pipe Technology Co., Ltd.
哈尔滨晨怡热管技术有限公司   电话:0451-82589558 82589508 82589538   传真:0451-82552085 技术支持:13704813968
地址:哈尔滨市南岗区南通大街256号  邮编:150001  电子信箱:heatpipe@yahoo.cn   heat-pipe@hotmail.com heat.pipe@yahoo.com.cn 
本站永久域名:http://china-heatpipe.net     http://heatpipe.net.cn    http://rg.nx8.net     http://nx8.net  
中华人民共和国信息产业部ICP/IP地址信息备案:黑ICP备07500228  哈尔滨市公安局国际联网备案登记:哈公网监备23010002001165

Powered By: KingCMS 3.0 Beta