网插旋流高效辐射换热器的开发应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2010-9-18 10:58:46 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 传热

象锻造加热炉、均热炉、反射熔炼炉等工业炉窑, 其排烟温度多在900℃以上, 烟气带走的热损失占有相当大的比重, 进行烟气余热回收利用, 是提高炉子热效率, 节约能源的有效途径。
  目前工业炉窑上使用的高温烟气余热回收设备, 多是普通金属辐射换热器或陶瓷换热器, 这些换热器的主要缺点是, 综合传热系数小, 换热效率低, 体积庞大等。过去曾有人用增加被预热介质流速的办法, 来提高被预热介质侧的对流给热系数, 以求提高辐射换热器的综合传热系数。这种方法对于大型辐射换热器来说, 可能会有点成效, 但是对于中、小型的辐射换热器来说, 却收效甚微, 有时不但不能明显提高辐射换热器的综合传热系数, 反而使被预热介质的流动阻力增加很多, 动力消耗过大, 造成了电能的额外浪费。其原因是, 对于辐射换热器来说, 高温烟气与换热面间的换热方式, 主要是以辐射为主, 对流换热的比例很小, 所以, 辐射空间越大, 烟气有效射线行程越长, 烟气的黑度就越大, 辐射能力就越强。但是, 中小型辐射换热器内烟气辐射空间小, 有效射线行程短, 烟气黑度小, 辐射能力弱, 结果, 烟气侧的总给热系数远小于被预热介质侧的总给热系数, 成为提高辐射换热器综合传热系数的限制性环节。因此, 要想大幅度提高辐射换热器的综合传热系数, 仅用提高被预热介质流速来提高被预热介质侧对流给热系数的方法, 是没有多大收效的, 必须从提高烟气侧的总辐射给热系数方面入手, 同时适度考虑被预热介质侧对流给热系数的相应比例, 使冷、热侧的总给热系数近乎相等, 以使辐射换热器的综合传热系数达到最大, 而阻力损失最小。基于这种思想, 我们开发研制了网插旋流高效辐射换热器, 并已申请了专利。
二、网插旋流高效辐射换热器的结构特点和换热机理
  1 结构特点
  网插旋流高效辐射换热器的结构主要由内筒、外筒、涂有高辐射涂料的耐热金属丝网、旋流导向肋片, 冷热介质集箱、热膨胀器等组成。
  该换热器的显著特点, 就是在烟气通过的内筒内, 装设了涂有高辐射涂料的耐热金属丝网, 那么该丝网的黑度为0.96~ 0.98,远远高于烟气的黑度0.15~ 0.30, 所以, 高辐射金属丝网的设置, 使得烟气侧的总辐射能力大大加强, 大幅度地提高了烟气侧的总辐射给热系数, 从而显著地提高了换热器的综合传热系数。此外, 在内、外筒环缝间的内筒外壁上焊有螺旋形旋流导向肋片, 除保证内外筒在径向膨胀均匀外, 还改变了被预热介质通道的当量直径和流动雷诺数, 增加了被预热介质流路的长度和换热面积, 有效地提高了被预热介质侧的对流给热系数和对流换热量, 使换热器的综合传热系数进一步得到提高。
  研究结果表明, 与普通园筒型辐射换热器相比, 网插旋流辐射换热器的综合传热系数提高了45~ 70% , 可以达到54~ 72W/m 2·K, 假若在平均温压和换热面积相同的条件下, 就相当于比普通辐射换热器多回收了45~ 70% 的烟气余热; 若按相同的换热量来计算, 该换热器的换热面积可以减少三分之一以上, 即在相同换热量下, 网插旋流辐射换热器的换热面积要比普通辐射换热器的换热面积小三分之一。所以该种辐射换热器的体积小, 重量轻, 结构紧凑。
另外, 该换热器在结构设计中, 并没有明显提高预热介质的流速, 所以被预热介质的流动阻力较小, 一般在210~ 310 千帕以下。
  除此以外, 该换热器还具有工作可靠,安装方便, 使用寿命长等特点。可广泛适用于冶金, 机械、建材等行业的加热炉、均热炉、锻造炉、冲天炉、熔炼炉, 以及陶瓷、耐火和玻璃窑等各种中、高温工业炉窑的烟气余热回收。在烟气温度为900~ 1200℃时, 可将被预热介质加热到500~ 650℃以上, 是一种较理想的高温烟气余热回收设备。
2 换热机理
  网插旋流高效辐射换热器的换热机理为, 高温烟气经烟道低速进入换热器的内筒后, 以对流和辐射的方式将热量分别传给内筒壁和涂有高辐射涂料的耐热金属丝网, 金属丝网吸热升温, 接近烟气温度后, 又将吸收的热量以辐射的方式传给换热器的内筒壁, 起到了传热的中间媒介作用, 相当于辉焰中固体微粒的辐射作用。被预热介质(如空气) 从换热器一端的进口管进入冷介质集箱, 经分配后进入内、外筒间的螺旋形环缝通道, 在旋流导向肋片的作用下沿筒壁以高速向前流动, 在此同时, 被烟气和金属丝网加热到高温的内筒壁以对流的方式将热量传给被预热介质。此外, 内筒壁又以辐射的方式将热量传给外筒壁, 外筒壁再以对流的方式将热量传给被预热介质, 当被预热介质到达换热器的热介质集箱时被预热到高温,进而从出口管流出进入热介质管道, 完成了整个换热过程。
三、网插旋流高效辐射换热器在加热炉上的应用
  1993 年10 月我们为一中外合资企业的燃油加热炉设计了2 台网插旋流高效辐射换热器。厂方提供的参数为: 烟气流量为1300Nm 3/h , 空气流量为920~ 950Nm 3/h ,排烟温度为950~ 980℃, 根据烧嘴的性能要求, 空气允许预热温度为200~ 220℃, 最高不得超过250℃, 所设计的辐射换热器的主要技术性能参数见表1。
  该换热器的总长度为2.02m , 外筒直径为0.62m , 螺旋导向肋片的节距为015m。换热器被水平安装在烟道内, 烟气与空气的流动方式为顺流。该换热器自1994 年3 月安装使用以来, 运行状况良好, 各项技术性能均达到了设计指标。该换热器的实际运行参数列于表1 中。

  由表1 看出, 该换热器在实际运行状态下的综合传热系数为36.41W/m 2K, 比设地值高出2.21W/m 2K。在等同的条件下,与相同换热面积的未设置金属丝辐射网的普通园筒型辐射换热器相比(其综合传热系数在22~ 24W/m 2K 之间) , 网插旋流辐射换热器的综合传热系数提高了52~ 65%。如果在相同的平均温压下, 就相当于多回收了52~ 65% 的烟气余热。假如在其他条件相同的情况下, 按相同的换热量来计算的话, 该换热器的换热面积将比普通辐射换热器的换热面积少三分之一, 所以该换热器的体积小, 重量轻, 结构更加紧凑。
  根据表1 的实测结果, 将956Nm 3/h 的空气由18℃预热到237℃, 烟气余热的回收量为76.6kW , 扣除因流动阻力而造成的电能消耗量0. 9kW , 实际净回收热量为75.7kW , 若折算成燃油量, 每天可节约燃油163Kg, 若每年按330 个工作日计算, 年节油量可达50 多吨。安装该网插旋流辐射换热器后, 不仅节约了燃料, 而且也提高了炉子的生产率和热效率, 改善了燃烧条件, 减轻和消除了因燃烧不良而造成的对环境的污染。
  该换热器空气侧的实测阻力为2.38 千帕, 略高于设计值, 这主要是由于空气的实际流量和预热温度高于设计值等原因造成的, 或者是因换热器的安装方式的影响而造成的。
四、结论
  实际研究与实际应用结果表明, 网插旋流高效辐射换热器具有以下突出优点:
1 综合传热系数大, 换热效率高。与普通园筒型辐射换热器相比, 其综合传热系数可以提高45~ 70% , 可达到54~ 72W /m 2K。
2. 被预热介质的预热温度高。在烟气温度为900~ 1200℃时, 可将被预热介质预热到500~ 650℃以上。
3 阻力损失小。由于没有明显提高被预热介质的流速, 所以被预热介质的流动阻力较小, 一般在2.0~ 3.0 千帕以下。烟气的流动阻力在5.0~ 10.0 帕以下。
4 体积小, 重量轻, 结构紧凑、严密。由于综合传热系数的显著提高, 使其换热面积大为减小, 在相同换热量下, 该换热器的体积大约为普通辐射换热器体积的三分之二左右。另外该换热器结构严密, 既可以预热空气, 也可以预热煤气等。
5 安装维护方便, 使用寿命长。该换热器既可以垂直安装在上升的烟道上, 或作为烟囱的一部分, 也可以水平安装在地下或地上的水平烟道内, 检修时移出即可。该换热器为耐热钢制造, 使用寿命一般为5~ 8 年,是一种理想的高效低阻高温烟气余热回收设备。


 



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