内螺纹外翅片铸铁管式热交换器的研究与开发.doc

内螺纹外翅片铸铁管式热交换器的研究与开发陆 骏 陈学信 季 随南通市崇川宏盛机械厂李之光 王昌明北京之光锅炉研究所摘 要：本文阐述了内螺纹外翅片管的结构、热工特性，以及在锅炉、热风炉上的应用及其优越性，给出了基于理论分析与实践验证的热力计算、阻力计算方法。关键词：锅炉、热风炉、空气预热器、热交换器、内螺纹外翅片铸铁管、结构、热工特性0 前言内螺纹外翅片铸铁管是烟气、空气热交换器中的主要热交换元件。由于它具有传热系数高，耐腐蚀，耐磨损，使用寿命长等特点，故被使用在锅炉的尾部热交换部件空气预热器上，后又用作热风炉上的主要换热设备。作为铸铁管式空气预热器已有近300台/套在运行中，有些已运行十年以上，从未出现过磨损、堵塞等现象，获得用户一致好评。1 内螺纹外翅片铸铁管式热交换器的特点内螺纹外翅片铸铁管式热交换器，具有六大优特点：一、耐腐蚀、寿命长；二、不积灰、不堵灰；三、无振动、无噪音；四、成本低、价格廉；五、传热能力强，占用空间小；六、能燃烧劣质煤，消除黑烟，符合环保发展趋势。（1）铸铁管的内螺纹有效地撕破边界层热阻，气流呈螺旋形前进，强化了传热效果，使烟气侧放热系数比普通光管提高约1.7-1.8倍；铸铁管的外侧设置了大量的扩展翅片，扩大了受热面，其热交换能力大大增强，使空气有效地吸收烟气侧放出的热量，从而使综合传热系数大大提高。（2）由于铸铁管耐磨损，耐腐蚀，加之管壁较厚，因此燃用高灰份、高硫份、高水份的燃料对铸铁管的使用寿命影响不大。铸铁管内允许通过较高的烟气流速，且呈螺旋形流动，即使烟气在露点状态下，对积灰也能起到自身吹扫作用，故一般不存在积灰堵灰现象。（3）由于铸铁管的固有特性，使之使用范围较广，既可用于500-900的热风炉，也可用于排烟温度在200左右或更低的锅炉及其他设备作热交换使用。（4）内螺纹外翅片铸铁空气预热器所提供的热风，作为一次风可大大改善燃烧条件，降低机械不完全燃烧等热损失，还可提高炉膛温度，使锅炉升压快、出力大。一些挥发份低的劣质煤和无烟煤由此得到较好的应用；作为二次风，消除黑烟效果显著。（5）实践证明，内螺纹外翅片铸铁空气预热器的使用年限，超过钢制锅炉本体的寿命，节省了相当多的设备检修或更换的费用。2 内螺纹外翅片铸铁管式热交换器结构内螺纹外翅片铸铁管式热交换器是李之光教授等研究开发的专利产品1，并已转入江苏省南通市崇川宏盛机械厂（南通宏鑫机械厂）生产制造。（1）内螺纹外翅片铸铁管结构见图(a)所示，其特性见下表：内螺纹外翅片铸铁管结构特性表序号名称符号单位1长度Lmm2烟气流通截面Fym2/根3空气侧流通截面Fkm2/m4烟气侧受热面Hym2/m5空气侧受热面Hkm2/m6内螺纹高度emm7内螺纹节距smm8外翅片节距tmm9翅片外形尺寸ABmm10理论重量GKg/m 图(a) 内螺纹外翅片铸铁管结构（2）由于管子是铸铁的，长度不能像钢管一样任意选取，因此在设计时按传热需要的热面，管子长度由L=500、750、1000、1500、2000mm五种规格的管子进行组合排列到所需要的长度，联接处有专门的联接套管。（3）管箱结构见图(b)所示,由于换热元件是铸铁管，故上、下管板与铸铁管不能进行焊接，因此采用上、下管板之间布置一定数量的长杆双头螺栓进行拉紧，而管子与管板之间间隙处，用石棉绳或柔性石墨密封圈密封。由于烟气在管内流动，空气在管外流动，依靠管内外的压差，使这种密封结构既安全又简单，不会引起空气的短路。为便于检修，管板与外壳体采用螺栓联接。外壳体采用610mm的钢板，一是增加刚度；二是耐腐蚀；三是防止振动。其他如烟气、空气进、出口接头，胀缩装置，连通罩等和传统的钢管空气预热器相同。图（b） 管箱结构1、外壳 2、铸铁管 3、4、密封垫 5、螺栓 6、加强筋板7、法兰 8、连接板 9、管板 10、拉紧双头螺栓3 内螺纹外翅片铸铁管的热工特性（1）空气侧采用大量的扩展铸铁翅片，扩大了受热面，其热交换能力大提高。（2）烟气侧采用内螺纹结构，能有效地破坏热阻较大的边界层，使烟气流在管内呈旋转向前流动，增强了传热效果，理论分析与实践证明，内螺纹管的放热系数比普通光管提高约1.7-1.8倍。（3）烟气侧放热系数按下式计算2： （8/）0.5=2.5n(dn/2e) +0.868(e/dn)-0.33(s/e)0.3661+0.296(nRe-9.48)2 ep(-0.005S/e)-3.75St=(/8) 0.52.5n(dn/2e) +10.77(e/dn)0.33(s/e)0.096(e/dn)Re(/8) 0.5 0.273Pr 0.5-3.75 Nu=StRePr烟气侧放热系数：y=Nu/dn W/m2（4）空气侧放热系数的计算首先计算空气平均温度时的流速，然后根据空气流速和翅片节距与高度比值h/t及翅片节距与外径比值dn/t，查标准3，得到对流放热系数k=0.92CzCsCn (W/ m2)（5）传热系数： K=E/（1/y+1/kHy/Hk） (W/ m2)（6）热力计算时也可在算得烟、空气流速后直接查线算图得到传热系数K，见图（c）所示：图（c） 线算图（7）传热量：Q=3.6KHt/Bj KJ/Kg4 烟、空气系统阻力损失计算（1）烟气侧阻力损失计算烟气在管内作纵向冲刷的摩擦阻力损失，按热力计算时得到的流阻系数，一般为0.095-0.1, 直段摩擦阻力损失：h1=(/dn)(Wy2/2)y (Pa)烟气进、出口的局部阻力损失计算，按纵向节距及横向节距及管子内径，算出截面比即（/4）dn2/(S1S2), 查标准线算图得到进、出口阻力系数1，2。则局部阻力损失按下式进行：h2=(n1+n2) (Wy2/2)y (Pa)总的烟气侧阻力损失，hy=K（h1+h2） (Pa)（2） 空气侧阻力损失计算，首先按单位长度的翅片数，翅片高度平均厚度进行参数计算4参数计算H/n=dw（t-）+2（a2-0.785dw2）+4a长度计算 dw(t-) 2(a2-0.785dw2)+4aL=+a2-0.785 dw2H/n H/n雷诺数计算Re=Wk/管束压缩截面的当量直径计算dd=2t(s1-dw)-2h/(2h+t)(m)管束中一排管子的阻力系数0=CsCzRe-0.08管束的阻力损失h1=Z0(Wk2/2)k(Pa)其他联接风道和进、出口阻力损失h2同一般钢管式空气预热器的计算方法一样总的空气侧阻力损失hk=K(h1+h2)Pa5 内螺纹外翅片铸铁管式热交换器的应用5.1 在锅炉上（特别是工业锅炉）在锅炉上作为尾部受热面的一个部件空气预热器，是利用低温的烟气热源，进行烟气、空气热交换。其目的：一是降低排烟温度，提高锅炉热效率；二是提高锅炉进风温度，提高炉膛内烟气的温度，强化炉内辐射换热，有利于燃料的着火和燃烧过程，减少了燃料不完全燃烧的热损失，提高燃烧效率，降低燃料消耗量。传统的立式钢管式空气预热器，一般由管径401.5mm有缝钢管制成，由于工作条件恶劣，易发生磨损、堵塞和腐蚀，使用寿命不长；热管式空气预热器造价高，使用寿命短，存在“爆管”不安全因素，而且因为其制造质量问题，也存在着腐蚀、堵灰现象；非金属的硼硅玻璃管空气预热器，有玻璃管容易破裂，漏风严重，且导热性差，致使其体积庞大等不可克服的弊病。而内螺纹外翅片铸铁管式空气预热器，完全克服了上述弊病，得到了广泛使用，实践证明它是一种理想的换热设备。5.2 热风炉上热风炉在工矿企业中，用于提高生产车间温度、产品烘干（例如木材烘干）；在农业上，用于大棚蔬菜冬季取暖等，其换热设备为烟气、空气热交换器。由于热风炉炉膛没有受热面，没有冷却介质，故炉膛温度约为1500，在炉膛出口与热交换器进口之间的混合室输入一定数量的冷空气使温度降到800900以下，因此一般钢管式热交换器的普通炭钢不能使用，必须使用价格较高的耐热钢，而使用一侧为空气冷却的铸铁管，却不会烧坏，熔化。 首先按热风炉所需产热量及燃料的低位发热值，计算出燃料的消耗量，并按燃料元素成份计算出每公斤燃料产生的理论烟气量，并制作焓温表。然后计算出在混合室内需要输入多少冷空气量，使烟温降到800900以下，以下式表示：Bj(I- I) = Vk(tCkCk0t0) 此时在炉膛出口与热交换器进口之间的混合室内的烟气量为：Vy=BjVy+Vk Nm3/h6 结语实践证明，内螺纹外翅片铸铁管式热交换器综合指标优于钢管式、热管式及玻璃管式热交换器。它不仅解决了锅炉尾部受热面的低温腐蚀、堵灰、磨损和漏风等问题，提高了传热效率，增加了锅炉机组运行的安全可靠性；而且减少了预热器的占用空间，节省了设备的运行成本。随着它在余热炉、碳化尾气炉、油炉上的进一步拓展，其较大的市场潜能必将得到充分的发挥。 参考文献：1 李之光,等.内螺纹外肋片新型铸铁空气预热器的论述与计算方法.工业锅炉,1995年,第1期（26）.2 郝 平,李之光.螺纹烟管在锅壳式锅炉上应用的实验研究与优化设计方法.节能技术,1988.5.3 前苏联锅炉设备空气动力计算标准方法（第三版）.4 C.N.莫强.锅炉设备空气动力计算.北京,电力工业出版社,1981.【作者简介】陆骏，工程师，1987年毕业于南通工学院工业电气自动化专业，现为南