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1、5热回收用换热设备 5 1热回收用换热设备概述 5 2高温余热回收装置 5 3余热锅炉 5 4回转式换热器 5 5热管换热器 5 6流化床式换热器 5 7热交换器的发展趋势 5 8换热器的优化设计 5 1热回收用换热设备概述 5 1热回收用换热设备概述 按照进行热交换的介质 5 1热回收用换热设备概述 按照热交换方式的不同 5 1热回收用换热设备概述 热回收用换热设备的主要类型 5 1热回收用换热设备概述 换热器的设计基础 换热器设计主要包括热力设计 强度设计和结构设计 换热器热力计算的方法有平均温差法和传热单元数法 换热器热计算分两种情况 设计计算和校核计算 1 设计计算 设计一个新的换热器
2、 以确定所需的换热面积 2 校核计算 对已有或已选定了换热面积的换热器 在非设计工况条件下 核算他能否胜任规定的新任务 1 传热平均温差法 该方法常用于换热器的设计计算 即根据计算得到的传热平均温差即传热系数 求出保证换热量所需的传热面积 2 传热单元数法 传热单元数法是将热交换关系表达成传热单元数NTU与温度效率E即水当量R的函数关系 传热单元数的定义为 冷 热流体的水当量中较小的一个值 水当量为流量与比热容的乘积 水当量之比R的定义为 2 传热单元数法 温度效率E定义为冷流体或热流体的进出口温差与换热器的最大温差之比 温度效率的定义为 的函数关系与流体的相对流向有关 一般 R取R1和R2中
3、小于1的 E取E1和E2中较大者 对已有的换热器 由于已知传热面积 冷热流体的流量及进口温度 由此可以计算出R和NTU的数值 再利用线图可以查出温度效率E 计算出流体出口温度和换热量 所以 NTU法对换热器的校核计算比较方便 2 传热单元数法 随着节能工作的深入 要求不断开发出高效的传热面 以增大换热量或降低传热温差 或减小换热器的尺寸 提高热经济性 降低换热器的成本 以哪一个目的较为合理 可以用换热器的温度效率或温度效率的水平来判断 5 1热回收用换热设备概述 换热器设计的制约因素 热交换器壁温的限制 5 1热回收用换热设备概述 5 1热回收用换热设备概述 5 1热回收用换热设备概述 传热的
4、脏污 5 1热回收用换热设备概述 传热面积的限制 增大换热器的传热面积 可以增加余热回收量 进一步节约能源 但是 随着余热回收深度增加 传热温差减小 回收同样的热量将需要几倍的传热面积 而换热器的成本与换热面积成正比 因此 在设计时需经过计算经济比较 慎重选取 5 1热回收用换热设备概述 流体输送的功率消耗 安设余热回收装置时 必然要额外增加余热源通路的阻力 从而会增加风机的功率消耗 增加流体的流速可以提高换热器内对流换热的传热系数 从而提高换热器的传热系数 对流换热系数大致与流速的0 8次方成正比 而流动阻力将随流速的1 75次方的关系迅速增加 动力消耗所需的运行费用也将按同样的比例关系增加
5、 因此 在采取提高流速的措施增强传热时 需要经过技术经济比较 慎重选取 5 1热回收用换热设备概述 流体输送的功率消耗 5 1热回收用换热设备概述 强度设计 换热器强度设计的重要性不亚于传热设计 特别是对高温余热的回收显得更为重要 在设计时要考虑到如何解决换热器各部分不同热膨胀的问题 对产生的热应力采取何种措施 在有些情况下 为了保证强度留有余地 设计时不得不取较小的温度效率 5 2高温余热回收装置 1 高温换热器的形式 5 2高温余热回收装置 辐射换热器 烟气 空气 空气 5 2高温余热回收装置 对流换热器 烟气 空气 5 2高温余热回收装置 2 高温换热器的选择 1 设备费用 2 工作温度
6、 5 2高温余热回收装置 3 最高预热温度 5 2高温余热回收装置 3 高温换热器在使用中的问题 高温换热器在使用中的问题有烧坏 堵塞 腐蚀 参数达不到设计要求等 主要原因 5 3余热锅炉 1 余热锅炉的特点 1 针对不同的烟气温度 存在一个最佳的蒸汽压力 此时从烟气中回收的 最大 5 3余热锅炉 2 余热锅炉产生的蒸汽量取决于前部设备的生产工艺 不能随用户的需要而变动 5 3余热锅炉 2 余热锅炉产生的蒸汽量取决于前部设备的生产工艺 不能随用户的需要而变动 5 3余热锅炉 3 余热锅炉容量的确定 要考虑到生产工艺的周期性 最大 最小烟气流量以及相应的温度变化规律 4 余热锅炉的工作温度较低
7、对相同蒸发量的锅炉而言 所需的传热面积比工业锅炉大 5 根据烟气的不同特性 需要采取相应的措施 6 防止排烟温度低于露点温度 以免产生低温腐蚀 5 3余热锅炉 7 对含尘量大的烟气 应采取适当的预防磨损的措施 5 3余热锅炉 2 余热锅炉的结构型式 余热锅炉根据余热源的温度不同 按其热工特性大致可分为两类 一类热源初温在400 800 之间 主要靠对流换热 另一类热源温度初温在850 以上 锅炉既有辐射受热 又有对流换热 余热锅炉按照受热面的型式 可分为烟管式和水管式 烟管式锅炉 烟管式锅炉不需要周围炉壁 结构简单 紧凑 便于布置在炉子附近 制造容易 操作方便 水管式锅炉 水管式锅炉适宜于蒸汽
8、产量大 压力较高的情况 5 4回转式换热器 5 4回转式换热器 5 5热管换热器 热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G M Grover发明的一种称为 热管 的传热元件 它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质 透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外 其导热能力超过任何已知金属的导热能力 热管换热器是由高效传热元件 热管组成的一种新型换热器 热管换热器的研究背景当今传热工程面临两大问题 研究高绝热材料和高导热材料 具有良好导热性的材料有铝 202W m 铜 385W m 和银 410W m 但其导热系数只能达到102W m 的数量级 远不能满足某些工程中的快速散热
9、和传热需要 热管的发明就解决了这一问题 热管的相当导热系数可达105W m 的数量级 为一般金属材料的数百倍乃至上千倍 它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力 由于热管具有导热性能好 结构简单 工作可靠 温度均匀等良好性能 热管是传热领域的重大发明和科技成果 给人类社会带来巨大的实用价值 一 热管的工作原理 热管示意图1 管壳 2 管芯 3 蒸汽腔 4 工作液 热管 是一种传热性极好的人工构件 常用的热管由三部分组成 主体为一根封闭的金属管 管壳 内部空腔内有少量工作介质 工作液 和毛细结构 管芯 管内的空气及其他杂物必须排除在外 热管工作时利用了三种物理学原理 在真空状态下
10、 液体的沸点降低 同种物质的汽化潜热比显热高的多 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动 从传热状况看 热管沿轴向可分为蒸发段 绝热段和冷凝段三部分 Atraditionalheatpipeisahollowcylinderfilledwithavaporizableliquid A Heatisabsorbedintheevaporatingsection B Fluidboilstovaporphase C Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment vaporcondensestoliquidphase D Liqui
11、dreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder evaporatingsection 国外资料 From 热管的工作过程 如图 当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化 蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体 液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段 如此循环不已 热量便从一端传到了另一端 在这一热量转移的过程中 具体包含了以下六个相互关联的过程 1 热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液 气分界面 2 液体在蒸发段的液 气分界面上蒸发 3 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段 4 蒸汽在冷凝段内的液 气分界面上凝结 5 热量从液 气分界面通
12、过吸液芯 液体和管壁传给冷源 6 在吸液芯内由于毛细作用 或重力等 是冷凝后的工作也体回流到蒸发段 热管工作过程动画 注意 热管中的水会因为内部低压而在100 以下就沸腾蒸发 水蒸汽流 热量输入 液态水蒸发 液体由于重力或吸附力回流 水蒸汽冷凝 热量散失 热管的管壳是受压部件 要求由高导热率 耐压 耐热应力的材料制造 在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀 工质与管壳不发生化学反应 不产生气体 管壳材料有多种 以不锈钢 铜 铝 镍等较多 也可用贵重金属铌 钽或玻璃 陶瓷等 管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来 在热端和冷端接受和放出热量 并承受管内外压力不等时所产生的压力差 热管的
13、管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构 通常用多层金属丝网或纤维 布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻 衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成 如右图所示为几种不同的管芯 二 热管的材质 工作液体的选择 热管的工作液要有较高的汽化潜热 导热系数 合适的饱和压力及沸点 较低的粘度及良好的稳定性 工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力 使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力 工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用 否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构 三 热管的工作极限 从图中可以看出 当工作温度低时 最易出现粘性极限及声速极限 而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限 故热管的工作点必
14、须选择在包络线的下方 四 热管换热器 利用热管导热能力强 传热量大的特点 以多根热管作为中间传热元件 实现冷 热流体之间换热的设备叫热管换热器 四 热管换热器 特点 1 传热性能高 尤其适宜气 气换热 2 传热平均温差大 3 结构紧凑 4 布置灵活 5 工作安全可靠 重力式热管换热器 重力式热管换热器有单管型 集管型 分离型三种型式 分离型热管换热器的布置 应用实例1 应用实例2 应用实例3 5 6流化床式换热器 流化床的工作原理 流化床是指在容器内的粒子层 在通过底部多孔板 气流分布板 的气流的作用下 使粒子处于激烈的搅拌状态 形似 沸腾 这种粒子层称为流化床 5 6流化床式换热器 a 固定
15、床 b 流化起始点 c 流化床 d 气力输送 5 6流化床式换热器 不同流速下的粒子层的阻力 5 6流化床式换热器 气流速度对流化床内传热系数的影响 5 6流化床式换热器 平均粒径与最大传热系数的关系 5 6流化床式换热器 5 6流化床式换热器 当出口烟气温度高时 为了充分利用热量 可以采用双床层 甚至三床层串联 流化床换热器的优点 1 传热性能高 2 传热面可以保持清洁 性能稳定 3 烟气侧传热面的腐蚀小 4 维护 检修方便 5 6流化床式换热器 流化床换热器的缺点 1 烟气侧的压力损失较大 2 气流的方向受限制 烟气必须自下而上垂直通过床层 3 由于受床层内流速的限制 不可能用于烟气量太大
16、的场合 5 7换热器的发展趋势 强化传热的目的 1 减小换热器的传热面积 以降低换热器的体积与重量 2 提高现有换热器的换热能力 3 使换热器在较小的温差下工作 4 减小换热器的阻力 以减少换热器的动力消耗 5 7换热器的发展趋势 强化传热的途径 1 提高传热平均温差流体的进出口温度受生产工艺条件的限制 一般不能随意改变 因此 提高传热平均温差的唯一措施是采用逆流布置 但是 对于高温换热器 当受到材料承受温度限制时 不得不采用传热温差较低的顺流或顺逆流组合的布置 所以 这种措施对强化传热的潜力有限 不是主要途径 5 7换热器的发展趋势 强化传热的途径 2 增大换热面积常用的方法是适当减小管径和采用翅片管 螺旋管 管外翅片 5 7换热器的发展趋势 管内翅片 5 7换热器的发展趋势 特殊翅片 板翅式换热器 3 提高传热系数 提高传热系数首先要改善热阻大的一侧的对流换热系数 改善对流换热的措施有 提高流速 让流体横向冲刷传热表面 设法消除死漩涡区 增强流体的扰动与混合 破坏边界层或阻止层流底层的发展 改变换热表面的状况 1 管内单相对流传热的强化 2 层流边界层传热的强化 3 相变传热的强化
