石化动力设备系统节能改造热管空预器设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

0 前言

目前，国内使用的工业锅炉约30万台左右，每年耗煤达3亿吨，约占全国总能耗的三分之一，大部分为小型锅炉，这种小型锅炉由于没有尾部受热面，排烟温度高达200~300℃，排烟热损失大，效率低，平均热效率只有60%左右^[1]。近年来，能源问题日益突出，节能已成为世界性的重大问题，有效地回收余热是节能中不可或缺的重要环节。

本课题围绕工业锅炉节能，通过预热助燃空气来提高热效率从而达到节能效果。

1 蒸汽锅炉

1.1 简介

工业锅炉每年的总能源消耗和污染排放均位居全国工业行业第二仅次于电站锅炉，煤炭消耗量远高于钢铁、石化等高耗能行业。工业锅炉的发展直接影响国家建设资源节约型和环境友好型社会的经济发展和社会发展目标的实现^[2]。

蒸汽锅炉指的是把水加热到一定参数并生产高温蒸汽的工业锅炉，水在锅筒中受热变成蒸汽，火在炉膛中发出热量，就是蒸汽锅炉的原理。蒸汽锅炉属于特种设备，该锅炉的设计、加工、制造、安装及使用都必须接受技术监督部门的监管，用户只有取得锅炉使用证，才能使用蒸汽锅炉。

1.2 分类

蒸汽锅炉按照燃料（电、油、气）可以分为电蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉三种；按照构造可以分为立式蒸汽锅炉（如图1）、卧式蒸汽锅炉（如图2），中小型蒸汽锅炉多为单、双回程的立式结构，大型蒸汽锅炉多为三回程的卧式结构。

图1 立式锅炉

图2 卧式锅炉

1.3 蒸汽锅炉烟气余热回收装置

为减少排烟热损失，仍可采取适当的技术措施予以降低，如在锅炉排烟管道上加装烟

气余热回收器（如图3）。所谓烟气余热回收器就是以温度远低于排烟温度的锅炉给水吸收烟气中的热量预热给水，其作用与通常的省煤器基本相同，但又与省煤器有不同的特点，它不增加或较少增加烟气阻力。因此，它可以设计成独立单元体成为锅炉尾部的一个受热面，可与燃煤、燃油、燃气锅炉配套生产和使用，使锅炉排烟温度降到200℃以下。在保证锅炉安全可靠运行的前提下，可大幅度降低排烟温度，锅炉尾部烟气余热得以有效回收利用，锅炉热效率将提高4～5%^[3]。

图3 烟气余热回收器

目前较常见的先进的空气预热器为热管空气预热器和水热煤空气预热器。本课题将采用热管换热器来提高锅炉烟气余热的利用能力。

2 换热器

换热器的种类很多，而工业锅炉中大多采用管式、热媒式和热管式换热器。

2.1 水热煤空气预热器

水热媒空气预热器利用除氧水或除盐水作热媒，建立一个闭路循环系统。热媒水通过放置在锅炉或加热炉对流室出口的烟气换热器吸收烟气的热量，再通过布置子在鼓风机出口的空气预热器放出热量，加热空气，如此循环将烟气热量传递给加热炉所需要的空气。其主要有以下特点：

1）水热煤空气预热器，要求进烟气换热器的热媒温度均控制在130℃以上，即使加热炉负荷降低排烟温度也将高于水热煤的进口温度；烟气侧最低管壁温度均高于水热煤进口温度，即高于露点温度，才能适应加热炉负荷变化；

2）需要设置了旁路调节系统，控制回路中进烟气换热器的热媒水温度提高，即可使烟气侧最低管壁温度高于露点温度，从而适应燃料的变化。

3）水热煤空气预热器总管要求设有安全阀，当热媒水的压力高于设定值时，安全阀自动起跳，才能确保设备安全。

2.2 热管换热器

热管的超导热性以及等温性使它成为航空航天技术中控制温度的理想工具，热管换热器由于具有传热效率高、结构紧凑、压力损失小、有利于控制露点腐蚀等优点，也广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械、电子等行业中^[4]。

2.2.1 热管

热管是一种高效传热元件，是60 年代国外兴起的一项新技术。近年来，它不断地从理论上和实践上得到发展，应用范围从太空到地层，从军工到民用，已经渗透到了很多工业领域之中。它以其优良的功能，不断地引起科技界的极大兴趣。热管具有强传热能力，良好的均温性能、热流密度可变、传热方向可控等优点。利用热管可对工业设备的传热过程进行强化或改进以提高经济效益^[5]。

（1）热管分类

a）按照热管管内工作温度可分为：低温热管、常温热管、中温热管、高温热管。

b）按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、重力热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。

c）按结构形式区分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等^[6]。

（2）工作原理

热管是两端封闭的金属管子(或其他形状)，内部填充纯水、丙酮、钠等传热介质，并抽成一定的真空，非重力式热管关闭内侧填有吸液芯。热管工作时（以重力式热管为例），热管下端受热，管内传热介质蒸发并上升到上端，在上端放热并冷凝成液体，顺管壁下滑至底部，再受热上升，如此循环，完成工作过程。热管原理图见图4^[7] 。

图4 热管原理图

（3）热管特点

热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管通过管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，因为利用了工质的相变换热，是热管具有很高的导热性，良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热，可控制温度等一系列优点^[8]。热管还具有以下特性：很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向可逆性等等^[9]。

（4）热管在其它领域的应用

在电子行业，可以通过使用回路热管将解决电子设备之间的冷却问题^[10]。回路热管是一种工作在蒸发-冷凝循环上的两段式装置^[11]。回热管类似于其他两段式热传导装置，比如热管，震荡热管，热天平等等，在这种领域有一定的作用，并且花费不大，举例来说，在电子产业，空间系统的热能管理以及其他不同的工业热交换^[12-17]，此类装置都有相当高的导热性。

2.2.2 热管空预器

热管空气预热器是利用热管技术，制造的利用热烟气余热加热冷空气的换热设备。其工作原理：热管换热器是一种利用高温流体余热加热低温流体的换热设备。换热器中热管一般由管壳和内部工作液体组成。热管受热侧吸收高温流体热量，通过热管壁传给管内工质，工质吸热后沸腾和蒸发，转变为蒸汽。蒸汽在压差作用下上升至放热侧，受管外低温流体的冷却，蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热，低温流体获得热量，冷凝液靠重力回到受热侧。如此周而复始，高温流体热量便传给低温液体，加热低温流体。但是，在预热器使用过程中不凝汽的积聚是不可避免的问题，常常会降低换热效率。根据传热学知道，烟气侧壁温主要与冷，热流体的温度，传热系数及换热面积有关，它与热流体的温度，换热系数，面积及冷流体的温度成正比，而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下，在冷流体温度较低时，烟气侧壁温就有可能在露点温度以下，而发生露点腐蚀。而解决露点腐蚀问题需要合理的控制排烟温度；对空气风道进行旁路设计，当烟气温度较低或环境温度较低时，可将部分换热后空气混合空气中，以提高空气的入口温度^[18]。

热管换热器与一般换热器相比具有许多优点：传热效率高，特别对气气换热器来说，由于冷热两侧气体都可以在管外流动，因此两侧都可以在热管外加装翅片增大换热面积，此外还易于把换热器设计成逆流、叉排等形式，以尽量提高换热器的效率；压力损失小，因为是管外流动，因此换热器内流阻小，压力损失小，可降低风机的功率消耗；热管工作可靠，没有运动部分，因而没有附加的功率消耗；结构紧凑；没有掺混污染，可用中间隔板将两种流体有效地隔开；尺寸变化范围大，可变换流体流动方向，使用方便；维护费少，没有易损件，密封简单可靠，容易清洗。热管换热器具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、没有掺混污染、有利于控制露点腐蚀等优点^[19]。

工业排气的温度往往高达上百度，将热管换热器用于工业排气的余热回收中，可回收余热，使之加热空气作为助燃空气使用或作为烘房的热源；可以加热水，用作锅炉给水，或使水产生蒸汽供其他方面使用；避免腐蚀排烟设备^[20]。

要使热管换热器性能达到最佳，并应用于更多场合，还需要解决以下几个问题：

1）找到一种适合工作温度的工质，而不影响换热器的效率和可靠性；

2）热管的直径、翅片高、翅片厚度等结构尺寸的确定；

3）灰尘较多的烟气易加速热管的磨损或使热管易积灰，降低换热能力^[21]。

3 前景

烟囱排出的高温烟气含有大量的灰尘颗粒，影响大气环境质量。热管式空预器在回收锅炉烟气余热的同时，还能在一定程度上起到除尘作用。当烟气流经热管空预器时，烟气流速就会降低；烟尘沉降在烟道底部，因此大大减少了排入大气中的灰尘颗粒含量。另外，由于余热回收提高了助燃空气的温度，因此减少了燃煤锅炉蒸汽用量，也减少了烟气及各类烟气污染物的排放。目前热管技术被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电子、电力、煤炭、铁路、通讯、纺织、家电等领域^[22]。

参考文献

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