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热管式空气预热器
热管式空气预热器
热管是一种高效的传热元件,早在上世纪40年代热管的概念就已提出,直到60年代,由于宇宙航行的需要,热管才在宇航技术中得以应用。
此后发展很快,70年代热管就已广泛应用于电子、机械、石油、化工等行业。
从那时起,国内石油化工管式炉、锅炉上就开始使用热管式空气预热器来回收烟气余热,并迅速得到推广,到目前为止估计已有数百台在运行中。
它与管式和回转式等其他空气预热器相比,具有体积小、质量轻、效率高、不易受低温露点腐蚀等优点,这也就是它被迅速推广和应用的原因。
1、热管
1)热管的工作原理和分类
热管是一根两端密封,内部抽真空并充有工质的管子。
其一端(热端)被加热时,工质吸热蒸发并流向另一端(冷端),在那里将热量释放给管外的冷介质而冷凝,冷凝液流回热端,再吸热蒸发,如此循环,完成热量传递。
由于汽化潜热大,所以在极小的温差下就能把大量的热量从管子的一端传至另一端。
图1热管工作原理示意图
a,重力式热管,热虹吸管,(b)毛细力热管,吸液芯热管,
热管种类繁多,可按工质回流原理,工作温度、形状或工质等来分类。
按冷凝液回流原理来分主要有重力式(热虹吸式)热管和毛细力式(吸液芯式)热管两种。
故名思义,重力式热管的冷凝液靠重力回流,因此只能垂直安装或倾斜安装,热端在下,冷端在上。
毛细力式热管热端吸液芯中的工质吸热蒸发时,蒸发压力大于冷端,由此压差将蒸汽从蒸发段驱送至冷端,而冷凝液靠毛细压力送回蒸发段,以补充蒸发消耗了的工质。
因此其安装位置不受限制,甚至可与重力式热管相反,即热端在上,冷端在下也照样运行。
图1表示了这两种热管的工作原理。
此外,还有依靠静电体积力使工质回流的电流体动力热管;依靠磁体积力使工质回流的磁流体动力热管;依靠渗透膜两侧工质的浓度差进行渗透使工质回流的渗透热管;靠离心力分力回流的旋转式热管等等。
按工作温度可分为五类:
(1)超低温热管,工作温度低于-200?
;
(2)低温热管,工作温度-200?
50?
;
(3)常温热管,工作温度50?
250?
;
(4)中温热管,工作温度250?
600?
;
(5)高温热管,工作温度高于600?
。
按热管形状分有管形、板形、室形、L形、可弯曲形等。
此外还有径向热管
第1页共9页
和分体式热管。
径向热管的内外层分别为加热段和冷却段,热量既可沿径向导出,也可由径向导入。
分体式热管是将加热段和冷却段分开,工质在加热段蒸发产生的蒸汽汇集于联箱中,经蒸汽导管送至冷却段,在冷却段放热并冷凝成液体,再经液体导管回流到加热段。
石油化工管式炉、锅炉上常按工质来分类,例如钢水热管,萘管等。
2)热管的结构
典型的热管包括壳体、工质和吸液芯三部分。
三者之间要达成最适宜的组合,常常会出现矛盾。
下面讨论选择它们的基本原则。
(2.1)壳体
壳体的作用是把工质和外界隔开。
对其材料的主要要求是:
(1)与工质有良好的化学相容性,以避免产生不凝气和腐蚀,影响热管的传热性能。
(2)导热系数高。
(3)承压能力强,机械强度高,易于机加工。
(4)与工质有良好的浸润性。
(5)价格便宜。
常用的壳体材料是碳钢和不锈钢,其次是铜、铝、镍等,也可采用玻璃、陶瓷等非金属材料。
(2.2)工质
工质是热管中携带热能的工作物质。
它应满足下列要求:
(1)在要求的工作范围内能产生相变,并具有合适的饱和蒸汽压力。
(2)化学性能稳定并与壳体和吸液芯有良好的化学相容性。
(3)能浸润壳体与吸液芯。
(4)高导热系数、高汽化潜热和高密度。
(5)低粘度和高表面张力。
表1热管工质的工作温度范围
工质熔点/?
0.1MPa下沸点/?
工作温度范围/?
氦-272-269-271~-269
氮-210-169-203~-160
氨-78-33-60~100
氟里昂-11-11124-40~120
戊烷-129.7528-20~120
氟里昂-113-3548-10~100
丙酮-95570~120
甲醇-986410~130
乙醇-112780~130
庚烷-90980~150
水010030~320
导热姆-A12257150~395
萘80.29~478.2
汞-39361250~650
铯29670450~900
钾62774500~1000
第2页共9页
钠98892600~1200
锂17913401000~1800
银96022121800~2300
选用工质最重要的是其工作温度范围,其次是其与壳体和吸液芯的相容性。
表1给出了常用工质的工作温度范围。
应该说明的是该表中水的工作温度上限是与壳体的承压能力有关的,例如该表中水的工作温度上限为320?
,相应的饱和蒸汽压力为11.8MPa,如果壳体的承压能力可达22.9MPa,则相应的饱和蒸汽温度为374?
。
也就是说,水的工作上限温度是与热管壳体设计压力相关的,只要壳体承压能力足够,工作温度超过表1所列值也是可以的,而奈的工作温度上限478.2?
则是其分解结焦的温度,使用时是不允许超过的,一般还应留出一定的安全裕量。
表2给出了工质与金属材料的相容性。
由于资料不全,未能列出全部相容性,并且,在工程上可以采取某些措施来改善它们的相容性。
例如水和碳钢相容性并不好,热管工作时水蒸汽和碳钢中的铁元素发生化学反应生成四氧化三铁和氢,氢是不凝气,会聚集在冷凝段,使热管性能恶化;水和铜或黄铜的相容性很好,因此理想的结构应是碳钢-铜复合管,但这样成本又太高。
为了解决这些问题,工程上常采取下列措施来改善碳钢和水的相容性,使(碳)钢一水热管得以广泛使用。
(1)碳钢管内表面预处理。
采用化学预处理或蒸汽预处理方法使其内表面钝化,即使其先形成FeO保护膜。
34
(2)水中加入缓蚀剂。
在工质-水中加入缓蚀剂,可在热管内表面形成钝化膜,同时也可吸收了些已产生的氢气。
(3)改进设计。
例如在冷凝段上部加长一段管子,作为不凝气的预留容积,或采用开启式结构,热管可以在工作的同时排放不凝气。
选用工质还应该注意的问题是其毒性、放射性和安全性。
最好是无毒、无放射性、不是易燃易爆物质。
例如汞蒸汽的毒性很大,一般工程用热管都不用它作工质。
如果工质是易燃易爆物质,如丙酮、甲醇、烃类、导热姆或联苯等,则在热管结构设计和运行管理方面都应特别注意。
由于工程上难以对放射性进行防护,因此一般工程上均不用有放射性的物质作工质。
(2.3)吸液芯
吸液芯的作用是产生毛细力,其材料可与壳体相同,也可不同。
对吸液芯材料的基本要求是:
(1)与工质相壳体有良好的化学相容性。
(2)导热性能好。
(3)与工质有良好的浸润性。
(4)易于加工,能与内壁很好的吻合。
石油化工管式炉、锅炉所用热管式空气预热的热管几乎都不用有吸液芯的,不再细述。
3)热管的特性
热管的特性包括极好的导热性、良好的均温性、热流方向可逆性、热流密度(表面热强度)可变性以及对环境较强的适应性等等。
(3.1)极好的导热性
从热管的工作原理可知,它利用的是蒸发和冷凝两个换热能力极强的相变传热过程和一个阻力极小的流动过程,因而具有极好的导热性能。
相变传热只需极小的温差,且传递的是潜热,其传热量比显热大几个数量级。
热管的轴向导热热
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阻很小,且对管长的敏感性极小,几乎是一个不变的常数。
这一点比实心金属棒要好得多,金属的导热热阻与其长度成正比。
因此,当传热长度极短,热管的热阻大于金属热阻时,使用热管才是不利的;反之,传热长度越大,采用热管越有利。
表2工质与金属材料的相容性
工质铝不锈钢铜黄铜镍铬镍合金碳钢铁
氦
氮
氨?
?
?
?
?
氟里昂-11?
戊烷?
氟里昂-113?
丙酮?
?
?
甲醇×?
?
?
乙醇
庚烷
水×?
?
?
?
导热姆-A
萘
汞?
×
铯
钾?
?
?
钠?
?
?
×
锂
银
(3.2)良好的均温性
热管内的蒸汽是饱和蒸汽,从蒸发段到冷凝段的压降甚微,因此沿蒸汽流动方向的温降也很小,这就使热管具有良好的均温性。
例如,Φ25×2,长1~2m的铜-水热管,传输1-2kW热量,实测蒸发、冷凝两段内的温差仅1-2?
。
(3.3)热流方向可逆性
吸液芯式热管水平放置或失重状态下,任何一端受热,则该端成为蒸发段,另一端成为冷凝段。
若要改变热流方向,无须变更热管位置。
这就是热管的热流方向可逆性。
(3.4)热流密度可变性
热管稳定工作时,其本身不发热、不蓄热、不耗热,所以蒸发段吸收的热量Q应等于冷凝段放出的热量Q。
即Q=Q。
设两段的换热面积为F和F,热121212流密度(表面熟强度)为q和q,则有Fq=Fq。
当两段的直径相同时,可用其121122
长度L和L表示上述关系:
Lq=Lq。
由此可知,只要改变换热面积,即可改121122
变其热流密度。
利用这一性质,加大蒸发段的面积就可将分散的低热流密度收集起来变成高热流密度供用户使用。
热管太阳能集热器就是应用这一原理制成的。
同样也是根据这一原理在热管式空气预热器中,当烟气较脏时,常常是在空气侧采用长度较短的翅片管,而在烟气侧采用易于清灰而长度较长的钉头管、鳍片管、甚至光管。
(3.5)较强的适应性
第4页共9页
与其他换热元件相比,热管具有较强的适应性。
首先是它的热源不受限制,高温烟气、火焰、电能、太阳能等都可作为热源;其次是它的形状不受限制,热管的形状可随热源、冷源和使用条件的需要而变,除常用的圆管状外,还可做成针状、板状等,甚至电机转轴、手术刀和钻头等本身就可制成热管;再者,它的适用温度范围广、应用场合宽,可用于-200~2000?
,可用于重力场,也可用于失重的太空等广大的范围。
4)热管的传热极限
热管虽然是很好的传热元件,但传热能力要受其内部物理过程的限制,也就是说,热管的传热量有一个极限。
热管的正常工作取决于工质蒸发-冷凝的连续循环,这一循环被阻而无法进行的工况,就是热管传热的极限。
(4.1)声速极限。
热管正常工作且蒸汽流速较低时,蒸汽的流动可以当作不可压缩流体处理。
随着传热量的增加,蒸发段和冷凝段的压差增大,蒸汽流速也增加。
蒸汽流速在蒸发段出口截面上最大可达该工况下的声速(临界速度),再增加传热量,蒸汽将发生类似拉伐尔喷嘴的阻塞流动,热管的正常工作被破坏。
因此,蒸发段出口截面的蒸汽流速达到该工况声速时所对应的传热量称为声速极限。
图2热管传热极限示意图
(4.2)携带极限。
热管内蒸汽和冷凝液是反向流动的,蒸汽的流动惯性力会在汽、液界面上对冷凝液产生剪切作用,冷凝液靠毛细力或重力抵抗此剪力而维护流动。
这种反向流动的相互作用会在液体表面引起细波,随着两者相对速度的增大,波幅也增大,以至在波峰上产生液滴并被蒸汽携带到冷凝段,这就是所谓携带现象。
这种携带需要消耗能量,从而增加两者的压力损失,同时被携带的液体不参与相变,即不参加传热过程,因此这种携带将使传热量下降。
当携带达到一定程度时,蒸发段液相干涸,热管不再正常工作,此时的传热量就是热管的携带极限。
(4.3)毛细极限。
对于毛细力式热管来说,正常工作时吸液芯产生的毛细力一定要能够克服蒸汽流动的阻力和冷凝液回流的阻力(若有重力作用,还要能克服重力引起的阻力)。
如果这些阻力超过毛细结构所提供的最大毛细力,冷凝液回流量将小于蒸发量,蒸发段的吸液芯将被烧干,热管正常工作遭受破坏。
由吸液芯提供的最大毛细力所能达到的传热量就称为毛细极限。
(4.4)沸腾极限。
当加热段的径向热流增加时,吸液芯内工质沸腾产生的汽泡会堵塞毛细孔并阻碍冷凝液回流,从而使蒸发段得不到充分的冷却而导致壁温升高,乃至发生烧毁现象。
吸液芯中沸腾产生的汽泡能顺利排出时的最大径向热流就是沸腾极限。
上述极限可在温度一传热量坐标图上表示出来,见2图。
图中
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1~2表示粘性极限,它意味着热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力。
2~3表示声速极限,3~4表示携带极限,4~5表示毛细极限,5~6对表示沸腾极限。
总之,只有在123456线内的工况热管才能正常工作。
2、无机传热元件简介
无机传热元件是近几年新开发的导热元件,它是以无机元素为导热介质,注人金属(或非金属)管状或夹层板状腔内,经密封形成的具有导热特性的传热元件。
1)无机传热元件的工作原理
无机传热元件的传热机理目前有两种观点:
其一认为该元件传热机理和前面所述传统的热管机理一样,是流体的蒸发和冷凝;另一种观点则认为其传热机理不同于传统热管,而是无机介质在热端受热激发,传热至冷端放热。
该元件在美国专利中提到激发时所用的英文为activated。
国内比较权威的某一传热研究室也认为其传热机理是受热激发。
在国际上很有名望的美国Stanford研究所对该元件进行多种测试后,认为其传热机理可能是目前尚不为人们所认识的一种机理。
值得说明的是,工程上有很多新技术常常是应用效果很好,而理论上并不十分清楚。
2000年5月该元件在通过专家评审时,专家们的意见也认为评审不必涉及理论机理的讨论,而应着重于应用的特征、效果及适用范围。
2)无机传热元件的特点和应用
根据专家评审意见,无机传热元件具有很高的有效热导率和轴向热流密度,较宽的使用温度范围,不易爆管,无毒、无污染、无腐蚀性和不产生任何有害于人体的放射性物质等特点。
无机传热元件已在火力发电、冶金、建材、太阳能、电子和家电等领域得到初步应用。
石油化工管式炉、锅炉已推广使用这种元件作回收烟气余热的空气预热器。
3、热管式空气预热器
由若干根热管(这里暂时也包括无机传热元件)组装起来,就成了热管换热器。
根据使用条件的不同,可分为液-液、液-气和气-气式换热器。
石油化工管式炉、锅炉上广泛使用的热管式空气预热器属于气一气式换热器。
热管在烟气侧吸热,工质蒸发,到空气侧放热,工质冷凝。
1)热管式空气预热器的结构
热管式空气预热器的结构主要包括热管束、隔板和外壳三大部分。
三者组成了烟气和空气的通道。
隔板将热管的蒸发段和冷凝段隔开,同时也将烟气通道和空气通道隔开。
由于烟气侧是负压(微真空),空气侧是正压(微正压),所以隔板与热管之间的密封必须十分严密,否则空气会大量漏人烟气,使实际热效率大大降低。
热管束是传递热量的核心,热管内部的蒸发或冷凝给热系数都很大,而外部由于是气-气式换热器,无论是烟气侧,还是空气侧,其给热系数都很小,为了强化管外传热,一般都采用翅片管。
烧油时,为了便于清灰,在烟气侧通常采用片间距较大的开口翅片或钉头。
热管束的安装位置有水平、倾斜和垂直三种。
石油化工管式炉、锅炉上使用的热管式空气预热器几乎都是重力式热管,因此只有倾斜和垂直两种安装位置,且烟气侧必须位于下部。
对于石油化工管式炉一般倾斜式置于对流室顶(炉顶),而垂直式置于地面,见图3。
外壳应有隔热层,一般烟气侧为内壁衬浇注料,而空气侧为外保温。
另外,热管束的排列是采用顺列还是错列,管心距的大小,翅片或钉头的尺寸及间距等等,对其传热计算和流动阻力计算均有很大影响,但这些问题均与管
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式炉、锅炉对流室基本相同,这里就不重复了。
只有一点是值得注意的,就是前面所述热管蒸发和冷凝两段的热流密度可变性与对流室不同,因此在烟气侧和空气侧可以根据其特点采用不同的结构和尺寸。
图3逆流布置烟气和空气的温度分布
t?
温度~?
脚标:
f?
烟气,a?
空气,1?
入口,2?
出口
2)热管式空气预热器的计算
同其他空气预热器一样,热管式空气预热器的计算包括传热计算和流动阻力计算。
由于各热管制造厂商都有自己的技术秘密,各自在结构和管内处理上都各有特点,在一些重要参数(特别是内膜给热系数)的取值上也各不相同,因此近年来热管式空气预热器的计算一般都由制造厂商进行,而用户(或炉子设计部门)只
烟气和空气的流量、出人口温度、允许压降等)即需提出必要的参数和要求(例如
可。
下面仅介绍一些基本的计算公式。
1)传热计算
在热管式空气预热器中,烟气和空气一般都采用逆流布置,其温度分布情况如图4所示。
对于蒸发段有下列关系:
烟气通过某一排(,排)的放热量为:
xxxxxQ=Lc?
t=U?
t或(?
t=Q/U)1-1fffffffff
即在x排烟气传给热管内工质的热量为:
xxxxxxQ=3600KF(t-t)=3600S(t-t)1-2ffffhffh
在冷凝段上有下列关系:
空气通过某一排(x排)的吸热量为:
xxxxxQ=Lc?
t=U?
t或(?
t=Q/U)1-3aaaaaaaaa
即在x排热管内工质传给空气的热量为
xxxxxxQ=3600KF(t-t)=3600S(t-t)1-4aaahaaha
联解公式(1-2)和(1-4)可得出在x排上烟气传给空气的热量为:
xxxxQ=Q=Q=3600(t-t)/(1/S+1/S)1-5fafafa
由此可写出热管式空气预热器中第一排至第n排的传热量公式,从而得出热管式空气预热器总的传热量计算式:
Q=3600(t-t)P/(1/S+1/S)1-6f1a2fan-1n式中:
p=1+p+p2+……+p=[1-(1-u)]/u1-7
而p=1+u1-8
u=3600(1/U-1/U)/(1/S+1/S)1-9fafa
上述各式中:
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3L?
流量,Nm/h;
Q?
传热量,KJ/h;
3c?
平均定压容积比热,KJ/(Nm?
K);
U?
热容量,KJ/h?
K,即U=Lc,U=Lc;fffaaa2K?
烟气或空气至热管内工质的传热系数,kW/(m?
K)。
在蒸发段(烟气侧)有:
1/K=1/α+r+r+rffeFo
在冷凝段(空气侧)有:
1/K=1/α+r+r+raaeFo2式中F?
光管表面积总和,m;
xxS?
按光管表面积计算的传热系数,kW/K即S=KF或S=KF;fffaaa2α?
烟气或空气以热管光管外表面积计算的放热系数,kW/(m?
K);
r、r、r、r分别是工质冷凝、蒸发、翅片接触和管外污垢的热?
?
ceFo2阻,m?
K/kW。
一般可取r=0.215,r=0.258,r=0.258,r=0.172~0.258。
ceFo
上标或下标:
x?
第X排
下标
h?
工质
根据设计计算圆整并重新计算P和Q后,可校核计算烟气和空气实际出热
管式空气预热器的温度t和t,热管内工质的最高温度t,和最低温度t以及f2a2h1h2热管式空气预热器的换热效率:
t=t-Q/Uf2f1f
t=t-Q/Ua2a1a
t=(St+St)/(S+S)h1ff1aa2fa
t=(St+St)/(S+S)h2ff2aa1fa
η=(t-t)/(t-t)a2a1f1f2
(2.2)阻力计算
烟气和空气流过热管管束的阻力计算可以按有关计算进行压降计算。
3、锅炉用热管式空气预热器
3.1热管式空气预热器规格型号及技术指标
3.2热管式空气预热器安装尺寸
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3.3热管式空气预热器安装示意图
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