35t／h 鍋爐熱管回收排煙余熱系統(tǒng)的設(shè)計【含11張CAD圖紙+文檔全套】
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京 江 學 院
JINGJIANG COLLEGE OF J I A N G S U U N I V E R S I T Y
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
調(diào) 研 報 告
學生學號： 3101105052
學生姓名： 孫俊
專業(yè)班級： J動力熱能1002
指導教師姓名： 王助良
指導教師職稱： 教授
2014年3月
余熱回收的項目的調(diào)研報告
摘要：這次調(diào)研的主要途徑是上圖書館查閱資料，上網(wǎng)了解現(xiàn)狀，咨詢老師?？偨Y(jié)了余熱回收的利用，余熱回收的現(xiàn)狀。本次設(shè)計主要是利用熱管來回收余熱的，本次調(diào)研還對熱管進行了簡單的調(diào)查，分析了熱管的分類，原理和利用前景
關(guān)鍵詞：余熱回收 回收的工藝 熱管的利用
前言：眾所周知，能源是關(guān)系國計民生、與日常生活息息相關(guān)的大問題。在我國能源利用的方法和方式還是比較單一的，以熱能為主。風能，太陽能，核能等只有在局部地區(qū)使用。改個開放三十多年，經(jīng)濟飛速增長，對能源的需求也在飛速增長。一邊是能源供需緊張一邊卻是工業(yè)余熱大量過剩及利用效率底下。各行各業(yè)中余熱資源占其燃燒消耗總量的16%到67%，可利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。特別是在傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐中，排煙溫度每降低15℃鍋爐效率就提高1%。本次課程設(shè)計的主要內(nèi)容是通過煙氣余熱來加熱熱水，根據(jù)鍋爐企業(yè)給定的參數(shù)，結(jié)合書本知識設(shè)計出一款合格的余熱回收裝置。本次設(shè)計主要是利用熱管進行回收余熱的。設(shè)計過程中重點分析了熱管的排數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)以及熱管的換熱系數(shù)，流動阻力等參數(shù)。經(jīng)過這次設(shè)計使我們的理論知識結(jié)合到實踐中去了，培養(yǎng)了我們獨立設(shè)計的能力。本次設(shè)計促使我們掌握了換熱設(shè)備基本結(jié)構(gòu)和換熱原理。促使我具備了分析數(shù)據(jù)的能力，并且使我們熟悉CAD等畫圖軟件。
1.余熱回收的利用
我國政府計劃到2020年將碳排放量減少40%-50% ，目前面臨著巨大的壓力。政府在推行各種節(jié)能減排的政策，其中余熱回收作為提高能源利用效率的主要途徑，目前國家出臺多項政策鼓勵企業(yè)回收余熱。政策一出，必然有許多企業(yè)響應。
1.1 燒結(jié)余熱回收
通過對冷卻車罩子、落礦斗、冷卻風機進行部分改造，使廢氣溫度可提升到360℃到420℃之間，余熱鍋爐將產(chǎn)生1.25-2.45Mpa、330℃的過熱蒸汽，可以確保冷卻機余熱的充分利用。燒結(jié)余熱發(fā)電的優(yōu)點在于其不僅能夠回收余熱，同時也解決了余熱蒸汽的利用問題。另外鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽為工廠帶了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，根據(jù)冷卻機的不同使用情況，余熱回收系統(tǒng)可分為但壓、雙壓、符合閃蒸等系統(tǒng)[4]。
在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序耗能占總耗能的10%左右，僅次于煉鐵。所以燒結(jié)余熱回收具有很重要的意義。降低燒結(jié)工序能耗，節(jié)約資源，降低單位產(chǎn)值能耗，增加企業(yè)效益。減少火電廠排放的CO2、SO2、NOX、粉塵等大氣污染物，有助于改善當?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)。
1.2硫酸工業(yè)煙氣余熱回收
硫酸在生產(chǎn)過程中，位于焚硫爐出口的中壓余熱鍋所產(chǎn)生的9.6 t/h中壓蒸汽70%用于汽輪機拖動主鼓風機，其余蒸汽經(jīng)減溫減壓用于硫磺儲罐，伴熱保溫以及送往低壓蒸汽蒸汽管網(wǎng)，位于轉(zhuǎn)化四段出口的抵押鍋爐產(chǎn)出的4t/h低壓蒸汽全部送到低壓蒸汽管網(wǎng)，以供化工廠生產(chǎn)和冬季采暖。全部利用余熱生產(chǎn)蒸汽就能滿足全場化工生產(chǎn)用氣并且無需啟動燃煤鍋爐。
1.3鍋爐煙氣余熱回收
鍋爐的主要余熱量是鍋爐的尾部煙氣，一般鍋爐都會在煙道的最后安裝省煤器和空氣預熱器，這兩種受熱面的煙氣溫度最低，所以稱他們?yōu)槲膊渴軣崦妗Ｓ糜谶M一步降低煙氣溫度，提高鍋爐效率
按水在省煤器中被加熱的程度，省煤器可分為非沸騰式和沸騰式兩類，省煤器出口水溫低于飽和溫度的叫做非沸騰式省煤器；在省煤器出口處水已經(jīng)被加熱到飽和溫度并產(chǎn)生部分蒸汽的叫做沸騰式省煤器。在中壓鍋爐中水的汽化吸熱量占的比例較大，為了提高鍋爐內(nèi)熱強度，需要提高給水溫度，所以采用沸騰式。隨著鍋爐壓力的提高，蒸發(fā)吸熱量比例減小，考慮到在汽包內(nèi)蒸汽的品質(zhì)，因此在高壓，超高壓和亞臨界壓力的鍋爐都采用非沸騰式省煤器，且具有一定的欠熱。應用省煤器的目的有兩個，一 減少蒸發(fā)受熱面，以價格低廉的省煤器受熱面替代價格高昂的爐膛受熱面；二 給水進過省煤器加熱后，溫度接近或達到汽包內(nèi)水的溫度，改善汽包的工作環(huán)境，延長汽包壽命。
電站鍋爐廣泛采用的空氣預熱器有管式和回轉(zhuǎn)式兩種，在中小型鍋爐中普遍采用管式空氣預熱器?；剞D(zhuǎn)式空氣預熱器與管式空氣預熱器相比，有以下優(yōu)點：1 結(jié)構(gòu)緊湊；2 節(jié)省鋼材；3 耐腐蝕性能好；4 受熱面受到磨損、腐蝕時，不曾加空氣預熱器的漏風量，且為組裝受熱面，更換方便?？諝忸A熱器不僅能降低排煙溫度，提高鍋爐效率，且經(jīng)過預熱的空氣進行燃燒能改善燃料的著火和燃燒條件，減少燃料的不完全燃燒熱損失，進一步提高效率。這對于著火難的燃料尤為重要。空氣預熱器已經(jīng)成為現(xiàn)代鍋爐的重要受熱面。
2.換熱器
2.1 換熱器分類
近代尖端科技的發(fā)展（如高溫高壓、低溫、超低溫等），促使了高強度、高效率的緊湊型換熱器層出不窮。雖然如此，所有的換熱器仍按照他們的一些共同特征來加以區(qū)分[1]。
按照用途來分：預熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等
按照制造換熱器的材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。
按照冷熱流體的流動方向來分：順流式（并流式）：兩種流體平行的想著同一方向流動；逆流式：冷熱流體平行流動，但是他們的流動方向相反；混流式：冷熱流體既有順流部分，又有逆流部分。
按照傳送熱量的方式來分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類，這是換熱器的一種最主要的分類方式。
間壁式：冷熱流體之間有一固體壁面，冷熱流體分布在壁面的兩側(cè)，兩種流體不接觸，熱量通過壁面?zhèn)鬟f。
蓄熱式：這種換熱器也有固體壁面，當熱流體流過時，把熱量儲存于壁內(nèi)，壁的溫度升高；當冷流體流過時，壁面放出熱量，壁的溫度逐漸降低，如此往復進行，已達到熱交換的目的。
混合式：這種熱交換內(nèi)依靠熱流體與冷流體的直接接觸進行傳熱。
2.2 實際的換熱器
管殼式換熱器是目前應用最廣的類型，管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，可以用各種結(jié)構(gòu)材料制造，能在高溫、高壓下使用，所以應用的比較廣。
混合式熱交換器如圖1是依靠冷熱流體直接接觸進行換熱的，這種方式避免了傳熱間壁以及其兩側(cè)污垢所形成的熱阻，只要流體間的接觸良好，就有較大的傳熱速率。
圖1 管殼式換熱器
混合式熱交換器的有點是結(jié)構(gòu)簡單、消耗材料少、接觸面大，并因直接接觸而是熱量利用的比較完全，因此它的應用日漸廣泛。
目前用的比較多的混合式換熱器如圖2有：1 水冷塔 在這種設(shè)備中，利用自然通風或機械通風的方法，用空氣將熱水進行冷卻降溫；2 氣體洗滌塔 工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如氣體的除塵，增濕、干燥等。；3 噴射式換熱器 在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。
圖2 混合式換熱器
在蓄熱式換熱器中，冷熱流體交替地流過同一固體傳熱面如圖3及其所形成的通道，依靠成傳熱面的物體的熱容作用，實現(xiàn)冷熱流體之間的熱交換。與間壁式相比，雖然都需要固體傳熱面，但是在間壁式中，熱量是在同一時刻通過固體壁面由一側(cè)的熱流體傳遞給另一側(cè)的冷流體。與混合式相比差別更大，混合式換熱器是通過冷熱流體直接接觸進行換熱的和蓄熱式完全不同。
蓄熱式熱交換器常用于流量大的氣-氣熱交換場合，如動力、硅酸鹽、石油化工等工業(yè)中的余熱利用和廢熱回收等方面。
圖3 蓄熱式換熱器
3.熱管式換熱器
本次設(shè)計的換熱器主要利用的就是熱管式換熱器。熱管式換熱器作為一種新型的高效熱交換器，其應用已從20世紀60年代末用于宇航的熱控制，擴展到近期的余熱回收、電子工業(yè)、新能源、化學工程、石油化工及核電工程等領(lǐng)域。
3.1 熱管的結(jié)構(gòu)
普通的熱管從軸向看一般分為三段，蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段，如圖3-1所示。有時也把熱管的蒸發(fā)段叫做蒸發(fā)器，冷凝段叫做凝結(jié)器，絕熱段稱為傳送段。絕熱段作為流體的通道，把熱源和冷源分隔開。熱管的絕熱段長度可以很長也可以很短；其材料也可以自由選擇[1]。這樣使熱管能適應布置任意需要的幾何形狀。但是，工業(yè)上節(jié)能熱管和余熱利用的熱管的絕熱段是比較短的，只是管殼的一小段。就是這很短的一段絕熱段仍然能把加熱段與冷凝段分隔開，而且在此處還得把通過加熱段的熱流體和冷凝段的冷流體分隔開來。所以，熱管的密封環(huán)都放在絕熱段里。
熱管內(nèi)部從徑向看也可以分為三個部分，管殼、吸液芯和工作液（氣）。對一般的熱管來說，熱流體從熱源到熱管總要先經(jīng)過管殼。如果把熱管傳送能量的過程假設(shè)為一條流水線的話，那么這條熱流線的途徑一定是先經(jīng)過管殼、吸液芯、蒸汽空間，然后再有蒸汽空間經(jīng)過吸液芯和管殼離開熱管。
圖4 熱管的工作原理圖
3.2 熱管的原理
熱管之所以能夠進行高效的傳遞熱能，成為一個高效的換熱元件，原理在于熱管利用的是傳熱學中相變潛熱的吸收和釋放兩個最強烈的過程。熱管工作時利用相變吸收、放出潛熱和毛細泵或者重力作用下工作流體的循環(huán)，進行輸送熱能，這就是熱管工作基本原理的核心如圖3。
熱管在運行過程中，加熱段流體包含了大量的熱能，這些熱能在傳遞給工作液時是通過工作液的相變進行的。工作液由液態(tài)逐漸吸熱，當吸入一定量的熱能時就變成氣態(tài)。工作液在相變的過程中吸收大量的熱量。隨后，工作液把熱量帶到冷凝段工作液遇冷液化放出大量的潛熱。工作液由毛細泵吸收的蒸發(fā)段（重力熱管沒有吸液芯，是通過重力作用循環(huán)工作液的本次設(shè)計使用的是重力熱管）。
3.3 熱管的應用和前景
在電子方面的應用：晶體管散熱 今年來，大功率電子器件的冷卻都采用了熱管，而且受到比較好的效果。體積很小但是可以傳遞大量的熱量，現(xiàn)在的電子器件做的越來越小但是功率也是有增無減的。大功率小體積的電子器件安裝風扇已經(jīng)不能滿足要求，所以熱管就在電子行業(yè)廣泛使用。
生產(chǎn)方面的應用：熱管空氣預熱器 在生產(chǎn)中使用熱管空氣預熱器已經(jīng)收到了較好的預熱效果，熱管式空氣預熱器由管束，外殼和隔板組成。隔板用于將蒸發(fā)段和冷凝段隔開，是冷熱流體分別流過冷凝段和蒸發(fā)段。熱管的外壁加有翅片，以加強氣側(cè)的換熱效果。
科技方面的應用：超音速熱管機翼 利用熱管可將超英速航天飛行器機翼的前沿進行局部降溫。機翼的前沿相當于熱管的蒸發(fā)段，前沿后側(cè)相當于熱管的冷凝段。高速飛行時，由于空氣的快速摩擦導致機翼的前沿局部溫度很高，在該位置安放熱管的蒸發(fā)段將熱量轉(zhuǎn)移到冷凝段也就是機翼的后沿，這樣就起到了均溫的作用。
4.總結(jié)
進過調(diào)查和參考文獻分析發(fā)現(xiàn)，熱管是當今社會主流熱傳遞工具，高效、節(jié)能環(huán)保、使用壽命比較長由于工作液不與外界接觸不容易損壞。鍋爐煙氣余熱存在浪費現(xiàn)象，響應國家政策，余熱回收勢在必行。
參考文獻：
[1] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計.南京.東南大學出版社，2009.
[2] 容鑾恩，袁鎮(zhèn)福，劉志敏，田子平.電站鍋爐.北京.中國電力出版社，1997.
[3] 方彬，白文彬. 鍋爐與窯爐節(jié)能用熱管換熱器.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1985.
[4] 周耘、王康、陳思明.工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀及技術(shù)展望.無錫.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010.
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