文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123010
余热回收脉动热管换热器设计计算
唐志伟,韩雅芳,张宏宇,蔡博,刘爱洁
(北京工业大学环境与能源工程学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,北京 100124)
(Tel: **********, E-mail: tangzhiw@)
摘要由于脉动热管具有结构简单、高热流密度、传热性能好等优点,将脉动热管技术应用于余热回收领域中是节能减排一项有效措施。本文针对10t的燃重油蒸汽锅炉设计出一套脉动热管余热回收换热器,通过回收锅炉高温烟气的热量用于预热锅炉给水,从而实现锅炉烟气余热回收,降低排烟温度,提高锅炉热效率,达到节能减排的目的。
关键词蒸汽锅炉;余热回收;脉动热管换热器
0 前言
我国工业能源消费占全国总能源消费的70%[1]以上,众多工业部门都存在着能耗比例大、能量利用率低等问题。锅炉是我国主要的热能动力设备,国内锅炉排烟温度在200℃左右,有的甚至高达250℃[2],可见,高温的锅炉烟气中具有较大的节能潜力。
脉动热管是一种结构简单、新型高效、可工作于高热流密度下的传热元件,与传统热管相比,脉动热管具有表1中各项优势,大大扩展了其应用场合降低应用成本。目前,国内脉动热管技术在实际工程中应用甚少,而关于脉动热管换热器设计原则及流程也无明确规范,本文设计出换热器回收锅炉烟气余热的流程图并通过实例进行换热器的设计计算。
表1 脉动热管与普通热管
热管类型优点
普通热管
脉动热管
吸液芯结构
有
无
受重力影响
是
否
蒸发、冷凝段长度
有要求
无要求
制造工艺及成本
结构复杂,成本较大
结构简单,成本低廉
体积/传热面积
大
小
换热流体相接触
是
否
余热回收过程如图1所示:一个环路中高温烟气从蒸汽锅炉中排出后经热管换热器内部热交换后降温并排放,另一环路中常温软水经保温水箱后通过循环水泵进入热管换热器,与其内部烟气热交换温度升高后,重新进入保温水箱进行换热,再经高压水泵送入蒸汽锅炉中。
图1 脉动热管换热器余热回收示意图
1 脉动热管参数的确定
热管的参数主要包括管内工质及材料、充液率及倾斜角度、管径及横截面形状、壁厚等。由工程实测数据,10t燃重油蒸汽锅炉出口烟气温度在260℃左右,因此,换热器设计进出口烟气温度分别为260/160℃,水进出口温度分别为30/40℃。
工质及材料的选择
管内工质及材料确定时应考虑管壳材料本身性质及其与关内工质相容性等因素[3],经大量实验证明,水与铜在250℃时可长期相容[4],饱和水蒸汽在250℃[5]。因此,热管选取铜作为管壳材料,水为管内工质。
充液率及倾斜角度的确定
脉动热管存在一个最佳充液率范围,经文献[6-8]验证最佳充液率与脉动热管的工质种类、管径、加热模式及弯头数等因素有关,在工程应用中可取充液率为60%。
由于在适当的结构及运行条件下,脉动热管在倾角范围-90°~90°内传热性能差别并不大[8],因此换热器内部将脉动热管置于垂直于地面方向,为避免冷凝端压力过大,将热管在竖直平面内倒置,即蒸发、冷凝段分别位于左右两端。
热管管径及截面形状的确定
根据脉动热管的运行机理,管径过大会引起表面张力作用减