宋克農(nóng)，李 倩，焦盈盈

(1.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103；2.濟(jì)南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

1 冷凝式鍋爐

傳統(tǒng)鍋爐排煙溫度高，熱效率低。隨著鍋爐排煙溫度的降低，煙氣中含有的熱量將減少，尤其是排煙溫度降低到一定程度后，煙氣中呈過熱狀態(tài)的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)而放出汽化潛熱，水蒸氣的汽化潛熱得以回收，按低位熱值發(fā)熱量QDW為基準(zhǔn)計(jì)算，熱效率可以達(dá)到甚至超過100%，這類鍋爐就是冷凝式鍋爐[1]。這種鍋爐與傳統(tǒng)鍋爐的本質(zhì)區(qū)別就是排煙溫度更低。

2 冷凝式鍋爐熱效率潛力分析

2.1 煙氣成分分析

表1 燃?xì)獬煞旨捌淙莘e成分

煙氣就是指燃?xì)馊紵蟮漠a(chǎn)物。在實(shí)際的燃燒過程中，為保障燃?xì)馔耆紵?，空氣供?yīng)量都大于理論需求量，因此，煙氣中含有空氣。

本文選用四川干氣(四川地區(qū)所產(chǎn)天然氣)計(jì)算煙氣量，得到燃燒過程的理論煙氣量和實(shí)際煙氣量。四川干氣所含組份和各組份的體積百分比如表1所示。

由于空氣中所含有很少的CO2、H2S、CmHm、CO，從而可以忽略不計(jì)，該大學(xué)鍋爐房鍋爐在工作過程中(過?？諝庀禂?shù)a取1.1)每小時(shí)生成的煙氣量如表2所示。

表2 鍋爐工作一小時(shí)所需空氣量和生成的煙氣量 Nm3

2.2 煙氣所含有的顯熱

煙氣所含有的顯熱可以通過公示1計(jì)算。

Q顯=CpKV

(1)

式中Q顯—煙氣所含的顯熱，kJ；

K—?dú)怏w溫度，K；

V—?dú)怏w體積，Nm3。

由公式 1可以計(jì)算鍋爐在不同的排煙溫度下，每小時(shí)的顯熱損失。以排煙溫度為150℃(423K)的狀態(tài)作為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出煙氣在不同溫度下的顯熱損失，如表3所示。

表3 不同排煙溫度時(shí)煙氣顯熱損失

2.3 煙氣所含有的潛熱

煙氣所含有的潛熱為煙氣中水蒸氣的潛熱，通過公式2計(jì)算。

Q潛=?mr

(2)

式中Q潛—煙氣中水蒸氣釋放的潛熱，kJ；

?—煙氣中水蒸氣的冷凝比例；

m—煙氣所含水蒸氣的質(zhì)量，kg；

r—水蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg。

不同排煙溫度所回收的水蒸氣氣候潛熱量，如表4所示。

表4 不同排煙溫度時(shí)水蒸氣的潛熱量

2.4 理想狀態(tài)下極限熱利用率分析

高溫?zé)煔饨?jīng)過冷凝式換熱器,當(dāng)排煙溫度分別為328、318、308、298K時(shí)，煙氣熱損失逐漸降低。煙氣熱損失包括煙氣顯熱、煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，與傳統(tǒng)鍋爐相比(即排煙溫度為423K)，冷凝式鍋爐節(jié)能效果明顯。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，排煙溫度降低而釋放的熱量很難完全回收利用，即排煙溫度并非越低越好。本文換熱器的有效利用率取95%，各計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同排煙溫度下的各個(gè)熱量值

根據(jù)有效利用熱量可計(jì)算，熱效率提高值。

(3)

式中Δη—熱效率提高值；

Qf—冷凝式鍋爐相對(duì)傳統(tǒng)鍋爐實(shí)際有效回收利用的熱量(又稱為煙氣放熱量)，kJ；

B—鍋爐小時(shí)燃?xì)庀牧浚琋m3/h；

Hh—燃?xì)飧邿嶂?，kJ/Nm3。

由式子3計(jì)算得到，當(dāng)排煙溫度分別為328、318、308、298K時(shí)，與傳統(tǒng)鍋爐相比(即排煙溫度為423K)，熱效率可以分別提高4.3%、7.8%、10.6%、11.1%。

3 翅片式換熱器理論計(jì)算與分析

3.1 翅片管冷凝式換熱器的構(gòu)造

該鍋爐余熱回收系統(tǒng)所采用的換熱器是單金屬整體板狀翅片管換熱器，采用材質(zhì)是銅，其構(gòu)造由銅管和銅片組成。總共有20根銅管和100片銅片組成，每根銅管實(shí)踐上是由30根直管和29根半圓形彎管連接而成。

圖1 管子示意圖

銅管的布置形式如圖1所示。

圖2為冷凝式換熱器的內(nèi)部構(gòu)造。

圖2 內(nèi)部構(gòu)造

3.2 冷凝式換熱器的熱力分析

本文所設(shè)計(jì)的換熱器鍋爐補(bǔ)給水從管道內(nèi)部流動(dòng)，煙氣從管道外部流動(dòng)，在流動(dòng)過程中煙氣溫度降低，補(bǔ)給水溫度升高，從而完成換熱。熱量主要是指通過銅片和銅管以對(duì)流換熱的形式傳遞，補(bǔ)給水溫度升高得到的熱量即為有效利用熱量，通過式4計(jì)算。

Qt=3600KFΔt

(4)

式中Qt—經(jīng)過對(duì)流受熱面的傳熱量，kJ/h；

K—對(duì)流受熱面中，管外煙氣至管內(nèi)工質(zhì)的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

F—對(duì)流受熱面計(jì)算傳熱面積，m2；

Δt—平均溫差，℃。

在換熱器，煙氣通過橫向沖刷錯(cuò)列布置的管束實(shí)現(xiàn)向補(bǔ)給水傳遞熱量；煙氣縱向沖刷銅片將熱量傳遞給銅片，銅片再將熱量傳遞給銅管，最終由銅管將熱量傳遞給補(bǔ)給水，可以將該過程轉(zhuǎn)換為煙氣縱向沖刷管束[5]。根據(jù)上述兩者情況可以得到它們各自的換熱面積F1、F2和傳熱系數(shù)K1、K2，其中F2取銅片換熱面積的0.35倍，K值可以通過式5計(jì)算得到。

(5)

根據(jù)公式4計(jì)算出不同排煙溫度下的對(duì)流換熱量，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 對(duì)流換熱量

圖3 煙氣出口溫度圖解法

本文采用圖解法：當(dāng)排煙溫度分別為328、318、308、298K時(shí)，分別計(jì)算出各個(gè)煙氣溫度的實(shí)際有效回收利用的熱量和對(duì)流受熱面?zhèn)鳠崃繑?shù)值。根據(jù)計(jì)算數(shù)值，可以做出2條最能體現(xiàn)實(shí)際換熱器對(duì)流換熱量和煙氣散熱量對(duì)流受熱面?zhèn)鳠崃繑?shù)值的兩條直線，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為實(shí)際的煙氣出口溫度。經(jīng)過計(jì)算分析得到實(shí)際的煙氣出口溫度為310K，如圖3所示。

3.3 利用Fluent軟件模擬換熱器的溫度場(chǎng)

本研究是高溫?zé)煔馔ㄟ^冷凝式換熱器時(shí)，高溫?zé)煔馀c銅管、高溫?zé)煔馀c銅片、銅管與補(bǔ)給水之間的換熱問題，以與銅片平行的一個(gè)面的為對(duì)象進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。

在邊界條件設(shè)定時(shí)，最下面的一排管子假設(shè)其溫度為10℃，即補(bǔ)給水的溫度，隨著補(bǔ)給水從下往上流動(dòng)，溫度逐漸升高，在流出換熱器時(shí)，即在最頂端一排管子溫度為50℃。模擬結(jié)果如圖4所示。

在換熱器內(nèi)部，煙氣自上往下流動(dòng)，補(bǔ)給水由下往上流動(dòng)，隨著換熱過程的進(jìn)行，煙氣溫度逐漸降低，水溫逐漸升高。在換熱器內(nèi)部垂直于煙氣流動(dòng)方向上(即水平方向)，換熱條件相近，煙氣的溫度、水蒸氣含量等性質(zhì)相差不大，熱量主要是通過對(duì)流和導(dǎo)熱傳送給銅管，再由銅管加熱補(bǔ)給水；在距離銅管稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的區(qū)域，煙氣熱量主要是通過對(duì)流、導(dǎo)熱傳熱的方式傳遞給銅片，銅片的熱量主要是通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞給銅管，最終由銅管加熱補(bǔ)給水。在換熱器內(nèi)部在平行于煙氣流動(dòng)方向(即垂直方向)，隨著煙氣和補(bǔ)給水流動(dòng)，換熱效果明顯，煙氣溫度由進(jìn)口處423K，出口處降低至約300K。

在出口處，大部分煙氣排煙溫度約為300K，與前面計(jì)算得到的結(jié)果相似，這表明本文設(shè)計(jì)的冷凝式換熱器可以實(shí)現(xiàn)降低煙氣排煙溫度，回收煙氣顯熱和煙氣中部分水蒸氣汽化潛熱的目的，具有很高的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)計(jì)算，本冷凝式換熱器可以將傳統(tǒng)鍋爐的熱效率提高約12.1%，節(jié)能效果顯著，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 溫度示意圖