强化传热在锅炉管式空气预热器中的应用.pdf

2016年1月 设备运维 强化传热在锅炉管式空气预热器中的应用 张宏伟 （沈阳航空航天大学,辽宁沈阳110036） Enhanced heat transfer tube in boiler air preheater Zhang hongwei(Shenyang Aerospace University, Shenyang City , China, 110036) 摘要： 空气预热器是电站锅炉中必不可少的一个部件， 对 于提高锅炉效率、 保证燃烧方面起着重要的作用。管式空气预 热器是最常用的一种空气预热器型式。在大型锅炉设备中， 管 式预热器可重达数千吨。以配800MW机组的燃煤锅炉设备为 例， 管式空气预热器的重量约为2500t。因此， 在管式空气预热 器中采用强化传热技术具有重要的实际意义。 关键词： 强化传热； 空气预热器； 螺旋片； 扩缩管 Abstract: Air preheater is an essential component in the pow- er plant boiler, for improving boiler efficiency, combustion assur- ance plays an important role. Tubular air preheater is the most common type of an air preheater. In large boiler equipment, tubu- lar preheater can weigh thousands of tons. In units with 800MW coal- fired boiler equipment, for example, tubular air preheater weight of about 2500t. Therefore, in the tubular air preheater it has important practical significance using enhanced heat transfer technology. Keywords:Enhanced heat transfer; air preheater; helical seg- ments; scaling tube 在电站锅炉设备中可以对不少部件采用强化传热技术以 缩小锅炉体积、 减轻重量、 节省钢材和提高运行可靠性。下面 就管式空气预热器采用的一些强化方法及其效应进行讨论。 1 强化传热原则 在传热学中传热量可用下式计算： 即 Q=kAT 通过上式我们可以分析出提高传热的途径。 1.1 提升平均温差T 可采用逆流的方式提升换热交换面积， 因为相互流动换热 的气体在经过换热器时， 逆流的T最大， 顺流T最小。 1.2 增加受热面积F 使用较小的管径是提升换热面的一种良法。可以通过增 加肋片等提升换热面。 1.3 提高传热系数k 提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径， 且在换热 面积和平均温差给定时， 是增加换热量的唯一途径。当管壁较 薄时从传热学中我们知道， 传热系数k可用下式计算： k= 1 1 h1 + + 1 h2 由公式可知提升k， 需提升h1和h2， 当h1和h2差距较大时， 相 对来说提升相对小的那个效果好得多。 2 强化传热在管式空气预热器中的应用 空气预热器是电站锅炉中必不可少的一个部件， 对于提高 锅炉效率、 保证燃烧方面起着重要的作用。管式空气预热器是 最常用的一种空气预热器型式。在大型锅炉设备中， 管式预热 器可重达数千吨。以配800MW机组的燃煤锅炉设备为例， 管 式空气预热器的重量约为2500 t。因此， 在管式空气预热器中 采用强化传热技术具有重要的实际意义。 在管式空气预热器中， 管内流动的为热烟气， 管外流动的 为被加热的空气， 两者的换热系数都较低， 因而可以考虑在空 气和烟气两侧均采用强化传热技术。 现以一个配800 MW机组锅炉的普通管式空气预热器为对 象， 来讨论采用外肋片、 插入螺旋片一级采用扩缩管等强化传 热技术对管式空气预热器的影响。 2.1 采用管外焊以纵肋、 管内插有螺旋片的管式空气预热器 经过多种方案比较， 这一种强化传热方法对于改进管式空 气预热器的设计是无效的。计算表明， 当管外有纵肋， 管内插 有螺旋片以及烟气在管内流动， 空气在管外横向冲刷管子时， 管子数目可以减少， 但由于存在肋片， 实际换热面积比采用光 管时大。流动阻力则和光管时接近。此外， 所用的螺旋片所需 的金属管约为管子金属量的4 %。 如果只采用外肋而不采用螺旋片， 则只有在空气侧强化了 传热， 这是不合理的， 因为烟气侧的热阻也很大， 只强化一侧换 热对传热系数的增长好处不多。 如果只在管内插入螺旋片而在管外无外肋， 同时使空气以 较高速度纵向冲刷管束， 使空气侧和烟气侧的换热系数相近， 则换热面可以减少25 %左右， 而总的流动阻力要增加几倍， 这 在实际上是行不通的。因此较合理的方案是采用烟气在插有 螺旋片的管中流动而空气则横向冲刷管束的措施。 2.2 管内插有螺旋片， 管外空气横向冲刷的管式空气预热器 1 2016年1月 设备运维 采用强化传热技术的管式预热器由普通光管构成的管式 预热器的各项数据比较列于表1中。 由表可见， 当管内插有螺旋片时与光管时相比， 在阻力相 近时可减少换热面23 %。此外， 采用螺旋片后可以提高管壁温 度， 这对改善空气预热器的腐蚀是有益。这种方案的缺点为使 空气预热器的占地面积比普通空气预热器增多40 %. 2.3 采用扩缩管构成的管式空气预热器 我们讨论两种采用扩缩管空气预热器的方案： 一种方案采 用管径尺寸为 51x1.5mm 的扩缩管； 另一种采用管径尺寸为 40x.5mm 的扩缩管。这两种方案的各项数据比较也列于表 1中。 由表1可见， 采用管径较小的方案管子数目多但空气预热 器的高度小， 总的占地面积和体积也比较小； 采用管径较大的 方案则与此相反。两种方案的换热面相近。在表1中， 标明相 对百分数的各值都是相对于以光管构成的普通管式空气预热 器的数值而言的。 综合分析表1可见， 采用扩缩管的强化传热方案3和方案4 对改进管式预热器各项指标的效应最好。当采用扩缩管时与 采用光管相比， 可节省换热面34 %38 % （根据采用管径直径为 40mm货51mm的管子而定） ， 管子数目以及相应的管板上为安 装管子所需进行的钻孔数可减少12倍。在空气预热器内部结 构方面也比表1中的方案1和方案2简单。此外方案3的流动 阻力也比其他方案的小些。采用管内插入螺旋片的方案2与光 管的相比， 可使空气预热器的高度减少22 %左右， 可使空气预 热器的高度减少一半。 参考文献： 1徐春燕燃煤锅炉改用天然气锅炉供热技术探讨J 装备制造， 2014， (S1):112-113. 2刘凤国， 金阳 燃煤锅炉改用天然气锅炉供热技术探讨 J山西建筑， 2014(04):113-114. 3钟艳霞银川市大气环境污染特征分析J宁夏大学 学报(自然科学版), 2003, 24(3):290-292 4江亿京城供热之忧J科技潮， 2004( 4) :16-20. 作者简介:张宏伟 （ 1982- ） ， 男 ， 内蒙古奈曼旗人 ， 学士学位 ， 主要 研究方向为热能与动力工程 表1 名称 管子尺寸 （mm） 管子相对节距 烟气流速(m/s) 空气流速(m/s) 烟气平均温度 （） 空气平均温度 （） 烟气侧换热系数 W/(m2 K) 空气侧换热系数 W/(m2 K) 温压（K） 烟气侧流通截面积 （m2） 空气侧流通截面积 （m2） 管子数目 计算换热面 （m2） 管子长度 （m2） 沿空气流动方向的管子排数 与空气流动方向垂直的每根管子根数 烟气侧阻力损失 （Pa） 空气侧阻力损失 （Pa） 相对百分数 （%） 换热面 管子数目 管板上钻孔数目 管子总长 总高度 总占地面积 总体积 方案 普通管式空气预热器 1 40x1.5 1.30; 0.85 11.1 5.27 249 188 35.8 504 58 123 216 229x103 200 x103 2x7.5 46 620 56.7 375 100 100 100 100 100 100 100 管内插螺旋片， 管外插横向冲刷的管式 空气预热器 2 40x1.5 1.30; 1.00 8.0 6.0 249 188 58.4 542 58 170 190 334 x103 147 x103 2x3.65 39 1082 52.6 39.5 73.5 146 146 73.5 50 159 80 由扩缩管构成的管式空气预热器 3 51x1.5 1.27; 1.10 8.0 7.65 249 188 53.7 5