（工程热物理专业论文）真空锅炉内部流动与换热特性的试验和应用研究.pdf

摘要 工业锅炉在我国能源消耗中占据相当大的比例。大多数工业锅炉用户对锅炉 给水品质的不严格控制造成了锅炉寿命的缩短、锅炉传热恶化，从而降低了效率， 浪费了能源。真空锅炉由于其内部热媒水处在密封无氧状态，具有良好的节能性 和安全性，因此受到了广泛关注。 本文在查阅大量的关于真空锅炉设计和研究文献及对真空锅炉做了相关的 市场调研的基础上，参照有关工业锅炉设计手册进行了真空锅炉的结构设计和热 力计算。用v c + + 程序语言编写了真空锅炉的热力设计电算软件，设计软件采用 了菜单式人机对话，界面友好，使用方便，为真空锅炉产品的系列设计提供了简 便可行的方法。在热力计算、理论与实验研究的基础上，对真空锅炉的结构进行 了设计和优化，用a u t o c a d 完成了样机图纸的设计，目前正在制造中。 本文运用传热原理对真空锅炉内部的流动和传热特性进行了系统分析，提出 了相应的换热模型和汽液分流的结构形式。通过搭建试验台，对真空锅炉内部的 流动和换热特性进行了试验研究，获得了一些对真空锅炉设计和运行有参考价值 的结果。试验证实了所选的添加剂有利于冷凝换热的强化以及不凝性气体对冷凝 换热的影响，因此，在真空锅炉的制造过程中确保良好的气密性、运行时及时有 效的除去不凝性气体是至关重要的。 本文的研究结果为工业锅炉向节能和安全方向发展提供了理论依据和设计 参考。 关键词：真空锅炉，热力计算，v c + + 计算程序，热媒水，流动与传热 a b s t r a c t t h eb o i l e r su s e df o rh e a t i n ga r ee n e r g y - c o n s u m i n gd e v i c e s m o s tb o i l e r sf o r h e a t i n gi nc h i n aa r er u n n i n gu n d e rb a dc o n d i t i o n s - - f e e d - w a t e ri si np o o rq u a l i t y , w h i c hc a u s e sal a r g ea m o u n to f e n e r g yw a s t i n g s i n c e1 9 8 0 s ，an e w t y p eo f b o i l e r - - v a c u u m - b o i l e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nj a p a nd u et ot h e a d v a n t a g e so fs a f e t ya n d e n e r g ys a v i n g t h i st y p eo fb o i l e ri sr a p i d l yd e v e l o p e di nc h i n aa n dp a r t l yt a k i n gt h e p l a c eo f t h eo r d i n a r yh e a t i n gb o i l e r sp r e s e n t l y t h er e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so fv a c u u m - b o i l e ra r er e v i e w e di nd e t a i li nt h i s p a p e r t h eh y d r o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a c u u m - b o i l e ra r e a n a l y z e d ，a n d as a m p l em a c h i n eo f0 7 m ww a sa l s o d e s i g n e da n db e i n g m a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so f t h ei n v e s t i g a t i o n s a p r o g r a mi np r o g r a m m i n gl a n g u a g eo f t h ev c + + f o rs e r i e so f t h ev a c u u m - b o i l e r d e s i g n i n gw h i c hi se a s yf o ru s ei sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h et h e r m a la n d h y d r o d y n a m i ca n a l y s i s a n ds o m et e c h n i q u e sf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti nt h e v a c u u m - b o i l e ra r ea l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e r - s t e a ms y s t e mi n t h e v a c u u m b o i l e rw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yw i t ha l le x p e r i m e n t a l s e t u p d i f f e r e n t k i n d so fa d d i t i v e s ，w h i c hm a ye n h a n c et h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s ， w e r ea l s oi n v e s t i g a t e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h e n o n - c o n d e n s a b l eg a ss u c ha sa i rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r e v e n t i n gh e a tt r a n s f e ri n v a c u u m - b o i l e r st h a tc a u s e st h ec o n d e n s a t i o nc o e f f i c i e n tt o d r o ps h a r p l ym a n y i m p r o v e m e n t sa n dv a l u a b l e r e s u l t sf o rt h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n go ft h e v a c u u m - b o i l e r sa r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：v a c u u mb o i l e r t h e r m a lc a l c u l a t i o n p r o g r a mi nt h ev c + + i n t e r m e d i a r yw a t e r f l o wa n dh e a tt r a n s f e r i i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎至三盘生或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 姚做储獬萨嘣签知期：衙；月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎望盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 吟 签字日期：娜年；月6 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址； u 曲 剐磴名：彤叩 i 签字日期：? 口j 年4 岁月同 f 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 我国是一个能源消耗大国，用于生产和生活的工业锅炉在能源消费结构中占 了相当大的比例。5 0 左右的工业锅炉是用于生活采暖、洗涤、洗澡和工艺生产 的热水锅炉。近几年兴起的一种新型的热水锅炉真空锅炉因其具有良好的节 能性、安全性受到了广泛的关注。本文所研究的真空锅炉主要是指燃油( 燃气) 真空热水锅炉。 1 1 真空锅炉的由来和工作原理 按加热方式区分，热水锅炉有直接加热和间接加热两种。由锅炉受热面直接 加热供热介质( 热水) 的称为直接加热，由锅炉受熟面加热中间介质、然后通过 中间介质加热供热介质( 热水) 的称为间接加热。除了个别厂家的少量产品外， 我国现有的热水锅炉几乎均为直接加热的热水锅炉。直接加热热水锅炉虽然没有 蒸汽锅炉那样的蒸发受热面，但由干热力不均匀、水动力不均匀等原因，过冷沸 腾仍是不可避免的，因而对于锅炉给水品质必须有严格的要求。 世界上技术先进的国家对锅炉水质十分重视，对锅炉给水品质进行了严格的 控制。但我国热水锅炉用户，特别是较小容量热水锅炉( 2 8 m w ) 用户，到目 前为止对锅炉给水品质的控制不够严格；更有一些小容量的采暖热水锅炉 ( 0 7 m w ) 用户，对锅炉补充水不进行处理，既不除硬度盐，更不除氧，甚至不 进行简单的过滤。因此，水受热后发生沸腾时，就会在传热元件上结垢，导致过 热变形或氧化进而发生管壁减薄、穿孔、开裂等现象。更为严重的是，传热元件 上结水垢影响传热性能，降低锅炉效率，浪费大量的能源。这种情况在今后长时 间内难以改变。 针对上述情况，研究者一直在寻求一种能够适应锅炉用户水质不佳、对水质 不甚敏感的新型锅炉。这种炉型可以解决受火元件上结水垢的问题和浪费能源的 问题。科研工作者在间接式加热锅炉的基础上研发了一种相变换热式锅炉。 图1 - 1 示出了相交换热锅炉的工作原理。相交换热锅炉是一种依靠热媒介质 ( 一般为热媒水) 的沸腾与凝结换热而传递热量使水加热的换热设备，它由蒸发 浙江大学硕士学位论文第章绪论 换热器和冷凝换热器两部分组成。蒸发换热器中设有锅炉燃烧室和对流受热面， 燃料燃烧放出热量使受热面外热媒水产生相应压力下的饱和蒸汽。蒸汽上升至冷 凝段在冷凝换热器内凝结放出汽化潜热，将热量传递给换热器内的供热水，将水 加热到预定的温度后送到热用户。冷凝后的凝结水又回到蒸发换热器中沸腾汽 化，这样不断周而复始不断的向外界供给热量。 卜燃烧嚣：2 一供热进水；3 一供热出水；4 一换熟管组t5 一水位线：6 - 热媒水 7 一烟气出口 图卜l 相变换热锅炉的工作原理图 相变换热式锅炉根据其中间介质的压力可分为有压、常压和负压相变换热式 锅炉。其中负压相变换热式锅炉因其中间介质( 热媒水) 在一定的真空度下工作 就称作真空锅炉。这种真空锅炉主要是供给采暖热水和生活用热水，一般也叫真 空热水锅炉。 真空锅炉是相变换热式锅炉的一种，基本原理同图1 - 1 。它是利用水在不同 压力下、沸腾温度不同这一特性来进行工作的。在一个大气压下，水的沸腾温度 是1 0 0 ，而在o ，8 k p a 的压力下，水的沸腾温度则是4 。真空锅炉的工作压力 范围大多在2 6 7 k p a 6 6 7 k p a ，对应的水的饱和温度是1 5 8 s ，在真空锅炉 工作的压力下，燃烧使热媒水的温度上升到饱和温度，并在水面上产生相同温度 的水蒸汽；然后向冷凝换热器内通以冷水，管内冷水被管外的水蒸汽加热成热水 送给热用户，面管外的水蒸汽则被冷却凝结成水滴流回水蒸发段再次被加热，从 而完成整个循环过程。 真空锅炉( 负压相变换热式热水锅炉) 最早出现在日本。上世纪7 0 年代， 由于真空技术的发展，日本的直燃机市场得到了很大的进步。一些锅炉厂家受直 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 燃机高发部分的启发开始研制真空锅炉，并且在8 0 年代初纷纷推出真空锅炉。 目前日本较大的真空锅炉生产厂家主要有昭和铁工、塔库玛、巴商会及前田铁工 等企业。在日本整个真空锅炉的年市场销售量在5 0 0 0 6 0 0 0 台左右，已成为日本 锅炉市场上的主要产品，其销售台数已大大超过常压热水锅炉。真空锅炉也因其 中间介质温度低，排烟温度低，热效率高而获得日本节能大奖；同时因其中间介 质温度低于大气压力下的饱和温度，即使破裂，也不会引起汽水爆炸而获皇冠大 奖【2 。 真空锅炉在我国出现主要在上世纪9 0 年代后期，大多数是根据日本、韩国 的进口锅炉仿制而成。不过上世纪8 0 年代中期，西安交通大学和常州锅炉厂合 作研发过一台水火管链条炉排燃煤真空热水锅炉【3 。目前市场上的真空锅炉有 较大比例是从日本和韩国进口的产品，也有少数厂家独立开发了该技术，逐渐占 据了一定的市场份额。 1 2 真空锅炉的特点和分类 真空锅炉是应节能和安全而出现的，它最早出现在节能技术很发达的日本。 实际上真空锅炉是利用了单根热管的工作原理，这种锅炉由于中间热媒介质是封 闭循环的，无须补充，因此与火直接接触的传热面既不会结垢也不会氧化。真空 锅炉跟常压热水锅炉和有压锅炉相比，在结构和原理方面有着独到的特点 2 ： ( 1 ) 负压运行，安全。 锅炉爆炸的重要原因是锅炉承压运行，再加上生产质量及安全保护措施不得 当，操作运行不规范，可能导致锅炉超压并造成爆炸事故。真空锅炉因为在负压 状态下工作，内部工作压力低于外界大气压，而且有多道安全保护措施，因此不 会有爆炸的危险，不属于劳动部锅炉压力容器范畴、不需要劳动部门的年审、报 批等程序。所以真空锅炉很受广大的中小型，等级低的锅炉生产厂家的欢迎。 ( 2 ) 高效运转，效率可达到9 0 以上。 一般对燃油燃气锅炉来讲，影响锅炉效率的原因主要是排烟热损失及散热损 失。而对于真空锅炉来讲、因为一般采用中心回燃式燃烧方式，另外在锅炉烟管 内加设了扰流子，换热效果较好，降低了排烟温度减少了排烟热损失，保证了锅 炉的效率。另外，很多真空锅炉出厂之前都进行保温处理，使锅炉的散热损失大 大降低。通过上述的特殊处理，使对燃油燃气锅炉效率影响最大的两项热损失大 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 大降低，确保了真空锅炉的高效运转。 ( 3 ) 炉内不结垢，真空无氧，寿命更长。 对锅炉寿命影响最大的两个因素就是结垢及氧腐蚀，这也被称为锅炉的两大 癌症。结垢对锅炉的影响很大，水垢通常结在炉胆和烟管的内侧或外侧。而水垢 的阻热能力很强，使燃烧产生的热量不能很好的传递给工作介质( 一般为水) ，使 大部分的热量积聚在锅炉的钢板上，导致锅炉过烧情况的发生，严重时会导致锅 炉报废。氧腐蚀主要是在锅炉内部的氧气与水及钢板发生强烈的腐蚀，使钢板变 簿最终导致锅炉报废，这也是一些热水锅炉产生事故的主要原因，同时腐蚀也是 锅炉出水品质比较差的一个原因。真空锅炉由于锅炉内部是密封的，没有氧气的 存在，所用热媒水又经过特殊脱气处理，所以氧腐蚀基本消除。锅炉外部进行了 保温处理。也基本消除了腐蚀；另外锅炉内部的热媒水是出厂之前灌充好的经过 处理的水，在锅炉内部闭式循环，所以不会产生水垢、这样就把对锅炉寿命影响 最大的两大顽症消除了，保证了真空锅炉的长时间安全运转。 ( 4 ) 结构紧凑、节省空间。 一般的热水锅炉，包括燃煤、燃油、燃气锅炉都存在着占地面积大这一问题。 目前，锅炉生产厂家都在努力进行技术革新，减小锅炉体积和重量，取得了较大 的进展，但仍有一定的差距。真空锅炉一般采用中心回燃式燃烧并在锅炉烟管内 部设置扰流子，这样大大提高了换热效果，减小了换热面积，减小了锅炉体积、 重量。另外，部分真空锅炉本体采用单椭圆形筒体，大大减小了锅炉的宽度，使 锅炉的占地面积大为减少，节省了用户的锅炉房面积。 ( 5 ) 不锈钢管换热，卫生热水更加清洁。 以往锅炉由于内部腐蚀生锈等原因，使锅炉的出水品质比较差。不能够直接 通到用户处供卫生热水使用，必须在系统上增加一个换热器( 一般材质为不锈 钢) 。通过换热来提供卫生热水，而真空锅炉的换热器直接安装在锅炉内部，换 热器的材质为不锈钢，可以使产生的卫生热水直接被用户使用。 ( 6 ) 多重安全保护措施。 锅炉有很多影响安全的原因，一方面是生产质量不过关，另一方面则是安全 保护措施不得力，使锅炉在不正常状态下不能自动停机、报警，而是继续运转， 最后导致安全事故的发生。现在日本和韩国的真空锅炉安全保护措施非常完善， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 以日本昭和铁工株式会社生产的钢板制真空锅炉为例，就有五重安全保护措施， 确保锅炉的工作压力永远低于一个大气压，不超压、超温，并且有高低水位控制 电极，确保锅炉的水位正常。这就是为何在日本有众多用户，运行寿命最达近2 0 年，而没有发生一例安全事故的主要原因。 ( 7 ) 单机多用的理想选择。 目前国内大部分锅炉只有单一用途，比如只能够采暖或是提供卫生热水，如 果用户有其他用途需要的话，就要重新购置一台锅炉或者在系统上进行改造，这 对用户来讲是一个非常棘手的问题。真空锅炉可以实现一机多用，一台锅炉可以 同时满足采暖、洗浴、游泳池等多种功能，可以最大程度地满足用户的需求。 ( 8 ) 较高的环保性能。 一般真空锅炉采用的是低n o x 燃烧器，排烟完全符合国家一类地区要求。属 于真正的环保产品。而以往的燃煤锅炉及较差的燃油气锅炉燃烧后产生大量的 s o x 和n o x ，是造成酸雨的主要原因，而且n 0 x 还会造成肺气肿等多种疾病，对 环境的危害极大。 ( 9 ) 系统设计、维护简单方便。 真空锅炉由于有一机多用的理想功能，使系统设计变得十分简单，以往需要 几台锅炉完成的工作，现在由一台锅炉即可完成。而且由于真空锅炉上的换热器 采用不锈钢管，可直接通到用户处使用，这样就节省了系统供卫生热水使用的换 热器；对于维护而言，锅炉的烟管内扰流子抽出来之后就可以直接进行烟垢清扫。 另外，由于锅炉内部不结水垢，就减去了普通锅炉清除水垢这一复杂的维护保养 过程，使整个操作维护变得非常简单。 除了上述优点外，真空锅炉也有其缺点和不足： ( 1 ) 运行条件苛刻。 真空锅炉在运行时，要求燃料放出的热量必须与系统回水及冷水被加热所带 走的热量严格相等，否则中间介质的负压难以维持。这种苛刻的要求，只有在燃 油燃气和自动控制系统绝对保证的条件下才能实现。 ( 2 ) 制造工艺严格 锅炉要始终维持真空负压状态，锅筒及冷凝换热器内不能有一点泄漏，在制 造时要用氦气检漏。普通的阀门容易泄漏也不能使用。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 真空锅炉根据其材料的不同可以分为钢板式真空锅炉和铸铁式真空锅炉。根 据其燃料、燃烧室的不同可以分为燃油、燃气真空锅炉和燃煤真空锅炉。目前大 多数是钢板式真空锅炉。燃煤真空锅炉因其燃烧的惯性较大、不好控制，所以市 场也不多。 1 3 真空锅炉的生产和研究现状 虽然真空锅炉最早出现在日本，并且在上世纪8 0 年代发展到顶峰，在日本几 乎取代了一般的常压热水锅炉，但是在中国这种锅炉直到上世纪9 0 年代才开始出 现，而且产品以仿制为主。当然我们国家在上世纪8 0 年代中期由西安交通大学和 常州锅炉厂联合开发过一台0 7 m w 燃煤真空锅炉，取得了成功，获得了相关的技 术经验 3 。 真空锅炉的特点受到了我国广大的热水锅炉用户和众多的锅炉制造厂的青 睐。除了日本和韩国的一些厂家外，目前国内也有很多厂家如，大连三洋制冷公 司( 引进e t 本昭和铁工技术) 、广州贝龙环保热力设备股份公司、浙江联丰股份 有限公司制冷机厂、广重空调设备公司，宁夏三新技术股份有限公司和常州锅炉 厂主要开发燃煤真空锅炉。一般厂家大都采用引进技术，较少进行真空锅炉的独 立研究和开发，后两个生产商主要进行了把燃油真空锅炉改进为燃煤锅炉的改造 工作 3 1 1 4 5 1 1 6 7 。宁夏三新技术股份有限公司吸收了国内热管研究的经验和结 果将原来的封闭式真空锅炉改造为开启式真空锅炉，同时把燃油真空锅炉改进为 燃煤 7 3 8 1 。上海交通大学制冷与低温工程研究所研究了一种新型真空锅炉，该 种锅炉以浓度适当的溴化锂溶液作为加热工质，提高加热介质的饱和温度从而提 高供热水的温度，同时还维持相应的真空度【9 。啥尔滨工业大学对燃油( 气) 真空锅炉的设计时沸腾冷凝换热等参数的选取做了一定的研究 1 0 1 。北京之光锅 炉研究所对真空锅炉的改进为有压相交锅炉以及针对有压相变锅炉的换热特性 做了很多研究工作【1 l 】。上海工程技术大学和上海工业锅炉研究所通过试验和理 论分析对真空锅炉的传热特性做了一些研究【1 2 。还有针对真空锅炉炉胆选取平 直炉胆进行热应力分析研究 1 3 1 ，及热媒水中加添加剂强化冷凝换热的研究 6 】。 上述大多数研究工作集中在介绍和总体设计真空锅炉，或者如何改进其结 构。针对真空锅炉内部的流动和传热的研究还很少，尤其对热媒介质的流动特性 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 研究几乎没有。 1 4 本课题研究内容 目前国内真空锅炉技术大多数是引进或者是直接仿制进口产品。研究工作也 大都集中在改进结构上，对于真空锅炉各个环节的理论研究很少。根据热量的传 输过程，真空锅炉主要有：燃料燃烧冲间介质沸腾汽化中间介质冷凝供暖水加 热四个环节。其中不难看出中间介质( 一般为热媒水) 扮演了相当重要的角色， 因此，研究真空锅炉就要对热媒水的流动和换热特性进行仔细研究。 本课题的研究内容： ( 1 ) 对真空锅炉进行文献收集和市场调研，了解真空锅炉目前的生产和使 用情况，分析该产品的特点，了解关于真空锅炉的研究现状，为进一步深入研究 打下了坚实的基础； ( 2 ) 对真空锅炉的设计原理加以研究进行真空锅炉的结构设计，热力计算、 阻力计算等；编制真空锅炉设计计算程序，达到界面友好、使用方便的要求。真 空锅炉图纸设计工作； ( 3 ) 对真空锅炉内部的流动和换热特性进行基础理论分析，了解其工作原 理和换热机理，对各部分的流动、换热特性和强化换热手段进行研究和探讨； ( 4 ) 搭建试验台，对真空锅炉内部的流动和换热特性进行实验研究，尤其 对热媒水的沸腾与凝结换热进行系统研究，将研究结果用于真空锅炉的设计和改 进。 浙江大学硕士学位论文第二章真空锅炉的结构、设计原理以及设计程序 第二章真空锅炉的结构、设计原理以及设计程序 2 1 真空锅炉的结构 真空锅炉是间接加热式锅炉，其结构和常规热水锅炉的结构基本类似，但是 和常规热水锅炉相比，它多了冷凝换热管组，因此在结构设计时必须引起足够的 重视。 真空锅炉在原有的蒸汽锅炉的汽包内置入了一组或者多组冷凝换热管组，在 工作过程中燃料在炉内燃烧放出热量经受热面传递给热媒水，被加热的热媒水沸 腾汽化、蒸汽与上部换热器管壁接触进行冷凝换热，将其汽化潜热传递给循环水 送至热用户。真空锅炉分两部分来设计。 真空锅炉的蒸发换热段是由一套完整的锅炉系统构成的。当燃用油、气燃料 时，一般采用锅壳结构，因为锅壳式锅炉有一个容积较大的锅筒，适合放置冷凝 换热管组，其结构简单、紧凑。目前锅壳式燃油燃气锅炉主要采用各种形式的中 心回燃结构和湿背式三回程结构。本文所设计的真空锅炉采用卧式中心回燃结 构，如图2 - 1 所示。 进水 燃烧器 上部换热器 出水 躁 烟气 一 夕 。 、 心 图2 - 1 燃油( 气) 真空锅炉结构图 真空锅炉的冷凝换热管组要占据一定的空间，采用中心式回燃结构有利于减 小整个系统的体积。特别是真空锅炉的容量一般较小，中心回燃式结构具有占地 面积小、结构紧凑的优越性而被广泛采用。同时为保证锅炉的热效率，烟管建议 采用强化传热措施，本设计中烟管内加装扰流子。上部换热管组用铜管管束。上 浙江大学硕士学位论文第二章真空锅炉的结构、设计原理以及设计程序 部换热管组的选取也很重要，本文的后续的流动传热特性的研究可以为获得更为 紧凑的锅炉结构提供理论依据。 本文所设计的真空锅炉采用中心回燃锅壳式锅炉，以下的各种计算都基于这 种结构包括设计计算程序。但是设计计算和程序也可以使用其他形式，因为所涉 及的计算公式和方法都是普遍适用的【1 4 】 1 5 1 6 【1 7 】 1 8 】。 2 2 真空锅炉的设计原理 一、烟气量的计算 1 理论干空气量的计算： v o = o 0 8 8 9 ( c + 0 3 7 5 s 1 + o 2 6 5 h 一0 0 3 3 3 0 7 理论氮气量：咣= o 7 9 矿。+ o 8 篙 s 0 2 和c 0 2 容积： 乩s 6 6 警 水蒸汽理论容积： 嘴，o = o 11i h + 0 0 1 2 4 w 7 + 0 0 1 6 1 v o 水蒸汽实际容积： 归= 昭：。+ 0 0 1 6 1 ( a 一1 ) v 。 2 烟气容积： 0 = 。2 + 巧：+ 噶。+ ( 口一1 ) v o 3 三原予气体容积份额： r m , = q ，白：d3 ：d 巧 4 烟气重量： g y = 1 - 1 - 蒜0 + 3 0 s 口矿。 5 烟气在标况下的密度： p ；= q 0 6 每千克燃料消耗的热媒水量： 浙江大学硕士学位论文 第二章真空锅炉的结构、设计原理| ：上及设计程序 鲸叩r 7 烟气焓温表： 口= f 名q ( c 日) 。0 2 + 巧0 2 ( c 日) 心+ 四z o ( c 口) ：。 j ：= v o ( c 8 ) 。，j ，= ，：+ ( a - t ) i ： 其中过量空气系数取口= 1 1 1 3 0 ，设计中通常取口= 1 1 5 二、烟气部分换热计算 1 燃料消耗量：哆= 互导i 2 锅炉的输入热量： q r = b j q l 3 理论燃烧温度： 查温焓表眈，疋= 眈+ 2 7 3 4 实际功率下烟气容积量： = x b j 5 实际功率下烟气质量流量： a y s = g y x b j 6 排烟损失： q ：( 查温焓表计算) 三、炉膛部分计算 1 炉膛直径：d = 2 7 x b ，+ 0 7 5 ，m ( 根据文献【1 6 拟合) 2 炉胆长度：l l = 1 8 x b f + 1 _ 5 ，m 3 炉胆总的表面积：丘= 面l l 。+ r d c d 2 2 4 炉胆内辐射换热系数c ：c = 11 0 ( 按文献 1 6 选取) 5 炉胆出口温度：研= 8 0 0 ( 假设) 6 炉胆内烟气平均温度( 计算烟气辐射换热的平均温度) ： = 碰+ 去( 见一碰) ，；+ 2 7 3 7 炉胆内每千克烟气与炉胆壁的辐射换热量( j k g ) ： 浙江太学硕士学位论文第二章真空锅炉的结构、设计原理以及设计程序 ”丽c f z 堋斋4 一c 甜圳3 瓦= t ，+ 9 0 + 2 7 3 8 炉胆内总的辐射换热量( w ) q l 。q l 。b s 9 炉胆出1 2 1 烟气热焓( k j k g ) ： j ；= q 幺一qx 1 0 一b ，校验炉胆出口温度( 根据烟气出口焓查焓温表校验) 四、烟管部分计算 1 烟管出口烟气温度( 排烟温度) ： 取口”= 1 4 0 ，= + 2 7 3 2 烟管内烟气平均温度； 只。：皇 墨，l 。，：o v e r + 2 7 3 ，k 3 平均温度下烟气的密度、比容、导热系数、粘度、普朗特数的确定： , o a 。= 3 5 3 2 5 t , , 。，k g m 3 ， 。乩婴1 0 0 生0 0 一晋乎， “” 1 0 6 k = 鼍萨，怖叼 = 鼍萨剧( ) y 。= 坐，m 2 s p d ，w p _ o 7 2 6 一等 4 烟管内平均温度下的烟气体积流量 v 。= g v s | p 。， 5 烟管规格的选择、烟气流速的选择： 取规格矿4 5 3 5 r a m ，流速= 1 2 m s 6 烟管根数： 浙江大学硕士学位论文 第二章真空锅炉的结构、设计原理以及设计程序 铲瓦w a v e r ，根 7 烟管长度( 与炉胆长度相当) ：l y = t + 占 8 烟管内壁壁温：t 。= t 。+ 1 5 ，( 。c ) ，l = t 。+ 2 7 3 ，( k ) 9 烟管内雷獭= 警 1 0 烟管内努塞尔特数 1 4 】： n u 增= 0 0 2 1 4 c 。0 8 堋呶”c 缈c 秒5 o 6 p k 1 5 ，o 5 等 i 5 ，2 2 0 0 v ，则方程( 3 - 1 6 ) 变为 口，：f 旦 - ( 3 - 1 7 ) 口，2 l 丽j 瓦 以上分析是蒸汽凝结机理的分析，通常情况下由于蒸汽在冷凝液膜上的凝结 产生的传热热阻比较小，也就说由此而产生的温差在蒸汽侧与换热管内供热水的 温差中是比较小的一部分，主要的温差产生在液膜两侧。但在真空锅炉中由于上 部蒸汽压力较小，蒸汽凝结率较一般常压下小，由于蒸汽凝结而产生的热阻在总 的热阻中占了相当比例，特别是有不凝性气体( 如空气) 存在时这部分产生的热 阻就严重影响到了冷凝换热。这样就不得不把凝结热阻和温差考虑到整个热阻和 温差中来。 在n u s s e l t 作出的膜状凝结的理论解析中，假定凝结率很高，由凝结产生的 温差很小。事实上当蒸汽压力较低时，由凝结产生的热阻必须引起足够的重视。 而且在不凝性气体存在时( 从另一方面说是蒸汽分压较低时) ，由蒸汽在液膜上 的凝结产生的热阻可以跟液膜产生的热阻相当甚至远远超过。如果能及时有效的 去除不凝性气体，就可以得到良好的冷凝换热效果。如果在换热器或者真空锅炉 运行过程中较难除去不凝性气体，似乎必须减小液膜层的热阻比如实现珠状凝 结。当然既能除去不凝性气体，又使膜状凝结变为珠状凝结是最理想的情况。 关于水平管外蒸汽的膜状凝结换热的模型，文献 2 3 】【2 4 】有详细的描述，这 里不再赘述。 3 3 3 凝结换热在真空锅炉设计中的应用探讨 通常情况下，真空锅炉上部换热器外蒸汽以膜状在管束外冷凝换热。通过前 面的模型可以得到比较满意的结果。其中的换热计算也可以参照相关文献的计算 浙江大学硕士学位论文第三章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 关联式。从蒸汽到换热管内供热水传热热阻包括凝结换热热阻、管壁导热热阻、 管内水的对流换热热阻。当管内流速为2 m s 左右时，真空锅炉内冷凝换热热阻 和管内对流换热热阻数量级相当，而如果采用铜管管壁导热热阻较小忽略，那么 要提高换热系数就必须增加管内对流换热和管外凝结换热。当然由于管程较长， 阻力增加在流速的平方区，所以流速的提高是有限的，所以设计时可以考虑增加 管外凝结换热。 根据很多文献 1 4 3 3 【3 4 】可知不凝性气体的存在会严重影响冷凝换热系数， 必须及时有效的除去，真空锅炉中应采用真空泵或其它除气装置。 3 4 真空锅炉内部的热媒水和蒸汽的流动 3 4 1 真空锅炉内部水蒸汽流速的计算 真空锅炉运行时，热媒水通过炉胆和烟管吸收燃料燃烧放出的热量并发生稳 定的核态沸腾。热媒水沸腾汽化，在水面上聚集成水蒸汽，随着汽相压力的升高， 水蒸汽克服重力上升到上部冷凝换热器管束周围，由于冷凝管管壁温度远低于水 蒸汽的温度从而蒸汽凝结。然后凝结水下落到水空间，汽化和凝结过程进行反复 循环。因此，在靠近水面的蒸汽压力必须高于上部换热管束外的蒸汽压力。水蒸 汽向上的质量流速可以根据锅炉容量和相应压力下的水蒸汽的汽化潜热计算： r ； 型 ( 3 1 8 ) r ( 1 一q 5 ) 其中 _ 为真空锅炉的容量( 功率) ，k w r 为蒸汽质量流速，k e , s 1 为蒸汽汽化潜热，k j k g 吼为真空锅炉散热损失， 则水蒸汽上升的速度为： k = 半( 3 - 1 9 ) 其中 4 为真空锅炉的水蒸汽流通的面积 浙江大学硕士学位论文第三章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 结合方程( 3 1 8 ) 和( 3 1 9 ) 可得， w 。一一2 生 ( 3 。2 0 ) w g2 丙f 如3 。 根据本文所设计的锅炉可算得， 他：兰鼍一：0 1 8 4 m 5 ( 3 2 1 )k 2 i 赢2 刚5 从上面可以看出蒸汽的流速还是相当可观的。在设计锅炉时在保证热媒水充 分包围炉胆和烟管的情况下，应尽量减小蒸汽流通截面积，以提高蒸汽流速形成 冲刷换热管束增强换热。如果蒸汽流速较大时，由上部落下的凝结液滴可能在下 降过程中被再一次蒸发，这样到达上部的蒸汽量相对下降从而影响冷凝换热，必 须对蒸汽流道进行调整。同时应尽量减小蒸汽上升的距离即从热媒水自由水面到 上部换热管束的距离应尽量小。 3 4 2 真空锅炉内部的热媒水、蒸汽的流道分析 真空锅炉在原理上跟单根重力式热管一样，但是一般的重力式热管蒸汽流道 和冷凝液的流道有比较明显的区分，如图3 - 3 所示，也就是由蒸汽与液体的相互 逆流产生的耗散从而导致的传热的下降几乎可以忽略( 远低于携带极限) 。 一i j 剥 = i 8 ：。i f 。i 壅搴l = 剧 图3 3 重力式热管内部流动特性图 真空锅炉内部蒸汽和冷凝液的流动相互干扰的情况较热管要严重得多，所以 在设计真空时必须对相应的流动进行调整。同时如果设计不合理，在真空锅炉运 行时，就会出现不稳定工况，蒸发器即下部炉胆和烟管外的热液体会周期性的喷 浙江大学硕士学位论文第三章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 入冷凝段，并维持一段时间才会回到下部，这种现象被称为“喷振”。这种不稳 定工况会影响凝结换热的效率，并使得换热系统以一定的频率强迫振动。这种振 动会造成设备提前破坏，还会造成角焊缝连接处形成疲劳裂纹。同时由于喷入上 部的热媒水不能及时下降到水空间，若热媒水余量不足时可能造成下部烟管外局 部干涸从而导致锅炉不安全运行。 针对上升蒸汽流可能携带细小的凝结液滴及大热流下的“喷振”现象，我们 在真空锅炉结构设计中采用分流道结构。设计中在水空间上部放置一系列托盘， 蒸汽沿托盘四周上升，托盘下部开口连接小管径管子把从上部冷凝落下的液滴导 流到热媒水水面如图3 - 4 所示。 图3 4 真空锅炉内部托盘示意图 这样放置托盘后，既可以减小蒸汽流通的截面积提高流速，又可以收集冷 凝液滴导流到底部水空间减小因蒸汽和液滴相互逆流产生耗散，另外还可以防止 下部热媒水上喷，从而防止发生喷振现象，保证冷凝换热效果以及防止不稳定工 况造成锅炉的损坏。 3 4 3 真空锅炉内部的热媒水容量的分析 真空锅炉下部热媒水容量的设计对锅炉内部蒸汽和冷凝液滴的循环流动有 很大的影响。如果热媒水容量偏小那么就会导致部分烟管外没有热媒水，导致干 烧；如果热媒水过多，那么一方面整个锅炉的体积偏大、增加耗材，另一方面锅 炉的启动较慢，减小了小型燃油( 气) 锅炉的机动性。通常情况下按热媒水循环 浙江大学硕士学位论文第兰章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 量与热媒水容量的比例取一个经验值。热媒水循环量取： m ：0 3 6 0 0 ( k g h ) ( 3 2 2 ) ，( 1 一q 5 ) 其中 为真空锅炉的容量( 功率) ，k w m 为热媒水循环量质量流速，k e , h 1 为蒸汽汽化潜热，l d k g 吼为真空锅炉散热损失， 热媒水量一般先根据相应的结构进行估算，基本要求是除去热媒水循环量 外，剩余热媒水必须包围烟管和炉胆。同时根据工程设计归纳，热媒水循环量与 热媒水总的容量之比( 也可以成为循环比率k ) ，一般取在1 - 1 1 3 h 1 ，锅炉容量 大，蒸汽温度高，比率可以相应的提高一些，对于一般的容量的真空锅炉可以选 取上述范围的循环比率，从而算出热媒水容量，选取适当的热媒水空间。热媒水 循环比率关系如下 k ：堕( 3 2 3 ) i 其中 i 为真空锅炉热媒水的容量蚝 m 为热媒水循环量质量流速，k g h 总之在真空锅炉的设计中热媒水循环比率是一个很重要的参数，而热媒水容 量的选取至关重要，它跟重力式热管中的充液量的选取一样重要。如果选取不合 理会造成沸腾和冷凝换热不稳定，导致锅炉不稳定运行，甚至出现局部烧干的现 象或者长时间的过冷沸腾从而锅炉效率下降。而在真空锅炉热媒水循环比率，真 空锅炉内部流动特性方面，国内的研究很少，也没有作技术统计，缺少技术交流， 本文是在总结较多产品的基础上得出上述范围。 真空锅炉内部的流动要比一般的重力式热管中的两相流动复杂得多，而且真 空锅炉内部是负压运行，沸腾和凝结不如重力式热管内部压力自行调节的范围大 从而传热强度也不如热管。重力式热管内部的蒸汽和冷凝液的流道分明相互干扰 少，同时一般的重力式热管蒸汽上升的阻力降较小，所以它内部的流动和传热效 果很好被称为热的超导体。真空锅炉内部结构复杂没有一般的重力式热管那么良 浙江大学硕士学位论文第三章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 好的流动和传热特性，研究真空锅炉内部的流动和传热必须跟其结构紧密相关。 对真空锅炉内部的流动和传热的研究必须结合实验来进行，本文前面只是对 真空锅炉内部热媒水的流动和换热做了一些简单的理论分析，并结合自己设计的 样机对各个部分流动和换热得出些粗略的结论。在用实验获取相关的参数后可 以数值模拟真空锅炉内部的流动和换热特性，进一步认识以便更加合理的设计真 空锅炉。 3 5 强化传热技术在真空锅炉中的应用探讨 从前面的真空锅炉内部的传热分析可知，真空锅炉内部的传热几乎包括了所 有的传热途径。从燃料燃烧到供热水的加热，传热途径包括有辐射、对流、沸腾 凝结、热传导等。目前的强化传热手段很多，在文献 2 8 3 5 1 有详细的介绍。总 体来说，强化传热可以通过三种途径来实现：增加平均传热温差；扩大换热面积； 提高换热系数。 根据传热学基本原理可知强化传热必须在热阻较大侧进行。通过分析，我们 可知真空锅炉从燃料燃烧到供热水吸热这一串联的过程中，烟管内的辐射对流换 热系数较小应是强化传热的重点。 3 5 1 真空锅炉烟管内的强化传热的应用探讨 真空锅炉一般采用中心回燃式结构，烟管的长度有限即烟管的传热面积较小 所以必须提高传热系数。通常情况采用如下途径：管子内插入纽带，管子内插入 螺旋片，管子内插入螺旋丝：采用螺纹槽管，采用螺旋内肋或直肋管等。文献 f 2 8 3 6 3 7 对燃油燃气锅炉烟管内的强化传热做了很多分析，并用实验进行各种 强化途径的比较，通常情况下加入扰流子后是光管内的换热系数1 , 4 1 7 倍。本 文所设计的锅炉烟管中加入螺旋丝。 3 5 2 真空锅炉上部冷凝换热器强化传熟的应用探讨 为了锅炉的紧凑和减小散热损失，上部空间不能设计得很大，因此换热管束 管内的流速必须使流动达到紊流。有必要在管内外两侧均采取强化传热措施。通 常情况下可以采用内外螺纹管、或内螺纹管【2 8 【3 5 】；采用螺旋管束增加管子长 度，加添加剂变膜状凝结为珠状凝结，文献 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 中有这方面的研究。对各种变膜状凝结为珠状凝结的促进剂的研究很多，并在逐 浙江大学硕士学位论文 第三章真空锅炉内部流动和换热特性的理论分析 步向工业应用靠拢。 理论和实验研究表明当蒸汽中存在不凝性气体，凝结换热系数将急剧下降， 尤其是真空锅炉中水蒸汽压力低、热流密度小，不凝性气体的存在对凝结换热系 数的作用更大，因此必须要及时有效的去除不凝性气体，防止传热效果下降。所 以及时除去不凝性气体在真空锅炉运行中相当重要，本文后期的实验也对不凝性 气体的对换热的影响做了相关的分析。 3 6 本章小结 要较好的设计真空锅炉，必须对真空锅炉内部的流动和传热特性有一个深入 的了解和认识。本章对真空锅炉热量传递的各个环节以及真空锅炉内部热媒水的 沸腾和冷凝做了详细的分析，并在结构设计中提出了自己的建议。 浙江大学硕士学位论文第四章真空锅炉内部流动和换热特性的实验研究 第四章真空锅炉内部流动和换热特性的试验研究 真空锅炉由于其内部水循环处于完全密封状态，不易结垢和腐蚀，再加之热 媒水在负压下运行，安全性能较好，所以真空锅炉在我国受到了大多数中小工业 锅炉生产商和广大工业锅炉用户的欢迎。国内工业锅炉制造厂纷纷仿制从日、韩 进口真空锅炉，而对于真空锅炉的研究工作做得不多。真空锅炉是一个复杂的系 统，它包括燃料燃烧、热媒水沸腾、冷凝、供热水加热等各部分。本文实验将对 热媒水的流动和换热尤其是对冷凝换热加以实验研究。本文的实验主要针对如下 问题进行：真空锅炉由于是在负压下运行，其内部的水蒸汽冷凝跟常压下的差别， 与第三章的分析进行比较；如果真空锅炉的密封性不好，漏入的空气对冷凝换热 的影响情况；以及文献 4 2 】所提出的添加剂对冷凝换热的影响。 4 1 试验的意义 国内大多数真空锅炉制造厂在真空锅炉的设计中选取的参数主要来源于一 般的热水锅炉。对于在一定负压下运行的内部热媒水的沸腾蒸发和冷凝情况缺乏 相关试验研究。上部换热器的设计是否合理对整个锅炉设计至关重要，选取合适 的冷凝换热系数是上部换热器设计的关键，因此，对一定真空度下水蒸汽在管外 冷凝换热的研究对真空锅炉的设计意义重大。本文通过实验主要针对冷凝换热进 行研究，另外对添加剂也进行研究。