三維肋管空預(yù)器在熱處理爐中的應(yīng)用實(shí)踐

邱德彬，徐光福，王國(guó)瑞，楊本智

(四川驚雷科技股份有限公司，四川 宜賓 644623)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化石能源日益減少，國(guó)家開(kāi)始大力支持企業(yè)發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)?？諝忸A(yù)熱器作為一種回收煙氣熱量的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此，提高空預(yù)器的換熱效率，降低排煙溫度，是企業(yè)節(jié)能減排的一個(gè)重要途徑。本文介紹了采用新型換熱元件三維肋管制造的空氣預(yù)熱器在熱處理爐中的應(yīng)用實(shí)踐和節(jié)能分析。

1 三維肋管簡(jiǎn)介

三維肋管是一種新型的高效節(jié)能換熱元件，它采用專(zhuān)業(yè)加工機(jī)床將普通換熱管加工成整體式翅片管，有內(nèi)肋、外肋和內(nèi)外肋之分。

與光管相比，三維肋管具有以下優(yōu)點(diǎn)：增加了換熱面積；肋片的存在增強(qiáng)了擾動(dòng)，提高了流體流動(dòng)的湍流度；流體在肋間的近壁面加速，減薄了熱邊界層厚度。因此，其換熱系數(shù)可達(dá)光管的2～5倍，適用于各種清潔流體的列管式換熱器的強(qiáng)化傳熱升級(jí)改造。

2 空預(yù)器結(jié)構(gòu)

目前，已有4臺(tái)三維肋管空氣預(yù)熱器投入使用，分別為9、12、13.5和14 m爐，用于回收煙氣的熱量。其結(jié)構(gòu)均采用立式，圖1為12 m熱處理爐空預(yù)器結(jié)構(gòu)示意圖。高溫?zé)煔鈴淖蟮接覚M向掠過(guò)管束；管程分兩程，高溫段和低溫段，便于采用不同的換熱管，降低成本。

圖1 立式空預(yù)器結(jié)構(gòu)圖

其中，考慮到殼程流體煙氣中含有大量灰塵，肋片結(jié)垢之后不利于清掃，因此，換熱管采用Φ38 mm×3 mm的三維內(nèi)肋管，管長(zhǎng)1 600 mm，肋片高2.2 mm，肋寬2 mm，每周肋片數(shù)24，肋片軸向間距5 mm；管道外壁沿管長(zhǎng)對(duì)稱(chēng)焊接4根10 mm寬的不銹鋼條。高溫段和低溫段各255根，采用正方形排列。

3 空預(yù)器運(yùn)行參數(shù)

上述12 m熱處理爐空氣預(yù)熱器已使用三年，現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，主要參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空氣預(yù)熱器實(shí)測(cè)運(yùn)行參數(shù)

4 節(jié)能分析

以上述空預(yù)器實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行節(jié)能分析。

4.1 傳熱系數(shù)

換熱器的傳熱系數(shù)[1-2]可由下式計(jì)算：

Q=KAΔtm

(1)

式中：Q為換熱器熱負(fù)荷，kW;K為換熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱器傳熱面積，m2;Δtm為換熱器傳熱溫差，℃。

其中，熱負(fù)荷按照空氣吸熱量計(jì)算，空氣的定性溫度取進(jìn)出口溫度平均值t1=(411+20)/2=215 ℃，查的定壓比熱cp=1.1 kJ/(kg·K)。

Q=cp1m1Δt=cp1ρ1V1Δt1=1 313 kW

(2)

式中：m1、V1分別為空氣側(cè)空氣質(zhì)量流量和體積流量，kg/h、m3/h(標(biāo)準(zhǔn))；ρ1為空氣密度，取1.293 kg/m3；Δt1為空氣側(cè)空氣進(jìn)出口溫度差，℃。

換熱面積按光管外表面積計(jì)算，則

A=nπdL=97.37 m2

(3)

式中：n為換熱器換熱管根數(shù)；d,L為單根換熱管外徑、長(zhǎng)度，m。

按逆流計(jì)算換熱器的對(duì)數(shù)平均溫度，即

(4)

式中：Δtmax、Δtmin分別為換熱器兩端冷熱流體溫差的最大值、最小值，℃。

根據(jù)P=0.55，R=0.8查的溫差修正系數(shù)ψ=0.88。則空氣預(yù)熱器的傳熱溫差為

Δtm=ψΔtm，c=246℃

(5)

則空氣預(yù)熱器的傳熱系數(shù)為

(6)

相比于光管換熱器的傳熱系數(shù)大概在10～30 W/(m2·℃)，提高了至少1倍；同時(shí)，所需傳熱面積將最多僅為光管時(shí)的一半，可有效減少換熱管的數(shù)量或長(zhǎng)度，縮小換熱器體積和占地面積，更有益于緊湊布置。

4.2 節(jié)約天然氣

根據(jù)換熱器的熱負(fù)荷來(lái)估算天然氣的節(jié)約量。查天然氣的熱值大約是36 MJ/m3。則可節(jié)約天然氣含量為

ΔVg=Q/36=131 m3/h

(7)

取空氣過(guò)量系數(shù)為1.05，空氣與天然氣的燃燒比為10∶1，則天然氣的節(jié)能率為

η=ΔVg/(ΔVg+Vg)=14%

(8)

式中：Vg為該空氣預(yù)熱器天然氣消耗實(shí)際估算值，Vg=V1/α/ε=810 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。

相比于文獻(xiàn)[3]中的螺旋管狀插入件臥式換熱器，空氣預(yù)熱溫度在250～350 ℃，天然氣節(jié)能率為10%左右，三維肋管空氣預(yù)熱器又提高了將近4%。

同時(shí)，還可減少煙氣排放量ΔV2為(采用與實(shí)際煙氣排放量V2對(duì)比計(jì)算)

(9)

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

本次投資主要包括一臺(tái)換熱器、一臺(tái)空氣鼓風(fēng)機(jī)和一臺(tái)煙氣引風(fēng)機(jī)。換熱器每臺(tái)造價(jià)約20萬(wàn)元；鼓風(fēng)機(jī)選用15 kW變頻風(fēng)機(jī)，全壓2 500 Pa，引風(fēng)機(jī)選用5.5 kW變頻風(fēng)機(jī)，全壓100 Pa，兩臺(tái)總價(jià)約3.5萬(wàn)元。因此，總計(jì)花費(fèi)23.5萬(wàn)元。

熱處理爐的使用時(shí)間按照每個(gè)月100小時(shí)計(jì)算，則年節(jié)約天然氣：

Va=131×100×12=15.7萬(wàn)m3

(10)

四川省天然氣價(jià)格為2.5元/m3，則每年可節(jié)約39萬(wàn)元，即半年多就可收回成本。由此可見(jiàn)，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)或者連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)爐，其節(jié)能效果將更加顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用三維肋管制作的空氣預(yù)熱器，其傳熱系數(shù)高達(dá)55 W/(m2·℃)，是光管換熱的2～3倍；空氣預(yù)熱溫度可達(dá)400 ℃以上，可節(jié)約天然氣大約為14%；且投資少，回報(bào)周期短，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)爐中，特別是運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)或者連續(xù)運(yùn)行的，其節(jié)能效果更佳。