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分離式熱管換熱器蒸發段傾角參數研究

點擊:1822 日期:[ 2014-04-26 21:08:01 ]
                   分離式熱管換熱器蒸發段傾角參數研究     賈東坡1劉忠1鐘曉暉2趙斌2劉清晨1趙舉貴1王喆1邢士偉3     (1.華北電力大學,2.河北聯合大學,3.華北電力科學研究院有限責任公司)     摘要:分離式熱管換熱器蒸發段傾斜布置傾角是其關鍵參數。以某電廠490 t/h循環流化床鍋爐煙氣余熱回收工藝為研究對象,參考以往對分離式熱管特性的研究,綜合考慮了傾角對分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等方面的影響,確定了蒸發段最佳傾角設計范圍為7°~15°,研究結果可為分離式熱管換熱器在循環流化床鍋爐煙氣余熱回收裝置的工藝優化提供參考。     關鍵詞:分離式熱管換熱器;傾角;余熱回收;傳熱特性;流動特性     中圖分類號:TK229.92+9文獻標識碼:A文章編號:1005-006X(2012)05-0008-03     分離式熱管換熱器作為一種新型的、適合大型化的換熱設備,在煙氣余熱回收中具有越來越重要的作用。其蒸發段與冷凝段分離布置,具有占地面積小、布置靈活、最大限度回收煙氣余熱和節約能源的特點。以前,許多學者對分離式熱管換熱器蒸發段在垂直或傾斜布置的條件下,分別對影響熱管系統傳熱特性和流動特性的因素進行了系統研究[1~3],但是對于分離式熱管換熱器蒸發段傾斜角度(傾角)的布置對熱管系統傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等方面綜合影響的研究尚不充分,尤其是在磨損強度較大的循環流化床(Circulating Fluidized Bed,CFB)鍋爐煙氣余熱回收的工藝應用中。本文結合以往學者對分離式熱管換熱器的研究,以東方電廠490 t/h CFB鍋爐煙氣余熱回收工藝為研究對象,綜合考慮了傾角對分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等方面的影響,確定了最佳傾角設計范圍,其研究結果將對分離式熱管換熱器在CFB鍋爐煙氣余熱回收裝置設計優化時提供一定的參考和借鑒。     1·分離式熱管換熱器煙氣余熱回收工藝應用     分離式熱管換熱器由于具有占地面積小、可靈活布置、換熱效率高等優點在煙氣余熱回收利用中得到了廣泛地應用。CFB鍋爐燃燒溫度較低,且采用石灰石進行爐內脫硫,因而煙氣酸露點溫度較低,為分離式熱管換熱器高效、安全地回收煙氣余熱提供了必要條件。     東方電廠490 t/hCFB鍋爐煙氣余熱回收工藝采用兩級煙氣冷卻器回收低溫煙氣余熱。第一級煙氣冷卻器即分離式熱管換熱器,布置于末級空氣預熱器下方,分離式熱管換熱器蒸發段布置在尾部煙道內,其冷凝段布置在尾部煙道外的側面平臺上,蒸發段和冷凝段相對應的聯箱通過蒸汽上升管和冷凝液下降管連接,構成各自獨立的封閉系統。尾部煙道內低溫煙氣自上而下,依次橫向掠過空氣預熱器和分離式熱管換熱器蒸發段,排煙經排煙通道進入除塵器。一、二次冷空氣進入分離式熱管換熱器冷凝段經預熱升溫后,分別進入一、二次風熱風道;第二級煙氣冷卻器即煙氣深度冷卻器,布置于除塵器之后,從低壓加熱器抽取凝結水作為煙氣深度冷卻器工質進行換熱,吸收熱量后再匯入上級低壓加熱器入口,可以減少汽輪機抽汽,從而提高機組效率。進入煙氣深度冷卻器的凝結水必須保證合理的入口溫度,以確保煙氣深度冷卻器低溫段發生有限速率的低溫腐蝕,具體實施措施可采用兩級低壓加熱器出口凝結水混合以及凝結水再循環系統。此工藝可極大限度地回收低品位煙氣余熱[4~7]。煙氣余熱回收工藝流程如圖1所示。                  為充分利用空氣預熱器底部空間、回收煙氣余熱,綜合考慮分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等因素,分離式熱管換熱器蒸發段設計為V型結構,其側視結構示意圖如圖2所示。                  2·分離式熱管換熱器蒸發段傾角參數研究     針對東方電廠CFB鍋爐煙氣余熱回收工藝方案,對傾角與分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等方面關聯特性進行了分析。     2.1傾角對蒸發段傳熱特性的影響     研究表明,隨傾角增大,換熱系數先逐漸增大后又逐漸減小。傾角大于7°后,換熱系數隨傾角增大而增加的趨勢逐漸變緩,傾角在16°~18°時換熱系數達到最大值,之后又有所下降,但傾角在7°~30°范圍內,換熱系數變化幅度很小[1]。     分離式熱管換熱器蒸發段垂直布置時換熱系數最小,因為當熱管垂直放置時,重力對液體的作用最強,脈沖對流沖刷距離最短,易出現局部干涸區,換熱系數小。當熱管傾斜布置時,傾角越小,氣泡與管壁間越易形成一層很薄的液膜,該液膜會向氣泡內不斷蒸發,增強換熱能力。當傾角超過7°時,隨著傾角的增加,蒸汽和熱管的下凹面間的液膜逐漸變厚,液膜熱阻逐漸增加,液膜蒸發表面積逐漸減小,蒸發強度逐漸下降,導致換熱系數隨傾角增大逐漸增加的趨勢變緩,傳熱效果降低。當液膜熱阻增加到一定值后,換熱系數達到最大值,換熱系數又隨傾角的增大逐漸減小。當傾角大于30°以后,重力對液體的作用明顯增大,液體從蒸發段入口到蒸發段出口聯箱之間脈沖沖刷運動的頻率逐漸減小,沖刷距離逐漸變短,管內擾動逐漸變弱,換熱系數逐漸降低[8~9]。當傾角小于7°時,由于分離式熱管換熱器蒸發段接近水平狀態,蒸發段內的流型發生了很大變化,流動阻力增大,液體脈沖沖刷運動的頻率較低,致使在此傾角范圍內蒸發段的換熱系數較低[1]。     由以上分析可知,分離式熱管換熱器蒸發段傾角在7°~30°范圍內換熱系數變化幅度較小,利于換熱;傾角在16°~18°范圍內換熱溫差最小,換熱系數最大,換熱性能最好。因此,為了高效回收利用煙氣余熱,分離式熱管換熱器蒸發段傾角應設計在7°~30°范圍內,最好設計在16°~18°范圍內。     2.2傾角對蒸發段流動特性的影響     研究認為,分離式熱管換熱器蒸發段在小傾角布置時,隨著熱流密度的增加,工質流型依次為泡狀流、彈狀流、波動泡沫狀流。當傾角小于5°時,汽彈在汽液混合物中不斷長大,推動液體向蒸發段出口運動,液面呈波浪狀,波峰能接觸并濕潤熱管局部上壁。由于傾角極小,附著在上壁面液膜的回流能力幾乎完全喪失,該液膜不能保證整個上壁的良好濕潤,存在一些較大范圍的干涸區;與此同時,循環驅動力較小,管內工質的流動將會出現蒸發段壓降不穩定現象,可能會誘發系統的機械震動,影響分離式熱管換熱器的正常運行[10~11]。為了保證熱管上壁面良好濕潤及其正常運行,傾角設計時應大于5°。     分離式熱管換熱器傾斜布置蒸發段的管內工質流動出現明顯不對稱性。隨著傾角減小,流動形態由不對稱性逐漸向分層流動轉變,上壁面液膜回流能力逐漸減弱,易出現局部干涸。當傾角小于30°時,合理充液率顯著提高。試驗研究表明,傾斜布置蒸發段時的合理充液率R=40%~70%,比垂直布置時增加約10%,保證合理充液率可以防止出現局部干涸[11]。為了增強蒸發段上壁面液膜回流能力,提高合理充液率,避免局部干涸,蒸發段傾角設計時應小于30°。     由以上分析可知,為保證分離式熱管蒸發段上壁面良好濕潤,增強其液膜回流能力,避免出現壁面局部干涸,確保其正常運行,蒸發段傾角應設計在5°~30°范圍內。     2.3傾角對蒸發段磨損特性的影響     鍋爐燃用固體燃料時,煙氣中含有大量的飛灰顆粒,這些飛灰顆粒在高速煙氣帶動下,沖刷對流受熱面時,使管壁表面受到磨損。特別是在低溫受熱面中,煙氣溫度低,飛灰顆粒硬化,且此處煙速也較高,因此更容易磨損。磨損將使受熱面金屬壁減薄,影響鍋爐的安全經濟運行。在CFB鍋爐運行過程中,某些飛灰中或運行中的固體顆粒,與工作面成小角度甚至平行狀態時,這些固體顆粒會以滑動的形式作用于更軟的表面上,其結果是硬表面或硬質點的突出部分在軟表面上刨槽,挖出物料,而這些物料又充當磨料,不斷對軟表面進行磨損的過程。這種磨損是CFB鍋爐的多數工作面遭受磨損的主要情況。     根據灰粒對被沖擊面的不同,可分為正向沖擊和斜向沖擊兩種,見圖3。                   斜向沖擊又可分解為法線方向沖擊力和切線方向切向力,法線方向沖擊力使被沖擊的金屬表面機體組織變形,表面局部被破碎和削離,切線方向的切向力使管壁產生磨損的情況如同切削金屬,將機體磨薄。實際上,這兩個方向上的磨損是同時發生的,因此氣流中灰粒對管子的作用包括沖擊和切削兩個方面,其中起主要作用的是切削力[12]。夾帶于氣流中的固體顆粒,以一定的速度(通常高于1m/s)撞擊到固體表面時,即發生沖蝕磨損。沖蝕磨損的機制會因沖擊角度的不同和作用于工作面材質的不同而異。通常,對于陶瓷或金屬陶瓷等脆性物質的工作面,大角度比小角度磨損嚴重,失效的機制緣于工作面的破裂和碎斷,產生碎片脫落;對于鋼鐵或堆焊等塑性工作面,灰粒的正向撞擊力可以不計,磨損主要由于切削作用產生,當沖擊角減少時,由于切削作用的增加,因此磨損情況逐漸嚴重。沖擊角度對不同材質工作面的沖蝕關系如圖4所示[12~13],由圖4可知,對于塑性材料,當沖擊角為5°~60°時,磨損最大,當沖擊角小于5°或大于60°時,切削與沖擊所產生的磨損又逐漸減小。由以上分析可知,為充分減少煙氣對分離式熱管換熱器蒸發段的磨損,保證設備安全、經濟和高效運行,分離式熱管換熱器蒸發段傾角(沖擊角的余角)應設計在0~30°范圍內。                  2.4傾角對蒸發段積灰特性的影響     進入尾部煙道的飛灰具有不同的粒徑分布,大多數在10~50μm之間,一般都小于200μm。當攜帶飛灰的煙氣橫向沖刷受熱面管束時,在管子背風面會形成渦流區,較大顆粒飛灰由于慣性大,不易被卷進去,而小于30μm的顆粒卻跟隨氣流卷入渦流區,在管壁上沉積下來,形成積灰[12]。熱管余熱回收設備積灰是普遍存在的問題。積灰增加了受熱面熱阻,降低了設備的換熱能力;與此同時,積灰減少了流體的通道面積,增加了工質流動阻力,降低了換熱表面溫度,造成低溫腐蝕。積灰嚴重將造成余熱回收設備不能正常運行,甚至被迫停用。     在實際應用中,分離式熱管換熱器絕大多數為氣-氣式,為了增強管外的對流換熱,其蒸發段外部設有擴展表面。若蒸發段仍采用垂直布置,將會出現嚴重的積灰現象,從而降低換熱器的換熱效果。分離式熱管換熱器蒸發段采用小傾角或水平布置時,利用其較強的自清灰能力和吹灰裝置,將會有效地解決積灰問題。研究表明,分離式熱管換熱器蒸發段傾角設計為7°~15°,均可工業應用,一般以10°為宜[14~15]。     由以上分析可知,為減少分離式熱管換熱器蒸發段積灰,降低受熱面熱阻,增加設備換熱能力;減小工質流動阻力,增加換熱表面溫度,避免低溫腐蝕;使其具有一定的自清灰能力,分離式熱管換熱器蒸發段傾角應設計在7°~15°范圍內。     2.5傾角對蒸發段特性的綜合影響     綜合以上分析可知,分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性分別對應著各自的最佳傾角設計范圍,分離式熱管換熱器蒸發段以最佳傾角布置時各特性疊加圖如圖5所示。                 由圖5可知,綜合考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性影響時,分離式熱管換熱器蒸發段最佳傾角設計范圍為圖中曲線重疊部分,即7°~15°。     3·結論     (1)單考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性的影響,傾角應設計在7°~30°范圍內,最好設計在16°~18°范圍內;單考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段流動特性的影響,傾角應設計在5°~30°范圍內;單考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段磨損特性的影響,傾角應設計在0~30°范圍內;單考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段積灰特性的影響,傾角應設計在7°~15°范圍內。     (2)綜合考慮傾角對分離式熱管換熱器蒸發段傳熱特性、流動特性、磨損和積灰特性等方面的影響,確定最佳傾角設計范圍為7°~15°。此結果對分離式熱管換熱器在CFB鍋爐煙氣余熱回收裝置設計優化時提供一定的數據支持。     參考文獻:略
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