李峰光

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院株洲分院，湖南株洲412000）

冷凝式節(jié)能鍋爐節(jié)能器的節(jié)能參數(shù)分析

李峰光

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院株洲分院，湖南株洲412000）

根據(jù)冷凝式節(jié)能器的工作原理，研究了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對節(jié)能效果的影響。結(jié)果表明：冷凝式節(jié)能器的出水口溫度隨煙氣連接管內(nèi)徑、煙氣連接管長度的增大而升高；煙氣出口溫度隨煙氣連接管的長度增加而降低。

節(jié)能式鍋爐；結(jié)構(gòu)參數(shù)；節(jié)能

0 引言

目前工業(yè)鍋爐是我國主要的熱能動(dòng)力設(shè)備，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗日益增加，城市大氣質(zhì)量日益惡化的問題越發(fā)突出。在熱能動(dòng)力方面能耗高、污染高的主要原因之一就是鍋爐的煙氣排放，鍋爐排煙問題一方面來自煙氣污染物的直接污染，另一方面來自過高的排煙溫度。而若直接降低排煙溫度則會(huì)使鍋爐尾部受熱面中煙氣與工質(zhì)的傳熱溫差減小，傳熱面積增大，金屬消耗和設(shè)備初投資增多。且排煙溫度過低還會(huì)引起煙氣中硫酸蒸汽的凝結(jié)，使低溫受熱面腐蝕堵灰。但是排煙溫度過高，大量的燃燒煙氣帶走了可觀的熱量，造成了能源的大量浪費(fèi)。為此，利用煙氣的余熱對煤氣和助燃空氣預(yù)熱，減少煤氣消耗量，特別是減少高熱值焦?fàn)t煤氣的消耗量越來越受到人們的重視［1-3］。

本文以工業(yè)應(yīng)用較多的冷凝式節(jié)能鍋爐節(jié)能器為研究對象，分析了節(jié)能器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)筒體外徑、煙氣連接管長度、煙氣連接管外徑、煙氣連接管數(shù)量及進(jìn)出水管水平間距等對節(jié)能效率的影響規(guī)律，為優(yōu)化節(jié)能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、提高節(jié)能效率、開發(fā)可靠性高的高效節(jié)能器提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 冷凝式節(jié)能器的熱力計(jì)算方法

冷凝式節(jié)能器為鍋爐尾部余熱回收裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，當(dāng)高溫?zé)煔庠谕ǖ纼?nèi)通過管壁傳導(dǎo)熱量至筒體內(nèi)流動(dòng)的水介質(zhì)，使得排放煙氣溫度得以降低，進(jìn)入鍋爐的水得以預(yù)熱，從而達(dá)到將排煙中的大量能量加以回收利用的目的，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的效果。其優(yōu)點(diǎn)在于換熱面積大，換熱效果好，生產(chǎn)簡單，安裝方便，占地面積小，傳熱性能良好，功率穩(wěn)定，安全可靠等，因而在工業(yè)上得到了廣泛的推廣應(yīng)用［4］。

圖1 節(jié)能器的三維模型

由冷凝式節(jié)能器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理可知，其熱力計(jì)算的目的是根據(jù)傳熱效率、煙氣流速和進(jìn)水溫度等，計(jì)算確定煙氣連接管數(shù)量、管徑大小和長度及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

煙氣連接管主要傳遞對流熱，但經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，煙氣中含有大量的三原子氣體，輻射熱在換熱份額中占有一定的比重，不能忽略，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮對流傳熱和輻射傳熱［5］。根據(jù)傳熱原理，煙氣在管道內(nèi)流動(dòng)，管外為水介質(zhì)，管外側(cè)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)的氣相傳熱系數(shù)，即煙氣連接管的傳熱阻力幾乎全部在管道內(nèi)煙氣一側(cè)，煙氣連接管的總傳熱系數(shù)大小主要取決于煙氣側(cè)的換熱情況。一般冷凝式節(jié)能器內(nèi)煙氣在煙氣連接管內(nèi)的流動(dòng)呈過渡狀流動(dòng)。煙氣連接管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)計(jì)算公式可采用Gnielinski公式［6］：

式中：βc為煙氣對管壁的對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；λ為煙氣在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；d為煙氣連接管的內(nèi)徑，m；l為煙氣連接管長度，m。

輻射傳熱系數(shù)的計(jì)算式為：

式中：βf為煙氣對煙氣連接管的輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；αh為煙氣黑度；Tst為煙氣平均溫度，K；Tw為煙氣連接管灰污壁面溫度，K。

2 冷凝式節(jié)能器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對節(jié)能效果的影響

根據(jù)冷凝式節(jié)能器的工作原理和煙氣連接管的熱傳遞計(jì)算方法，不難發(fā)現(xiàn)，冷凝式節(jié)能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)煙氣連接管內(nèi)徑d、煙氣連接管長度l、煙氣連接管數(shù)量n及煙氣流速s等對冷凝式節(jié)能器的節(jié)能效果有影響。在以上的分析基礎(chǔ)上，以Q373冷凝式節(jié)能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為參照模型，針對這些參數(shù)對冷凝式節(jié)能器的節(jié)能效果的影響進(jìn)行分析［7］。Q373冷凝式節(jié)能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 Q373冷凝式節(jié)能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 煙氣連接管內(nèi)徑對節(jié)能效果的影響

冷凝器式節(jié)能器的煙氣流經(jīng)煙氣連接管，因此連接管內(nèi)徑的大小直接決定了煙氣與管壁接觸面積的大小，圖2為改變煙氣連接管內(nèi)徑對出水口水溫的影響，計(jì)算模型中，進(jìn)水口水溫恒為20℃，煙氣進(jìn)口溫度為300℃，煙氣流速v=12.75 m/s，煙氣管管壁厚度μ=5 mm，管長l=2 010 mm，冷凝管數(shù)量n=20，節(jié)能器內(nèi)徑D=1 150 mm。

圖2 煙氣連接管內(nèi)徑對節(jié)能器出水口溫度的影響

由圖2可知，Q373冷凝式節(jié)能器的出水口溫度隨著煙氣連接管管道內(nèi)徑的增大而增加，但管徑越大，出水口溫度的增大趨勢越小。

2.2 煙氣連接管長度對節(jié)能效果的影響

圖3 煙氣連接管管長對冷凝式節(jié)能器煙氣出口溫度的影響

冷凝式節(jié)能器的煙氣連接管管長是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，管道越長，煙氣與管壁的熱交換面積越大，圖3為煙氣連接管管長對冷凝式節(jié)能器煙氣出口溫度的影響。計(jì)算模型中，煙氣進(jìn)口溫度恒為300℃，進(jìn)水溫度為20℃，煙氣流速v=12.75 m/s，煙氣管管壁厚度μ=5 mm，冷凝管數(shù)量n= 20，煙氣連接管內(nèi)徑d=53.5 mm，節(jié)能器內(nèi)徑D=1 150 mm。

由圖3可知，Q373冷凝式節(jié)能器的煙氣出口端煙氣溫度隨煙氣連接管的增長而降低，當(dāng)煙氣連接管管長長于1 800 mm時(shí)，煙氣溫度降低明顯減小。

2.3 煙氣連接管數(shù)量對節(jié)能效果的影響

冷凝式節(jié)能器的煙氣連接管管數(shù)作為其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，數(shù)量越多，同一橫截面通過的煙氣量越多，圖4為煙氣連接管管數(shù)對出水口水溫的影響，計(jì)算模型中進(jìn)水口水溫恒為20℃，流量恒定，煙氣進(jìn)口溫度為300℃，煙氣流速v=12.75 m/s，煙氣管管壁厚度μ=5 mm，內(nèi)徑d=53.5 mm，管長l=2 010 mm，節(jié)能器內(nèi)徑D=1 150 mm。

由圖4可知，Q373冷凝式節(jié)能器出水口溫度隨煙氣連接管管數(shù)的增加而升高，當(dāng)煙氣連接管管數(shù)大于14時(shí)，出水口溫度升高趨勢明顯增大。

圖4 煙氣連接管管數(shù)對冷凝式節(jié)能器出水口溫度的影響

3 結(jié)論

1）冷凝式節(jié)能器出水口溫度隨煙氣連接管內(nèi)徑d的增大而增大，以Q373冷凝式節(jié)能器結(jié)構(gòu)參數(shù)為參照，當(dāng)煙氣連接管內(nèi)徑大于24 mm時(shí)，出水口溫度隨煙氣連接管內(nèi)徑增大而升高的趨勢減小。

2）冷凝式節(jié)能器煙氣出口溫度隨煙氣連接管的增大而減小，且減小趨勢逐漸變小，當(dāng)煙氣連接管長度l>1800mm后繼續(xù)增大，出水口基本保持不變。

3）煙氣連接管管數(shù)對冷凝式節(jié)能器的出水口溫度影響顯著，出水口溫度隨管數(shù)增加而增加。

［1］ RichardT.TheCommodityCultureofVictorianEnglandAdvertising and spectacle［M］.Stanford Stan-ford University Press，1990：1851-1914.

［2］ 王善武.中國工業(yè)鍋爐節(jié)能潛力分析與建議［J］.工業(yè)爐，2005（1）：1-6.

［3］ 孫澤權(quán)，石問卿.熱能利用與節(jié)能工程［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.

［4］ 鄺平健，過偉權(quán)，王顯章，等.工業(yè)鍋爐節(jié)能方法及應(yīng)用［J］.黑龍江電力，2007，29（6）：464-466，469.

［5］ 劉武標(biāo)，陳鵬飛.燃?xì)忮仩t尾部煙氣余熱回收冷凝型節(jié)能器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工業(yè)鍋爐，2007（4）：1-3.

［6］ 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計(jì)算［M］.3版.北京：科學(xué)出版社，2003.

［7］ 柳鵬飛.高效節(jié)能型冷凝式鍋爐的研究與開發(fā)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

（編輯昊 天）

Study on Energy Saving Performance of the Condensing Economizer for Condensing Heating Boilers

LI Fengguang
（Zhuzhou Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Zhuzhou 412000,China）

According to the working mechanism of condensing economizer,the influence of key structure parameters on the energy conservation is studied.The results show that,the water outlet temperature of condensing economizer increases with the increase of the internal diameter and length of the gas pipeline,the gas outlet temperature of condensing economizer decreases with the increase of the length of the gas pipeline.

condensing heating boilers;structure parameter;energy conservation

TK 229.6

A

1002－2333（2014）05－0062－02

李峰光（1985—），男，助理工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究工作。

2014-03-05