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3.4.4可自動調(diào)節(jié)長度比的充氣熱管⑵

日期:2022-01-11 01:21:00點擊:263

3.4.4可自動調(diào)節(jié)長度比的充氣熱管⑵
為了提高能源利用率,能源設(shè)備(如鍋爐等)的排煙溫度要求盡可能降低,由原來的 200 -180℃的排煙溫度,降至160 ~ 150
,甚至要求降得更低,達(dá)120 - 100 這時,熱管式空預(yù)器.熱管式省煤器等設(shè)備遇到的最大挑戰(zhàn)是煙氣的酸露點腐蝕。為了避開露 點腐蝕,通常所采取的技術(shù)措施是:
① 改變加熱段和冷卻段的長度比;
② 在冷卻段采用大節(jié)距的翅片,甚至采用光管,進(jìn)一步改變兩段的傳熱面積,以期提 高加熱段的壁面溫度;
③ 調(diào)整煙氣和空氣的質(zhì)量流速,以期改變煙氣和空氣側(cè)的換熱系數(shù)。
在采取了上述--系列技術(shù)措施后,雖然一部分應(yīng)用取得了成功,但是仍有部分熱管換 熱器沒能避免露點腐蝕,原因如下:
① 用戶給出的排煙流量和溫度數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確,或者由于上游換熱設(shè)備的運行情況發(fā) 生了變化,往往使實際排煙溫度低于設(shè)計數(shù)據(jù),或?qū)绗F(xiàn)較大的波動,因而造成露點腐蝕匚
② 設(shè)備(鍋爐)經(jīng)常停爐。頻繁的停爐,開機(jī),使設(shè)備經(jīng)常處于低溫,低負(fù)荷下運行, 因而極易產(chǎn)生腐蝕。
③ 在北方.冬季空氣進(jìn)口溫度長期低于設(shè)計入口溫度,因而冬季成為露點腐蝕的高發(fā) 季節(jié);而在南方,由于空氣的濕度過大,造成了排煙的濕度增加,從而改變了煙氣的酸 露點。
④ 燃料品質(zhì),含硫的變化,水分含量及過??諝庀禂?shù)的變化都會改變煙氣的酸露點 溫度。
⑤ 腐蝕和積灰的相互影響,相互促進(jìn),是設(shè)計者難以預(yù)料的。

為了對付露點腐蝕,熱管本身應(yīng)具有某種自動調(diào)節(jié)能力,能自動改變參與換熱的長度 和面積,以保證在任何情況下都可避開露點溫度。為此,需要應(yīng)用可以自動調(diào)溫和改變傳 熱功率的充氣熱管。所謂充氣熱管,就是在熱管的冷凝段內(nèi)充裝上一定量的惰性氣體,根 據(jù)管內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力的變化,惰性氣體會自動地改變占有的體積和充氣長度,從而改 變和調(diào)節(jié)管內(nèi)蒸汽溫度,以達(dá)到避開露點腐蝕的目的。充氣熱管在相關(guān)文獻(xiàn)上稱為“可 變導(dǎo)熱性熱管”。為了將這一技術(shù)應(yīng)用于低溫?zé)煔獾挠酂峄厥?,為防止露點腐蝕開辟一 條新的途徑,需要解決一系列設(shè)計和工藝問題。充氣熱管的物理模型如圖3. 4. 1所示。
圖3.4. 1充氣熱管的物理模型
3.4. 1是對熱管空預(yù)器的典型結(jié)構(gòu)而言的。圖中d。為熱管(基管)外徑,m;為 熱管(基管)內(nèi)徑為熱管蒸發(fā)段長度如為冷凝段中實際換熱長度,為充氣 長度,為熱管冷凝段長度為繞流熱管蒸發(fā)段的煙氣溫度,為 繞流熱管冷凝段的空氣溫度,為熱管蒸發(fā)段的壁面溫度,為熱管蒸發(fā)段的管 內(nèi)蒸汽溫度,為熱管冷凝段的管內(nèi)蒸汽溫度,為熱管內(nèi)平均蒸汽溫度,為充氣段內(nèi)的氣體溫度,為蒸發(fā)段從煙氣()至管內(nèi)蒸汽()之間的傳熱系數(shù),  為冷凝段從管內(nèi)蒸汽()至管外空氣之間的傳熱系數(shù)。
根據(jù)熱平衡原理,從蒸發(fā)段加入的熱量應(yīng)等于從冷凝段傳出的熱量,即

由此可求出壁溫;,注意到

(3. 4. 11)將壁溫與充氣段的長度聯(lián)系在一起,這樣就可以通過充氣段長度 的自動變化,起到調(diào)節(jié)壁溫的作用,從而防止露點腐蝕的發(fā)生。式3. 4. 11)可解岀充氣 段長度為

根據(jù)式3. 4. 11)和式(3.4. 12),充氣段長度的計算可通過下面的實例加以說明。
3.4.4 一臺熱管空氣預(yù)熱器的幾何特征為:基管外徑為38 mm,基管內(nèi)徑為
32 mm,壁厚3 mm,蒸發(fā)段長度
 = 2.0m,冷卻段長度=1.5 m,基管外面都帶有環(huán)形翅 片,翅片間距都是8 mm,翅片高都是16 mm煙氣入口溫度為220℃,出口溫度為150; 空氣入口溫度為20,出口溫度為100
經(jīng)過計算,排煙的酸露點為120
,為了防止露點腐蝕,擬采用充氣熱管,希望使所有 熱管的壁溫都在130以上,試計算該熱管所需要的充氣段長度。
解 按煙氣流動方向的最后一排管進(jìn)行計算,因最后一排管首先遭遇露點腐蝕,其對 應(yīng)的煙氣溫度
=150 空氣溫度=20,煙氣側(cè)基管壁溫蒸發(fā)段傳熱 系數(shù)知和冷凝段傳熱系數(shù)知可由熱管的傳熱計算得到,此處假=。
由式(3.4. 12)可求出:
說明在末排熱管內(nèi),充氣段的長度應(yīng)達(dá)1. 14 m才能保證 這意味著, 1.5 m的冷卻段長度的絕大部分被氣體充滿。
為了推導(dǎo)所需充氣的質(zhì)量,需做下面幾點假定:
① 充氣段
與冷凝器工作段之間的分界面是平面;
② 充氣段內(nèi)的溫度
為因為充氣段不參與換熱,可以認(rèn)為充氣段內(nèi)的溫度等于 管外的空氣溫度;
③ 充氣段內(nèi)充滿著裝入的氣體分子與工質(zhì)的蒸汽分子的混合物,氣體分子的分壓力 為
對應(yīng);而蒸汽分子對應(yīng)的分壓力為(也對應(yīng))兩者之和等于熱管內(nèi)蒸汽 的總壓力(對應(yīng)),即

④ 充裝的氣體適用于理想氣體定律;
且壁溫與管內(nèi)蒸汽溫度十分接近,取
對熱管內(nèi)的充裝氣體應(yīng)用理想氣體定律:


(3.4. 13) 式中,為充氣分壓力,為充氣體積,為充氣段橫截面積,為氣 體常數(shù),氣體溫度,等于外界空氣溫度為充氣質(zhì)量,kg
由式(3.4. 13)可解出充氣所需質(zhì)量:
根據(jù)例3.4.4中所選用的參數(shù)對于水蒸氣:在下, ;,對于 充氣為氮氣的情況下,,由式(3. 4. 14)可解出充氣質(zhì)量:=0. 002 83 kg = 2. 83 go
應(yīng)當(dāng)指出,對于不同的熱管尺寸和不同的冷熱流體參數(shù),只要選定了一個避開露點腐 蝕的壁面溫度T*數(shù)值,就可按本例的計算方法,由式(3. 4. 14)計算出應(yīng)該填充的氣體 質(zhì)量。
如何將確定的氣體質(zhì)量充裝到熱管中是充氣熱管制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)需要 與現(xiàn)有的熱管制造工藝相結(jié)合,且設(shè)備簡單,容易操作,成本低廉。有關(guān)充裝工藝可參考 文獻(xiàn)[23]。
當(dāng)確定了熱管的充氣量以后,還需對該充氣熱管進(jìn)行變工況計算,即計算該熱管在不 同煙氣溫度和空氣溫度條件下的充氣段長度
及對應(yīng)的壁溫。按例3.4.4中設(shè)定的 條件,計算結(jié)果見表3.4. 1。
3. 4. 1充氣熱管的變工況計算

工況No. 煙氣溫度 空氣溫度 充氣段長度/ 充氣段相對長度/ 加熱段壁溫
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中所列出的壁溫
由式(3. 4. 12)和式(3. 4. 14)聯(lián)立求解得到。 此外,在設(shè)計和制造時還應(yīng)考慮以下方面:
(1) 填充氣體的選擇:化學(xué)穩(wěn)定性好,與管材和工質(zhì)不起化學(xué)變化,可嘗試選擇氮氣 或其他惰性氣體;符合理想氣體狀態(tài)方程;無毒,便宜,容易獲得。
(2) 最佳氣體充裝量的選擇,應(yīng)滿足下列條件:
① 在最高的煙氣溫度條件下,充氣段長度
為冷凝段長度。20% -30%比較合 理,因為值代表了不參加換熱的空間,值過大,將使設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性下降。
② 當(dāng)煙氣的入口溫度接近或低于露點溫度時,充氣段長度應(yīng)占據(jù)整個冷凝段空間,使 實際的冷凝段長度接近于零。如表3.4. 1中的工況No. 1所示。
(3) 逐排設(shè)計和變工況計算
對于含有充氣熱管的空氣預(yù)熱器或熱管省煤器,應(yīng)沿?zé)煔饬鲃臃较蛑鹋庞嬎?,確定流 經(jīng)每一排熱管的煙氣溫度和空氣溫度,作為充氣量計算的依據(jù)。
(4) 分段設(shè)計
可將整臺熱管換熱器分為兩段:高溫段為常規(guī)熱管換熱,低溫段為充氣熱管換熱,通 過反復(fù)計算,確定其分界點。
應(yīng)用充氣熱管防止露點腐蝕,對熱管換熱器的設(shè)計和制造是一個新的嘗試,期望該技 術(shù)能進(jìn)一步完善并取得應(yīng)用經(jīng)驗。

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