（工程热物理专业论文）内螺纹管低温段空气预热器设计及优化.pdf

摘要 5 3 7 5 9 3 锅炉设备中的低温段管式空气预热器位于锅炉烟气温度比较低的区域，它的 管子通常采用光管构成。由于烟气温度低而产生了两个问题：一个是传热温压小， 管子所用金属的消耗量相对比较多；另一个是受热面的管内侧金属壁面容易出现 低温腐蚀。前一个问题和受热面的造价紧密相关，从节能和余热回收利用的角度 出发，应当强化传热过程。后一个问题和受热面的安全运行和寿命有关，最好的 改善方法是提高管壁的温度。通过分析，认为采取提高管内烟气侧换热系数的措 施将有助于同时解决两个问题。空预器烟气侧的换热类型是管内单相强迫紊流换 热，论文在查阅了相关文献的基础上，比较了几种不同的管内强化换热措施，在 其中选择内螺纹管代替光管，来改造管式空气预热器。 内螺纹管是一种异形管，和光管相比，管内侧的换热系数大大增强了，应用 于空气预热器可以起到提高总传热系数、节约受热面金属消耗量的目的；同时提 高了管壁温度，能够减轻低温腐蚀的程度和速度；不足之处是带来了更大的阻力 损失。所以，在用内螺纹管代替光管进行管式空预器的设计时，需要进行全面 的核算。相关文献都认为选取小螺距、浅槽深的螺纹结构是合适的，在强化了管 内烟气侧换热的同时，不至于过多的增加阻力。结合一些电厂中用内螺纹管改造 空预器的实例，可以认为内螺纹管适合于代替光管改造和设计管式空预器。 设计管式空气预热器时的计算任务比较繁重，为了减轻设计时的工作量，论 文采用了面向对象和可视化的编程技术，编制了内螺纹管空气预热器的设计计算 程序。在程序中处理了设计过程中与热力计算、结构计算和阻力计算相关的公式、 图表和曲线，使之可以在计算机上使用。对大部分的热工、阻力方面的参数，如 烟气和空气的焓值、热物性参数和阻力系数等的计算，采用了类描述即面向对象 的方法，使得无论是调用还是修改这些参数的计算方法，都显得十分方便。可视 化的编程使得人机之间的交互方便，可以根据需要改动设计时的结构限制条件， 也能很快的获得设计结果。 应用编制的内螺纹管空气预热器计算程序，以某1 3 0 t h 燃煤锅炉的管式空气 预热器为例，用内螺纹管进行设计。比较了几个重要的设计变量，如外管径、烟 气流速等参数变化时，总传热系数和空预器本体管子总重量，阻力损失以及最低 管壁温度等几个重要设计结果的变化趋势，对内螺纹管空气预热器的设计具有借 鉴意义：其间还分析了内螺纹管与光管在设计时的不同之处；最后，初步分析了 内螺纹管的优化设计问题，提出了些建议。 关键词内螺纹管设计优化 a b s t r a c t l o w e rt e m p e r a t u r et u b u l a ra i r p r e - h e a t e r i so n e c o m p o n e n t s o fb o i l e rt h a t a p p l i e di np o w e rp l a n t i tw o r k s i nt h ef i e l dw h e r et h et e m p e r a t u r eo f g a si sl o w e s to f a l l c o m p o n e n t st h a tb eh e a t e di nt h eb o i l e r i ng e n e r a l ，a i rp r e h e a t e ri sm a d eo f s m o o t h p i p e s t h e r ec o m et w oq u e s t i o n sw h e n t h et e m p e r a t u r eo f g a si sl o w o n ei s t h a tm e t a lc o n s u m e di na i rp r e h e a t e ri s r e l a t i v e l ym o r e ，d u et ol o w e rt e m p e r a t u r e p r e s sa n d h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h eo t h e ri st h a tc o r r o s i o no f p i p er e s u l tf r o m8 0 2 ， w h i c he x i s t si ng a s i ti sc o n s i d e r e dt h a te n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e n g a sa n dp i p ei sh e l p f u lf o rt h es o l u t i o no ft h e s et w oq u e s t i o n s t h et y p eo fh e a t t r a n s f e ri n s i d et h ep i p e sb e l o n g st os i n g l e p h a s ec o m p u l s i v et u r b u l e n tf l o wo fi n n e r p i p e i n n e rt r a c h e ai sak i n do fs p e c i a lp i p ec o m p a r e db ys m o o t hp i p e ，w h i c hc a n s t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e ri n s i d ep i p e t h e r ea r eal o to fa d v a n t a g e sw h e ni n n e rt r a c h e a a p p l i e di na i rp r e h e a t e r , s u c ha st h ei m p r o v e m e n t o f t h e t e m p e r a t u r eo f p i p e ，t h el o w c o n s u m p t i o n o f m e t a l ，e x c e p t f o rt h ei n c r e m e n to ff l o w r e s i s t a n c e a c c o r d i n gt om a n y r e l a t e dp a p e r s i ti sm o r ep r o p e ri n n e rt r a c h e aw i t ht h es t r u c t u r eo fs h o r td i s t a n t b e t w e e nt w ow h o r l sa n ds h a l l o wd e p t ho fw h o r l i tc a ne n h a n c eh e a tt r a n s f e rw i t h s m a l l e rf l o wl o s s r e f e rt os o m ea p p l i c a t i o ne x a m p l e so fi n n e rt r a c h e at u b u l a ra i r p r e - h e a t e ri np o w e rp l a n t si ti sag o o dr e p l a c e m e n tp i p e o f t h eo l ds m o o t h p i p e t or e d u c et h eh a r d n e s so ft h ew o r kw h e n d e s i g n i n gt u b u l a ra i rp r e h e a t e r , i ti s n e e d e dt ow o r ko u tp r o g r a mb yc o m p u t e rt or e a l i z et h ep r o c e s so ft h ed e s i g n o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e di nt h ep r o g r a mo f t h i s p a p e r i nd e s i g n i n gp r o g r a m ，m a n yf o r m u l a s ，c u r v e s a n dc h a r t su s e di n c a l c u l a t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e d t h eg r e a tp a r to fp a r a m e t e r s ，s u c ha st h e e n t h a l p y o fg a sa n da i r , a r ed e s c r i b e db yt h ec l a s sm e t h o d t h eu t i l i z a t i o no f v i s u a l i z a t i o nm a k e si t e a s y f o r p e o p l e t oc o m m u n i c a t e 、i t l lc o m p u t e rp r o g r a m e v e ni fs o m er e s t r i c t i v ec o n d i t i o n so fs t r u c t u r ea r ec h a n g e d ，t h er e s u l t so ft h ed e s i g n c a nb eg o r e n r a p i d l y t a k i n gs o m e t u b u l a ra i rp r e h e a t e ru s e di no n eb o i l e rw h o s ec a p a c i t yi s13 0t h a sa ne x a m p l e ，n e wb l u ep r i n tw i t hi n n e rt r a c h e ai sc o m p l e t e db ym e a n so fc o m p u t e r p r o g r a m s e v e r a lk e yd e s i g nv a r i a b l e sm a y b ec h a n g e d ，s u c ha sd i a m e t e ro f p i p ea n d v e l o c i t yo f f l o wo f g a s t h e s ec a s e sh a v eb e e nc o n s i d e r e d ，a n d t h e i rr e s u l t sh a v ea l s o b e e nc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns m o o t hp i p e a n di n n e r t r a c h e ai nt h ed e s i g np r o c e s si sa n a l y z e d a tl a s t ，o p t i m i z a t i o no fd e s i g nw i t hi n n e r t r a c h e ai ss t u d i e d k e y w o r d s ：i n n e rt r a c h e a ，d e s i g n ，o p t i m i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 彦言 锅炉设备中，烟气流经i 尊热器和再热器后，仍然有相当高的温度。为了回收 这部分烟气中的热量，降低排烟温度，提高锅炉的效率。在锅炉的尾部烟道布置 有省煤嚣嗣空气预热器，用来避一步吸收烟气静余热，分别加热锅炉静给水帮燃 浇需要靛囊气。大鍪! 锅炉翁雀潦赣耪空气诿燕器露浆羯双缀布萋豹方絮来提裹效 率。省煤器謦空气预热器交锚布置时，沿烟气的行程、最后布置的空气预热器区 域的烟气温度是最低的，这级空气预热器通常称作低温段空气预热器。 空气预热器常常采用管式结构。由于低温段空气预热器工作在烟气温度范围 比较低的聪域，传热温压比较低，空气预热器受热蕊金属的消耗量比较大，必须 设诗菇受热爱浆结稳，才憝绦辫余蒸鏊浚零l 蔫熬缀滚毪。另终，空气壤热器受熬 面中的鬻黧温度比较低，空气预热器的管子会出现低温受热面特有的腐蚀问题， 简称为低温腐蚀。发生低温腐蚀的管子，会产生漏风和堵灰，降低锅炉的经济性， 严重时会影响锅炉的正常运行。 管式空气预热器的传热情况是属于气气之润的换热，嚣侧的换热系数在一个 数量级。烟气在管蠹皲级淘净测，空气在彗癸横翅洚联管素。一般揆两洚弱熬换 热系数眈缴离冲刷的换热系数簧大，所以整个传热过程的主要燕阻在潮气铡。另 外由于烟气侧的换热系数小，空预器中管子内壁的温度就上不去，更释易发生低 温腐蚀。_ | 澈当考虑采用强化抉热措施来强化管式镦气预热器的换热，尤其是管内 烟气侧的换热。空预器的最低管壁温度屯。可如下式计算：( 符号的意义在4 1 节解释) ，公式右衡仅涵气撼按热系数g ，缵丈、蔟余参数蘩不交穗，翩增大。 k m 叫。+ 箍 a y a 7 对镑内强诧换热润蘧，远望年寒窭瑷了戳越异形管灸找衰鹩强织换热措 施。箕审肉螺纹管是院较孳| 入注目的一释。内骠绞管能够同霹强讫管凌移管辨懿 换热，非常适合应用在管式空气预热器上。管内的烟气对管壁的放热系数提高后， 不但提鬻了总的传热系数，而且如上式，还可以提高管壁内侧壁温t 对减轻低温 腐蚀也是有利的。 基本上，各静强翻二传热掺藏都是殴喾拥参与抉热流体豹流动阻力为我价的， 走臻纹繁氇不锈箦。究竟采麓肉螓绞警薅，戮选强传耱内臻绞警蕊续稳参数为塞 昵? 传热和阻力方面又会翁多大的变化2 在设计上与传统的光管空气预热器有 何不同? 都将成为本论文研究的对象。 浙江大学硕士学位论文 此外，管式空气预热器的设计过程十分繁琐，为了能够迅速、准确的计算 利用计算机编程、代替手工计算，可以给设计带来很大的方便。 第一章管式空气预热器的强化传热和低温腐蚀 1 1 管式空预器的传热过程分析 1 1 1 管式空预器介绍 空气预热器是锅炉设备中的一个部件，它的作用是回收烟气余热来加热准备 送入锅炉炉膛燃烧的空气，进一步降低烟气温度。烟气在经过空气预热器后的温 度就是用于锅炉计算中的排烟温度，它是影响锅炉设备经济性的重要因素。显然， 单纯作为一个传热问题考虑，排烟温度愈低，对应的锅炉排烟热损失愈小，则锅 炉的经济性能愈高。然而，在工程上不但要考虑降低烟温所带来的收益，还必须 考虑由此造成空气预热器运行成本增加等因素。换言之需要考虑技术经济性。这 就要求对空气预热器给定设计目标，比较几种可行的设计方案，从中寻找技术经 济上的合理方案。 空气预热器本质上是一台换热器。电站锅炉和工业锅炉设备中的空气预热器 以往采用管式和回转式两种型式，后来热管式空气预热器也逐渐推广开来。到目 前为止，管式空器预热器仍然是应用最多的型式。 空气流 图1 1 立式钢管空预器管箱示意图 管式空预器是一种表面式换热器。按文献 4 ，表面式换热器按流动型式分为 浙江大学硕士学位论文 管壳式、交叉流式、板式这三种型式，管式和板翅式则是交叉流式的两大型式。 管式空预器有立式和卧式两种结构，锅炉设备中常用立式结构。空预器整体上由 几个并列的管箱组成，管箱结构如图( 1 1 ) 所示。 对于管式空预器，过去管子型式采用的是光管，而今已有许多强化传热措施 可以应用。管式空预器由错列或顺列、布置的管束组成，烟气在管内做纵向冲刷， 空气在管外横向冲刷管排。按照空气的流动，在烟道的高度方向上可以分为一个 到四个流程，空气依次通过每个流程，与烟气形成总体顺流或逆流交叉流动的姿 态。图( 1 - - 2 ) 目n 为3 个流程数的示意图 籍 烟气入口 l 鼍1l ， 空气 出口 l 烟气出口 图1 2 空预器的流程示意图 1 1 2 管式空预器的传热过程 管式空预器的传热过程由5 部分组成： 烟气在管内对内管壁的放热。这一项由对流换热和辐射换热组成。 内管壁污垢的热阻。 从管内壁到管外壁的导热。 外管壁污垢的热阻。 管外壁和管外空气的对流换热。 总传热系数_ 和锅炉对流受热面的总传热系数一样，按文献 1 ，可以用下式 一一 一 + 一垒k 一 十 一l 垒 一 + 一瓯一厶 一 + 录! 表 女 浙江大学硕士学位论文 式中，妄是烟气铡熬隈， m l 。c w ，萁她建璐气翻放燕系数 ：一 安是空预器烟气侧灰污层的热阻， 舻- 。彩 ，其中瓯代表灰污屡厚度，九代 表灰污溪魏导热系鼗歹0 t e 3 ； 詈是窟预器管壁金属热隰， m 2 。 ，其中为管壁厚度，为金属的导 热系数，妙 分母中蘩矮是矮气绢懿热辍，_ 予濯气委管内慧懿羧热系鼗壤舂美，辩予怒气 温度不离的低温段空预嚣，w 以忽略辐射换热，仪考虑对流换热即可。第二项热 阻相对很小，亦可略去不计。空预器的总传热系数就由烟气侧放热系数和空气侧 教热系数决定。在管内的灰污热阻必须考虑，镣式空预器计算时以测用系数毒处 疆汶一灏豢。 1 2 低温段空预器的低温腐蚀 1 2 。i 警式空羲器熟 聂滋瘸镪域警壁涅发麴哭系 大淤锅炉中的空器预热器和省煤器通常采用砹级布置，处于诵炉尾部烟道的 低温段空预器，由于处在烟气温度比较低的区域，低温腐蚀是必须骤考虑的问题。 低温腐蚀是处于较低的烟气温度的受热面特有的闯题。主要与烟气的酸露点和水 露点鸯荚。酸露悫是爆气巾鹣簸酸蒸气凝结成硫酸雾豹湿度，它翻锅炉掰角静燃 糕羲含巯耋有关，含蕊鬣越篱，燃浇盖形藏黪爝气熬酸露熹藏越巅。文藏 1 6 1 我 国的燃煤含硫量大部分为l 左右，酸露点约为1 2 0 c - 1 3 0 。c 。禽硫量增加到2 至3 时，酸露点有1 4 0 一1 6 0 c 。水露点鼹烟气中的水蒸气络麟的温度，与 烟气中的水蒸气含量有关。般煤种的水露点肖5 0 7 2 ，烟煤有3 5 左右。低温 受热露发生腐蚀豹速度和皴黼湿度豹关系很大。造壁面温度大于酸嚣点对不存在 低滠蕊镶趣逶，夸予零露焱辩露镪速度堙热魏缀狡。在酸露基帮承箨煮之凌，寿 一个腐蚀速度相对比较小的安全区域( 豹在8 0 c 到9 0 4 c 之滴) 。 般锅炉的排烟温廉猩1 3 0 c 到1 5 0 c 之间，空预器进口冷窝气温度约为3 0 左右，管壁温度按排烟溆度和冷空气温度的平均值计算，约有8 0 4 c 至09 0 4 c ， 4 一 塑婆查量堡主兰堡堡奎 刚好是安全区。但是管内烟气的放热系数没有管外的空气放热系数高，所以管壁 温度实际上要小一些，腐蚀情况比较严重。 1 2 2 最低管壁温度的计算 研究单根管子的传热情况，可以将原本的圆柱体导热模型近似为一个大平 板，忽略灰污热阻，由于钢材的导热系数很高，亦可忽略管子的导热热阻，即 将管子的内外壁温度看作近似相等，边界条件是第三类，即烟气和空气分别对 管子两侧的对流换热。推导出管子壁温的近似公式： 铲等q 等- 口a ( 1 2 ) 当空预器的工作状态给定时，即烟气平均温度，空气平均温度不动时，唯 有两侧的放热系数可动。令= c 吼，进一步写作： 铲”铡 ( 1 - - 2 a ) 对于光管管式空预器，空气侧的放热系数比烟气侧的要高，故c 1 0 。显 而易见，此时c 的值愈低。管壁温度愈高。有鉴于此，对管式空预器的烟气侧对 流换热做单侧强化，提高q ，降低形，的比值，可以有效的提高管壁温度， 减轻低温腐蚀。但是想要完全避免酸腐蚀，至少对管式空预器是不大可能的。 那样将会导致出口的烟气温度过高，从而降低锅炉的经济性能。 1 3 管式空预器的强化换热和评价原则 1 3 1 强化换热的意义 出于节能的考虑，各种换热器都需要强化传热过程、提高换热器的性能。对 于空气预热器尤为如此，因为低温段空预器的进口烟气温度一般小于2 5 0 ，进 口空气温度大约是3 0 ，特点是热流很低，传热温压也很低。 文献 6 ，强化换热的任务是缩小换热器的尺寸和减小重量，或者是为了减 小温差，使温差小于同样条件下用一般方法得到的值。假定在实际的允许范围 内，增加气流速度仍然不能保证得到必须的换热器尺寸，或者给定的壁温，则 必须采用一定方法来强化换热，达到既减小尺寸，又不过多的增大流动阻力的 目的。 浙江大学硕士学位论文 按文献 1 ，空预器管内外两侧的空气速度和烟气速度之间满足一定比率 时，换热效果较好，流动阻力也合适。这个限定条件的用意是使两侧的换热系 数大致相等。然而，在应用光管设计空预器时，按推荐的流速比并不能达到这 个效果。烟气侧的放热系数和空气侧的放热系数虽然处于同一个数量级，但几 乎总是空气侧的换热系数将近为烟气侧的两倍。这样，在式( 卜一1 ) 中所提到 的空预器的5 个热阻中，烟气侧的分热阻是空预器传热过程的主要热阻。强化 传热过程的主要热阻，对于提高换热器的传热系数，具有最为明显的效果。那 么这时应当采用增强烟气侧的换热系数的方法来强化空预器的传热过程，如此 则可以在保证完成换热任务的前提之下，能够达到节省换热面积，从而节约钢 材的目的。同时又如1 2 2 小节所述，还能够减轻低温腐蚀，实属一举两得的 举措。 1 3 2 强化换热的目的 选择烟气侧的强化方法实际上是选择一种强化传热的技术。强化换热技术 有着第二代传热技术的美誉，在节能工作中日益发挥着重大作用，应用领域也 日趋广泛。按文献【7 】对换热器进行强化换热的目的不外乎以下几点： ( 1 ) 减小换热器的设计体积和重量； ( 2 ) 提高已有换热器的换热能力： ( 3 ) 减少换热器的阻力； ( 4 ) 使换热器在较低温差下工作( 用于低温余热的回收利用) 。 诚然，上述目的是不可能同时达到的，例如第三点和第一点，在现有的绝 大多数强化传热手段中，就是决然相反的要求。首先应当明确换热器的用途， 抓住设计的主要矛盾，方能选择合理的强化措施。低温段管式空预器的工作区 域的烟气温度比较低，属于较低温差下的换热问题，同时还有同原因造成的 低温腐蚀问题。强化烟侧换热效果，以减小换热体积和提高管壁温度，方为管 式空预器强化传热的主要目的。这一要求决定了上述四点目的中并不矛盾的第 一、四条顺理成章的成为强化目的的首选。至于阻力，只要保证不是过分增大， 以至于必须更换风机，就可以了。 l - 3 3 强化换热的途径 管式空预器的强化途径遵循表面式换热器的一般规则。文献【7 】，有三种途 径：提高平均温压、增加换热面积和提高传热系数。其中提高平均温压的手段， 在热工状态给定时，烟气和空气的进出口温度和流量都不可变，对于交叉流动 6 浙江大学硕士学位论文 只能在流程数和总体顺流、逆流上想办法，这一手段的应用就受到很大的限制。 而增加换热面积( 采用小管径和应用扩展表面均可增大换热面积) ，固然是最为 直接有效增加换热量的手法，但是明显不符合减小换热面积的设计要求。文献f 6 1 ， 单纯增加换热面积是不足道的，但是某些扩展表面，能够同步提高传热系数( 如 果结构参数选择好的话) ，还是具有价值的。上两个途径难尽人意，剩下的惟有 提高传热系数，事实上它正是强化传热研究的重点。能够大幅度提高换热量， 使之超过换热面积的增加因素，从而在完成既定换热任务时，必然相应减小所 用钢材消耗量，正是提高传热系数的魅力所在。 1 3 4 强化换热的评价原则 文献【7 提高传热系数几乎不可避免的要增加阻力，传热和流阻这对矛盾， 关系到各种强化措旌的应用前景，对此必须有一个评价原则，以之来衡量一项 强化措施在经济性上的得与失，才能较为准确地了解该强化措施的应用前途。 按文献【7 ，对于表面式换热器，如果管外的换热系数比管内大，可应用以 下评价原则来衡量强化传热技术的效应。 在三种情况下，对比采用强化传热技术的换热器与普通的换热器的工作效 应： 第一：在换热功率、工质流量和压力损失相同时，比较两个换热器的换热 面积与体积； 第二：在换热体积、工质流量和压力损失相同时，比较两个换热器的换热 功率； 第三：在换热功率、工质流量和换熟体积相同时，比较两个换热器的压力 损失。 这三种比较方法都是未考虑管子的另外一侧( 空气) 的热阻，也未曾考虑 应用强化传热技术后管子等价格的增加和运行费用的变化因素，因而是不全面 的。但是无论按那一种，针对管内纵向冲刷，有一个共同的结论：如果下式成 立，则强化传热技术是有效的。 ( 。) 3 5 ( 纥) ( 1 3 ) 式中， 协和f 是强化传热管的努谢尔特数和阻力系数； m 。和厶是未经强化的光管的努谢尔特数和阻力系数。 对于管式空预器，采用强化管内烟侧换热技术，尽管需要考虑管外空气热 阻，这个比值关系仍然是有效的，可以作为每项强化传热技术在选择结构时的 7 浙江大学硕士学位论_ 兜 参考。文默【7 】，簸工程瘦瘸瓣焦度考虑，瘦当焱这群一秘足疫下谬徐警式空蘸 器强纯佟热的效果：热工状态( 换热功率和工疑流量) 相露，管予的基本尺寸 ( 宜径和壁厚) 相同。比较强化空预器和普通窳预器的年运行费用，包括空预 器的一次性投资和年度花赞谯阻力上的电力消耗费用。 1 4 镣凌单程强裁对滚换熟戆强纯接魏 1 4 1 管内单相强制对流换热的计算公式 锅妒爆气在管式空预瓣鹃警子孛敛缀淘、秘刷，抉热方式是管内擎撼强制对流 捩热。文n 5 1 1 6 1 ，一般滚动状态惑是登予紊滚嚣，这样揆熬强黧。文献f l 】溺鞠， 稳定王况时，n u 数采用下磷的公式计算。 n u = 0 0 2 3 r e o 8p r o 4 ( 1 - 4 ) 式中，各准则数豹定性激度取烟气盼平均溺发，定性尺寸就是管予的肉直径。 这一缀骏公式熬应委蓬嚣怒融，= 1 0 44 1 。2 1 0 5 ，吩= o 7 专1 2 0 ，纥5 。 当管予长度小于5 0 倍内径时，乘以管长修正系数；烟气的平均温殿与管子的平 均温威相差较大时，还要系以温差修正系数。 1 4 2 管肉单据强嚣l 对流羧热豹强毒i 二措箍 3 狲 4 1 1 6 7 1 ，根据紊流对流换热的边界屡理论，在诸多影响肇糖流体对流 换热系数的因素之中，紊流边界层的层流底层才是最关键的因素。如此看来，设 法减小层流底层的热阻，嘲时增强流体的紊流稔度，即可从最根本上强化单相流 体的镣内对流换热。文献【7 】直到目前，人工粮糙壁霭和流体旋转题达到上述目 懿夔鼹大圭要方法。 1 4 2 1 人工粗糙壁面法 文献f 7 】，人工租糙壁丽的芋段主要是采用鼹颟带有周向环状凸出物的管予以 强化羧热。典型魏裁子燕犊绞摇营。滚落在遵避热出耱对，壁强上款边赛层发生 分离，遴遗有序翁蠡密甥撵翔，哥阻不断撬动透赛层，疑焉强馥羧热。传熬窝阻 力受趣如物的影响与其桶对节距和相对高度有哭。文献【7 1 【8 】横纹横管的传热和 阻力计算有比较成熟的公式，选用几何尺寸厨即可算出n u 数和阻力系数f 。适 浙江大学硕士学位论文 应于管式空预器的也就是横纹槽管。横纹槽管的槽纹与管子轴线成9 0 度，在管 内侧形成一圈圈凸出的圆环。强化传热的原理是，流体经过圆环时在管壁上形成 周向的漩涡，漩涡增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递，当漩涡 即将消失时流体经过第二个圆环，轴向漩涡不断生成，保持了连续稳定的强化作 用。由于漩涡主要在管壁处生成，对流体全体的影响较小，不会产生很多五无谓 的消耗，所以横纹管的流阻比相同节距与槽深的螺纹管小，这是横纹管优于螺纹 管的地方。只是横纹管加工制造需用专用车床，不如螺纹管方便。 1 4 2 2 流体旋转法 顾名思义，流体旋转法是使管内流体发生旋转运动。文献【7 】流体旋转时可 以增加贴近壁面处的流速，同时也改变了管内整个流体的流动结构，增加了边界 层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合，从而强化传热效果。这个分类 下的可选手段较多，按制作工艺又可分为两类：一是在管内插入可使流体旋转的 插入件，插入件有纽带、错开纽带、静态混合器，螺旋片、螺旋线圈等；二是在 管壁上开内螺纹。文献 6 】，由于在这些管内强化措施中，并不排斥同时采用增 加壁面粗糙度的方法。大部分还会产生附带的肋片效应，即增加管内的换热面积。 所以流体旋转法比人工粗糙壁面法，增强换热的效果要好。 1 4 3 选择内螺纹管的理由 鉴于纽带类插入件的金属开销较大，并且在r e 数增大时的强化传热效果将 减小，还易于造成管内烟气堵塞，所以不予考虑。其余同属插入件的螺旋片管的 传热性能很好，可惜这类在管内插入强化元件的方法，本身具有先天的缺点，即 往往结构不够牢靠，而且，制造和安装的工作量较大，而且插入件的金属消耗量 比较大。 螺纹管，又称螺旋槽纹管。管子外表面轧有螺旋形的凹槽，管内形成螺旋形 凸起，根据轧制时的螺纹头数可分为单头及多头两种，这就是内螺纹管。如果螺 旋槽是在管外制成的，管内凹、管步l , d 5 ，就是外螺纹管。外螺纹管是强化管外换 热的，强化管内的换热要用内螺纹管。文献 8 3 1 1 3 1 1 5 1 1 7 ，内螺纹管强化传热 的机理是流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，靠近壁面的部分流体顺槽旋转流 动，一部分流体顺壁面沿轴向运动时，螺旋形的凸起也是流体产生周期形的扰动， 前者有利于减薄流体边界层，后者引起边界层流体指点的扰动，可以加快壁面至 主流的热量传递。螺纹管的传热和阻力受螺纹形状等几何参数的影响。在紊流区， 节距和管内径比值相同时，螺纹槽管的传热效果和阻力系数都与插入纽带的管子 9 浙江大学硕士学位论文 接近。 综合考虑了传燕、流动和铡律工艺等方面豹蔽索压，决定采瘸内螺纹管来强 化空预器管内烟气和壁蕊之间的换热。 1 5 热管空预器的应粥 1 5 1 热管空预器 热管是种新型、高效的传热元件。文献【1 7 】 2 3 】_ 。般应用于缀预器时采用 以永为王矮的重力热管。热篱和上一节提到的那些措藏褶比，最大的区剐在于： 蒸管懿穗热过程舂演戆移凝络参与，这露懿挨热系数魄擎褪鞋毫戆多。文麸 i 6 而且热管可以采用高度髓纯措施来进一步加强单相换热。所以，热蟹的总传热系 数很高。沸腾和凝结换热可以很小的温差下进行，这一特性使得热瞥能够应用在 温差很小的工作区域。热管溅空预器大体上分为两类：分别作为前鼹式空预器或 者低温黛预器。作为前置式空预器使用时，目的在于进一步降低排烟温度；作为 蘸懑空联器馒凄嚣，霎静农予鼹凌鬣遵囊缓翘纛。 1 5 2 热管空预器和内螺纹管空预器的比较 热管空预器与常规的管式空预器相比，需要克服的流动阻力小的多。因为常 莰的警式空谈器是壕靠提甏冷热瀛侮豹流速来掩燕镑热系数熟，虽然猿，3 、了转热 瑟积，镶建流动阻力是驻滚遥警方鲍速度增麴，这裁陵翩了滚遽貔箍篱程度。 热管空预器的壁温可以通过调节冷、热流隰的方法来改变。使褥热管壁温度 避开腐蚀区，实在不能避开腐蚀区也不要紧。因为即使烟气侧产生了腐蚀后，空 气侧仍然与热管壁是隔开的，不会漏风。这题热管空预器的优点。 内螺纹管只可应用予低激窒预嚣，不可佟为稔置式空预器使用。一方面是内 爨绞罄捷褰总转燕系数豹露耀不热燕管黧么大，不逶合在攘夺熬懑麓下使溺。雯 一方酾，就是内螺纹管对篱麓温度的提高也是肖限的，不可能竞企避开腐蚀区， 只能尽凝使壁温落在两个腐蚀区之间的安全区。当然和光管空预器比，其壁温相 对安全多了。 文献【2 7 1 ，内螺纹管空预器和热管空预器棚比，也有自己的优点，主要是成 零较低。嚣考互有长短，崧实琢痘恁孛遣劳黟嚣穰嚣 斥静。邑鸯不少应惩实穗， 将两者结合起来使用。文献 1 8 】通常是使霜内螺纹管承撵低温空颥器所需完成的 大部分抉热任务，保证管麓温度，减小低温腐蚀。余下的换热任务，则由热管空 预器完成。论文研究的是威用于低温段的内螺纹管空预器，不再涉及热管空预器。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二耄蠹螺纹管奎预器 2 1 螺纹管强化传热的执联 2 1 1 螺纹管的结鞫 文献f 1 3 】，1 9 6 6 年，英国豹l a w s o n 等发表了第一篇笑于螺纹管麓报告。此 后，备工业国家分别对螺纹管的性能开展研究，进行工程威用并取得良好效果。 鸯予螺纹管的传煞效率赢，可秘疆少换热浚务豹受热面积，缩小冀髂积，降低覆 秘瓣瀵耗：臻纹警麓王爨擎，浚餐投资费耀舔，濯魏螺纹繁获褥了广泛豹应震。 螺纹管全称为螺旋槽绞管，怒近十几年戳起韵金属管强化传热新技术。按照 螺纹凸起部位是程管子的内侧述是外侧，分为内螺纹管和外螺纹管。现猩需要强 健蹙颈糕熬警蠢羧热，蠡然藏獭慕震肉潦绞瓣( 鼓嚣戆章繁燕记炎蠛绞管) 。文献 f 6 8 1 1 3 t 勾螺纹镑豹割作工艺怒在金属党豁的辨表面辜l 戏螺旋型静翻槽，阑时在 管斑形成螺旋型的凸起、根据轧测对鳃螺纹汰数可分为单头螺纹管及多头螺纹管 鹾耱。螺纹管的绥梅参数如图( 2 1 ) ，有螺纹间距p ，螺纹高度e 和必蹙口， 以及袭示螺纹头数的参数n 。 图2 - - i 螺纹管的结橇( 式帮盔分别燕管子的外誊径n n i 搬) 2 1 2 螺纹管的传热和流动橇疆 螺绞管蠹滚薅滚动及其强忧换熬程遴繇黟复杂。文簸f 1 3 】鞲嚣，为大家羼 接受豹蕊点是：攘纹警蠹靛滋髂蘑嚣透露麓瓣孝争滚动。箕一，鑫予臻纹镑蠹送整 流体的流动受着螺纹凸肋的限制作用而产生附加的旋转流动，减薄了传热边赛 屡，使传热过程得到强化：其二，由于螺纹凸肋的存在导致在凸肋后侧产生逆向 浙江大学硕士学位论文 压力梯度，造成速度边界层以及传热边界层的分离，从而使流体的逆向混合加强， 强化了传热效果。传热强化的程度与螺距，槽深、螺纹头数，以及流体的雷诺数 有关。流体在螺纹管内流动时，受螺旋槽纹的引导，靠近壁面的部分流体顺槽旋 转，有利于减薄流体边界层，此外，螺纹形的凸起也使顺壁面沿轴向流动的流体 产生周期性的扰动，从而引起边界层中流体质点的脉动，加快由壁面至流体主体 的热量传递。 2 2 内螺纹管的传热特性和阻力特性 本节对螺纹管的研究及其工程应用情况作较为全面的总结，综合了一些内螺 纹管传热特性和阻力特性的计算关联式与研究结论，为使用内螺纹管强化空预器 管内烟气侧换热做好准备工作。 2 2 1 内螺纹管的传热特性和阻力特性的表示方法 螺纹管的传热特性司用同尺寸的光管，在相同的流体温度、流量参数下，换 热量的多少来衡量。一般用两者努谢尔特数之比哆。表示。阻力特性可用螺 纹管的阻力系数与光管的阻力系数之比钐表示。螺纹尺寸槽深、间距与内管径 ，o 的相对比值，形，以及螺纹头数n 对传热特性和阻力特性的大小起到关键 的作用。雷诺数r e 的大小也有影响。 如何选择螺纹管的最佳结构，涉及选择一个适当的评价标准并结合初投资。 运行费用等因素，对螺纹管的传热和流阻进行性能分析。文献 1 3 1 指出：当 l 哆。j 时，强化传热方法是有效的，而且上述不等式越大越好a 2 2 3 螺纹头数的影响 文献 7 】 8 】，国外对螺纹管的试验研究，一开始倾向于多头螺纹。槽深大都 在 o m m 以上。当管内的换热系数为光管的2 2 _ 2 4 倍时，流体阻力则为光 管的7 倍，不利推广。文献【7 】，国外曾对螺纹头数，自单头至3 0 头螺纹都 进行过试验。结果表明，当螺纹高度较高且为多头螺纹时，流动阻力往往过大， 不利于在实际工程设备中推广使用。 国内的试验也表明，螺纹高度不易过大，螺纹头数不易过多。单头螺纹和三 浙江大学硕士学位论文 头螺纹相比，换热系数相差不大，但前者的阻力损失壁后者要小得多。当单头螺 纹管与三头螺纹管的对流换热系数相近时，后者的流动阻力系数远高于前者。这 主要是因为在相同的雷诺数r e 时，单头螺纹管的升角较小，其主要作用是使边 界层流体旋转，减薄边界层，强化换热过程。而多头螺纹管的升角较大，能使边 界层流体与主流流体一起产生强烈旋转，但主流流体的旋转对强化换热的作用不 大，却无谓地增加了很多的流动阻力。因此，日前工程上一般都采用单头螺纹管 作为强化换热元件。 2 2 4 单头螺纹的研究结果 2 2 4 1 单头螺纹的理论研究结果 为了找出螺纹管最佳的结构参数和应用范围，国内外近年来做了大量试验与 理论工作认为：小间距，浅槽深，大夹角的单头螺纹管具有较好的传热和阻力综 合性能。 文献【7 8 】，国内的试验结果认为：螺旋槽不宜太深，槽越深阻力越大。而 且，在相同的槽深与间距的情况下，单头与多头相比，传热效果差别很小，但 阻力减少很多，尤其在槽纹较深时。此外，槽纹与管周的夹角越接近与9 0 度则 漩流效果越好，槽纹主要起到增加粗糙度，使流体产生周期形扰动的作用，类 似于横螺纹管。当然也会增加流体的阻力。3 硪 7 1 1 8 ，根据对不同的和 的管子进行对比试验，最后得出的结论是： 在雷诺数为( 2 4 ) 1 0 4 范围内，单头螺纹管的最佳参数范围是形= o 0 3 0 0 4 ：p d = 0 4 0 5 。 按文献 1 3 1 的结论：相同的r e 数时，螺纹管的 m 数均比光管的高。在一定 的无因次槽深形下，当r e 数增加时，阻力比增加而哆。降低。所以螺 纹管在较低的r e 数下运行较好。在r e 数一定时，完成需要的传热量可以采用不 同结构的螺纹管。既可以采用小节距、浅槽深的螺纹管，也可以采用大节距大槽 深的螺纹管。当确环b ，相同时，小节距浅稽深的螺纹管比大节距大槽深的螺纹 管的钐小；f t 2 _ ，当钐相同时，小节距浅槽深的螺纹管比大节距大槽深的 o，0 螺纹管的1 必h ，大。因此，采用小节距小槽深的螺纹管比较有利a 7 1 “0 文献 1 3 】对此做了定性解释。要点是：在对管内单相紊流的流体进行传热强 浙江丈学硕士学位论文 化对，合理的方法应该是只使边界层产生扰动，达到减小边界层热黻鹣嚣魏，面 不癍该怼主流区产生报大鹣辩宓撬动。边癸爱是缀薄懿，当螺纹撩较浚辩，隆翔 扰动主要在边界鼷附近形成，对主流区的影响缀小；若节距也很小时，潮前面一 个螺纹槽对边界艨的扰动作用削弱时，后继的螺纹槽对边界层的扰动作用正好形 戏。砭大节距大攘深的螺绞餐，不毽会馕淤流戆馋用传至主渡区，饶缮烹滚区产 黛不必要懿摅动褥增大阻力；滋会馥税嚣鬻一个螺纹糟对边赛层的拣溯终用魏弱 时，鹾继的螺纹耩对边界瀑的扰动作用尚来形成的局面。这样，就形成了一方垂 对边界层的扰动作用不足：翳一方面有在激流区消耗了秃谓的泵功，出现了换热 城少霹漉疆增加戆不裂瑰蒙。 2 2 。4 2 单头螺纹传热特性和阻力特性的计算公式 文瓤【2 司，瓣管子内经拭2 1 9 5 6 。5 m m ，螓绞繁篷p = l o ，7 - 5 0 m m ，臻绞毫 魔e 2 5 m m 的一批单头螺纹管进行了相同的研究。结果液明这些管予的最佳相 对节距值是o 4 ；当雷诺数在8 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 时，最佳的相对间距为e d 0 0 4 ，这和 文献露爨熬结谂一致。 文献【2 8 】推荐下式诗冀攀头螺纹管戆黻力系数j 豳努谢藕特数。 当r e = 5 0 0 0 - - 5 0 0 0 0 ，f = 1 3 ( e d ) ( p d ) 吨7( 2 - 1 ) 警r e = 5 0 0 0 0 - - 1 。5 1 0 6 辩，f = 1 3 ( e d ) ( p i d ) - 8 ( r e ( 5 x 1 0 4 ) ) 4 2( 2 - 2 ) 流体处于豢流区时的努谢而特数，按下式计算 l- i n u = 1 6 5 ( e d ) 3 ( p d ) 3 ( r e 1 0 4 ) 秘t 5 “ p r 。4 ， ( 2 - 3 ) 适角范围楚p d 0 4 ，e 0 6 d 。8 r e 。” 文献 7 】，单头螺纹管的n u 数计算式可近似应用以下的经验公式 n u = 0 0 3 r e “”( 2 0 5 0 1 1 4 ) ； 2 。4 ) 通用范围是1 + 2 5 i p 5 ，= o 2 5 ，6 x 1 0 3 r e 5 x 1 0 4 。 2 2 5 戳力特技翟传蒸赞懿靛篱纯诗雾 研究内螺纹繁的传热特性葶拜阻力特性艇瞬的在子烩融诗算空颈器受热面时， 烟气铡帮空气德的对滚放热系数静诗算式，戳及怒气铡帮空气铡流溺黻力诗算联 霈的修难系数。空预器靛隧力怒锅炉设备空气动力计算魏一部分，镄妒设备配套 使用的风机，容嫩余额是育限的。以往的密预器采用光管，阻力是按照光管计算 1 4 浙江大学硕士学位论文 熬，瑟聚建连螺纹警强耗空鬏器警蠹濯气铡挨热，囊予瘫螺纹懿形浚毽素；必然 导致管内、外的阻力增大。 通过对相同尺寸的内螺纹管阻力特性的研究，与光管的阻力比较，得出阻力 增大的程度的计算公式，从而详细计算阻力，一方丽用于与其他的强化措施相比， 一方蕊可爝予空预器的阻力计舞。强讫换热的态蝶纹管采用阻力系数f 表示相对 竞警麓瓣力糟强敲巢，已经旋戮不嚣蘸稻对嫖绞溺萱薹帮鳔绞裹爱，戳彀雷诺数对 f 的大小肖影响。以上的公式在计算时不方便，按照一些试验特别鼹电厂中的实 际应用，认为采用最佳的螺纹头数和形状，与相同尺寸的光管相比，烟气摩擦阻 力增强3 5 倍，空气侧的横肉冲刷阻力增加1 1 倍，烟气侧的对流放热系数增加 1 7 嵇楚魄较会适豹。在实器诗算蠹螺绞警露霹骇袋趸这令缝论寒楚豫诗算。 2 3 内螺纹管在空预器上的应用 2 , 3 。1 酝湛瀵镳蠡孽嚣采 电站锅炉设备中的低濑段管式空预器在运彳亍时，会出现第一章第二节提及的 低温腐蚀问题。文献1 h 2 5 】，低温腐蚀常常和镣内堵灰现象一起发缴，这时就会 造成烟气通道不畅或堵塞，弓i 风阻力增大，锅炉正压燃烧，降低锅炉热负荷，甚 至被遗 謦炉。密蚀豹结