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    3.4.4可自動調節長度比的充氣熱管⑵

    日期:2022-01-11 01:21:00點擊:220

    3.4.4可自動調節長度比的充氣熱管⑵
    為了提高能源利用率,能源設備(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120 - 100 這時,熱管式空預器.熱管式省煤器等設備遇到的最大挑戰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 在冷卻段采用大節距的翅片,甚至采用光管,進一步改變兩段的傳熱面積,以期提 高加熱段的壁面溫度;
    ③ 調整煙氣和空氣的質量流速,以期改變煙氣和空氣側的換熱系數。
    在采取了上述--系列技術措施后,雖然一部分應用取得了成功,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據不夠準確,或者由于上游換熱設備的運行情況發 生了變化,往往使實際排煙溫度低于設計數據,或岀現較大的波動,因而造成露點腐蝕匚
    ② 設備(鍋爐)經常停爐。頻繁的停爐,開機,使設備經常處于低溫,低負荷下運行, 因而極易產生腐蝕。
    ③ 在北方.冬季空氣進口溫度長期低于設計入口溫度,因而冬季成為露點腐蝕的高發 季節;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,含硫的變化,水分含量及過剩空氣系數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,是設計者難以預料的。

    為了對付露點腐蝕,熱管本身應具有某種自動調節能力,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,需要應用可以自動調溫和改變傳 熱功率的充氣熱管。所謂充氣熱管,就是在熱管的冷凝段內充裝上一定量的惰性氣體,根 據管內介質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 變和調節管內蒸汽溫度,以達到避開露點腐蝕的目的。充氣熱管在相關文獻上稱為“可 變導熱性熱管”。為了將這一技術應用于低溫煙氣的余熱回收,為防止露點腐蝕開辟一 條新的途徑,需要解決一系列設計和工藝問題。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是對熱管空預器的典型結構而言的。圖中d。為熱管(基管)外徑,m;為 熱管(基管)內徑為熱管蒸發段長度,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段的煙氣溫度,為 繞流熱管冷凝段的空氣溫度,為熱管蒸發段的壁面溫度,為熱管蒸發段的管 內蒸汽溫度,為熱管冷凝段的管內蒸汽溫度,為熱管內平均蒸汽溫度,為充氣段內的氣體溫度,為蒸發段從煙氣()至管內蒸汽()之間的傳熱系數,  為冷凝段從管內蒸汽()至管外空氣之間的傳熱系數,。
    根據熱平衡原理,從蒸發段加入的熱量應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系在一起,這樣就可以通過充氣段長度 的自動變化,起到調節壁溫的作用,從而防止露點腐蝕的發生。式3. 4. 11)可解岀充氣 段長度為

    根據式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 一臺熱管空氣預熱器的幾何特征為:基管外徑為38 mm,基管內徑為
    32 mm,壁厚3 mm,蒸發段長度
     = 2.0m,冷卻段長度=1.5 m,基管外面都帶有環形翅 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行計算,因最后一排管首先遭遇露點腐蝕,其對 應的煙氣溫度
    =150 空氣溫度=20,煙氣側基管壁溫蒸發段傳熱 系數知和冷凝段傳熱系數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,充氣段的長度應達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。
    為了推導所需充氣的質量,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 充氣段內的溫度
    為因為充氣段不參與換熱,可以認為充氣段內的溫度等于 管外的空氣溫度;
    ③ 充氣段內充滿著裝入的氣體分子與工質的蒸汽分子的混合物,氣體分子的分壓力 為
    對應;而蒸汽分子對應的分壓力為(也對應);兩者之和等于熱管內蒸汽 的總壓力(對應),即

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


    (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,,氣體溫度,等于外界空氣溫度為充氣質量,kg
    由式(3.4. 13)可解出充氣所需質量:
    根據例3.4.4中所選用的參數對于水蒸氣:在下, ;,;對于 充氣為氮氣的情況下,由式(3. 4. 14)可解出充氣質量:=0. 002 83 kg = 2. 83 go
    應當指出,對于不同的熱管尺寸和不同的冷熱流體參數,只要選定了一個避開露點腐 蝕的壁面溫度T*數值,就可按本例的計算方法,由式(3. 4. 14)計算出應該填充的氣體 質量。
    如何將確定的氣體質量充裝到熱管中是充氣熱管制造的關鍵技術之一。該技術需要 與現有的熱管制造工藝相結合,且設備簡單,容易操作,成本低廉。有關充裝工藝可參考 文獻[23]。
    當確定了熱管的充氣量以后,還需對該充氣熱管進行變工況計算,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
    及對應的壁溫。按例3.4.4中設定的 條件,計算結果見表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)聯立求解得到。 此外,在設計和制造時還應考慮以下方面:
    (1) 填充氣體的選擇:化學穩定性好,與管材和工質不起化學變化,可嘗試選擇氮氣 或其他惰性氣體;符合理想氣體狀態方程;無毒,便宜,容易獲得。
    (2) 最佳氣體充裝量的選擇,應滿足下列條件:
    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,將使設備的經濟性下降。
    ② 當煙氣的入口溫度接近或低于露點溫度時,充氣段長度應占據整個冷凝段空間,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) 逐排設計和變工況計算
    對于含有充氣熱管的空氣預熱器或熱管省煤器,應沿煙氣流動方向逐排計算,確定流 經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。
    (4) 分段設計
    可將整臺熱管換熱器分為兩段:高溫段為常規熱管換熱,低溫段為充氣熱管換熱,通 過反復計算,確定其分界點。
    應用充氣熱管防止露點腐蝕,對熱管換熱器的設計和制造是一個新的嘗試,期望該技 術能進一步完善并取得應用經驗。

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