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3.4.4可自动调节长度比的充气热管⑵

日期:2022-01-11 01:21:00点击:396

3.4.4可自动调节长度比的充气热管⑵
为了提高能源利用率,能源设备(如锅炉等)的排烟温度要求尽可能降低,由原来的 200 -180℃的排烟温度,降至160 ~ 150
,甚至要求降得更低,达120 - 100 这时,热管式空预器.热管式省煤器等设备遇到的最大挑战是烟气的酸露点腐蚀。为了避开露 点腐蚀,通常所采取的技术措施是:
① 改变加热段和冷却段的长度比;
② 在冷却段采用大节距的翅片,甚至采用光管,进一步改变两段的传热面积,以期提 高加热段的壁面温度;
③ 调整烟气和空气的质量流速,以期改变烟气和空气侧的换热系数。
在采取了上述--系列技术措施后,虽然一部分应用取得了成功,但是仍有部分热管换 热器没能避免露点腐蚀,原因如下:
① 用户给出的排烟流量和温度数据不够准确,或者由于上游换热设备的运行情况发 生了变化,往往使实际排烟温度低于设计数据,或岀现较大的波动,因而造成露点腐蚀匚
② 设备(锅炉)经常停炉。频繁的停炉,开机,使设备经常处于低温,低负荷下运行, 因而极易产生腐蚀。
③ 在北方.冬季空气进口温度长期低于设计入口温度,因而冬季成为露点腐蚀的高发 季节;而在南方,由于空气的湿度过大,造成了排烟的湿度增加,从而改变了烟气的酸 露点。
④ 燃料品质,含硫的变化,水分含量及过剩空气系数的变化都会改变烟气的酸露点 温度。
⑤ 腐蚀和积灰的相互影响,相互促进,是设计者难以预料的。

为了对付露点腐蚀,热管本身应具有某种自动调节能力,能自动改变参与换热的长度 和面积,以保证在任何情况下都可避开露点温度。为此,需要应用可以自动调温和改变传 热功率的充气热管。所谓充气热管,就是在热管的冷凝段内充装上一定量的惰性气体,根 据管内介质的温度和压力的变化,惰性气体会自动地改变占有的体积和充气长度,从而改 变和调节管内蒸汽温度,以达到避开露点腐蚀的目的。充气热管在相关文献上称为“可 变导热性热管”。为了将这一技术应用于低温烟气的余热回收,为防止露点腐蚀开辟一 条新的途径,需要解决一系列设计和工艺问题。充气热管的物理模型如图3. 4. 1所示。
图3.4. 1充气热管的物理模型
3.4. 1是对热管空预器的典型结构而言的。图中d。为热管(基管)外径,m为 热管(基管)内径为热管蒸发段长度如为冷凝段中实际换热长度为充气 长度,为热管冷凝段长度为绕流热管蒸发段的烟气温度,为 绕流热管冷凝段的空气温度,为热管蒸发段的壁面温度,为热管蒸发段的管 内蒸汽温度,为热管冷凝段的管内蒸汽温度,为热管内平均蒸汽温度,为充气段内的气体温度,为蒸发段从烟气()至管内蒸汽()之间的传热系数,  为冷凝段从管内蒸汽()至管外空气之间的传热系数
根据热平衡原理,从蒸发段加入的热量应等于从冷凝段传出的热量,即

由此可求出壁温,注意到

(3. 4. 11)将壁温与充气段的长度联系在一起,这样就可以通过充气段长度 的自动变化,起到调节壁温的作用,从而防止露点腐蚀的发生。式3. 4. 11)可解岀充气 段长度为

根据式3. 4. 11)和式(3.4. 12),充气段长度的计算可通过下面的实例加以说明。
3.4.4 一台热管空气预热器的几何特征为:基管外径为38 mm,基管内径为
32 mm,壁厚3 mm,蒸发段长度
 = 2.0m,冷却段长度=1.5 m,基管外面都带有环形翅 片,翅片间距都是8 mm,翅片高都是16 mm烟气入口温度为220℃,出口温度为150; 空气入口温度为20,出口温度为100
经过计算,排烟的酸露点为120
,为了防止露点腐蚀,拟采用充气热管,希望使所有 热管的壁温都在130以上,试计算该热管所需要的充气段长度。
解 按烟气流动方向的最后一排管进行计算,因最后一排管首先遭遇露点腐蚀,其对 应的烟气温度
=150 空气温度=20,烟气侧基管壁温蒸发段传热 系数知和冷凝段传热系数知可由热管的传热计算得到,此处假=
由式(3.4. 12)可求出:
说明在末排热管内,充气段的长度应达1. 14 m才能保证 这意味着, 1.5 m的冷却段长度的绝大部分被气体充满。
为了推导所需充气的质量,需做下面几点假定:
① 充气段
与冷凝器工作段之间的分界面是平面;
② 充气段内的温度
为因为充气段不参与换热,可以认为充气段内的温度等于 管外的空气温度;
③ 充气段内充满着装入的气体分子与工质的蒸汽分子的混合物,气体分子的分压力 为
对应而蒸汽分子对应的分压力为(也对应)两者之和等于热管内蒸汽 的总压力(对应),即

④ 充装的气体适用于理想气体定律;
且壁温与管内蒸汽温度十分接近,取
对热管内的充装气体应用理想气体定律:


(3.4. 13) 式中,为充气分压力,为充气体积,为充气段横截面积,为气 体常数,气体温度,等于外界空气温度为充气质量,kg
由式(3.4. 13)可解出充气所需质量:
根据例3.4.4中所选用的参数对于水蒸气:在下, ,对于 充气为氮气的情况下,由式(3. 4. 14)可解出充气质量:=0. 002 83 kg = 2. 83 go
应当指出,对于不同的热管尺寸和不同的冷热流体参数,只要选定了一个避开露点腐 蚀的壁面温度T*数值,就可按本例的计算方法,由式(3. 4. 14)计算出应该填充的气体 质量。
如何将确定的气体质量充装到热管中是充气热管制造的关键技术之一。该技术需要 与现有的热管制造工艺相结合,且设备简单,容易操作,成本低廉。有关充装工艺可参考 文献[23]
当确定了热管的充气量以后,还需对该充气热管进行变工况计算,即计算该热管在不 同烟气温度和空气温度条件下的充气段长度
及对应的壁温。按例3.4.4中设定的 条件,计算结果见表3.4. 1
3. 4. 1充气热管的变工况计算

工况No. 烟气温度 空气温度 充气段长度/ 充气段相对长度/ 加热段壁温
1 124 0 1.44 0. 960 120
2 150 20 1. 14 0. 760 130
3 180 60 0. 76 0. 507 148
4 193 85 0. 67 0. 447 161
5 222 100 0.43 0. 286 179.5
 
 
3.4. 1中所列出的壁温
由式(3. 4. 12)和式(3. 4. 14)联立求解得到。 此外,在设计和制造时还应考虑以下方面:
(1) 填充气体的选择:化学稳定性好,与管材和工质不起化学变化,可尝试选择氮气 或其他惰性气体;符合理想气体状态方程;无毒,便宜,容易获得。
(2) 最佳气体充装量的选择,应满足下列条件:
① 在最高的烟气温度条件下,充气段长度
为冷凝段长度。20% -30%比较合 理,因为值代表了不参加换热的空间,值过大,将使设备的经济性下降。
② 当烟气的入口温度接近或低于露点温度时,充气段长度应占据整个冷凝段空间,使 实际的冷凝段长度接近于零。如表3.4. 1中的工况No. 1所示。
(3) 逐排设计和变工况计算
对于含有充气热管的空气预热器或热管省煤器,应沿烟气流动方向逐排计算,确定流 经每一排热管的烟气温度和空气温度,作为充气量计算的依据。
(4) 分段设计
可将整台热管换热器分为两段:高温段为常规热管换热,低温段为充气热管换热,通 过反复计算,确定其分界点。
应用充气热管防止露点腐蚀,对热管换热器的设计和制造是一个新的尝试,期望该技 术能进一步完善并取得应用经验。

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