余热回收蒸发器的热交换器模块化结构设计

余热回收蒸发器的热交换器模块化结构设计 摘要：本文介绍一种特殊的紧凑热交换器板翅式热交换器的用途，从概念上讲它是一种基于错流的热交换器。使用这种紧凑型热交换器可以为小型热交换器（余热锅炉）的建造提供数模化数据，然后通过一揽子方案达到提高热交换器的热交换效率和减小热交换器尺寸的目的。 关于这种特殊结构的余热锅炉的用途，我们将会在余热锅炉紧凑热交换器的设计方法和每一单节加以概述。主要通过两个方面进行优化：一是能够用更高的参数来定义余热锅炉；二是涉及到PFHE传热表面的详细设计。现在研究主要关注第二种方法，这种方法包括两个步骤，第一步的目的是得出来流热流的最小压降，第二步是得出维持余热锅炉在这种热流和压降下运行所需的最小流量。1 简介当前技术中最有效的能量转换系统是联合循环电厂，也就是具有蒸汽触底循环燃气轮机布置的电厂。在典型的联合循环中，余热从燃气轮机的热回收蒸发器中重新回收利用，余热锅炉的性能对整个联合循环电厂的工作效率有很大影响。为了从这些系统中节省最多的能源，对热回收的优化具有非常重要的作用【1】。这个问题可以看做都是普通的点，包括对余热锅炉的操作参数的优化，对这些操作参数进行定义之后【2，3】，再对各个换热部分进行详细的优化。而要进行更高层次的优化，就需要对余热锅炉进行热设计。通过一个目标函数来定义它的最小（最大）操作参数，如热损失，压降，余热锅炉的总成本等等。所以计算出温度，压力，和蒸汽的质量流量的优化值，在这个层次上也是可能的。在根据换热器的类型，流程安排和几何形状来选择换热器的配置之后，需要对余热锅炉的每一部分获得一个初步设计以及传热面积的近似值。第二个优化级别涉及到换热部分的热和流体动力的设计，这时目标函数和更高水平的目标函数一般是不同的；例如它可以是给定热流的余热锅炉表面的最小化整体传热，给定压降下的最大热流或者给定热流下的最小压降。在最近出版的刊物中，有很大兴趣利用热交换器特别是板式和翅式热交换器。紧凑型热交换器的用途，最初是为气体或者气体设备在航空航天工业中的应用提供紧凑、轻巧、高效的热交换器。它可以被扩展到热交换系统作为余热锅炉。有一个有趣的概念叫做PFHE,它是最近被提出的可以作为模块化元素获得复杂的多压力余热锅炉的结构。在这个解决方案中，余热锅炉的所有部分，包括省煤器，蒸发器，过热器等等，都可以通过相同的基本PFHE结构重复获得。余热锅炉的CHE结构的用途听起来很有趣是因为，如果一个优化设计的余热锅炉的用损失最小，就需要传热表面积的显著增加来减少阻塞和增加蒸汽压力【8,9】。由于余热锅炉尺寸的极端扩大，使用传统的管壳式换热器似乎真的需要复杂沉重的结构。用CHE代替管壳结构来促进余热锅炉的重新包装，在拥有相同尺寸的条件下，能够更好地在热流和火用损失方面有很好的表现，或者在相同热流条件下，减小体积，降低安装成本。不管怎么说，如果CHE或者PFHE的概念能够用于余热锅炉的设计的话，压降显著增加的问题就会因为增加传热表面而保持开放。优化PFHE的必须的第一步是thermo-fluid动态分析，基于文献的分析很明显在这个特殊的PFHE中气侧热阻占主导地位，因此，气侧传热系数在总传热系数以及废气和水之间的热量交换效率和中占据主要地位，余热锅炉的优化主要在翅片表面的气体一侧【10-13】。2. 余热锅炉的紧凑式热交换器热回收蒸汽发生器可以被认为是一个复杂的气液热交换器，燃气机排气量的大小决定所施加热载荷的大小，最新的技术成果表示，复杂的余热锅炉室友紧凑的热量交换机组装而成。在许多工业过程中，虽然参数变得有趣起来，但是在管壳结构的应用仍占主导地位的情况下他们还没有像在余热锅炉领域那样取得重大进展。管壳式换热器的区域密度达到100-200平方米/的情况下，可以达到的区域密度高于500平方米/m3，这种实际应用的技术的一个局限是，即使预计到短期内将要有显著改善，他可以运行的最大压力只是90 bar。使用CHE技术解决余热锅炉的应用程序的一个特定技术是使余热锅炉获得基本模块与前缀热能转移的PFHE结构技术，PFHE是一种由堆栈的交替平面板和翅片表面焊接在一起的紧凑型换热器，热量传递发生在废气流与纯水流之间，每一种流体的流动方向相对于其他的流体可能是逆流或者是顺流。下图1（a)和（b）是余热锅炉的部分结构图。它是由一个冷流体版六合一个排气通道组成，废气的热量通过管道流动，与此同时，水流通过他们之间的分割通道流动。在翅片表面的气体一侧，通过一个一个连续纵向的矩形翅片通道连接，或者与一个由打断了的翅片结构决定的排气通道连接。它既是二次传热表面又是一个由机械支持的内部压力层之间的鳍，它被一个耐高温的墙固定和密封的。气体侧的形状可以是单线或者双线程。余热锅炉基本结构的模块化设计新方法，对于每一个压力水的循环，余热锅炉的省煤器，蒸发器和过热器是分散的而不是一个整体。许多基本PFHE结构的纵向长度和高度可以通过组装像表述图前面一样。在图1.的底部，展现的是一个由交替层扩展表面板隔开的两个热流体的布置结果。如图1（d）所示，是余热锅炉的一系列模块叠加在一起的结果，对于一般的余热锅炉方案，液体侧的通道相对低的范围是3-4mm，因为考虑到水侧的压力降可以忽略不计，在同一过程中，水侧具有较高的传热系数，所以这个相对低的尺寸是可以接受的。3. PFHE余热锅炉的最优化设计对于像联合循环发电厂那样的热力系统，进行优化需要有全球体系与不同层次的目标。可以决定一种“近似优化”的设计，这种优化，可以通过有一个层次目标的复杂各级来执行。将一般系统分解为全球体系下的单个组件的方式，这种想法基于顺序分层目标，可以应用到用图1表示的PFHE余热锅炉的一个组件结构。在图2的左边，是一个完全总结的典型余热锅炉优化过程的流程图，作者提出的两个级别的余热锅炉战略分解包括：操作参数和详细设计。关于操作参数的定义决定了余热锅炉的第一个优化级别，这些参数包括：压力、质量流量、气体和液体的温度。这些操作参数通过热力学或者经济优化来定义，热损失和余热锅炉总成本用一个合适的最小化目标函数来定义。在这个条件下，换热器的流程安排选择配置之后，还可以对余热锅炉的整体和部分获得一个初步估计。余热锅炉来定义操作参数的热力学优化方法，在不同类型的余热锅炉的设计配置中，已经得到了实际运用。这种优化的结果，在第一级，对于温度固定的气体和液体入口，是余热锅炉设计所需的详细输入数据。在排气热回收方面进行的有趣的改进，可以使用液体流配置来同时获得。在本文中提出的对小型余热锅炉运用多重流体结构以及为了减小阻塞的思想，与余热锅炉的结构可能发展方向息息相关。更高层次的优化能使余热锅炉的按照操作参数来执行设计，所以除了计算温度、压力和蒸汽质量流量的最优值。一旦热交换器配置的类型建设、流程安排、材料和物理尺寸被选择好了，在第一个层面也可以获得余热锅炉表面每一个部分的传热参考价值。第二个优化级别对详细优化有所担忧的是：余热锅炉的各部分在这个更低水平几何形状下可以更经确定义。如图2【17】所示，可以在定义的目标函数的不同顺序步骤下组织详细的优化。4 余热锅炉换热部分的详细优化 余热锅炉的详细优化主要取决于换热部分的类型(翅片管,壳管,板,鳍等)关于PHFE余热锅炉的最佳详细设计可以以不同的方式接近,本文从热力学的角度用两种不同的方法来组织问题.最佳优化的第一步遵循余热锅炉部分的初步估计,可以以平衡方程的应用和有效系数法(e-NTU)为基础. 以下最佳化从定义在初步标准阶段的设计变量的价值开始执行,从而使最佳化变量的定义域被适当的保存. 最佳化可以涉及到气体方面的分析,然而水流的分析却可以被忽略,如果约束由液体流速的最大值和最小值构成,则是为了修复传热系数的下限和液体压降的上限.附录A简短的涉及到了解决PHFE热工水力性能问题的模型.两种翅片配置气体:矩形和锯齿形翅片.热量的定义和CHE最优设计的动力模型是基于效率的方法(e-NTU).关于PHFE的类型,详细最佳化给出了在气体方面的翅面尺寸:翅片厚度,翅片间距,翅片高度,热流的优化值和压降. 4.1 优化第一步 这种详细的余热锅炉优化可以为每个单一的余热锅炉部分或完整的余热锅炉而实现.一个PHFE的合理目标是最小单元的定义(根据重量,体积和在给定的外形尺寸限制之内)这将在规定的压降限制之内满足所需的热功率.第一种情况下的最优目标可以使给定热流的压降减到最小限度,或使给定压降的热流最大化.当被认为是完整的余热锅炉结构,给定热流压降的最小化,余热锅炉体积或重量的最小化,都可以被认为是合理的目标. 考虑例如压力下降的最小化,操作程序减少了交叉气流的速度.理论上摩擦压力下降的最小值可以由最低交叉速度值制得.在实践中为了为传热系数维持一个可接受的值和限制传热表面尺寸,速度的最小值必须加以约束(例如,20%的值用于初步分级).为了获得目标函数的最小值,优化设计过程操作修改三个变量,定义了翅片表面(高度,厚度和各自的间隔)调整了气体速度.被用于运行优化的数学方法是惩罚函数法18.第一步的结果是根据气体侧槽和余热锅炉各部分的具体尺寸,按照图的迹象对余热锅炉的设计.1(翅片厚度,翅片间间距,翅片高度,热交换器的额区尺寸W和H和L线性部分的长度).4.2 优化第二步 在优化设计的第二步,目标变成了翅面重量的最小化,维持在前一步根据热流和压降获得的结果.翅片厚度优化的完成基于矩形翅片的优化设计策略,定义在19.4.3 输入数据 运行优化程序所需的输入数据是:数据相对于热力学问题 优化问题类型的解决:余热锅炉或单个余热锅炉部分(省煤器,蒸发器,过热器)数据相对于热交换器类型 流动的类型(逆流,错流,多串流部分,等) 在液体方面交叉流动通道的数量 气体侧槽的类型(矩形或锯齿形) 余热锅炉部分的类型(省煤器,蒸发器,过热器) 初步分级(翅片高度的初步值,厚度和翅间间距)数据相对于两种流体流体的热物理性质废气入口条件(温度和质量流率)液体的入口温度5.测试用例优化设计策略的应用详细优化余热锅炉取代一个基本的PFHE结构在当前段落得到落实。商业燃气轮机的参数源自于废弃的温度。1.5MW被称为双压余热锅炉的基本设计单位，用它和多穿流水路径的余热锅炉相比较时，这个特殊的余热锅炉结构被用做测试，而不是简单的一个简单的余热锅炉，这样比较在同压力水平下是必要的。考虑到它的尺寸大小，更大的余热锅炉可以获得超过1.5MW功率的配置。在图3中，表示的是传统的单流部分双重压力余热锅炉的结构，输入的数据和约束是在假定条件下的。5.1.首先优化级别：余热锅炉运行参数的定义通过最小化热损失来维持的约束，被称为余热锅炉的第一级优化结果被定义为操作参数，初步分级后获得的操作参数和数据写在表1中。分析考虑表1的结果，传热表面只能代表一个试探性的价值；在经历过下面的优化以及几何细节的优化后，每个余热锅炉部分的传热面积的真正价值将会更加准确定以。5.2.余热锅炉的详细优化考虑到前面定义的两个基本压力1.5WM水平下，余热锅炉的每一个部分以及完整余热锅炉的参数，在附录A，PFHE的动态模型中，多串流过程和优化设计过程一起将在软件上显示出来。参照图1的方案，为了定义一个实际应用的余热锅炉结构，封面的最大尺寸与每一个交叉部分的尺寸相同。这代表了优化设计问题的更进一步的边界条件。我们首先来参照单个部分的结果来考虑，比如在图3中定义的，气流流经余热锅炉的第一和第三部分也即高压过热器和低压省煤器，在表1中，从热流体到冷流体的气体流量，进口和出口气体温度，液体温度，热功率等等这些用于优化设计问题而输入的数据有必要作为进一步研究而用。5.3.进一步优化的结果表2提供了初步设计后以及后面的优化过程的比较结果，旨在考虑余热锅炉部分器件的最小压降。其中低压省煤器和高压过热器被认为是特别的。优化设计的过程也可以应用到完整的余热锅炉设计，表3提供了约1.5WM能量转移条件下，基于概念上双压力余热锅炉的优化和比较完整的初步分析的比较而获得的结果。强调以明智的方式获得数据与初步分级作为优化的起始值，从而得到最优的结果是很重要的。表和表的结果也表明，基于有效的方法的分析对于获得对余热锅炉的部分结构与整体的有趣的性能改进来说是足够的。一个参数重要性的高低在于，废气穿过低压省煤器气体反应部分的最低速度。优化的结果对气体的最小流速值特别敏感。压降减小的可能性很大程度上取决于允许的最低气流速度。对表的案例进行研究，设置为米每秒的最小流速下，最少可以减小的压降，当气体流速减少的更多的时候可以获得更合理的压降，如表所示。最低气流速度值从米每秒减小到米每秒可能会使压降从帕左右减小到左右；从另一方面来说，传热表面和余热锅炉的尺寸就取得合适的增加。表对余热锅炉燃气侧压降的灵敏度进行分析的结果显示，其它参数的修改能够引起微笑的变化，特别强调，鳍的维度对初始压降并不是特别敏感，但是优化允许减小的初步分级压降。5.4 第二个优化步骤的结果在检查情况下，鳍体积和重量最小时，为了获得相同的热流和压降，第二个优化步骤允许优化鳍的维度。这一步优化的结果是翅片厚度的减小，如表4所示。在这说来，进一步减小不可忽视的余热锅炉的重量也是可能的。在表4中翅片厚度的平均值结果的统一值可以在这两个压力水平之间选择：减小40%重量的气体余热锅炉侧鳍数组和20%的完整结构。分析结果可知，可以进行减少大约30%的初步设计值。由此余热锅炉0.64MW每立方米的功率密度和1900公斤每兆瓦的特定重量。6 基于紧凑换热器余热锅炉的利用的见解上述分析表明，使用PFHE结构，对余热锅炉重新包装使其维持很低的气侧压降时可能的。但是，使用PFHE结构更有趣的看法似乎是可以使热损失减小并且提高余热锅炉的传热表面。 在这种特殊的情况下，初步设计使用PFHE允许减少余热锅炉结构的体积优化，是指输入相同的检查测试用的数据，对两种不同情况下操作参数的检查。如图6所示，多串流加热部分和流体侧两个流体部分的安排被认为是他们的配置。 在这两种条件下，夹点降低5度，流体的压力能有多种优化方法，第一种情况下高压值被限定在90 bar【5】，然而在第二种情况下，高压值不低于200 bar.最后一个案例是对可能有diffusion-bonded钛结构的研究【20】。这两种配置余热锅炉的操作参数，以及由此产生的热损失和需要的传热表面与初步设计的数据相比较而得出的结果，都在表5中得以体现。总传热面积是错流在逆流换热器中的配置安排。图7显示出以前讨论的基本设计的比较，包括低压和高压固定分别固定在6和600bar和第一个优化解决方案，在这个优化方案中，气体一侧的温度下降，边界处的高压力被限制在90bar。对于上述余热锅炉的配置，图8显示了余热锅炉的每个单一的部分和整个余热锅炉在传热面积上的比较。报告指出，全部传热表面积之所以增加，是余热锅炉的损失减小和效率提高的结果。余热锅炉配置经典的壳管式结构，意味着50%的传热表面积的改变，也意味着余热锅炉的维度发生变化和有意义的增加体积。提高效率是非常简单的，但是结果会伴随着体积和重量显著增加，成本也会发生一定增加。用PFHE结构替换古典的壳管式结构，以便达到降低传统余热锅炉的维度和热损失的目的，这似乎是一个解决方案。但是这种分析仅仅说明余热锅炉的发展需要依靠PFHE结构尤其是对多串流热交换配置技术发展的基础上。本文中定义的余热锅炉的结构似乎是模块化的，它允许获得加入一些具有相同基本结构的复杂配置，这可能是目前研究的真实兴趣点。此外也可以是基于上述概念为了设计低配置的而不使用传统的壳管