热回收用换热设备.ppt

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，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。 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,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，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400800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。,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105 W/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，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。,A traditional heat pipe is a hollow cylinder filled with a vaporizable liquid. A. Heat is absorbed in the evaporating section. B. Fluid boils to vapor phase. C. Heat is released from the upper part of cylinder to the environment; vapor condenses to liquid phase. D. Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder (evaporating section).,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。,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