工文章编号：１００４－８７７４（２００８）０５－０８－０３ 业锅炉 ２００８年第５期（总第１１１期） 热管在余热锅炉上的应用研究 陈强，仇性启，王永胜 （中国石油大学（华东）机电工程学院，东营２５７０６１） 摘要：介绍了热管余热锅炉设计参数的选取、热管烟气侧和放热段换热系数的计算、热管 余热锅炉的结构原理以及工程上的具体应用等，对人们设计和应用热管余热锅炉有一定的参考 价值。 关键词：热管；余热锅炉；传热机理；传热系数 中图分类号：ＴＫ２２９．９２ ９ 文献标识码：Ａ 第一作者：陈强 （１９８３一），中国石油 大学（华东）硕士研 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ ｉｎ Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｂｏｉｌｅｒ ＣＨＥＮ Ｑｉａｎｇ，ＱＩＵ Ｘｉｎｇ—ｑｉ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 究生，主要研究方向 为燃烧及传热设备 过程数值模拟及节 能技术。 ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ ２５７０６ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｓｉｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｂｏｉｌｅｒｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｅｔｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｂｏｉｌｅｒ ｈａｖｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｐｉｐｅ；ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｂｏｉｌｅｒ；ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ０前言 余热回收利用是节约能源的有效途径之一，冶 金、石化、建材及动力等行业的各类锅炉和煤气化炉 传热，水在汽包内被加热沸腾，设计时一般要留有 ０．５—０．６ ｍ的沸腾汽化空间；吸热段在高温烟气 （４５０℃左右）一侧，主要通过对流传热吸收热量，其 基本结构如图１所示。 的排烟温度都很高，余热利用潜力很大。余热锅炉 是回收余热的主要设备，由于热管具有高效的传热 特性（试验测得无机高效热管轴向热流密度≥２８ ＭＷ／ｍ ），热管余热锅炉与常规管式锅炉相比，具有 许多显著的优点。针对常规锅炉体积大、重量大、热 效率较低、运行中容易出现问题等现状，热管余热锅 炉的确是烟气余热回收的一种经济、简单和高效的 设备。本文分析了热管余热锅炉的传热机理，介绍 了热管余热锅炉在煤气化企业的一些成功应用。 １热管余热锅炉的结构和热管参数 热管余热锅炉的结构可分为整体汽包式和分离 套管式两种型式。两种型式在工业中根据具体的要 求都有成功的应用，但以整体汽包式居多，因为其结 构比较简单，热管放热段直接插在汽包内，通过热管 图１整体汽包式热管余热锅炉 收稿日期：２００８－０４－０２ 热管设计时，设计条件是根据工艺给定的，即换 热条件一般比较明确，冷源和热源温度可以初步定 出，因此可以由此计算出热管的工作温度。 ・研究与开发・ ０：！ 二 ！： ！二 Ｒ。 ＝—热管在余热锅炉上的应用研究 ｒ １、 ９ Ｎｕｆ＝（７１Ｒｅｆ￣Ｐｒｆ （７） 尺 ｝（Ｒ ＋Ｒ ）＋ 一Ｑ（Ｒ。～Ｒ ） （２） 式中ｃ ｃ 为常数，其大小和翅片的几何形状有关， Ｂｒｉｇｇｓ和Ｙｏｕｎｇ综合出下列实验方程 Ｊ： 式中ｐ——热管传输的热流量，ｗ Ｎｕｆ＝０．１３４Ｒｅ￣・ 引Ｐｒｆ （字） 硎（ ） “。 （８） ——热管的工作温度，℃ ——热源温度，ｃ（＝ 式中 Ｉ．ｆ ——为翅片间距与翅高之比， ——冷源温度，ｃＩＣ Ｒ。——蒸发段传热热阻，℃／ｗ ¨２５＜Ｒ ——凝结段传热热阻，ｃＣＩ／ｗ 鲁 ６ 。 由公式（２）可知，热管的工作温度除与热源和 ——翅片ＩＮｌ￣ｉ与翅片厚度之比，４５＜ Ｏｆ＜８０ 冷源的温度有关外，还与蒸发段和凝结段的传热热 原南京化工学院通过实验所得公式为 Ｊ： 阻有关。 Ｎｕｆ＝０．１３７Ｒｅ￣￣６３３８Ｐｒｆ 。 （９） ２热管余热锅炉的传热机理 式（９）在烟气温度为２４０—３８０℃和Ｒｅｆ＝６ ０００ 热管传热的热阻主要包括流体与管外表面传热 —１４ ０００，广泛应用在工程设计中。 的给热热阻、热管壁的导热热阻、吸液芯的径向传热 ２．２冷侧换热系数 热阻、管内蒸汽径向传递和轴向流动热阻等，其中蒸 热管余热锅炉中热管的放热段直接插在水中， 汽在管内传递和流动热阻相对很小，可以忽略不计。 以沸腾换热为主，同时上部一般都存在一个蒸发空 下面从热侧和冷侧讨论热管管壁换热传热系数。 间，因此属于大容器饱和沸腾。 ２．１热侧换热系数 饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差称为沸腾温 热管余热锅炉的烟气侧的换热方式以对流换热 差。它对沸腾状态的影响很大，可通过沸腾时的热 为主，因为烟气进口温度一般在３５０～５５０ ｏＣ，辐射 流密度ｑ随沸腾温差 的变化加以阐明，如图３所 换热所占的比例较小，工程保守计算可以忽略。 示。笔者认为烟气温度在３５０％以上，基本就属于 烟气横向掠过光管或者光管管束时换热系数 膜态沸腾。 ，其准则方程式 为： ：ｃ（ ／ｘｆ （哗 ，＾ｆ ：警 （＾ｆ ３） 式中ｃ——常数，叉排取０。３３，顺排取０．２６ ——光管外径，ｌ＂ｎ Ｖｆ——，ｒａａｘ流体横掠管束的最大流速，ｍ／ｓ ——动力黏度，ｋｇ／（ｍ・ｓ） Ａ ——定性温度下烟气的导热系数， Ｗ／（ｍ ・℃） ＣＤｆ——流体的定压比热容，ｋＪ／（ｋｇ・ｃｃ） 由于烟气侧换热系数较小，因此一般都采用螺 图３大空间沸腾曲线 旋翅片强化，部分翅片结构如图２所示。 膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类 似于膜状凝结中液膜的流动与换热，适宜用简化的 边界层作分析。 ＝ｏ．６２［量 ］ （１０） 。图２螺旋翅片管结构 式中ｇ——重力加速度，ｍ／ｓ 烟气横向流过螺旋翅片管束时烟气侧换热系数 汽化潜热，Ｊ／ｋｇ 应采用流体横向流过翅片管束时的换热系数 ，其 Ｐ ，Ｐｖ——相应于饱和液体和饱和蒸汽的密 准则方程一般具有如下形式： 度，ｋｇ，＇ｍ 叼 ——饱和蒸汽的动力粘度，ｋｇ／（ｍ・８） １０ 特征长度，ｍ ￡ ——壁面温度，℃ 工业锅炉 ２００８年第５期（总第ｉ１１期） ￡ ——饱和水的温度，℃ 在稳定膜态沸腾时，由于汽膜热阻较大，而壁温 在稳定膜态沸腾是很高的，壁面的净换热量除了沸 腾计算的以外，还有辐射换热。辐射换热的作用会 增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换热量是 按对流换热与辐射换热方式各自值的代数和。勃洛 姆莱 采用超越方程计算了对流换热和辐射换热 图４环保节能的煤气站工艺流程 根据热管传热原理，设计计算出热管余热锅炉， 两种余热锅炉的部分参数对比如表１所示。 表１两种余热锅炉的参数对｝匕表 相互作用在内的复合换热的表面传热系数。 辐射换热系数 ］： ｔ ｗ—ｔ （１１） ｓ 式中８——壁面的发射率 ——黑体的辐射常数，其值为５．６７×１０ Ｗ／（ｍ ・Ｋ４） 们＝ 勃洛姆莱叠加： ４／３＋ ４／３ （１２） 米海耶夫－６ 把水沸腾表面传热系数直接整理 成与沸腾温差的函数关系，得到在１Ｏ 一４×１０ Ｐａ ４结语 节能减排是当前社会发展的主题，为余热回收 压力下水的大空间沸腾表面传热系数计算式，由于 式（１３）只适合水的沸腾传热，针对性强，精度较高。 ｈ＝Ｏ．１２２ ４Ａｔ ・ Ｐ。＿ ｆ １３） 式中ｐ——沸腾绝对压强，Ｐａ △￡——沸腾温差，℃ 技术提供有利条件。热管余热锅炉是一种新型高效 的节能设备，其结构设计及参数选取有其独特之处。 本文全面分析热管余热锅炉的传热机理，介绍了工 程应用中得到验证的换热系数计算方法，为今后热 管余热锅炉的设计和计算提供思路。强 参考文献 ［１］Ｃｈｉ Ｓ Ｗ．Ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］．ＭａＧｒａｗ— Ｈｉｌｌ，１９７６． ３热管余热锅炉的应用 热管的导热是借助于饱和工质的汽化与凝结换 热实现的，传热强度和传热量都很大，在数量上热管 可以比一般固体导热大几个数量级。热管余热锅炉 已经在煤化工、石油化工、建材、轻纺、冶金和动力等 行业得到了成功的应用。 ［２］Ｂｒｉｇｇｓ Ｄ Ｅ，Ｙｏｎｇ Ｅ Ｈ．Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒｎｓａｆｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓ－ ｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｏｆ ａｉｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ａｃＦｏｓｓ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｐｉｔｃｈ ｂａｎｋｓ ｏｆ ｉｆｎｎｅｄ ｔｕｂｅｓ［Ｍ］，ＡＩＣｈＥ Ｐｒｅｐｒｉｎｔ，Ｎｏ．１ ＡＳＭＥ—ＡＩＣｈＥ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｔ Ｔｒｎｓｆｅｒ Ｃｏｎｆ．Ｈｏｕｓｔａｏｎ Ｔｅｎｅｓ，１９６２． 固定床两段式煤气化过程中，下段煤气出口温 度大约４５０～５５０℃，传统的工艺流程是高温煤气出 来之后进入列管式余热锅炉产生一部分低压蒸汽， 由于列管式余热锅炉的效率低和设备庞大，所以必 须再经过风冷器或者直接水洗达到工艺要求。根据 这种情况，改为热管余热锅炉可以大大提高效率，在 ［３］庄骏，张红．热管技术及其工程应用［Ｍ］．北京：化学工 业出版社，２０００． ［４］Ｂｒｏｍｌｅｙ Ｌ Ａ．Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｓｔａｂｌｅ ｆｉｌｍ ｂｏｉｌｉｎｇ［Ｍ］．Ｃｈｅｍ Ｅｎｇ ＰＲＯＧ，１９５０． ［５］李阳初，王耀斌．石油化学工程基础［Ｍ］．东营：石油大 学出版社，１９９６． 设备较小的情况下，回收巨大的能量，将烟气冷却到 １４０ ｑＣ左右。同时热管余热锅炉另一个显著优点就 是可以在里面增加适当的蒸发器的结构，处理煤气 有毒酚水，实现节能减排，具体的固定床煤气站节能 环保工艺流程如图４所示。 ［６］魏琪．热质交换原理与设备［Ｍ］．重庆：重庆大学出版 社，２Ｏ０ｒ７．
