用于回收烟道气体余热的热管式蒸汽发生器的工艺设计

我国工业余热资源丰富, 但余热回收利用效率低下, 尤其是中低温烟气余热利用较少, 节能潜力巨大。热管式蒸汽发生器简称热管余热锅炉, 用热管传热, 吸收烟气余热用来加热水产生蒸汽, 继续用于工业生产或民用, 是一种应用广泛的余热利用设备。

一、工艺设计

1.设计条件:烟气进出口温度T1j、T1c, 给水温度T2j, 出口蒸汽压力P, 烟气送风压力, 烟气流量V1。

2.传热量计算:计算烟气定性温度T1= (T1j+T1c) /2, 根据此温度查出烟气的比热容Cp1和密度ρ1, 则单位时间内烟气放出的热量Q1=ρ1×V1×Cp1× (T1j-T1c) , 取散热损失率10%, 则单位时间内水吸收热量Q2=90%Q1, 由出口蒸汽压力P查出出口蒸汽温度T2c, 并查出出入口水的焓值i1、i2, 计算出水蒸气的产量M2=Q2/ (i1-i2) 。

3.热管数量计算:根据

计算热管工作介质温度Tv, n为蒸发器内介质系数, 本例为水, n=5。根据Tv选择适用于此温度的热管工作介质。热管管材一般选铜或者碳钢, 为了简化工艺降低成本, 本例采用重力无芯热管。由于气-汽换热, 热管在烟气侧采用翅片管, 水侧采用光管。根据翅片和热管的几何尺寸可以算出翅片热管的翅化比β, 翅化比表示的是单位长度上的翅片管的总外表面积与单位长度上的光管的外表面积的比值。对于气-汽型换热, 不计算其流动长度比, 只计算其经济长度比和安全长度比。

其中气体在翅片管外对流的换热系数k1=40β, 水在管外沸腾换热系数取值k2=5000w/m2.℃。安全长度比

安全长度比要大于经济长度比, 据此来验证选择的经济长度比是否安全, 继而确定热管加热段和冷凝段的长度l1和l2。一般热管换热器的设计规定迎面标准风速为2~3m/s, 考虑风速大不容易积灰, 取上限wn=3m/s, 使用过程中安排人员合理定时清灰。迎风面的宽度E=V1/ (wn*l1) 。计算对数平均温差:

总传热面积A=Q1/ (k0*Δt) , k0, 为总传热系数, 查表选择k0=320w/m2.℃。总管子数n=A/ (πd0l1) , 其中d0为热管外径。管子采取三角形排列, 取横向管间距s, 则迎风面管子数n1=E/s, 取流动方向管子排数为n2, 则n2=n/n1。

4.安全验证:管外烟气侧放热系数

其中根据烟道气定性温度取烟道气导热系数λ1=0.06087, 烟道气动粘度系数u=0.000033095, 烟道气普朗特系数Pr=0.6355, G1max为最窄截面处流体质量流速, y为翅片间隙, h为翅片高度, η为传热效率,

其中G1为烟道气迎风面质量流量, δ为翅片厚度。管外冷却段沸腾放热系数α2=0.106Pc0.69q0.7 (1.8R0.17+4R1.2+10R10) ,

Pc为流体的热力学临界压力221.2巴, R=P/Pc。管壁热阻

其中λw为管壁材料的导热系数, 这里取40m2/℃W。污垢热阻, 对于烟道气取R污=0.001m2/℃.W。

传热系数K0的计算:

需要的传热面积A0=Q1/K0Δt, 由于实际选用的传热面积为A, 大于上值, 是安全的, 无需重复计算, 否则需要重复计算。

二、结语

热管式蒸汽发生器的冷、热流体完全分开流动, 可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动, 由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数, 用于品位较低的热能回收场合非常经济。对于含尘量较高的流体, 热管式蒸汽发生器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决热管式蒸汽发生器的磨损和堵灰问题。

摘要：介绍了热管式蒸汽发生器, 通过传热量、长度比、对数平均温差等的计算确定了热管的数量, 并通过安全验证进行了校核, 以期为热管式蒸汽发生器的工艺设计提供参考。

关键词：热管,蒸汽发生器,余热回收,工艺设计

参考文献

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