热管管排组合对露点腐蚀温度影响研究

摘要：比较了间壁式传热和分离式热管传热对热侧面积相等的情况下在低温烟气中的的传热,并在同样总面积比的情况下,做多种热管管排组合,通过管排组合改变热管换热器局部的温度分布,总结有利于避免露点腐蚀发生的管排组合规律。

1·引言

两级热管废热回收溴化锂制冷机回收高温柴油机烟气废热到高压发生器,回收后的废热温度依然比较高,需要通过分离式热管再把低温废热回收到低压发生器以提高废热回收率和单位废热制冷量[1]。但低压发生器溴化锂水溶液一般工作在90℃左右,远低于一般烟气露点温度,从而导致露点腐蚀发生。

分离式热管换热器可以是一个整体的分离式热管,也可以做成多个分离式热管的串联传热,每个热管可以有一个或者多个蒸发段或者冷凝段管排。在每排热管的管排面积固定不变的时候,管排组合决定换热器的热管数量以及每个热管的蒸发段和冷凝段的管排数量。本文以表1的柴油机废烟气的废热为例,比较多种组合方式以及间壁式情况下的传热,总结利用热管组的组合方式避免露点腐蚀的规律,实现烟气废热回收的安全,同时又尽量降低回收后的烟气温度,得到更多的废热。

2分离式热管传热物理模型

两级热管废热回收溴化锂制冷机低压发生器内有两个换热器,如图1所示:一个是把高压发生器产生的过热水蒸汽冷凝成水的凝水换热器,另一个是分离式热管换热器,热管换热器把烟道内的经过高压发生器废热回收后的低温烟气中的热传入到低压发生器。低压发生器中入口溶液温度和浓度很低,为避免露点腐蚀发生,热管换热器安置在溴化锂浓溶液出口附近。

热管的蒸发段在烟道内,与烟气对流传热,冷凝段在发生器内,与溴化锂水溶液沸腾换热,冷凝段传热系数远大于蒸发段传热系数,所以在蒸发段用翅片管,传热管采用65叉排,共12排热管,总面积为16. 45m2,奇数排传热面积1. 48930m2,偶数排传热面积1. 25219m2;冷凝段用光管,传热管54叉排,奇数排传热面积为0. 075749m2,偶数排传热面积0. 067447m2。

3热管传热的数学模型

对于热管在低压发生器和烟气之间传热,我们做如下假设:首先热管传热不计热量损耗,蒸发段传递的热量之和等于冷凝段传递热量之和;其二,同一分离式热管工质流动中温度不发生变化,同一热管蒸发段的热管工质温度等于冷凝段的工质温度;其三,溴化锂水溶液层流流动,经过每排管排时跟管排均匀换热,不考虑溶液传质影响。热管在低发传热如图2所示,烟气流经每排热管管排,温度降低,流量不变,烟气的热物性参考文献[2];溴化锂水溶液流经每排热管产生水蒸气qi,浓度升高,溴化锂水溶液物性计算参考文献[3]。采用热管离散型计算方法[4],流经第i排热管冷凝段的溶液水蒸气蒸发量qi和传热量：

公式(8)是tvi的一元一次方程,从中可解得热管工质温度,知道热管工质温度tvi后,则每排热管的传热量都可以通过公式(2)(4)求得,发生器和烟道内的蒸发和温度分布都可以求得。热管蒸发段工质温度thvi求得后,很容易求得热管蒸发段外壁面温度：

SW:热管工质和热管蒸发段外壁面间的热导。

4热管组合方式标记

对热管蒸发段和冷凝段组合标记我们做以下规定:同一根热管用“蒸发段 管排数量/冷凝段管排数量”标记,蒸发段和冷凝段数量用“/”分开,如“5/2”表示该热管有5排蒸发段和2排冷凝段。不同分离式热管从前往后按高温向低温方向用“-”隔开,即“蒸发段管排数量/冷凝段管排数量-蒸发段管排数量/冷凝段管排数量”的方式。如2/1-3/1-7/1表示热管换热器有由3个热管组成,共12排蒸发段和3排冷凝段。第一个热管的蒸发段有2排冷凝段有1排管排,最后一个分离式热管的蒸发段有7排管排,而冷凝段也只有1排。连续相同蒸发段和冷凝段管排数量的情况下用“*”连接表示。如1/1*10表示连续10个热管,每根热管都是由一排管排的蒸发段对应一排管排的冷凝段; 12/4*1表示热管蒸发段有12排,冷凝段有4排,全部的热管管排组合成一个分离式热管。

5管排组合与热管的露点腐蚀防止GB252-2000《轻柴油》规定轻柴油硫含量标准规定为不大于0. 2%,Halstead[5]根据muller[6]曲线给出算法公式,按此公式计算烟气的露点为117. 7℃,以此作为酸露点参考,传热时热管蒸发段外壁面温度不能小于此温度,否则发生露点腐蚀破坏热管。

气-液传热需要烟气侧的传热面积远大于溶液侧的传热面积,间壁式传热很难在大范围内改变两侧的传热面积比,而分离式热管通过管排组合改变热管冷凝段的管排数量,从而很大范围内改变换热器两侧面积比。而且在总面积比不变的情况下,通过改变换热器局部热管的管排比来改变面积比,从而控制热管局部壁面温度,达到即降低回收温度又保证不发生露点腐蚀的效果。

我们对180kW工作状态下,对间壁式传热和采用热管在几种不同的传热面积比情况下的传热做个比较,结果见图3。间壁式传热每排管排和热管具有相同的热侧管排面积和总面积,冷侧的传热面积为传热管内径面积,奇数排每排面积为0. 17193m2,偶数排面积0. 15225m2,另外为了比较方便,间壁式的烟气温度高于实际温度,这里为假设值,热管的工作温度参照表1。

间壁式传热因两侧传热面积即在热侧使用了翅片,两侧的传热面积为16. 45: 1. 95,近似为8.4:1。从图3中可以看出,该面积比下即在烟气温度为250℃、300℃和180kW(进口烟气温度193.57℃)工况下传热时,随烟气温度升高热管壁面温度升高,但是基本都处于烟气酸露点温度之下,也就是说烟气在300℃时也能产生露点腐蚀现象,因此间壁式传热不能应用于低压发生器回收烟气废热场合。

分离式热管在1/1*12和12/12冷凝段总面积比同为16. 45∶0. 859,近似19. 2∶1; 12/6、12/4、12/3组合面积比分别为16. 45∶0. 43、16. 45∶0. 286、16. 45∶0. 2189,近似于57. 5∶1 38. 3∶1、75. 1∶1。随着冷凝段管排数量减少,管排比和面积比增大,管壁温度得到提高, 12/6组合所有管排壁温高于露点温度,继续提高面积比,则壁面温度继续提高,都可以避免露点腐蚀发生。1/1*12组合在第四排管后就会发生露点腐蚀,此时烟气温度在167. 5℃。12/12* 1在第二排后就会发生低温腐蚀,烟气温度在182℃后就开始产生低温腐蚀。12/12* 1组合和1/1* 12相比,降低了前排管的壁温而提高后排管壁温度,从管壁温度从前往后下降的趋势来看,这种组合改善了温度分布,只是还不能满足系统的要求。

图3说明在低压发生器回收低温废热时,由于需要很大的热侧和冷侧面积,间壁式传热可能全部壁温都低于露点温度,而热管可以通过管排组合得到合适的面积比,保证全部管排都不发生露点腐蚀。而且通过在总面积比相同的情况下,改变管排组合,可以适当提高部分低温管排温度,有助于解决露点腐蚀问题。

在蒸发段12排管排,冷凝段3排管排时,即两侧总传热面积比接近75. 1: 1的情况下,在柴油机全工况条件下做不同管排组合比较,研究总传热面积比不变的情况下管排组合对露点腐蚀的影响。

图4为12/3管排组合方式,热管换热器整体上可以看作是一个有12排蒸发段和3排冷凝段的整体热管,热侧冷侧面积分别为16. 45m2和0.2189m2,。在柴油机180 kW、150kW、120kW工况下都能满足不产生露点腐蚀,只有90kW工况下,最后两排热管温度低于露点温度。因此该组合下,热管最低只能在120kW工况下工作,烟气废热回收到120kW工况的126. 7℃,但90kW的工况下废热不能回收。

图5为4/1*3组合方式,热管换热同样具有12排蒸发段和3排冷凝段,但是分成3个热管,每个热管的蒸发段和冷凝段管排数比一样,奇数管排面积比为5. 48298∶0. 075749,偶数管排面积比为5. 48298∶0. 067447。与12/3组合相比,在靠近后排的热管管壁温度降低,而前排温度提高。此种组合在工况120kW和90kW的情况下,后三排的热管管壁温度都低于酸露点温度,换热器只能在180kW和150kW工况下工作,烟气废热只能最低回收到150kW工况下的133. 6℃,而且120kW和90kW工况下的废热不能回收。

观察图4、5以及图3中的1/1*12和12/12*1数据,我们可以发现同管排比的情况下,管壁温度变化规律为前高后低,往往前排的壁面温度远高于露点温度,而后排的温度低于露点温度,在管排数量比相同的情况下,分组越多,此现象越明显,因此往往在总传热面积比基本合适的情况下并不是每排管都发生露点腐蚀,只需改善部分管排的管壁温度。由公式(8)看出,提高热管的蒸发段排数减少热管冷凝段管排数可以提高热管的工质温度,相应地提高热管管壁温度。因此我们对蒸发段12管排,冷凝段3排管排的情况下根据这个思路作几种组合来改善传热,降低前排热管的管壁温度提高后排的管壁温度,以避免露点腐蚀发生。

图6为2/1-3/1-7/1组合方式,热管分成三个,相应的面积比为2. 74149: 0. 075749、4.23079: 0. 067447、9. 47666: 0. 075749,从前往后面积比逐渐增大。管排组合改变后,改善了温度分布,前排的管壁温度降低,后排温度升高。经过调整组合后,所有工况下换热器的蒸发段外壁面温度都高于露点温度,回收后的烟气温度降低到125. 8℃。

图7、8分别为5/2-7/1和2/1-10. /2组合,都是把热管换热器组成两只热管换热。5/2-7/1组合热管传热面积比分别为6. 97228∶0.143196和9. 47666∶0. 075749,近似等于48. 7∶1和125. 1∶1。2/1-10. /2组合面积比则分别为2. 74149∶0. 075749和13. 70745∶0. 143196,近似等于36. 2∶1和95. 7∶1,如此提高后面的管排比,而降低前排的管排比,从而降低了前排管的传热面积比;提高后排管的面积比,结果降低前排的管排外壁面温度而提高后面危险管排的外壁面温度,从而保证了热管换热器整体在各个工况下都能保证管壁温度高于烟气的酸露点温度。图6-8分别为在负荷最低情况下,安全回收烟气温度到125. 8℃、125. 6℃、125. 8℃。

& nbsp; 6结论

低压发生器回收烟气低温废热最重要的问题就是如何解决露点腐蚀问题。根据前面的计算和分析可以得到以下结论:

(1)间壁式传热无法大范围改变两侧传热面积,因而不适用于低压发生器回收低温废热,在全部工况下传热面上都会有露点腐蚀产生。

(2)采用分离式热管回收废热,通过管排组合可以得到比较大的总传热面积比,满足在全工况情况下不发生露点腐蚀。

(3)在两侧总传热面积不变的情况下,可以通过管排组合优化局部管壁温度分布。通过管排组合改变换热器局部热管的传热比,从而提高危险点的壁面温度。一般情况下热管外壁温变化规律为前高后低,只是局部温度低于酸露点温度,改善的方法(管排组合规律)为:要从高温到低温方向蒸发段和冷凝段管排比和传热面积比增大,越靠后,管排比越大,也即是位置靠前的管一般面积比小于总传热面积比,靠后热管传热面积比大于总传热面积比。而满足要求的组合不只一种,设计时需要根据情况作多种比较,得到最优管排组合结果。

参考文献

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