煙氣深度冷卻器H型翅片選型分析

張洪濤，傅吉收，劉衍卉，謝玲，李姝姝，王杏，吳永凱

(青島達能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，山東 青島 266300)

0 引言

燃煤鍋爐排煙溫度普遍在130℃~160℃，過高的排煙溫度導(dǎo)致鍋爐效率降低、除塵效率降低、引風(fēng)機能耗增高等問題[1]。為了解決這一問題，目前電廠多采用在尾部煙道安裝煙氣深度冷卻器的方式降低排煙溫度，回收煙氣余熱。而H型翅片管由于其以下優(yōu)點在煙氣余熱利用方面得到廣泛的應(yīng)用：①優(yōu)異的防磨損性能。H型翅片把空間分成若干小的區(qū)域，對氣流有均流作用。②優(yōu)異的防積灰性能。H型翅片由于翅片焊接在換熱管不易積灰的兩側(cè)，而氣流筆直地流過，氣流方向不改變，翅片不易積灰；H型翅片中間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，可引導(dǎo)氣流吹掃換熱管翅片積灰，在合適的風(fēng)速下，有很好的自清灰功能。③減少煙氣側(cè)阻力。H型翅片兩邊形成筆直的通道，可以大大減小煙氣阻力[2]。根據(jù)項目運行經(jīng)驗可知，H型翅片管的傳熱性能和投資成本會隨翅片的尺寸變化出現(xiàn)差異，因此本文針對七種不同規(guī)格的翅片進行分析研究，了解翅片規(guī)格對其換熱性能和投資成本的影響，為工程上H型翅片選型提供依據(jù)。

1 傳熱機理

煙氣深度冷卻器的換熱量：

式中：Q—換熱量，W；

F—煙氣深度冷卻器總換熱面積，m2；

K—綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

對數(shù)平均溫差：

傳熱系數(shù)：

式中：F1—煙氣側(cè)無肋片表面積，m2；

F2—煙氣側(cè)肋片表面積，m2；

E—肋片有效系數(shù)；

α—方形肋片順排管束的肋片表面對流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）;

方形肋片順排管束的肋片表面對流傳熱系數(shù):

式中：Cn—沿氣流方向的修正系數(shù)；

Cs—相對節(jié)距影響的修正系數(shù)；

S—翅片節(jié)距，m；

h—翅片等效高度，m；

2 模型建立

以黑龍江某一電廠煙氣余熱利用項目為背景建立模型。該項目中，煙氣體積流量為884706Nm3/h，項目所在地常年大氣壓為1013.25hPa，要求鍋爐尾部排煙溫度由146℃降低至90℃，凝結(jié)水溫度由70℃升高至110℃?，F(xiàn)采用煙氣深度冷卻器回收其煙氣余熱，煙氣深度冷卻器采用H型翅片管，H型翅片具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 H型翅片結(jié)構(gòu)圖

模型中采用外徑D為38mm，厚度 為4mm的換熱管，翅片厚度 為2mm。本文模型中換熱的邊界條件相同，由于煙氣流速對煙氣深度冷卻器的換熱系數(shù)有影響，保持煙氣流速均為10m/s左右，改變翅片的規(guī)格即翅片長度和寬度來分析其對煙氣深度冷卻器換熱性能和投資成本的影響，并選用不同導(dǎo)熱系數(shù)的換熱管材質(zhì)（換熱管與翅片為相同材質(zhì)），研究不同導(dǎo)熱系數(shù)的材質(zhì)如何選取更經(jīng)濟的翅片規(guī)格。模型中翅片規(guī)格及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 數(shù)據(jù)處理及分析

模型中采用ND鋼、2205不銹鋼、316L不銹鋼三種換熱材質(zhì)。ND鋼（09CrCuSb）是目前國內(nèi)外最理想的“耐硫酸低溫露點腐蝕”用材質(zhì)[3]，其導(dǎo)熱系數(shù)約為40W/（m?℃），不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)約為17W/（m?℃）。

三種材質(zhì)對應(yīng)不同翅片規(guī)格下的煙氣深度冷卻器換熱系數(shù)如圖2所示，隨著翅片尺寸的增大，ND鋼和不銹鋼材質(zhì)煙氣深度冷卻器的換熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢[4]。究其原因：①翅片迎風(fēng)面積較小，煙氣流經(jīng)翅片通道時，紊流程度增加，強化了對流換熱效果，增強了綜合換熱效果。②翅片尺寸越小，熱傳導(dǎo)系數(shù)越大，煙氣深度冷卻器的綜合換熱系數(shù)會越大。③翅片通過高頻電阻焊焊接在換熱管上，翅片和換熱管之間會有間隙，形成接觸熱阻，翅片尺寸越小，接觸熱阻越小[5]。因此，從換熱性能角度考慮，應(yīng)選擇較小尺寸的翅片或光管，但從投資成本方面考慮，翅片的價格要低于換熱管的價格，增加適當(dāng)?shù)某崞軌蚪档蛽Q熱器的投資成本，此外H型翅片的擴展受熱面要大于換熱管的換熱面積且易于焊接在換熱管的兩側(cè)，使得換熱器的整體體積變小、結(jié)構(gòu)更加緊湊、易于布置。綜上，H型翅片管在余熱回收方面應(yīng)用廣泛，故實際工程中，不僅要考慮換熱系數(shù)，還要考慮制作成本、加工工藝等因素，因此針對不同工況，選擇合適翅片規(guī)格尤為重要[6]。

圖2 不同材質(zhì)不同翅片規(guī)格下的煙氣深度冷卻器換熱系數(shù)

實際工程中可知，翅片單價＜換熱管單價，且2205單價＞316L單價＞ND鋼單價。以市場現(xiàn)階段鋼材價格為基準，不同材質(zhì)對應(yīng)的不同翅片規(guī)格下的煙氣深度冷卻器（管和翅片）投資成本如圖3所示。

圖3 不同材質(zhì)不同翅片規(guī)格下的煙氣深度冷卻器（管和翅片）投資成本

由圖3可知，以2模型建立中描述的模型參數(shù)為背景，三種材質(zhì)煙氣深度冷卻器投資成本隨翅片尺寸的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，變化過程中總會出現(xiàn)最低值；不同材質(zhì)煙氣深度冷卻器的最低成本對應(yīng)的翅片規(guī)格也不相同，316L的煙氣深度冷卻器對應(yīng)最經(jīng)濟的翅片規(guī)格為143mm*28mm、2205材質(zhì)為145mm*30mm、ND鋼材質(zhì)為147mm×33mm；結(jié)合翅片規(guī)格對換熱性能的影響，通常情況下，導(dǎo)熱系數(shù)高的材質(zhì)選用的翅片尺寸較導(dǎo)熱系數(shù)低的大。

4 結(jié)論

本文通過黑龍江某一電廠煙氣余熱利用項目為背景建立模型，分別對表1中七種翅片規(guī)格的煙氣深度冷卻器進行了換熱性能和投資成本分析。得出以下結(jié)論：

（1）在相同換熱量、傳熱溫差、煙氣流速及相同翅片與管的面積比的條件下，隨著翅片尺寸的增大，不同材質(zhì)的煙氣深度冷卻器的換熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，同種導(dǎo)熱系數(shù)的材質(zhì)下降趨勢基本相同。

（2）不同材質(zhì)煙氣深度冷卻器投資成本隨著翅片規(guī)格的變化均會出現(xiàn)最低值，通常情況下，不同材質(zhì)的最低成本對應(yīng)的翅片規(guī)格不相同。

（3）綜合換熱性能和成本考慮，通常情況下，導(dǎo)熱系數(shù)高的材質(zhì)選用的翅片尺寸較導(dǎo)熱系數(shù)低的大，但是導(dǎo)熱系數(shù)相同或相近的材質(zhì)也會由于管和翅片的價格差異其對應(yīng)的翅片規(guī)格會略有不同。