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在鍋爐中,如何使用超導熱管

晨怡熱管 哈爾濱晨怡熱管技術有限公司 椴木杉 2009/11/15 16:07:24

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提高鍋爐熱效率的唯一途徑是:合理進行爐膛中輻射受熱面的設計,增加爐內傳熱系數,也就是將能量的損耗存在于一次能源與二次能源的轉換環節的可能降到最低數值。對于鍋爐的受熱面的設計計算和傳熱系數計算,許多相關書籍都有詳盡介紹,在此不多敘述,如果有時間,可參考《鍋爐設計、制造、安裝、運行、檢修、改造實務全書》http://china-heatpipe.net/heatpipe04/2009-11-15/911155698089.htm

鍋爐的基本構成
鍋爐的核心構成部分是“鍋”和“爐”。
“鍋”是容納水和蒸汽的受壓部件,包括鍋筒(也叫汽包)或鍋殼、受熱面、集箱(也叫聯箱)、管道等,組成完整的水-汽系統,其中進行著鍋內過程——水的加熱和汽化、水和蒸汽的流動、汽水分離等。
“爐”是燃料燃燒的場所,即燃燒設備和燃燒室(也叫爐膛),廣義的“爐”是指燃料、煙氣這一側的全部空間。

 

受熱面分類
△間壁式受熱面:凡是放熱介質和受熱面介質分別處于受熱面兩側,受熱面的吸熱和放熱同時地、連續地進行。
△蓄熱式(或再生式)受熱面:如果放熱介質和受熱介質分別交替地、周期地與受熱面相接觸,在接觸中向受熱面放熱或從受熱面吸熱。 熱管受熱面,實質上也可視為蓄熱式受熱面
△輻射受熱面:以輻射換熱為主要方式,從放熱介質吸收熱量的受熱面,應布置在感溫區域,即爐膛內。
△對流受熱面:以對流換熱為主要方式,從放熱介質吸收熱量的受熱面,布置在爐膛出口之后。
△水的預熱受熱面:通常布置在低溫煙氣區域,用于回收排煙余熱、節約燃料,所以一般稱為“省煤器”。另外,回收煙氣余熱來預熱助燃空氣的受熱面稱為空氣預熱器。由于省煤器和空氣預熱器都布置在低溫煙氣區域內,位于鍋爐尾部,故又合稱為尾部受熱面。
△汽化受熱面:(也稱為蒸發受熱面)
△蒸汽過熱器:
△板式受熱面:
△管式受熱面: ㈠煙管受熱面(煙氣在管內流動)㈡水管受熱面(水在管內流動)

熱管在鍋爐內的作用主要有兩條:

第一,利用超導作用,將爐內一次能源火焰和煙氣聚集的溫度,迅速傳給二次能源水、蒸汽或空氣,有效提高鍋爐的換熱系數。

第二,增加受熱面面積,使現代鍋爐可以做的盡量小的體積而功效相當于常規大體積鍋爐,并有效節煤。

用于鍋爐內部的常規熱管尺寸,我們推薦為:

 

低碳鋼超導熱管 Φ25×200
低碳鋼超導熱管 Φ25×300
低碳鋼超導熱管 Φ25×400
低碳鋼超導熱管 Φ25×500
低碳鋼超導熱管 Φ25×600
低碳鋼超導熱管 Φ25×700
低碳鋼超導熱管 Φ25×800
低碳鋼超導熱管 Φ25×900
低碳鋼超導熱管 Φ25×1000
低碳鋼超導熱管 Φ32×200
低碳鋼超導熱管 Φ32×300
低碳鋼超導熱管 Φ32×400
低碳鋼超導熱管 Φ32×500
低碳鋼超導熱管 Φ32×600
低碳鋼超導熱管 Φ32×700
低碳鋼超導熱管 Φ32×800
低碳鋼超導熱管 Φ32×900
低碳鋼超導熱管 Φ32×1000
低碳鋼超導熱管 Φ38×200
低碳鋼超導熱管 Φ38×300
低碳鋼超導熱管 Φ38×400
低碳鋼超導熱管 Φ38×500
低碳鋼超導熱管 Φ38×600
低碳鋼超導熱管 Φ38×700
低碳鋼超導熱管 Φ38×800
低碳鋼超導熱管 Φ38×900
低碳鋼超導熱管 Φ38×1000

 超導熱管生產工藝圖紙

超導熱管基本說明書

關于熱管功率:

確定功率,首先要有兩個選定值,比如確定電熱管的電功率,首先是電壓值,然后是電阻值或者給出流過功率器件的電流值。
與功率器件不同的是,熱管的功率傳導,只是一個參考值,一般不作為主要指標來考核,這個參考值主要是用來對于熱管行業不是很熟悉的使用者設計計算散熱或者熱回收用的參考。
衡量熱管的功率,一般來說,首先要確定熱管蒸發段溫度,然后確定冷卻段溫度,還要確定環境溫度,或者說絕熱段溫度,廠家給出的功率參考值,一定是其針對熱管用途而在某一個范圍內設定好了條件的。
熱管的傳輸功率,還和諸如熱管材料,直徑,壁厚,長度,虹吸結構,外部結構的翅片材料,翅化比,應用場合方式,溫度變化等等、等等都有連帶關系,甚至和使用方向,角度都有關系。
晨怡說明書中看到單根熱管的傳熱功率為100~4000W,應該是針對碳剛類型的熱管所說,是指一個范疇。
晨怡熱管對于碳鋼類的熱管,目前生產比較多的是Φ20、Φ25、Φ32、Φ38等直徑,而長度從150mm開始,一直到6000mm,多數都是根據用戶需要的規格尺寸生產,可見其功率根據條件會有不同,好多熱回收行業,根本就不要熱管單只的功率值,而是根據熱環境和回收結果綜合反推單只熱管在此設備中的換熱功率,這樣相對科學。

比如我們設計熱管式冷凝器如下規格參數表

此主題相關圖片如下:
按此在新窗口瀏覽圖片

 根據表中數據,一噸鍋爐的熱管功率是單只204.21W,二噸鍋爐的是339.91W,而三噸鍋爐的就達到了627.93W,可見熱管的單只功率計算,是一個多么模糊的參考!

熱管的角度使用建議:

 熱管在使用過程中,最常用的方式為熱端在下面,冷卻段在上面的垂直使用方式,這也是工業類重力熱管最為常用的方式,在熱管的各類參數測試中,我們發現,微觀上熱管最佳使用狀態為與水平夾角為45°時為最好,允許使用角度為20~90°,一般不建議水平應用,水平應用將大大降低熱管效率,禁止反向使用。

熱管使用中溫度與熱段比例的建議:

在熱管用于水預熱的水鍋爐熱管應用中,常遇到用戶將熱管直接接觸明火,因為使用不當,過高溫度使熱管達到使用極限而爆管,那么如何使用熱管才能達到更好的效果呢,簡單的說法就是,加熱段溫度越高,留給加熱段的熱管比例越小,而留給水冷卻段越大,經驗比例如上圖所示,一般不建議熱管加熱段超過800℃。

關于增加熱管后增加的受熱面積:

我們以使用低碳鋼超導熱管 Φ38×200為例,在鍋爐內壁Φ38的表面積為:S=3.14×0.0192M=0.00113354M2 ,假設爐溫在200℃~300 ℃,熱管采用同比例使用,為熱段50%,冷段50% 長度即為100MM=0.1M,那么,在水側的受熱面積為:S=3.14×0.038×0.1=0.011932M2 ,相當于增大近10倍的受熱面積。  

如果還需要增大熱管在水側的受熱面積,除了增加熱管長度和增加溫度以外,還可以使用熱管繞片,增加翅化比來增加換熱面積,當然,選擇合適的片高和片距及表面防腐蝕處理,顯得由為重要。

熱管繞片工藝圖

我們再計算下上圖熱管在鍋爐中的受熱面積,首先計算光管面積,使用低碳鋼超導熱管 Φ32×420,在鍋爐內壁Φ32的表面積為:S=3.14×0.0162M=0.00080384M2 ,假設爐溫在200℃~300 ℃,熱管熱段175MM,冷段長度為245MM=0.245M,那么,在水側的受熱面積為:S=3.14×0.032×0.245=0.0246176M2 。再計算繞翅片后的面積:根據公式計算出,熱管繞片換熱面積為0.7362M2 /M,根據繞片長度,算出0.7362×0.22=0.161964M2,可見經過熱管傳導的鍋爐中的受熱面積已經增加一個很大的數量級。

關于熱管纏繞翅片,首先引入一個概念,就是翅化比,翅片管的兩個重要概念:翅化比和翅片效率,選擇翅片參數時應考慮的問題。
翅片管和翅片本身結構參數的標注方法提出如下的建議:
1)翅片管和翅片結構的標注方法
首先,用CPG 代表翅片管(CHIPIAN GUAN 的縮寫,翅片管的結構特性,材質,及加工方法可用下面的系列數字或符號表示:
  CPG ( φDb×δ/ Df / P / T –X /Y –A ) 其中 CPG :翅片管;    φDb×δ 基管外徑和厚度; Df : 翅片外徑,mm ; P : 翅片節距,mm ; 
       T :
翅片厚度, mm  ;  X:基管材質; Y : 翅片材質; 其中:Fe : 鐵; Al : 鋁; Cu :         
        A :
加工方法:I :纏繞(不標出即默認);其它待定。見下圖之標示。
 

例如CPG ( φ32×3.5 / 64 / 8 / 1 –Fe / Fe )  說明該翅片管的基管外徑為32mm,壁厚為3.5mm,翅片外徑為64mm,(即翅片高度為16mm),翅片節距為8mm,翅片厚度為1mm,基管和翅片皆為碳鋼,為高頻焊管。此外,有時需要單獨對翅片本身的結構參數進行標注,標注方法如下所示:
  CP( Db / Df / P / T –Y )    各符號所代表的意義與翅片管的表示方法相同。舉例如下:
例如:CP (32 / 62 / 8 / 1 –Fe)  說明 該翅片的基管外徑為32mm,翅片外徑為62mm(翅片高度為15mm),翅片節距為8mm,翅片厚度為1mm,材質為碳鋼。

(2)翅化比

 翅化比是指光管表面(基管表面)在加裝翅片以后表面積擴大的倍數,可用“β”來表示,即
       β = (原光管外表面積)/ (翅片管總的外表面積)
計算舉例:
有一翅片管,CPG (φ25/2.5 / 50 / 4 / 1 –Fe/Fe), 試計算其翅化比
1 米管長的翅片數目n= 1000 / 4 =250
1米管長的翅片面積
Af = 250 × [π/4 {(Df2-Db 2) ×2+π×Df×Y} =0.775 m2

 1 米管長上的裸管面積,即翅片之間的光管面積
Ao = π×Db×1×(P-T)/P = 3.1416 ×0.025 ×1× 3/4=0.0589 m2

 

 

 

 

 

   1米管長上的光管面積
Ab =3.1416×0.025= 0.0785 m2  翅化比
β = (Af+AO)/Ab= (0.775 +0.0589)/ 0.0785 = 10.62
即加翅片后的傳熱面積為原光管面積的10.62 倍。

(3) 翅片效率
當翅片被“根植”在光管表面上以后,在由管內向管外傳熱的情況下,熱量將從翅片根部沿翅片高度向外傳遞,同時不斷地以對流換熱的方式傳給周圍的流體,其結果就使得翅片溫度沿高度方向逐漸下降。如下圖所示。

翅片溫度沿高度方向逐漸下降,說明翅片溫度與周圍流體溫度的差值在逐漸縮小,單位面積的換熱量在逐漸縮小。這樣,翅片表面積對增強換熱的有效性在下降。翅片越高,其增加的面積對換熱的“貢獻”就越小。因此,有必要引入一個新的概念----翅片效率。
 

 翅片效率 η= (翅片表面的實際散熱量)/ (假定翅片表面溫度等于翅根溫度時的散熱量)
因為翅片效率小于1,說明增加1倍的翅片散熱面積,并不能增加1倍的散熱量,要打一個“折扣”,這個“折扣”就是翅片效率。

熱管生產中,加翅片后的換熱面積換算復雜煩瑣,浪費很多時間精力,我們提供一個小軟件,使工程技術人員在換算時,節省時間,軟件只需要輸入已知數據,就可以換算出換熱面積及繞片重量如下圖所示:

熱管換算軟件下載地址:

責任編輯: banye 參與評論
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