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1.4 缠绕翅片扩展受热面
现在常用的有两种翅片,一种是套片,一种是高频焊螺旋翅片。套片是机器冲压的圆薄片,用人工一片一片地套到基管上,在使用过程中因胀缩系数不同,套片和基管之间会逐渐产生缝隙并充满灰尘,热阻增大甚至使翅片失去换热能力,而且套片相对较薄不耐磨,设计工况风速10 m/s左右时,套片的使用寿命不足1 a。高频焊翅片管是用高频焊机将钢带围绕基管缠绕焊接而成,翅片厚度一般在1 mm~2 mm,热阻小,换热效率高,热管换热器采用高频焊翅片热管作为换热元件可提高换热效率,增加使用年限。热管分为冷热两端,所以可在冷热侧同时缠绕翅片以扩展受热面。
1.5 换热方式的确定
热管换热器冷热介质通常有两种换热方式:并流和逆流。在两种流体进出口温度一定,传热量相同时,逆流平均温差大于其它换热方式平均温差,从传热方程式:
Q=KAΔt, (2)
可知,所需的换热面积比采用其它换热方式时要小,所以设备体积小,结构紧凑成本低。式(2)中,Q为传热量,W;K为换热系数,W/(m2•℃);A为换热面积,m2;Δt为温差,℃。但在热管换热器中采用逆流换热时,因逆流传热会使热流体的高温对应冷流体的高温,热流体的低温对应冷液体的低温,造成热液体侧入口的几排热管内部蒸汽温度过高,有可能超过钢水热管的最高工作温度,而在热流体出口的几排热管管壁温度过低,导致低温腐蚀和堵灰现象。因此,换热设计时应对并流和逆流两种换热方式都要进行计算,通过全面比较,最后选择最合理的方案。
1.6 含尘量对换热器结构的影响
当烟气含尘量较高时,在设计管壁温度高于露点的基础上应考虑采用大螺距低翅片管,倾斜放置。但重力热管轴线与水平线角度应不小于20°,以保证冷凝介质的可靠回流,此时翅片不是水平而是倾斜的,有利于灰尘的下落。特殊情况下也可以采用光管。换热器烟气侧箱体两边应设置清灰门,换热器底部应设灰斗,以方便换热器定期清灰和排灰。在比较重要或有较高要求的情况下可在换热器上安装清灰器,根据工作实际情况设置清灰频率,在灰斗下方设置连续排灰阀,实现灰尘的自动化清理。
2 选择不同的冷介质对换热方案的影响
烟气余热回收中冷介质通常采用空气和水。空气加热后可用于锅炉和窑炉的鼓风或原料及半成品的烘干。水加热后可用于锅炉补水、办公取暖、职工洗浴等,在烟气量大温度高的情况下可以将水加热为蒸汽,用处更加广泛。空气、水、水蒸气这三种物质的换热系数差别很大,空气的加热和冷却换热系数为1 W/(m2˙℃)~58 W/(m2˙℃),水的加热和冷却换热系数为230 W/(m2˙℃)~11 000 W/(m2˙℃),水的蒸发冷凝换热系数最大,在5 800 W/(m2˙℃)~140 000 W/(m2˙℃)之间[3]。因此当采用不同的冷介质,换热器的换热方案差别很大。
2.1 选择空气作为冷介质
因气体换热系数较低,换热元件通常采用热管,热管的吸热端和放热端均可缠绕翅片,扩展受热面积来弥补气体和气体换热时换热系数低的不足。空气相对干净,翅片螺距比烟气侧可以减小,为了提高换热系数,可适当缩短空气侧热管长度,但此时要注意压降不可过大。如果减小螺距导致热侧管壁温度降低,风阻过大,就要适当增大螺距,此时换热器成本有所增加。
2.2 选择水作为冷介质
当烟气不含S且较洁净时,换热元件不一定要选择热管,可采用翅片管,烟气走管外,水走管内。烟气换热系数低,管外可以缠绕翅片扩展受热面,尽管翅片管内壁换热面积比管外小很多,但水的换热系数比烟气高很多,所以不会对热传导造成限制。设计时根据烟气量和水量的大小适当调整翅片管的长度、管间距、管排数和管列数,以确保烟气和水的流速在合理的范围内,流速过低会导致换热系数低,换热面积增大,成本升高;流速过高会导致流体阻力大,操作费用高,甚至会影响整个系统的正常运行。
当将水加热变为水蒸汽时,在热管换热器内其实是汽水混合物。汽水混合物通过上升管进入汽包,在汽包内产生蒸汽,汽包内的水通过下降管进入热管换热器,形成冷热流体的自然循环。热管换热器的冷介质侧与汽包相连通,此时换热器的冷端需承担压力,不能做成方形,当蒸发量较小时可以做成带椭圆封头的圆形设备,当蒸发量较大时,热管的冷端应做成套管式,套管之间用联管相连。总联管上设有上升管和下降管与汽包连通。
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