充气热管在防止露点腐蚀中的应用

摘要

本发明公开了一种充气热管在防止热管换热器露点腐蚀中的应用，所述充气热管包括蒸发段和冷凝段，冷凝段中充装工质，其特征在于所述的冷凝段中同时还有按规定长度和规定充气量充装的惰性气体或氮气，并能形成充装气体分子与工质蒸汽分子组成的混合物。充装的惰性气体能自动改变占有的体积和充气长度，进而改变和调节管内温度和壁面温度，以达到避免热管发生露点腐蚀的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及具有状态变化的两种热交换介质均为气体或蒸汽的直接接触的热交换设备，尤其涉及带有蒸发段和冷凝段的热管。

背景技术

为了提高能源利用率，实现“降耗减排”的节能目标，能源设备如锅炉等的排烟温度要求尽可能降低，由原来的220～180℃的排烟温度，降至160～150℃，甚至要求降的更低，达120～100℃。

热管换热器如热管空预器，热管省煤器等，在低温排烟环境下的应用遇到的最大挑战是烟气的酸露点腐蚀，尤其在燃烧含硫高的煤和重油时，腐蚀更为严重。为了避开露点腐蚀，通常所采取的技术措施是：(1)改变加热段和冷却段的长度比；(2)在冷却段采用大节距的翅片，甚至采用光管，旨在进一步改变两段的传热面积，提高加热段的壁面温度；(3)逐排计算，力图精确掌握在设计工况下各排的壁温，以便采取适当措施和(4)调节烟气和空气的局部流速，以期改变烟气和空气侧的换热系数。

在采取了上述一系列技术措施后，大部分热管空预器和省煤器的应用取得了成功，但是仍有相当部分的热管换热器没能逃脱露点腐蚀的厄运。有的设备经过多次停炉维修，都不能彻底解决。究其原因，有下列几个方面，这些因素是设计人员难以控制和预料的：(1)用户给出的排烟流量和烟温数据不准确，或者由于上游换热设备的运行情况发生了变化，往往使实际排烟温度低于设计数据，或出现较大地波动，因而造成露点腐蚀；(2)设备(锅炉)经常停炉。频繁的停炉，开机，再停炉，使烟气参数经常处于低温，低负荷运行，因而极易产生腐蚀；(3)在北方，  冬季空气进口温度长期低于设计入口温度，因而冬季成为露点腐蚀的高发季节；而在南方，由于空气的湿度过大，造成了排烟的湿度增加，从而改变了烟气的酸露点；(4)燃料品质，含硫的变化，水分含量及过剩空气系数的变化都会改变烟气的酸露点温度；(5)腐蚀和积灰的相互影响，相互促进，是设计者难以预料的。

综上所述，可以得出这样一个印象：我们设计者根据某一条件和设想设计出的热管空预器或省煤器具有产品的固定性，它有固定的翅化比，固定的长度比，固定的结构和形状；而实际参与换热的流体参数如流量，温度，成份等则具有变动性。我们以往所采取的防止露点腐蚀的技术方案都是以“固定的”设备应对随时“变动的”流体，不能以变应变，因而防露点腐蚀的效果并不理想。

为了对付露点腐蚀，我们需要换一种思维：即从“固定”应对“变动”改为以“变动”应对“变动”。当流经热管换热器的冷、热流体的参数发生变化时，热管本身应具有自动调节能力，能自动改变参与换热的面积，以保证在任何情况下都可避开露点腐蚀。这使我们想到了可以自动调温和改变传热功率的充气热管。所谓充气热管，就是在热管的冷凝段内充装上一定量的惰性气体，根据管内介质的蒸汽温度和压力的变化，惰性气体会自动地改变占有的体积和冷凝段的充气长度，从而改变和调节管内蒸汽温度和壁面温度，以达到避开露点腐蚀的目的。充气热管的概念虽然提出很久，但其应用背景主要是航天和需要精确控制热负荷的领域，在相关文献上称之为“可变导热性热管”，目前尚未看到为了防止露点腐蚀在低温段烟气余热回收中的应用。

发明内容

本发明的目的，就是将这一高科技领域中调节温度和热负荷的手段应用于余热回收中，尤其是低温烟气的余热回收中，为防止露点腐蚀开辟一条新的途径。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种充气热管在防止热管换热器露点腐蚀中的应用，所述充气热管包括蒸发段和冷凝段，冷凝段中充装工质，其特征在于所述的冷凝段中同时还有按规定长度和规定充气量充装的惰性气体或氮气，并能形成充装气体分子与工质蒸汽分子组成的混合物。

所述的规定的充气长度和规定的充气量分别按下述公式进行计算，其中：

(1)充气段长度根据下式确定：

(L_c-β)＝h_eL_e(T_g-T_w)/h_c(T_w-T_a)，亦即

β＝L_c-[h_eL_e(T_g-T_w)/h_c(T_w-T_a)]

式中：L_c——热管冷凝段长度，m

β——充气长度，m

h_e——蒸发段从烟气(T_g)至管内蒸汽(T_ve)之间的传热系数，W/m²，℃

L_e——热管蒸发段长度，m

T_g——流热管蒸发段的在烟气温度，℃

T_w——热管蒸发段的壁面温度，℃

h_c——冷凝段从管内蒸汽(T_ve)至管外空气之间的传热系数，W/m²，℃

T_a——绕流热管冷凝段的空气温度，℃；

(2)充气量根据下式确定：

M_g＝(β×P_gi×A_v)/(R_g×T_gi)

式中：

β——充气长度，m

P_gi——气体分子的分压力，Pa

A_v——充气段横截面积，m²

R_g——气体常数，J/kg.K

T_gi——气体温度，等于外界空气温度T_a，K

M_g——充气质量，Kg。

一种用于给权利要求1所述充气热管充气的装置，其特征在于包括充气罐，充气罐依次连接充气调节阀、调压罐、气体充装阀、热管元件和热管调温箱，其中所述的调压罐上装有压力表，在气体充装阀和热管元件之间的管路上还装有放气阀。

所述的充气装置的充气方法包括下述步骤：

(1)热管充气之前，首先将定量的工质注入热管中；

(2)通过充气调节阀调节供气量和供气压力；

(3)打开气体充装阀，放入气体并使其与压力罐中的压力达到相等；

(4)关闭气体充装阀，打开放气阀，放出热管中已充装的气体，重复多次打开与关闭充装阀和/或放气阀，借此对热管内部空间进行清扫，吹扫过后，关闭放气阀，打开充装阀，实现最后一次气体充装；

(5)将充气热管立置或倾斜放置于热管调温箱中，并与充装阀和放气阀相联接；充装完毕后，用冷焊钳切断充气管并最后焊接封口。

与现有技术相比较，本发明的优点在于采用充气热管取代普通热管，利用其冷凝段内充装的惰性气体能自动改变占有的体积和充气长度的特性，来改变和调节管内温度和壁面温度，以达到避免发生露点腐蚀的目的。

附图说明

本发明有附图2幅，其中：

图1是充气热管的结构示意图；

图2是充气工装的示意图。

在附图中：1、充气罐，2、充气调节阀，3、调压罐，4、压力表，5、气体充装阀，6、放气阀，7、热管元件，8、热管调温箱。

具体实施方式

如图1～图2所示的一种充气热管在防止热管换热器露点腐蚀中的应用，所述充气热管包括蒸发段和冷凝段，冷凝段中充装工质，其特征在于所述的冷凝段中同时还有按规定长度和规定充气量充装的惰性气体或氮气，并能形成充装气体分子和工质蒸汽分子组成的混合物。所述的规定的充气长度和规定的充气量分别按下述公式确定。

1、充气段长度的确定

图1所示的是基于热管空预器的普通热管的典型结构，图中的几何特征和流体参数设定为：

do：热管外径，m；

dv：热管内径，即蒸汽空间的直径，m；

Le：热管蒸发段长度，m；

Lc1冷凝段中实际换热长度，m；

β：充气长度，m；

Lc：热管冷凝段长度，m；Lc＝Lc1+β

Tg：绕流热管蒸发段的烟气温度，℃；

Ta：绕流热管冷凝段的空气温度，℃；

Tw：热管蒸发段的壁面温度，℃；

Tve：热管蒸发段的管内蒸汽温度，℃；

Tvc：热管冷凝段的管内蒸汽温度，℃；

Tv：热管内平均蒸汽温度，℃；

Tgi：充气段内气体的温度，℃；

he：蒸发段从烟气(Tg)至管内(Tve)之间的传热系数，w/m²·℃；

hc：冷凝段从管内蒸汽(Tvc)至管外空气之间的传热系数，w/m²·℃；

由此，可根据热平衡原理，建立从蒸发段加入的热量应等于从冷凝段传出的热量的平衡关系，即：

he(πdo)(Tg-Tv)Le＝hc(πdo)(Tv-Ta)Lc₁

由此可求出壁温Tw，注意到Tw≈Tv，

$\mathrm{Tw}\approx \mathrm{Tv}=\frac{\mathrm{he}·\mathrm{Tg}·\mathrm{Le}+\mathrm{hc}·\mathrm{Ta}·(\mathrm{Lc}-\beta )}{\mathrm{he}·\mathrm{Le}+\mathrm{hc}(\mathrm{Lc}-\beta )}---\left(1\right)$

式(1)将壁温Tw与充气段的长度β联系在一起，这样就可以通过充气段长度的自动变化，起到调节壁温的作用，从而防止露点腐蚀的发生。由上式，充气段长度可由下式(2)确定：

$(\mathrm{Lc}-\beta )=\frac{\mathrm{he}·\mathrm{Le}(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw})}{\mathrm{hc}(\mathrm{Tw}-\mathrm{Ta})}---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)，充气段长度β的计算可通过下面的实施例加以说明。

实施例1

一台热管空气预热器用以回收某锅炉的排烟余热，经过设计，所选取的碳钢——水热管元件的几何特征如下：

基管外径：38mm，基管内径32mm，壁厚3mm，蒸发段长度Le＝2.0m，冷却段长度Lc＝1.5m，基管外面都带有高频焊螺旋圆形翅片，翅片间距都是8mm，翅片高都是16mm；

烟气入口温度220℃，出口温度150℃；空气入口温度20℃，出口温度100℃。

经过计算，排烟的酸露点为120℃，为了防止露点腐蚀，拟采用充气热管，希望使所有的热管的壁温都在130℃以上，试计算该热管所需要的充气段长度。

计算：按烟气流动方向的最后一排管进行计算，其对应的烟气温度Tg＝150℃，空气温度Ta＝20℃，烟气侧基管壁温Tw＝130℃，蒸发段传热系数he和冷凝段传热系数hc可由热管的传热计算得到，此处假定he＝hc＝300w/m²·℃。由式(2)可求出

(Lc-β)＝he Le(Tg-Tw)/[hc(Tw-Ta)]＝0.36m

β＝Lc-0.36＝1.5-0.36＝1.14m

即在末排热管内，充气段的长度β应达1.14m才能保证Tw＝130℃。

2、充气量的确定

为了推导所需充气的质量，需做下面几点假定：

1)充气段β与冷凝器工作段Lc1之间的分界面是平面；

2)充气段内的温度为Tgi，因为充气段不参与换热，可以认为充气段内的温度Tgi等于管外的空气温度Ta；

3)在充气段内充满着充装的气体分子与工质的蒸汽分子的混合物，气体分子的分压力为Pgi(对应Tgi)；而蒸汽分子对应的分压力为Pvi(也对应Tgi)；两者之和即等于热管内蒸汽的总压力Pv(对应Tv)，即

Pv(Tv)＝Pvi(Tgi)+Pgi(Tgi)

或Pgi＝Pv-Pvi

4)充装的气体适用于理想气体定律；

5)Tve＝Tvc＝Tv，且壁温Tw与管内蒸汽温度十分接近，取Tw＝Tv；

对热管内的充装气体应用理想气体定律：

Pgi·Vg＝Rg·Tgi·Mg                     (3)

式(3)中，Pgi-充气分压力，Pa

Vg＝Av·β-充气体积，m³

Av-充气段横截面积，m²；

Rg-气体常数，J/kg·K；

Tgi-气体温度，等于外界空气温度Ta，K；

Mg-充气质量，kg

由式(3)可解出充气所需质量：

Mg＝(β×Pgi×Av)/(Rg×Tgi)            (4)

根据实施例1中所选用的参数知：Av＝0.000804m²

对水蒸汽：在Tv＝130℃下，Pv＝2.7013×10⁵Pa；

在Ta＝20℃下，Pvi＝0.02338×10⁵Pa。

对于充气为氮气的情况下，Rg＝296J/kg·K，

由上式(4)可解出充气质量：

Mg＝0.00283kg＝2.83g

应当指出，对于不同的热管尺寸和不同的冷热流体参数，只要选定了一个避开露点腐蚀的壁面温度Tw数值，就可按式(4)计算出应该填充的气体质量。

3、充气工艺和方法

如何将确定的气体质量充装到热管中去是充气热管制造的关键技术之一。该技术需要与现有的热管制造工艺相结合，且设备简单，容易操作，成本低廉。对于通常的碳钢/水热管，推荐的充气工艺如图2所示。其中最关键的器件是调压罐3。只有将待充装的气体如氮气在调压罐中调至合适的压力之后，才可以向热管内充装。

充装前，先将定量的工质注入热管中，充液长度为Le，上部待充气长度为β。所需充气压力Pg可由式(4)转换而来：

Pg＝Mg Rg Ta/(βAv)              (5)

式(5)中：Ta——为充装时的环境温度，根据前面列举的条件：

Mg＝0.00283kg；Rg＝296J/(kg K)；

Ta＝273+20＝293K；Av＝(π/4)d_v²＝0.000804m²；

热管总长L＝2.0m+1.5m＝3.5m；

工质罐装量：若取20％内部容积，则工质占有长度：3.5×20％＝0.7m；

待充装气体长度：β＝3.5-0.7＝2.8m。

代入上式(5)，得Pg＝1.09×10⁵Pa；

若工质灌注量为内部容积的25％，则β＝3.8×75％＝2.625m，充装气体压力为Pg＝1.16×10⁵Pa；

将调压罐中的气体压力调节到上述计算出的压力值之后，即可向热管内充装了。

4、充气热管的变工况计算和设计考虑

当确定了热管的充气量以后，还需对该充气热管进行变工况计算，即计算该热管在不同的烟气温度和空气温度条件下，其充气段的长度β及对应的壁温Tw。按实施例1中设定的条件，变工况计算结果如表1所示

表1：充气热管的变工况计算

  工况  No.  烟气温  度Tg  ℃  空气温  度Ta  ℃  充气段  长度  βm  充气段  相对长  度  β/Lc  加热段  壁温Tw  ℃  1  124  0  1.44  0.960  120  2  150  20  1.14  0.760  130  3  180  60  0.76  0.507  148  4  193  85  0.67  0.447  161  5  222  100  0.43  0.286  179.5

上表中所列出的壁温Tw是由式(2)和式(4)联立求解得到的。