充氣熱管在防止露點腐蝕中的應用的製作方法

2023-10-04 15:59:09 1

專利名稱：：充氣熱管在防止露點腐蝕中的應用的製作方法
技術領域：
：本發明涉及具有狀態變化的兩種熱交換介質均為氣體或蒸汽的直接接觸的熱交換設備，尤其涉及帶有蒸發段和冷凝段的熱管。
背景技術：
：為了提高能源利用率，實現"降耗減排"的節能目標，能源設備如鍋爐等的排煙溫度要求儘可能降低，由原來的22018(TC的排煙溫度，降至160150。C，甚至要求降的更低，達12010(TC。熱管換熱器如熱管空預器，熱管省煤器等，在低溫排煙環境下的應用遇到的最大挑戰是煙氣的酸露點腐蝕，尤其在燃燒含硫高的煤和重油時，腐蝕更為嚴重。為了避開露點腐蝕，通常所採取的技術措施是(1)改變加熱段和冷卻段的長度比；(2)在冷卻段採用大節距的翅片，甚至採用光管，旨在進一步改變兩段的傳熱面積，提高加熱段的壁面溫度；(3)逐排計算，力圖精確掌握在設計工況下各排的壁溫，以便採取適當措施和(4)調節煙氣和空氣的局部流速，以期改變煙氣和空氣側的換熱係數。在採取了上述一系列技術措施後，大部分熱管空預器和省煤器的應用取得了成功，但是仍有相當部分的熱管換熱器沒能逃脫露點腐蝕的厄運。有的設備經過多次停爐維修，都不能徹底解決。究其原因，有下列幾個方面，這些因素是設計人員難以控制和預料的(1)用戶給出的排煙流量和煙溫數據不準確，或者由於上遊換熱設備的運行情況發生了變化，往往使實際排煙溫度低於設計數據，或出現較大地波動，因而造成露點腐蝕；(2)設備(鍋爐)經常停爐。頻繁的停爐，開機，再停爐，使煙氣參數經常處於低溫，低負荷運行，因而極易產生腐蝕；(3)在北方，冬季空氣進口溫度長期低於設計入口溫度，因而冬季成為露點腐蝕的高發季節；而在南方，由於空氣的溼度過大，造成了排煙的溼度增加，從而改變了煙氣的酸露點；(4)燃料品質，含硫的變化，水分含量及過剩空氣係數的變化都會改變煙氣的酸露點溫度；(5)腐蝕和積灰的相互影響，相互促進，是設計者難以預料的。綜上所述，可以得出這樣一個印象我們設計者根據某一條件和設想設計出的熱管空預器或省煤器具有產品的固定性，它有固定的翅化比，固定的長度比，固定的結構和形狀；而實際參與換熱的流體參數如流量，溫度，成份等則具有變動性。我們以往所採取的防止露點腐蝕的技術方案都是以"固定的"設備應對隨時"變動的"流體，不能以變應變，因而防露點腐蝕的效果並不理想。為了對付露點腐蝕，我們需要換一種思維即從"固定"應對"變動"改為以"變動"應對"變動"。當流經熱管換熱器的冷、熱流體的參數發生變化時，熱管本身應具有自動調節能力，能自動改變參與換熱的面積，以保證在任何情況下都可避開露點腐蝕。這使我們想到了可以自動調溫和改變傳熱功率的充氣熱管。所謂充氣熱管，就是在熱管的冷凝段內充裝上一定量的惰性氣體，根據管內介質的蒸汽溫度和壓力的變化，惰性氣體會fi動地改變佔有的體積和冷凝段的充氣長度，從而改變和調節管內蒸汽溫度和壁面溫度，以達到避開露點腐蝕的目的。充氣熱管的概念雖然提出很久，但其應用背景主要是航天和需要精確控制熱負荷的領域，在相關文獻上稱之為"可變導熱性熱管"，目前尚未看到為了防止露點腐蝕在低溫段煙氣餘熱回收中的應用。
發明內容本發明的目的，就是將這一高科技領域中調節溫度和熱負荷的手段應用於餘熱回收中，尤其是低溫煙氣的餘熱回收中，為防止露點腐蝕開闢一條新的途徑。本發明的技術解決方案是這樣實現的一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發段和冷凝段，冷凝段中充裝工質，其特徵在於所述的冷凝段中同時還有按規定長度和規定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，並能形成充裝氣體分子與工質蒸汽分子組成的混合物。所述的規定的充氣長度和規定的充氣量分別按下述公式進行計算，其中(1)充氣段長度根據下式確定formulaseeoriginaldocumentpage5式中——熱管冷凝段長度，m3——充氣長度，mhe——蒸發段從煙氣(Tg)至管內蒸汽(TvJ之間的傳熱係數，W/m2，°CLe—熱管蒸發段長度，mTg一繞流熱管蒸發段的在煙氣溫度，°CTw~-—熱管蒸發段的壁面溫度，°Chc——冷凝段從管內蒸汽(Tve)至管外空氣之間的傳熱係數，W/m2，°CTa——繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;(2)充氣量根據下式確定Mg=(PXPglXAv)/(RgXTgi)式中P——充氣長度，mPgi——氣體分子的分壓力，PaAv——充氣段橫截面積，m2Rg——氣體常數，J/kg.KTgi——氣體溫度，等於外界空氣溫度Ta，KMg——充氣質量，Kg。一種用於給權利要求1所述充氣熱管充氣的裝置，其特徵在於包括充氣罐，充氣罐依次連接充氣調節閥、調壓罐、氣體充裝閥、熱管元件和熱管調溫箱，其中所述的調壓罐上裝有壓力表，在氣體充裝閥和熱管元件之間的管路上還裝有放氣閥。所述的充氣裝置的充氣方法包括下述步驟(1)熱管充氣之前，首先將定量的工質注入熱管中；(2)通過充氣調節閥調節供氣量和供氣壓力；(3)打開氣體充裝閥，放入氣體並使其與壓力罐中的壓力達到相等；(4)關閉氣體充裝閥，打開放氣閥，放出熱管中已充裝的氣體，重複多次打開與關閉充裝閥和/或放氣閥，藉此對熱管內部空間進行清掃，吹掃過後，關閉放氣閥，打開充裝閥，實現最後一次氣體充裝；(5)將充氣熱管立置或傾斜放置於熱管調溫箱中，並與充裝閥和放氣閥相聯接；充裝完畢後，用冷焊鉗切斷充氣管並最後焊接封口。與現有技術相比較，木發明的優點在於採用充氣熱管取代普通熱管，利用其冷凝段內充裝的惰性氣體能自動改變佔有的體積和充氣長度的特性，來改變和調節管內溫度和壁面溫度，以達到避免發生露點腐蝕的目的。本發明有附圖2幅，其中圖l是充氣熱管的結構示意圖；圖2是充氣工裝的示意圖。在附圖中1、充氣罐，2、充氣調節閥，3、調壓罐，4、壓力表，5、氣體充裝閥，6、放氣閥，7、熱管元件，8、熱管調溫箱。具體實施方式如圖1圖2所示的一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發段和冷凝段，冷凝段中充裝工質，其特徵在於所述的冷凝段中同時還有按規定長度和規定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，並能形成充裝氣體分子和工質蒸汽分子組成的混合物。所述的規定的充氣長度和規定的充氣量分別按下述公式確定。1、充氣段長度的確定圖1所示的是基於熱管空預器的普通熱管的典型結構，圖中的幾何特徵和流體參數設定為do:熱管外徑，m;dv:熱管內徑，即蒸汽空間的直徑，m;Le:熱管蒸發段長度，m;Lcl冷凝段中實際換熱長度，m;P:充氣長度，m;Lc:熱管冷凝段長度，m;Lc=Lcl+eTg:繞流熱管蒸發段的煙氣溫度，°C;Ta:繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;Tt熱管蒸發段的壁面溫度，°C;Tve:熱管蒸發段的管內蒸汽溫度，°C;Tvc:熱管冷凝段的管內蒸汽溫度，°C;Tv:熱管內平均蒸汽溫度，°C;Tgi:充氣段內氣體的溫度，°C;he:蒸發段從煙氣(Tg)至管內(Tve)之間的傳熱係數，w/nf°C;hc:冷凝段從管內蒸汽(Tvc)至管外空氣之間的傳熱係數，w/m2°C;由此，可根據熱平衡原理，建立從蒸發段加入的熱量應等於從冷凝段傳出的熱量的平衡關係，即formulaseeoriginaldocumentpage8由此可求出壁溫Tw，注意到Tw"Tv，formulaseeoriginaldocumentpage8he-Le+hc(lx-3)式(1)將壁溫Tw與充氣段的長度e聯繫在一起，這樣就可以通過充氣段長度的自動變化，起到調節壁溫的作用，從而防止露點腐蝕的發生。由上式，充氣段長度可由下式(2)確定heLe(Tg—Tw)formulaseeoriginaldocumentpage8根據式(1)和式(2)，充氣段長度P的計算可通過下面的實施例加以說明。實施例l一臺熱管空氣預熱器用以回收某鍋爐的排煙餘熱，經過設計，所選取的碳鋼——水熱管元件的幾何特徵如下基管外徑38mm，基管內徑32mm，壁厚3mm,蒸發段長度Le=2.0m，冷卻段長度Lfl.5m，基管外面都帶有高頻焊螺旋圓形翅片，翅片間距都是8mm，翅片高都是16腿；煙氣入口溫度22(TC，出口溫度150。C;空氣入口溫度20°C，出口溫度100°C。經過計算，排煙的酸露點為120°C，為了防止露點腐蝕，擬採用充氣熱管，希望使所有的熱管的壁溫都在13(TC以上，試計算該熱管所需要的充氣段長度。計算按煙氣流動方向的最後一排管進行計算，其對應的煙氣溫度Tg二15(TC，空氣溫度Ta-2(TC，煙氣側基管壁溫Tw二13(TC，蒸發段傳熱係數he和冷凝段傳熱係數hc可由熱管的傳熱計算得到，此處假定he二hc二300w/m2。C。由式(2)可求出(Lc-P)=heLe(Tg-Tw)/[he(Tw-Ta)]=0.36mP=Lc-0.36=1.5-0.36=1.14m即在末排熱管內，充氣段的長度e應達1.14m才能保證Tw二13(TC。2、充氣量的確定為了推導所需充氣的質量，需做下面幾點假定1)充氣段P與冷凝器工作段Lcl之間的分界面是平面；2)充氣段內的溫度為Tgi，因為充氣段不參與換熱，可以認為充氣段內的溫度Tgi等於管外的空氣溫度Ta;3)在充氣段內充滿著充裝的氣體分子與工質的蒸汽分子的混合物，氣體分子的分壓力為Pgi(對應Tgi);而蒸汽分子對應的分壓力為Pvi(也對應Tgi);兩者之和即等於熱管內蒸汽的總壓力Pv(對應Tv)，即Pv(Tv)二Pvi(Tgi)+Pgi(Tgi)或Pgi=Pv_Pvi4)充裝的氣體適用於理想氣體定律；5)Tve二Tvc^v，且壁溫Tw與管內蒸汽溫度十分接近，取TfTv;對熱管內的充裝氣體應用理想氣體定律PgiVg=RgTgiMg(3)式(3)中，Pgi-充氣分壓力，PaVg=Av充氣體積，m3Av-充氣段橫截面積，m2;Rg-氣體常數，J/kgK;Tgi-氣體溫度，等於外界空氣溫度Ta，K;Mg-充氣質量，kg由式(3)可解出充氣所需質量Mg=(0XPgiXAv)/(RgXTgi)(4)根據實施例1中所選用的參數知Av=0.000804m2對水蒸汽在Tv二130。C下，Pv=2.7013X105Pa;在Ta二20。C下，Pvi=0.02338X105Pa。對於充氣為氮氣的情況下，Rg=296J/kg*K，由上式(4)可解出充氣質量Mg=0.00283kg二2.83g應當指出，對於不同的熱管尺寸和不同的冷熱流體參數，只要選定了一個避開露點腐蝕的壁面溫度Tw數值，就可按式(4)計算出應該填充的氣體質量。3、充氣工藝和方法如何將確定的氣體質量充裝到熱管中去是充氣熱管制造的關鍵技術之一。該技術需要與現有的熱管制造工藝相結合，且設備簡單，容易操作，成本低廉。對於通常的碳鋼/水熱管，推薦的充氣工藝如圖2所示。其中最關鍵的器件是調壓罐3。只有將待充裝的氣體如氮氣在調壓罐中調至合適的壓力之後，才可以向熱管內充裝。充裝前，先將定量的工質注入熱管中，充液長度為Le，上部待充氣長度為P。所需充氣壓力Pg可由式(4)轉換而來Pg二MgRgTa/(PAv)(5)式(5)中Ta——為充裝時的環境溫度，根據前面列舉的條件-Mg二0.00283kg;Rg二296J/(kgK);Ta=273+20二293K;Av=U/4)dv2=0.000804m2;熱管總長L二2.Om+1.5m=3.5m;工質罐裝量若取20%內部容積，則工質佔有長度3.5X20%=0.7m;待充裝氣體長度e=3.5-0.7=2.8m。代入上式(5)，得Pg=1.09X105Pa;若工質灌注量為內部容積的25%，則3=3.8X75%二2.625m，充裝氣體壓力為Pg=1.16X105Pa;將調壓罐中的氣體壓力調節到上述計算出的壓力值之後，即可向熱管內充裝了。4、充氣熱管的變工況計算和設計考慮當確定了熱管的充氣量以後，還需對該充氣熱管進行變工況計算，即計算該熱管在不同的煙氣溫度和空氣溫度條件下，其充氣段的長度P及對應的壁溫Tw。按實施例l中設定的條件，變工況計算結果如表l所示表l:充氣熱管的變工況計算tableseeoriginaldocumentpage11上表中所列出的壁溫Tw是由式(2)和式(4)聯立求解得到的。權利要求1、一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發段和冷凝段，冷凝段中充裝工質，其特徵在於所述的冷凝段中同時還有按規定長度和規定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，並能形成充裝氣體分子與工質蒸汽分子組成的混合物。2、根據權利要求1所述的充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，其特徵在於所述的規定的充氣長度和規定的充氣量分別按下述公式進行計算，其中(1)充氣段長度根據下式確定(Lei)=heLe(Tg-Tw)/hc(Tw—Ta)，亦即P=Lc-[heLe(Tg-Tw)/hc(Tw-Ta)]式中Lc——熱管冷凝段長度，mP——充氣長度，mhe——蒸發段從煙氣(Tg)至管內蒸汽(Tve)之間的傳熱係數，W/m2，°CLe—熱管蒸發段長度，mTg—繞流熱管蒸發段的在煙氣溫度，°CTw熱管蒸發段的壁面溫度，°C卜——冷凝段從管內蒸汽(TVJ至管外空氣之間的傳熱係數，W/m2,°CTa——繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;(2)充氣量根據下式確定Mg=(PXPgiXAv)/(RgXTgi)式中P——充氣長度，mPgi——氣體分子的分壓力，PaAv——充氣段橫截面積，m2Rg——氣體常數，J/kg.KTgi——氣體溫度，等於外界空氣溫度Ta，KMg——充氣質量，Kg。3、一種用於給權利要求1所述充氣熱管充氣的裝置，其特徵在於包括充氣罐(1)，充氣罐(1)依次連接充氣調節閥(2)、調壓罐(3)、氣體充裝閥(5)、熱管元件(7)和熱管調溫箱(8)，其中所述的調壓罐(3)上裝有壓力表(4)，在氣體充裝閥(5)和熱管元件(7)之間的管路上還裝有放氣閥(6)。4、根據權利要求3所述的充氣裝置的充氣方法，其特徵在於充氣過程包括下述步驟(1)熱管充氣之前，首先將定量的工質注入熱管中；(2)通過充氣調節閥調節供氣量和供氣壓力；(3)打開氣體充裝閥，放入氣體並使其與壓力罐中的壓力達到相等；(4)關閉氣體充裝閥，打開放氣閥，放出熱管中己充裝的氣體，重複多次打開與關閉充裝閥和/或放氣閥，藉此對熱管內部空間進行清掃，吹掃過後，關閉放氣閥，打開充裝閥，實現最後一次氣體充裝；(5)將充氣熱管立置或傾斜放置於熱管調溫箱中，並與充裝閥和放氣閥相聯接；充裝完畢後，用冷焊鉗切斷充氣管並最後焊接封口。全文摘要本發明公開了一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發段和冷凝段，冷凝段中充裝工質，其特徵在於所述的冷凝段中同時還有按規定長度和規定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，並能形成充裝氣體分子與工質蒸汽分子組成的混合物。充裝的惰性氣體能自動改變佔有的體積和充氣長度，進而改變和調節管內溫度和壁面溫度，以達到避免熱管發生露點腐蝕的目的。文檔編號F28D15/02GK101303205SQ20081001202公開日2008年11月12日申請日期2008年6月25日優先權日2008年6月25日發明者餘傳林,劉紀福申請人:餘傳林;劉紀福