相变换热锅炉的设计与应用

1 相变换热锅炉的设计与应用 别如山，牛春庆 （哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001） 摘要：本文给出了相变换热锅炉主要设计参数的计算公式以及计算示例，工业应用实测结果表明，设计参数与测试数据吻合较好。 Design of A Boiler with Heat Transfer of Phase Change

BIE Ru-shan, NIU Chun-qing (Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)

Abstract This paper presents a series of formulas for designing a boiler with heat transfer of phase change. An example for capacity of 1MW was given. Industrial application showed that the design parameters were consistent well to the practical testing results. Key words: Heat transfer with phase change; Boiler; Design

1 前言 为了解决我国小容量热水锅炉水质差，传热件易结水垢导致变形或爆管等问题，人们提出了“相变换热锅炉” [1-4]新概念，该种锅炉能够很好地解决这一难题。相变换热锅炉汽包内分为汽液两相，液相（采用软化水）受热后转变为蒸汽，蒸汽将热量传递给加热盘管中介质后自身冷凝为水，水再经加热蒸发，在炉体内往复循环，因而解决了锅水结垢问题。盘管中流动的介质不断获得蒸汽凝结放出的热量并将其输送至热用户。利用自动控制燃烧器确保燃料燃烧放出的热量与盘管中工质吸收的热量相等，以维持锅水温度及炉内真空度。本文介绍相变换热锅炉的设计计算及其应用。 2 相变换热锅炉的结构、特点 2.1相变换热锅炉的结构 相变换热技术已广泛应用于工业加热、热水锅炉上，蒸汽相变换热炉的结构形式，如图1。

图1 蒸汽换热相变锅炉结构原理简图 采用单火筒、烟管结构，炉前采用自动控制燃烧器，以油或天然气为燃料。燃烧火焰在炉筒中发生辐射换热，燃烧产生的烟气进入烟管中进行对流换热后从烟囱中排出。汽空间的加热盘管吸收蒸汽的凝结放热，将盘管内工质加热至设计温度。

水或原油 2

2.2相变换热锅炉的特点 （1）相变换热锅炉采用软化水做热媒，不结垢；（2）真空微负压的蒸汽凝结换热，传热效果大幅度提高；（3）该设备作为常压容器使用，可不受《容规》监察。 3.主要参数的确定 3.1炉膛出口温度的确定

以油或天然气为燃料，炉膛出口温度（"l）按公式（1）计算 2731)1067.5(6.00110"

cjlbl

VBTaH

M

T

 （℃） （1）

式中T0为理论燃烧温度（K），M为修正系数，Ψ为热有效系数，Hb炉膛辐射受热面积（m2），la为炉膛黑度。 3.2 烟管对流传热系数的计算 如果火筒（也称炉胆）出口接普通烟管，则烟气侧的传热系数按式（2）计算：

4.08.0)(023.0rnntlPWddcc



 W/（m·℃） （2）

式中：ct—相对长度修正系数，cl—由温度变化引起介质物理性质变化影响传热的修正系数，dn—烟管内径（m），λ—烟气平均温度下的导热系数W/（m·℃），υ—烟气平均温度运动粘度，（m2/s），Pr—烟气平均温度普朗特准数。 如果炉胆出口接螺纹烟管，则烟气侧的传热系数按式（3）计算：

nnnnddhd

pWd

112.008.09206.0)()()(0144.0 W/（m·℃） （3）

式中：p—螺纹节距（m），h—管内螺纹深度（m）。 通过上述公式，可以计算得出炉胆、烟管尺寸以及相应的面积。 3.3蒸汽管外凝结换热系数的计算 对于横管外的膜状凝结，选用经典的努赛尔特（Nusselt）模型[5-6]，平均凝结换热系数的计算式为

4132

1])([725.0wslllttndgr

 W/（m2·℃） （4）

式中: n—纵向管子排数，d—横管外径，ts、tw分别为饱和水温度和管壁温度，r—汽化潜热，l—饱和水密度，l—饱和水导热系数，l—饱和水黏度。单排（n=1）管外凝结换热系数与各影响因素之间的关系如图1～3。 3

65707580856500700075008000850090009500锅内表压： -0.04MPa

饱和水温度：86.5 oC

计算点

管外 凝结换热系数, kW/(m 2.oC)

凝结换热管外 壁温， oC

5060708090100110120

75008000850090009500锅内表压: -0.04MPa

管外壁温: : 76.5 oC

计算点

管外 凝结换热系数, kW/(m2

.

o

C)

管外径d, mm

图2管外凝结换热系数与管外壁温之间的关系 图3 管外凝结换热系数与管径之间的关系

-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.006500700075008000850090009500管外壁温： 76.5 oC

计算点

管外 凝结换热系数, kW/(m2.o

C

)

锅 内表 压P, MPa

图4横管外凝结换热系数与锅内负压之间的关系

盘管壁温对凝结传热系数的影响如图2所示，在一定操作压力、管外径下，传热管壁温降低（壁温与饱和温度之差增大），凝结传热系数减小。 盘管外径对凝结传热系数的影响如图3所示，可见在一定操作压力、壁温下, 随传热管直径增大，凝结传热系数减小。因此，在加热盘管满足介质压力、流速的情况下取较小的盘管直径。 操作压力对凝结传热系数的影响如图4所示，在一定壁温、管外径下，随操作压力增大, 凝结传热系数逐渐减低。在设计时可假定凝结传热系数等于6.0 kW/m2/℃，压力在一定范围内波动时，仍然可以满足蒸汽高效换热要求。考虑强度及操作安全性，可在适当范围内（-0.02～-0.04Mpa）建立真空度。 3.4管内工质传热系数计算

nlld/PrRe023.04.08.02 W/（m2·℃） （5）

式中λl—管内工质导热系数（W/m·℃），Rel—雷诺数, Pr普朗特数, dn—管子内径。 3.5 凝结换热总传热系数计算

21111

RK W/（m2·℃） （6）

式中1—管外凝结放热系数（W/m2·℃）, 2—管内工质的放热系数（W/m2·℃）, R—污垢热阻（m2·℃ / W）, —管壁厚度(m), —金属导热系数(W/m·℃)

d=89mm d=89mm 4 3.6盘管传热面积H的确定 tKQH (m2) （7） 式中：Q—传热量(W), K—传热系数(W/m2·℃)，t—对数温差。 4 计算示例 根据上述计算方法，以天然气为燃料，设计负荷为1.0 MW相变换热锅炉的设计条件见表1，计算结果见表2。 表1相变换热锅炉设计条件

锅筒绝对压力 （MPa） 盘管规格 热效率 （%） 饱和温度（℃） 火管出口温度（℃） 排烟温度（℃） 进口水温度（℃） 出口水温度 （℃）

0.07 φ76×5 92 90 732 13

0 40 70

表2 1.0MW相变换热锅炉主要参数计算结果 火筒面积 22.64 m2 烟管内烟速 20.8 m/s 盘管传热量 1.0 MW

烟管面积 24.71m2 盘管外凝结换热系数 7887 W/m2℃ 介质流量 28806kg/h 盘管面积 10.54 m2 管内介质换热系数 8864 W/m2℃ 介质流速 2.37 m/s 火筒吸热量 0.663 MW 烟管传热系数 63 W/m2℃ 烟管壁温 95℃ 烟管吸热量 0.337 MW 盘管传热系数 2905 W/m2℃ 盘管壁温 70 ℃ 由以上数据可以得出结论：由于采用相变换热方式，盘管的换热强度大幅度提高，大大减少盘管受热面的布置，使相变换热锅炉的钢耗量显著降低，降低了一次性投资。同时，盘管内受热介质的流动阻力因受热面积的减少而降低，使输送泵的能耗及运行费用降低。 5 工业应用 大庆油田采油八厂肇Ⅳ转油站采用了一台1.0MW相变换热锅炉，该炉的设计参数如表1、2所示。由中国石油天然气集团公司油田节能监测中心，对该炉的实际出力、排烟温度、过剩空气系数以及热效率等指标进行了现场测试，测试是在89%～122%负荷范围内进行的，部分测试结果见表3。 表3 1.0MW相变换热炉部分测试结果 负荷 (%) 进口水温 (℃) 出口水温 (℃) 水流量 (m3/h) 燃气耗量 (m3/h) 排烟温度 (℃) 空气系数 热效率

(%) 89 42 73.2 24.8 80.1 122 1.16 91.5 100 76.5 24.5 89.1 129 1.14 91.4 122 84.8 24.7 111.6 143 1.13 90.3

由此可见，1.0MW相变换热锅炉经现场测试的排烟温度和热效率数据与设计值比较接近, 这说明该计算方法可以应用于工程设计中。