能源转换与利用第5章_热回收用换热设备

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气-气换热器液-液换热器换热器固-气换热器固-液换热器气-液换热器气-相变换热器按照进行热交换的介质：§5.1热回收用换热设备概述直接接触式换热器间接接触式换热器换热器间壁式换热器蓄热式换热器间接式换热器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：①高温换热器②余热锅炉③蓄热式换热器④管壳式换热器⑤翅片管式换热器⑥紧凑式换热器⑦热管换热器⑧流化床式换热器§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，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mtkAQFohcrk1111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。2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数2、传热单元数法minWkANTU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：minW—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。hhhcVWccccVW水当量之比R的定义为：chWWR1121RWWRhc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：),(ERfNTU的函数关系与流体的相对流向有关。chhhttttE1chccttttE2一般，R取R1和R2中小于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：①热交换器壁温的限制：材料最高使用温度/℃材料最高使用温度/℃铜200耐热球墨铸铁650~700黄铜280表面渗铝碳钢650~700铜镍合金370合金钢800优质碳钢400~450镍980铸铁550~600耐热镍基合金1000耐热铸铁600~650陶瓷1400§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②传热的脏污：§5.1热回收用换热设备概述③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④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。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④流体输送的功率消耗：§5.1热回收用换热设备概述⑤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、高温换热器的形式按传热方式切换式蓄热室间壁式换热器金属换热器陶质换热器按烟气侧传热方式辐射换热器对流换热器§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kykkyywttt§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：1）设计原始数据不正确；2）设计不当；3）制造缺陷；4）操作不当；§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§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，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92.0642.075.3dcum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产量大，压力较高的情况。按水的循环方式自然循环强制循环根据管子的形状直管式（排管式）弯管式蛇管式§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[(λ＝202W/m•℃)]、铜[λ＝385W/m•℃]、和银：λ＝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：⑴在真空状态下，液体的沸点降低；⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；⑶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.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(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。气流速度固定床流化起始点流化床气力输送§5.6流化床式换热器（a）固定床；（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