能源轉(zhuǎn)換與利用 第5章_熱回收用換熱設(shè)備.ppt

1、5 熱回收用換熱設(shè)備,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 5.2 高溫余熱回收裝置, 5.3 余熱鍋爐, 5.4 回轉(zhuǎn)式換熱器, 5.5 熱管換熱器, 5.6 流化床式換熱器, 5.7 熱交換器的發(fā)展趨勢, 5.8 換熱器的優(yōu)化設(shè)計,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,按照進(jìn)行熱交換的介質(zhì)：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,按照熱交換方式的不同：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,熱回收用換熱設(shè)備的主要類型：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,換熱器的設(shè)計基礎(chǔ)：,換熱器設(shè)計主要包括熱力設(shè)計、強(qiáng)度設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。,換熱器熱力計算的方法有平均溫差法和傳熱單元數(shù)法。 換熱器熱計算分兩種情況

2、：設(shè)計計算和校核計算 （1）設(shè)計計算：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積。 （2）校核計算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。,1、傳熱平均溫差法,該方法常用于換熱器的設(shè)計計算，即根據(jù)計算得到的傳熱平均溫差即傳熱系數(shù)，求出保證換熱量所需的傳熱面積。,2、傳熱單元數(shù)法,傳熱單元數(shù)法是將熱交換關(guān)系表達(dá)成傳熱單元數(shù)NTU與溫度效率E即水當(dāng)量R的函數(shù)關(guān)系。,傳熱單元數(shù)的定義為：,冷、熱流體的水當(dāng)量中較小的一個值，水當(dāng)量為流量與比熱容的乘積。,水當(dāng)量之比R的定義為：,2、傳熱單元數(shù)法,溫度效率E定義為冷流體或熱流體的進(jìn)出口溫差與換熱器的最大溫差之比。

3、,溫度效率的定義為：,的函數(shù)關(guān)系與流體的相對流向有關(guān)。,一般，R取R1和R2中小于1的，E取E1和E2中較大者。,對已有的換熱器，由于已知傳熱面積，冷熱流體的流量及進(jìn)口溫度，由此可以計算出R和NTU的數(shù)值，再利用線圖可以查出溫度效率E，計算出流體出口溫度和換熱量。所以，NTU法對換熱器的校核計算比較方便。,2、傳熱單元數(shù)法,隨著節(jié)能工作的深入，要求不斷開發(fā)出高效的傳熱面，以增大換熱量或降低傳熱溫差，或減小換熱器的尺寸。,提高熱經(jīng)濟(jì)性,降低換熱器的成本,以哪一個目的較為合理，可以用換熱器的溫度效率或溫度效率的水平來判斷。,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,換熱器設(shè)計的制約因素：, 熱交換器壁溫的限制

4、：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 傳熱的臟污：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 傳熱面積的限制：,增大換熱器的傳熱面積，可以增加余熱回收量，進(jìn)一步節(jié)約能源，但是，隨著余熱回收深度增加，傳熱溫差減小，回收同樣的熱量將需要幾倍的傳熱面積，而換熱器的成本與換熱面積成正比，因此，在設(shè)計時需經(jīng)過計算經(jīng)濟(jì)比較，慎重選取。,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 流體輸送的功率消耗：,安設(shè)余熱回收裝置時，必然要額外增加余熱源通路的阻力，從而會增加風(fēng)機(jī)的功率消耗。,增加流體的流速可以提高換熱器內(nèi)對流換熱的傳熱系數(shù)，從而提高換熱器的傳熱系數(shù)。 對流換熱系數(shù)大

5、致與流速的0.8次方成正比，而流動阻力將隨流速的1.75次方的關(guān)系迅速增加，動力消耗所需的運(yùn)行費(fèi)用也將按同樣的比例關(guān)系增加。 因此，在采取提高流速的措施增強(qiáng)傳熱時，需要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，慎重選取。,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 流體輸送的功率消耗：,5.1 熱回收用換熱設(shè)備概述, 強(qiáng)度設(shè)計：,換熱器強(qiáng)度設(shè)計的重要性不亞于傳熱設(shè)計，特別是對高溫余熱的回收顯得更為重要，在設(shè)計時要考慮到如何解決換熱器各部分不同熱膨脹的問題，對產(chǎn)生的熱應(yīng)力采取何種措施。在有些情況下，為了保證強(qiáng)度留有余地，設(shè)計時不得不取較小的溫度效率。,5.2 高溫余熱回收裝置,1、高溫?fù)Q熱器的形式,5.2 高溫余熱回收裝置,輻射換

6、熱器：,煙氣,空氣,空氣,5.2 高溫余熱回收裝置,對流換熱器：,煙氣,空氣,5.2 高溫余熱回收裝置,2、高溫?fù)Q熱器的選擇,1）設(shè)備費(fèi)用,2）工作溫度,5.2 高溫余熱回收裝置,3）最高預(yù)熱溫度,5.2 高溫余熱回收裝置,3、高溫?fù)Q熱器在使用中的問題,高溫?fù)Q熱器在使用中的問題有燒壞、堵塞、腐蝕、參數(shù)達(dá)不到設(shè)計要求等。主要原因：,5.3 余熱鍋爐,1、余熱鍋爐的特點(diǎn),1）針對不同的煙氣溫度，存在一個最佳的蒸汽壓力，此時從煙氣中回收的最大。,5.3 余熱鍋爐,2）余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量取決于前部設(shè)備的生產(chǎn)工藝，不能隨用戶的需要而變動。,5.3 余熱鍋爐,2）余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量取決于前部設(shè)備的生產(chǎn)

7、工藝，不能隨用戶的需要而變動。,5.3 余熱鍋爐,3）余熱鍋爐容量的確定，要考慮到生產(chǎn)工藝的周期性，最大、最小煙氣流量以及相應(yīng)的溫度變化規(guī)律。,4）余熱鍋爐的工作溫度較低，對相同蒸發(fā)量的鍋爐而言，所需的傳熱面積比工業(yè)鍋爐大。,5）根據(jù)煙氣的不同特性，需要采取相應(yīng)的措施。,6）防止排煙溫度低于露點(diǎn)溫度，以免產(chǎn)生低溫腐蝕。,5.3 余熱鍋爐,7）對含塵量大的煙氣，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防磨損的措施。,5.3 余熱鍋爐,2、余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)型式,余熱鍋爐根據(jù)余熱源的溫度不同，按其熱工特性大致可分為兩類：一類熱源初溫在400800之間，主要靠對流換熱；另一類熱源溫度初溫在850以上，鍋爐既有輻射受熱，又有對流換

8、熱。,余熱鍋爐按照受熱面的型式，可分為煙管式和水管式。,煙管式鍋爐：,煙管式鍋爐不需要周圍爐壁，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于布置在爐子附近，制造容易，操作方便。,水管式鍋爐：,水管式鍋爐適宜于蒸汽產(chǎn)量大，壓力較高的情況。,5.4 回轉(zhuǎn)式換熱器,5.4 回轉(zhuǎn)式換熱器,5.5 熱管換熱器,熱管技術(shù)是1963年美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。 熱管換熱器是由高效傳熱元件熱管組成的一種新型換熱器。,熱管換熱器的研究背景 當(dāng)今傳

9、熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導(dǎo)熱材料。 具有良好導(dǎo)熱性的材料有鋁(202W/m)、銅385W/ m、和銀：410W/ m)，但其導(dǎo)熱系數(shù)只能達(dá)到 102W/m的數(shù)量級，遠(yuǎn)不能滿足某些工程中的快速散熱和傳熱需要，熱管的發(fā)明就解決了這一問題。熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105 W/m的數(shù)量級為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動力。由于熱管具有導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、溫度均勻等良好性能熱管是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會帶來巨大的實(shí)用價值。,一、熱管的工作原理,熱管示意圖 1管殼；2管芯；3蒸汽腔；4工作液,熱管：是一種傳熱性

10、極好的人工構(gòu)件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)（工作液）和毛細(xì)結(jié)構(gòu)（管芯），管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學(xué)原理： 在真空狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低； 同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多； 多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。 從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。,A traditional heat pipe is a hollow cylinder filled with a vaporizable liquid. A. Heat is absorbed in the evaporating

11、section. B. Fluid boils to vapor phase. C. Heat is released from the upper part of cylinder to the environment; vapor condenses to liquid phase. D. Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder (evaporating section).,國外資料: (From ),熱管的工作過程,如圖：當(dāng)熱管的一端受熱時毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體在

12、沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量便從一端傳到了另一端！ 在這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，具體包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的過程： （1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；,（2）液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面 上蒸發(fā)； （3）蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向 冷凝段； （4）蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié)； （5）熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源； （6）在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用（或重力等）是冷凝后的工作也體回流到蒸發(fā)段。,熱管工作過程動畫,注意：熱管中的水會 因?yàn)閮?nèi)部低壓而在100 以下就沸騰蒸發(fā)。,水蒸汽流,熱量輸入,液態(tài)水蒸發(fā),液體由于重力 或

13、吸附力回流,水蒸汽冷凝,熱量散失,熱管的管殼是受壓部件，要求由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運(yùn)行中管殼無腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。 管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內(nèi)外壓力不等時所產(chǎn)生的壓力差。,熱管的管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成。如右圖所示為幾種不同的管芯。,二、熱管的材質(zhì),工作液體的選擇,熱管的工作液要有較高的汽

14、化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的粘度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應(yīng)有較大的表面張力和潤濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。工作液還不能對毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細(xì)結(jié)構(gòu)。,三、熱管的工作極限,從圖中可以看出：當(dāng)工作溫度低時，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。 而在高溫下則應(yīng)防止出現(xiàn)毛細(xì)極限及沸騰極限。故熱管的工作點(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方。,四、熱管換熱器,利用熱管導(dǎo)熱能力強(qiáng)、傳熱量大的特點(diǎn)，以多根熱管作為中間傳熱元件，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體之間換熱的設(shè)備叫熱管換熱器。,四、熱管換熱器,特點(diǎn)： 1、傳熱性能高。尤其適宜氣-氣換熱； 2

15、、傳熱平均溫差大； 3、結(jié)構(gòu)緊湊； 4、布置靈活； 5、工作安全可靠。,重力式熱管換熱器,重力式熱管換熱器有單管型、集管型、分離型三種型式。,分離型熱管換熱器的布置：,應(yīng)用實(shí)例1：,應(yīng)用實(shí)例2：,應(yīng)用實(shí)例3：,5.6 流化床式換熱器,流化床的工作原理：流化床是指在容器內(nèi)的粒子層，在通過底部多孔板（氣流分布板）的氣流的作用下，使粒子處于激烈的攪拌狀態(tài)，形似“沸騰”。這種粒子層稱為流化床。,5.6 流化床式換熱器,（a） 固定床；（b） 流化起始點(diǎn)；（c） 流化床；（d） 氣力輸送,5.6 流化床式換熱器,不同流速下的粒子層的阻力,5.6 流化床式換熱器,氣流速度對流化床內(nèi)傳熱系數(shù)的影響,5.6

16、流化床式換熱器,平均粒徑與最大傳熱系數(shù)的關(guān)系,5.6 流化床式換熱器,5.6 流化床式換熱器,當(dāng)出口煙氣溫度高時，為了充分利用熱量，可以采用雙床層、甚至三床層串聯(lián)。,流化床換熱器的優(yōu)點(diǎn)： 1）傳熱性能高； 2）傳熱面可以保持清潔、性能穩(wěn)定； 3）煙氣側(cè)傳熱面的腐蝕?。?4）維護(hù)、檢修方便。,5.6 流化床式換熱器,流化床換熱器的缺點(diǎn)： 1）煙氣側(cè)的壓力損失較大； 2）氣流的方向受限制，煙氣必須自下而上垂直通過床層； 3）由于受床層內(nèi)流速的限制，不可能用于煙氣量太大的場合。,5.7 換熱器的發(fā)展趨勢,強(qiáng)化傳熱的目的：,1）減小換熱器的傳熱面積，以降低換熱器的體積與重量； 2）提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力； 3）使換熱器在較小的溫差下工作； 4）減小換熱器的阻力，以減少換熱器的動力消耗。,5.7 換熱器的發(fā)展趨勢,強(qiáng)化傳熱的途徑：,1）提高傳熱平均溫差 流體的進(jìn)出口溫度受生產(chǎn)工藝條件的限制，一般不能隨意改變。因此，提高傳熱平均溫差的唯一措施是采用逆流布置，但是，對于高溫?fù)Q熱器，當(dāng)受到材料承受溫度限制時，不得不采用傳熱溫差較低的順流或順逆流組合的布置。所以，這種措施對強(qiáng)化傳熱的潛力有限，不是主要途徑