螺纹烟管空气预热器

第1页共9页螺纹烟管空气预热器摘要：本文介绍了螺纹烟管空气预热器的特点、设计、计算基本要点，同时，对螺纹烟管强化传热、不堵灰、不磨损机理及不漏风空气预热器等问题进行了论述。主题词：空气预热器，螺纹烟管，设计，计算1.前言空气预热器是锅炉尾部受热面之一，它的作用有三：一是某些锅炉因燃烧方式或燃料原因，燃烧时，需要空气有一定的温度，为满足燃烧所需空气温度，设空气预热器；二是某些锅炉受热介质温度较高，受热介质受热面出口烟温不能降低，为提高锅炉效率或为使排烟进入引风机不超温设置空气预热器；三是在锅炉设计时，合理利用温差，降低锅炉成本。由此可见，空气预热器是某些锅炉中不可缺少的部件。为提高空气预热器性能，降低空气预热器成本，在工业锅炉中，除一般光管空气预热器（下称管式空气预热器）外，还有玻璃管空气预热器、铸铁螺纹烟管空气预热器等。通过计算分析和应用证明，若管式空气预热器内光管改为螺纹烟管，其传热性能、钢耗、造价等均优于其他形式的空气预热器。螺纹烟管空气预热器是将管式空气预热器中光管改用螺纹烟管，其他结构没有变化，所以螺纹烟管空气预热器可以采用管式空气预热器中所有成熟结构。管式空气预热器应用的场合，螺纹烟管空气预热器均可适合，现在很多大型电站锅炉已在应用。近年来，有人将鳍片式铸铁省煤器技术与螺纹烟管技术相结合，设计制造了铸铁螺纹烟管空气预热器，它的优点是不堵灰、不怕磨损、不怕腐蚀，缺点是：a.铸件与钢焊接困难，使空气预热器组合件的密封困难，大型化困难，如果解决，成本太高；b.铸件在铸造时，要有铸造厚度，单件铁耗量不易降低；c.综合以上两点，铸铁螺纹烟管空气预热器造价高于管式空气预热器，重量也高于管式空气预热器。若在一些特殊需要场合，仍是一项很好的技术。经过计算比较和实际应用，螺纹烟管空气预热器的优点是：不堵灰、不磨损、钢耗低，占用空间小，造价与管式空气预热器相同，可以大型化等。为此，本文推荐螺纹烟管空气预热器，并从烟速，风速等设计数据方面给出螺纹烟管空气预热器设计要点。我厂螺纹烟管空气预热器有的已运行三年以上，用户反映良好。2.螺纹烟管2.1简介本文中的螺纹烟管，是指将平直的钢管由外压作用，在管内形成凸螺纹的螺纹管，运行时管内走烟气，通称螺纹烟管，属强化传热元件。有些锅炉设计者，为了强化烟管内传热，在管内装有泾钢条扭曲后形成扰流子，这类烟管应用范围有局限性，特别是不适用于含灰气流的传热，而本文介绍的螺纹烟管，第2页共9页可以用于含灰气，也可用于不含灰气流。在国内廿十世纪八十年代初开始将螺纹烟管用于燃煤的水火管锅炉上以来，没有出现因螺纹烟管磨损造成锅炉事故。同时对防止螺纹烟管堵灰也积累了丰富的运行经验，螺纹烟管内不积灰条件是管内烟速Wy≥6m/s，所以设计时，将螺纹烟管的出口烟速控制在10m/s以上。在点火或低负荷运行时，螺纹烟管出口处烟速会低于6m/s时，要求在低负荷运行8小时后，采用高烟速运行20分钟即达到清灰目的，具体做法是：a.暂时满负荷运行20分钟；b.将炉膛中炉门打开，加大引风量20分钟。这两种方法都会实现清灰的作用，对于短时间的低负荷运行，不必考虑清灰问题，而长期低负荷运行不清灰时，因灰易结硬壳，使清灰困难。可见，螺纹烟管是一种强化传热，不积灰，磨损轻的传热元件。我厂应用这一技术设计制造的燃煤水火管锅炉，由于不同吹灰，长期运行，保持高效率，保持初装锅炉的阻力，保持初装锅炉的出力，受到用户的好评。这一系列锅炉已运行的有44t/h蒸汽锅炉，29MW热水锅炉，螺纹烟管用于空气预热器已运行三年以上。螺纹烟管空气预热器的布置可以是立式的（螺纹烟管中心线是垂直的），也可以是卧式的（螺纹烟管中心线是水平的），运行都令人满意。很多文献中介绍了各自对螺纹烟管的试验和研究，结果，有单头的，有多头的，在实际应用中，有的将钢管压制成“麻花”形等等。在我们实践中认为，单螺纹，小螺距，低螺纹高是较为理想的螺纹烟管。我们现用于锅炉或空气预热器上的螺纹烟管就是这样的螺纹管。2.2传热计算和阻力计算螺纹烟管的传热计算和阻力计算采用文献[1]中的公式，该公式是由哈尔滨工业大学锅炉教研组在83年做试验得出的，现抄录如下：⑴流阻系数(1)………………………0d(2)…………75.3)005.0exp(]48.90296.01[868.0295.282366.033.05.0etRetdeedenn⑵放热系数(3)…………………uyNd4………………retuPRSN(5)……………75.3]8[77.1025.28273.05.0095.033.05.0entRdeetdeedS第3页共9页(6)…………………………dRe式中⑴～⑹中：λ0—单位长度流阻系数，1/m；λ—流阻系数；d—螺纹管内径（不考虑存在内螺纹），m；e—螺纹高度（由内壁测量），m；t—螺纹节距，m；α—放热系数，w/(m2.℃)；λy—烟气导热系数，w/(m2.℃)；υ—运动粘度，m2/s;ω—烟气在管内流速（不考虑存在螺纹），m/s；Nu—努谢尔特准则；St—斯坦顿数；Re—雷诺数。式（1）、（5）试验范围：Re=6×103～3×104；e/d=0.0196～0.0682；t/d=0.324～0.092。文献[1]中认为：前述公式的放热系数比实测小10%，计算得出的流阻则与实测基本一致。从多台锅炉运行和实测，放热系数实测值比公式计算值高，流阻实测值比公式计算值低。具体表现是，按前述设计的水火管的锅炉，有很富裕的超负荷能力，螺纹烟管的出口烟温低于设计值，流阻小于计算值。对这方面因为统计数据不多，还不能提出具体比例数。文献[1]对于螺纹烟管的磨损，积灰，刚度，强度等均有详尽的叙述，本文不再重复。2.3关于螺纹烟管强化传热机理的探讨第4页共9页对于我厂常用的单螺头，低螺纹高（e=1.8~2.5）,小螺距（t≈0.4d）的螺纹烟管，其螺纹与烟管截面（垂直中心线的截面）夹角很小（大约10~12°），当烟气高速（10m/s）流过凸螺纹时，有可能使烟气发生旋转，但不可能发生大的旋转，就是说烟气流过螺纹烟管内时，仍以沿着烟管中心线方向流动为主流，烟气是横过凸螺纹流动为主，使气流形成收缩放开的过程。在流动传热过程中，特别是沿壁流动传热中，附面层是减小流动传热的主要原因之一，而烟气在螺纹烟管流动过程，由于凸螺纹的存在，破坏了附面层，从而强化了烟气对管壁的放热过程，强化程度取决于凸螺纹和螺距的布置，这里存在优化的问题。由于螺纹烟管内烟气流不是以旋转流为主，所以烟中粉尘受离心力的作用并不强烈，主要是主气流和主气流横流过凸螺纹的气流影响着烟气内粉尘流程。主气流横流过凸螺纹时，在气流近凸螺纹处产生小半径高速绕流，这绕流产生的离心力，足以使烟气流中质量较大的灰粒子离开气流边缘，而横过凸螺纹后气流又以射流形式扩到管壁处，较大质量的灰粒因惯性作用，不能及时回到气流边缘，这一运动过程，使螺纹烟管中心线一定范围内截面上富集了质量大的灰粒，这就减少了灰粒对凸螺纹的冲刷强度，大辐度降低对凸螺纹的磨损。在破坏附面层的流动过程中，也破坏了灰尘在螺纹烟管内壁的停留条件。这样螺纹烟管就成为放热系数高，不积灰，不磨损的传热元件了。这样过程是有速度范围的。3.螺纹烟管空气预热器3.1螺纹烟管空气预热器螺纹烟管空气预热器的具体结构是将管式空气预热器的光管改用螺纹烟管，其他结构与管式空气预热器一致。在制造上，除螺纹烟管制造外，其余部分不须增加工艺装备，可以用于管式空气预热器可用的所有场合，作用也与管式空气预热器相同。它与管式空气预热器比较的优点是：可以立式或卧式布置，在合理设计条件下，不堵灰，不磨损，换热系数高，钢耗低，占用空间小，在第5页共9页同样换热容量下，烟风阻力可以做到与管式空气预热器一致，它与管式空气预热器一样，不耐腐蚀。管式空气预热器内钢管一般采用Φ40×1.5或Φ51×1.5（或×2），螺纹烟管空气预热器多采用Φ51×1.5（或×2）的钢管，管式空气预热器现常采用在烟气进管处的管口焊有短管做防磨管，为了可靠，螺纹烟管空气预热器的烟管烟气入口也焊有长度大于管内径的短管做防磨管段。3.2螺纹烟管空气预热器的热力计算前已述及螺纹烟管的放热系数计算，用于空气预热器时，传热公式为：(7)………………………………19.021wnddk式中：k—螺纹烟管空气预热器传热系数，w/(m2.℃)；1—螺纹烟管内放热系数，w/(m2.℃)；2—螺纹烟管外放热系数，w/(m2.℃)；dn—螺纹烟管内径，（不计螺纹高），m；dw—螺纹烟管外径，m；0.9—螺纹烟管空气预热器利用系数。式中1可根据本文⑴~⑹式中计算，2是横冲刷的放热系数，可根据有关锅炉或其他传热学等文献查找。因螺纹烟管内不挂灰，不堵灰，所以利用系数高于一般空气预热器，利用系数取0.9。有人认为采用⑴~⑹式中计算出的结果高到1。现在普遍采用0.9。公式（7）的传热系数是对应以螺纹烟管内壁受热面计算，计算受热面时不计凸螺纹增加的受热面。计算温差仍须按有关交叉流温差计算。螺纹烟管空气预热器空气与烟气一般为一或二次交叉流，很少三次交叉流，因此，烟气在空气预热器内温降较小，为保持空气预热器螺纹烟管出口烟速不第6页共9页小于10m/s，空气预热器的平均烟速选取11~13m/s就可以了，必要时核算一下出口烟速。文献[1]中已指示，烟速在25m/s以下时，磨损不明显，所以不须考虑螺纹管入口处的烟速。提高螺纹烟管内烟速，可以减少螺纹管根和降低钢耗，但会增加烟侧阻力。空气侧为空气横向冲刷对流管速，通常人们习惯采用错列布置，但对换热量小的锅炉中，顺列布置可能更方便。错列布置时，,1,5.121dsds更能体现提高传热系数的作用。空气侧空气速度可取6~8m/s，为了降低空气侧阻力，在合理应用空间条件下，尽量减少流向的排数。当空气预热器的烟量和螺纹烟管内烟速确定后，空气预热器根数基本已确定，如果空气侧管束排列和空气速度确定后，其受热面根据换热量也确定。由于利用系数的提高和传热系数的提高，螺纹烟管空气预热器的受热面比管式空气预热器受热面可减少20%~40%。螺纹烟管空气预热器计算占用空间，比管式空气预热器的计算占用空间小20%~40%，但由于结构的原因，实际占用空间多以烟管长度减小后体现。即使这样，实际占用空间螺纹烟管空气预热器也比管式空气预热器减少10%~20%。3.3不漏风空气预热器的条件这里的不漏风空气预热器是指空气侧不向烟侧漏风。管式或螺纹烟管空气预热器的漏风有两个条件：a.结构处理上有形成或漏风条件；b.管子被腐蚀或磨穿。因为螺纹烟管磨损很小，若不设在腐蚀条件下运行，就不考虑管子漏风的问题。另一是结构问题，最常见的是空气预热器管箱与附板间膨胀节破坏产生漏风，如果管箱与附板间不设膨胀节，则附板可设置在管箱的上下管板中间，则空气没有向烟气漏风条件。钢板受热后要膨胀，连在一起的两块钢板或一块钢板两位置温度不一致，由此产生的热应力是可以计算的。经计算表明一般碳钢，温差在50℃范围内产第7页共9页生的热应力是在许用应力范围内，温差在75℃以下，产生应力在屈服应力范围内，温差大于75℃时，产生应力大于屈服应力。一般钢材热应力在屈服范围内引起的疲劳破坏次数，可以认为满足工程可靠性要求。为安全起见，将温差控制在65℃范围内，对非受压元件是安全的。我们分析一下管箱与附板间温差，这一温差实际是管箱烟管壁温与附板壁温的温差。这一温差可以计算：(8)……………………2121tttttky式中：y—管内烟气对管内壁放热系数，w/(m2.℃)；k—管外侧空气对管外壁放热系数，w/(m2.℃)；1t—管内烟气与管壁间温差，℃；2t—管外壁与空气间温差，℃；t—烟气与空气间温差，℃。可见式中2t就是管箱与附板间温差，若经计算2t≤65℃，则空气预热器稳定性相与附板间可不设膨胀节，可做成不漏风的空气