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        新聞資訊

        多汽源高溫差分氣缸和對流式熱交換器的設計
        多汽源高溫差分氣缸和對流式熱交換器的設計
        摘要:鑒于多汽源高溫差大型分汽缸容易出現熱疲勞現象,根據傳熱學和流體力學原理,對現有的分汽缸結構進行改進,讓高低溫蒸汽在筒體內的空間通過對流的方式完成熱交換,避免了熱疲勞的出現。該型號設備已經在工程上使用,并且運轉正常。通過分析這種分汽缸的工作原理,發現它已經實現分汽和換熱兩個作用,根據這個啟示,進一步設計出對流式換熱器,對流式換熱器和傳統的換熱器比較有非常多的優點,應用范圍很廣,本文給出三種結構供參考。
        關鍵詞:分汽缸 對流式換熱器 高溫差
        1 引言
            某廠自2005 年元月供暖系統改造以來,兩臺普通鍋爐和一臺電站鍋爐剩余蒸汽共同向居民供暖,高低溫主管線共用一臺分汽缸,看似簡單的工藝,但自供暖系統起用以來,先后更換3臺分汽缸,3 臺都是在不到半年的時間內報廢,檢驗分析后發現,為溫度應力引起的疲勞破壞,詳細的事故分析見《多汽源高溫差分氣缸泄漏原因分析》一文,原載于《中國化工裝備》2007 年第1期,罐體結構和裂紋分布情況見圖1。
        分氣缸 
                       圖1 分汽缸結構及裂紋分布情況
            在當今,集中供暖已成趨勢,電站鍋爐也日益增多,熱電聯產發展迅速,多汽源共用一臺大型分汽缸的情況越來越常見,盡早解決這類問題,不僅能避免類似的事故發生,對集中供暖和熱電聯產都會起到促進作用。
        2 對流式換熱器的作用和意義
            如果上述分汽缸在很短時間內讓高低蒸汽迅速達到溫度平衡,又不破壞的話,就可以把它看成一個結構簡單、換熱效率極高、造價較低、功率超大的優質理想換熱容器。大家都知道,傳統換熱容器大多為熱傳導式換熱容器,由于受到傳熱系數、表面系數和溫差等多方面影響,存在熱傳遞速度慢、結構復雜、處理量小、能耗高、維護費用高、使用壽命短等缺點。如果換熱器能以對流的方式進行熱交換,就能解決熱傳導換熱器的缺點,制作新的換熱器品種——對流式換熱器,此類產品的開發和應用,對降低設備成本、提高設備壽命、節約能源、提高工作效率、降低維護成本、提高設備運轉周期等方面都有積極的意義。
        3 設計方法與思路
        首先,根據工藝要求,把汽體流量大并和工作溫度相近的蒸汽直接通入罐內,把流量較小并和工作溫度差別較大蒸汽,采用劃整為零的方法,在進汽管入口處設置內筒,并在內筒上開一定數量的小孔,根據流量精確計算開孔大小和多少,再通過調整內筒位置,達到滿足從小孔射出來的汽流在未達到溫度平衡之前不可能接觸到外筒體,在空間內以對流的方式完成熱交換;同樣,冷氣流也受到熱氣流的沖擊,無法在溫度平衡之前到達內筒,保護內筒不受溫度應力的影響,保證這兩點,該設備就能夠正常運行。
        怎么才能滿足以上要求呢?首先,要設置一些合理內件,增加蒸汽從進到出的行程,讓冷熱蒸汽在筒體內盡量以錯流或逆流的方式接觸;第二,
        合理布置進出口管道,保證蒸汽從進到出有足夠的行程和充足的時間進行熱交換。在有溫度波動的地方增加網狀內襯,進一步保護筒體不發生熱疲勞現象。
        4 結構示例
        根據上面分析,設計以下幾種結構供參考:
        4.1 形式之一(如圖2)
        分氣缸 
        根據工藝條件,高溫蒸汽流量已知,用Q表示,開孔的數量用n表示,小孔的面積用s表示,每個小孔的流量用q表示,q=Q/n???????(1)小孔的蒸汽流速可以表示為:v=q/s???????(2)小孔蒸汽的射程與速度的平方和密度成正比,
        與介質的粘度成反比,并和小孔的面積有關,用方程表示為:S=kρv2/μ ?????(3)S 蒸汽的射程  k 小孔面積修正系數  μ介質的粘度 ρ介質的密度
        通過以上公式可以看出,合理的選擇小孔數量和小孔面積是設計的關鍵,一旦選定這兩個數據,就可以算出蒸汽射程S,進而確定整個罐體的內徑。如果條件允許,模擬罐體內的環境,用實驗的方法測出射程會更精確,匯成表格備查,會大
        大的提高設計效率。用計算機模擬罐體內的溫度場的變化,在溫度出現波動的地方加上網格,防止溫度應力的出現,網格的結構如圖4。設計擋板
        是為了增加蒸汽從進到出的行程,并保證和內筒射出的蒸汽逆向流動,充分對流混合,提高換熱效率。
        本結構的特點是處理量非常大,基本能避免熱疲勞的出現,適合大用戶。缺點是由于結構的限制,進出口管道很多,罐體內的溫度場變化非常復雜完全避免熱疲勞不太容易,所以對材料要求較高,應使用低碳鋼,且韌性好,抗疲勞的材
        料,設計壽命相對較短。
        4.2 型式之二(如圖5)
        這種設計思路繼承了圖2所示結構的優點,改進了不足之處,把進出口管路設置在容器的兩端,進一步增加了蒸汽的行程,簡化了結構,為換熱提供了足夠的時間和空間。擋板1(見圖6)的作用是讓蒸汽均勻通過容器的換熱區域,減小換熱死角;擋板2 (見圖7 )的作用是讓混合蒸汽進一步對流,達到完全換熱的目的,保證出口管路不受熱疲勞的影響。由于這種結構的對稱性,內筒360°方向均可開孔,所以開孔的數量就可以大大的增加,蒸汽的射程很小,所以本結
        構可以采用較小的筒體內徑。筒體內徑的減小不但可以降低制造成本,還避開了低溫蒸汽的平流范圍,使蒸汽在湍流范圍內通過換熱區域,增加了對流的強度,提高了換熱效率。此設計思路的特點是充分利用空間,錯流熱交換,換熱效果好,效率高,制作成本低,設計壽命長,非常適合一般換熱站使用。
        分氣缸 
        4.3 型式之三(如圖8 )
        這種思路最簡單,但是設計計算量大,需計算機模擬,設計時要計算所有進汽蒸汽的射程,不但要計算射程上限,還要計算下限,因為低于上線才可以避免熱疲勞的出現,高于下線才能充分對流混合,完成熱交換的目的。擋板可以起到二次對流的作用,提高換熱效果。根據以上特點分析,這種結構下的容器本體溫度應力很難避免,需要使用抗疲勞材料,表面處理量比較大,在溫度差比較低的情況下使用最理想。由于對進汽射程要求高,在幾個進汽管道流量和壓力波動很大的情況下,最好不要采用該結構。
        分氣缸 
        5 結束語
        雖說對流式換熱器在換熱效率和設備成本等諸多方面較熱傳導式換熱器都有很大的提高,但是使用范圍和傳統的換熱器比較還很窄,因為對
        流式換熱器要求進行熱交換的介質最好是同種介質,異種介質要保證不發生化學反應,并比較容易分離情況下才可以采用。當然隨著技術的發展,把反應容器的結構進行改進,做到反應和換熱一步到位,就可以拓寬對流式換熱器的適用范圍,對降低整個工藝成本,節約能源和空間等方面都有積極的意義。
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