熱管余熱鍋爐在低溫發(fā)電中的應(yīng)用

　　低溫發(fā)電用鍋爐有三類:立式余熱鍋爐、臥式余熱鍋爐、熱管余熱鍋爐。前兩種鍋爐為常規(guī)的余熱鍋爐,這里重點介紹熱管余熱鍋爐(如圖1所示)。

圖1 熱管余熱鍋爐

1 用于我國低溫發(fā)電的熱管余熱鍋爐

　　在“八五”科技攻關(guān)“85-518-01”低溫余熱發(fā)電課題中,我們所采用的熱管余熱鍋爐與上述幾種余熱鍋爐又有所不同。為了更多地利用廢氣低溫的能量,在熱力系統(tǒng)中,采用了兩相流螺桿膨脹機發(fā)電(詳見圖2)。由熱管余熱鍋爐產(chǎn)生2.7MPa,228℃的水及水蒸汽(80%熱水,20%水蒸汽)引入螺桿膨脹機膨脹作功,推動螺桿機發(fā)電機組發(fā)電。出螺桿機的汽水壓力為0.45MPa,經(jīng)擴容分離器分離出的水送回鍋爐,蒸汽引入汽輪機發(fā)電。出鍋爐煙氣溫度140℃以下。

圖2 低溫發(fā)電熱力系統(tǒng)流程圖

1.窯尾預(yù)熱分解系統(tǒng);2.熱管余熱鍋爐;3.螺桿膨脹機; 4.擴容分離器;5.汽輪機;6.冷凝器;7、8.水泵

1.1 熱管的結(jié)構(gòu)與原理

　　熱管結(jié)構(gòu)如圖3所示。由管殼、封頭、吸液芯、工質(zhì)等組成。管內(nèi)有工質(zhì),工質(zhì)被吸附在多孔的毛細吸液芯內(nèi),一般為氣、液兩相共存,并處于飽和狀態(tài)。對應(yīng)于某一個環(huán)境溫度,管內(nèi)有一個與之相應(yīng)的飽和蒸汽壓力。熱管與外部熱源(T1)相接觸的一端,稱為蒸發(fā)段;與被加熱體(T2)相接觸的一端,稱為冷凝段。熱管從外部熱源吸熱,蒸發(fā)段吸液芯中工質(zhì)蒸發(fā),局部空間的蒸汽壓力升高,管子兩端形成壓差,蒸汽在壓差作用下被驅(qū)送到冷凝段,其熱量通過熱管表面?zhèn)鬏斀o被熱體,熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝后又返回蒸發(fā)段,形成一個閉式循環(huán),包括三個過程:

　　蒸發(fā)段液相工質(zhì)吸熱蒸發(fā);

　　被蒸發(fā)的工質(zhì)在冷凝段放熱冷凝;

　　冷凝的工質(zhì)又返回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。

圖3 熱管結(jié)構(gòu)示意圖

　　因熱管的熱力循環(huán)是在一個封閉的管內(nèi)實現(xiàn)的,對外界環(huán)境而言,熱管自高溫?zé)嵩刺幬諢崃?在低溫段放出熱量。熱管僅是熱量傳輸?shù)墓ぞ?工質(zhì)則是熱量傳輸?shù)妮d體,驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的動力是管兩端的溫差。

1.2 熱管余熱鍋爐的特點

　　熱管具有很大的熱導(dǎo),它具有在小溫差下傳遞很大熱流的特性。我們在低溫發(fā)電系統(tǒng)中采用熱管余熱鍋爐做低溫余熱發(fā)電的熱量回收裝置,正是充分利用了熱管的這一特點,在溫差較小的情況下,回收到更多的熱量。美國休斯飛機公司對熱管換熱器和其它類型的換熱器進行了比較和評定(結(jié)果見附表)。從表中看出,只有板翅式換熱器的綜合指標比較接近熱管換熱器(表中括號中的數(shù)字表示品質(zhì)因素,最好是5,最差是0)。

各種換熱器的比較表

類型	壓降	傳熱系數(shù)	維修	價格	輔助動力	交叉污染	傳熱面積/面積體積	總計
蓄熱式	中(3)	高(4)	高(2)	高(2)	有(0)	有(0)	高(4)	15
管殼式	高(2)	高(4)	中(3)	中(3)	無(5)	無(5)	低(2)	24
輔助流體式	低(4)	低(2)	高(2)	高(2)	有(0)	無(5)	中(3)	18
板翅式	低(4)	中(3)	中(3)	高(2)	無(5)	無(5)	很高(5)	27
熱管式	低(4)	高(4)	很低(5)	中(3)	無(5)	無(5)	高(4)	30

　　而流體通過板翅式換熱器的壓降卻比熱管換熱器高2～4倍,顯然,如將其做為回收窯尾廢氣余熱的裝置,將大大增加風(fēng)機的動力消耗。

　　常規(guī)水管鍋爐水的汽化在水管內(nèi)進行,水管內(nèi)水沸騰容易產(chǎn)生傳熱不穩(wěn)定現(xiàn)象,熱管余熱鍋爐水的汽化是在管外汽包內(nèi)沸騰。常規(guī)鍋爐只能靠水管內(nèi)表面對水傳熱,而熱管可加肋片或翅片,傳熱面積則遠大于水管,熱管余熱鍋爐的換熱元件為單個的獨立熱管,其整體結(jié)構(gòu)簡單,有個別熱管發(fā)生損壞,不影響整個鍋爐的運行,維修方便。

2 熱管余熱鍋爐的試驗內(nèi)容

2.1 熱管余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的試驗

　　1990年6月,我們在南京化工學(xué)院熱管中心的試驗臺上,進行了套管式熱管余熱鍋爐模擬試驗,其目的在于驗證在400～450℃條件下,熱管余熱鍋爐能否產(chǎn)生14kg/cm2壓力的蒸汽。通過試驗測得:

　　總傳熱系數(shù):k=104.3±20.6

　　熱側(cè)換熱系數(shù):h＞200W/m·℃

　　蒸汽發(fā)生量:計算值:57kg/h

　　實驗值:54kg/h

　　結(jié)果表明:煙氣在450℃左右,該鍋爐的蒸汽過熱到340℃時,能夠穩(wěn)定產(chǎn)生14kg的蒸汽。這種結(jié)構(gòu)的鍋爐具有傳熱系數(shù)大,流動阻力小等優(yōu)點,證明帶翅片套管式結(jié)構(gòu)的熱管余熱鍋爐在工業(yè)應(yīng)用上是可行的。

2.2 熱管余熱鍋爐產(chǎn)生汽水兩相流的試驗

　　本試驗用鍋爐安裝于中國建材院的低溫發(fā)電試驗室,目的是驗證鍋爐的主要設(shè)計參數(shù),換熱能力及阻力降。以使工程項目的設(shè)計更加技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠。

2.2.1 流程簡介

　　熱模試驗工藝流程中,燃油熱風(fēng)爐產(chǎn)生300～500℃熱煙氣。進入熱管余熱鍋爐(G=500kg/h,Pg=0.8MPa),產(chǎn)生干度(x=0～1)可調(diào)的汽水兩相工質(zhì),經(jīng)計量后進入5kW的螺桿膨脹機中,出螺桿機的兩相工質(zhì)經(jīng)汽—水分離器分離后,熱水返回水箱循環(huán)使用,蒸汽進入換熱器冷凝,凝結(jié)水匯入水箱,再送回鍋爐。

2.2.2 熱管鍋爐的實驗

　　此次熱管鍋爐的汽水兩相試驗所用熱管鍋爐,由南京熱管中心設(shè)計制造。

　　(1)熱管鍋爐的傳熱計算與試驗結(jié)果

　　由于鍋爐入口煙氣溫度較低,一般350～450℃,預(yù)熱段側(cè)溫度更低,其傳熱過程與常規(guī)鍋爐的省煤器式預(yù)熱器相同。設(shè)計試驗用熱管余熱鍋爐時,對于橫向沖刷圓型肋片錯列布置管束的擴展表面的放熱系數(shù),采用下式計算:

　　
　　　(1)

　　實際應(yīng)用中,鍋爐管的傳熱系數(shù)α通過經(jīng)驗式進行計算。

　　Q1=αAΔT (2)

　　式中:

　　α——經(jīng)驗的傳熱系數(shù),W/m2·℃;

　　A——換熱面積,m2;

　　ΔT——煙氣平均傳熱溫差,℃;

　　Q1——傳熱量,kJ/h。

　　Q1=G1(h″-h′)+G2(h′-h1) (3)

　　G1、G2可以通過計量表直接讀取,而h1、h′、h″可以通過測定汽包壓力及溫度后查表得到。

　　鍋爐管束的傳熱系數(shù)理論計算與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見圖4、圖5。

　　從圖4中可以看出,設(shè)計計算的傳熱系數(shù)與試驗結(jié)果基本吻合。

圖4 風(fēng)速與傳熱系數(shù)的關(guān)系

　　α——不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)試驗值；

　　α0——不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)理論值（圖5同）

圖5 溫差與傳熱系數(shù)的關(guān)系

　　傳熱系數(shù)α可由經(jīng)驗式α=kω計算而得,其中k=5.4～5.7,當風(fēng)速較低時取高值,當風(fēng)速較高時取低值。

　　(2)熱管余熱鍋爐的阻力計算與試驗結(jié)果

　　鍋爐煙氣阻力降的大小與煙氣的流速、鍋爐管束結(jié)構(gòu)和布置方式有關(guān),對于采用加翅片強化傳熱面積,錯列布置的管束,采用下列公式計算:

　　 從圖6中可以看出,阻力降的理論計算值與試驗結(jié)果也基本吻合。

圖6 風(fēng)速與阻力的關(guān)系

Δp——理論阻力降;Δp′——試驗阻力降

2.2.3 實際結(jié)果分析

　　(1)從圖4可以看出,試驗所得傳熱系數(shù)比理論設(shè)計值大。原因之一是試驗風(fēng)速為10～12m/s,而設(shè)計工況為9～11m/s;原因之二是加灰時間短,對熱交換器表面污染影響很小。

　　(2)從圖6中可以看出,試驗結(jié)果顯示鍋爐阻力降比理論計算設(shè)計值略低,而且風(fēng)速越低,偏差越大。其原因為理論計算設(shè)計值考慮了余熱鍋爐實際運行工況中煙氣含有大量灰塵,長期使用不可避免會引起少量積灰,使實際斷面風(fēng)速有所提高,導(dǎo)致了阻力增大的可能。而試驗中雖然也進行了加灰試驗,但運行時間短,無法產(chǎn)生“積灰”現(xiàn)象,故其試驗阻力要低。

　　(3)當熱管余熱鍋爐的煙氣入口溫度為350～450℃時,排煙溫度可以降至130～140℃,并能產(chǎn)生0.8MPa壓力的汽水兩相工質(zhì),滿足了螺桿膨脹機發(fā)電機組的要求。

　　(4)通過試驗看出,熱管余熱鍋爐在低溫運行時,其各項指標均達到設(shè)計要求,將其用作工業(yè)上低溫發(fā)電的熱能回收裝置是可靠的;換熱系數(shù)及阻力降計算公式可以用于工業(yè)設(shè)計。