新型流化床换热器的研讨.pdf

第 2 7卷第 6期 2 0 0 5年 l 2月 四川 冶金 S i c h u a n Me t a l l u r g y Vo 1 2 7 No 6 De c e mb e r，2 0 0 5 新 型流化床换 热器 的研讨 黄正胜 (攀成钢工程管理部)【摘要】流化床换热器是基于流化床热交换理论所研究的一种新型换热器，此种换热器特另 I】适用于烟气申 的粉尘较多且为气一液换热的余热回收。文中介绍了流化床的原理和特点，流化床换热器的换热原理以及流化床 换热器的换热系数的计算方法等等。【关键词】流化床换热器流态化流化速度换热系数 S TUDY ON NEW HEAT EXCHANGER OF FLUI DI ZED BED Hu a n g Z h e n g s h e n g (E n g i n e e r i n g Ma n a g e me n t D e p a r t me n t，P a nga n g Grou p C h e ngd u I&S C o，L t d )A b s t r a c t T h e h e a t e x c h a n g e r o f f lu i d iz e d-b e d is a n e w t y p e h e a t e x c h a n g e r a s d e v e lo p e d o n t h e b a s i s o f t h e t h e o r y o f h e a t e x c h a n g e i n f l u i d i z e d b e d wh i c h i s p a r t i c u l a r l y a p p l i c a b l e t o t h e r e s i d u a 1 h e a t u t i l i z a t i o n u n d e r t h e c o n d i t i o n o f h e a v y d u s t e d g a s h e a t e x c h a n g e I n t r o d u c e d i n t h e art i c l e a r e t h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f f l u i d i z e d b e d，a n d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f h e a d e x c h a n g e f a c t o r o f t h e f l u i d i z e d b e d h e a t e x c h ang e r K e y w o r d s f lu i d-b e d，h e a t e x c h ang e r，f lu id it y，f l u i d s p e e d，h e a t e x c h ang e c o e f f i c i e n t 利用换热器充分回收燃料燃烧后产生的废气的 余热是重要节能途径之一。换热器的种类很多，但 如何设计一种高效、体积小、重量轻、传热好的新型 换热器，仍是世界各国工程技术人员的共同愿望。在不同的工况下应选用不同种类的换热器，当 燃料为煤，用大于 8 0 0的烟气来预热液体介质时 选用普通管式换热器，其换热效率很低，不能满足要 求。主要因为：第一：在气一 液换热器中，由于烟气侧 和液体介质侧两边的热阻极不匹配，烟气侧的换热 系数远远小于液体介质侧的换热系数，这使换热器 的综合换热系数不大，传热效果很不好；第二：由于 燃煤的烟气中含尘量很大，灰尘很容易聚积在换热 管的烟气侧，使传热效果明显下降；第三：由于烟气 温度很高，使换热器壁面温度较高，对换热器的材质 要求较高，这就增加了换热器的制造成本。有鉴于 此，本文将流化床技术巧妙地用于换热器中，研究和 探讨了一种新型高效的换热器一流化床换热器。1 流化床的原理和特点 流化床是指在容器内的粒子层，通过底部布风 板的气流作用下，使粒子处于激烈的搅拌状态，形状 如“沸腾”，这时的粒子层称为流化床。粒子层所处 的状态与粒子的物理性质 以及气流 速度有关，对于一定的粒子在不同的气流速度下有 四种状态，如图 1 所示。(a)(b)(c)(d)图 1 不同速度下床层内粒子的运动状态(a)固定床；(b)流化起始点；(c)流化床；(d)气力输送 当气流速度很低时，气体通过粒子层的间隙缓 慢上升，粒子不产生运动，此时粒子层称为 固定床，如图(a)；当气流速度增加时，气流对粒子的作用力 使粒子开始悬浮，床层发生膨胀，此时称为流化起始 维普资讯 http:/ 第 6 期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 点，如图(b)，这时的气流速度叫最小流化速度(临界 流化速度)U m f；当气流进一步增加，粒子在气流 的作 用下，处于激烈的搅拌状态，此时粒子的状态就叫流 化态，粒子层称为流化床，如图(c)；当气流速度超过 最小流化速度若干倍时，粒子将随气流一起流动而 逐渐被带走，此时称为气力输送 状态，如图(d)此时 的气流速度称为终端速度 u 。当粒子层为固定床时，床层阻力AP随流速的 增大而增大。当达到流化速度后，床层阻力基本保 持不变，阻力的大小等于粒子的重量。当流速达到 终端速度 u 时，粒子逐渐被气流带走，床层阻力减 小，如图 2所示。图2 不同流速下粒子层的阻力 床层与传热面之间的换热系数 a 与许多因素有 关，最主要的是气流速度 u和粒子直径 d S，如 图 3、4 所示。图 3 气流速度与流化床内传热系数的关系 图 4 粒径 与最大传热系数 的关 系 由 3、4图可知，当气流速度 u 增加，开始时换热 系数 a随气流速度 u的增大而增 大，在最佳流速 u 叩 下，流化床具有最大的换热系数 a 一，之后换热系 数 a随气流速度 u的增大反而减小，一般最佳流化 数 N=U o p u m f=2 5左 右。粒子直径越细，a 一 越 大，u rn f越低，单位床层面积允许通过的气量也越少。因此，在设计时，要同时考虑气流速度和传热系数两 个方面，选择最佳的粒子直径。流化床的特点：第一：由于床层内流体和粒子的剧烈搅动混合，使床层温度均匀，避免了局部过热现象。第二：由于粒子的热容积比同体积气体的热容 积大得多(约大 1 0 0 0 倍左右)，粒子在流化床中的相 间接触面积很大，并且由于两相表面不断更新，再加 上“沸腾”粒子的搅拌作用，破坏了边界层。因此，床 内的传热效率很高，传热系数可达到 3 0 0 7 0 0 w m 2 K，是一般气体传热系数的8 l 2 倍。第三：流态化的粒子，其运动犹如流体，易于在 换热管之间“流动”，在气一 液换热时，强化气体一侧 传热尤为有利。2 流化床换热器 从以上陈述及其它研究文献知，流化床具有良 好的传热性能及温度场十分均匀，如果将流化床技 术用于换热器 中，可很好地解决前言中所说的气一 液 换热的余热回收存在的三个难题，它是一个很好的 研究方 向。在流化床换热器内部的热交换过程一般由以下 几个过程组成：固体粒子与流化介质之间的传热，包 括乳化相内气体与固体粒子之问的传热和气泡与固 体粒子之间的传热；流化床与壁面和埋人换热器中 的换热管道之间的传热；固体粒子内部的传热以及 换热管与液体介质之间的传热等等。流化床管式换热器是一种新型高效换热器。它 主要由布风板(多孑 L 板)、砂床、换热管和壳体组成，如图 5所示。预热介质 图 5 流化床 换热器 简图 在壳体内的布风板上填充着砂状物质，在砂床 中分布着换热管，当高温气体从布风板下方流上来(气流达到流化速度)时，砂床就会象流体那样处于“沸腾”状态，这时，砂状物质便作为载热体把热量传 给换热管，换热管再把热量传给液体介质。这种换 热器是流化床与管式换热器的巧妙结合，具有两者 维普资讯 http:/ 四川冶金 第 2 7卷 的性能和特点。流化床换热器的传热受许多因素的影响，如流 化速度、粒子直径和重度、粒子和气体的热物性、换 热管的形状、尺寸和在床 内的放置方式 以及 布风板 的设计形式等。这种换热器特别适用于气一 液间的换热。其综 合换热系数较高，因此所需的传热面积比通常的换 热器要小得多。在通常的气一 液换热器中，热量必须 经过气体边界层(这是一个很大的热阻)才能传给传 热面，而在这种流化床换热器 中，流动着的粒子可以 破坏气体边界层，而直接将热量传给传热面；在燃煤 的烟气 中，含有较多的灰尘，通常 的气一 液换 热器 的 传热面上积灰特别严重，这又使热阻增大了，而在流 化床换热器中，“流动”着的粒子可以“清洗”换热面，故它的传热效率非常高；由于这种流化床换热器内 部温度十分均匀，不会造成局部过热现象，而且其换 热系数非常高，故其壁面温度较低，可用普碳钢代替 耐热钢制造，降低换热器的制造成本。流化床换热系数 a随流化数 N的变化关系曲 线，如图 6 a 所示 流化床换热系数 a随烟气温度 t 的变化关系 曲线，如图 6 b所示 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2N(a)图 6 流化床换热器概括起来具有以下几个特点：第一：不易产生低温腐蚀和烟灰堵塞。烟气 中 的灰尘不易在传 热表面积聚；另外，烟气 中的酸性成 分，因粒子的冲刷也不易在金属表 面凝结而产生腐 蚀。第二：传热性能高。一般的管式换热器烟气侧 的换热系数只有 5 0 6 0 W m 2 K左右，而流化床换 热器烟气侧的换热系数可达 3 0 0-7 0 0 W m 2 K。第三：适应工况能力强。主要表现在烟气量 和 烟气温度变化两个方面，当烟气量变化时，只要烟气 在床内的流速大于临界流化速度 u f，而小于终端速 度 u t 在很宽的范围内，流化床的换热系数仍可保持 在大于 2 0 0 W m2 K的水平。当烟气 温度在 4 5 0 9 5 0 Z；范 围内变化 时，总换 热系数 的变化 幅度小于 1 0，是一种高效的换热器；第四：对传热元件的材质要求低。传热元件的 温度较低(5 0 0 )，所以这种换热器只需用普碳钢 制作。第五：维护方便，维修简单，体积小重量轻，便于 安装。第六：这种换热器阻力较大，气流的方向受限 制，烟气只能自下而上垂直通过床层。但它可以通 过合理的设计来减轻这些不利因素，如加引风机(从 换热器出来的烟气温度已较低)来解决阻力较大的 难题。3 流化床换热器 的综合换热系数 K的计算 3 1 计算条件 热烟气进口温度：7 0 0 9 5 0 热烟气出 口温度：3 5 0 热烟气流量：5 5 0 0 0 N m 3 h 热油进口温度：2 5 0 热油出口温度：3 3 0 表 1 热油物陛表 3 2 临界流化速度 u f 的计算：考虑到本文设计条件的烟气量大、制造方便和 耐磨性，故固体粒子选择实心刚玉球(A l，O )，其参 数如下：d (mm)P (k g m3)(W m2 k)C p (J k g k)2 5 3 5 0 0 3 9 6 3 7 0 9 由于烟气由8 2 5 降到 3 5 0，采用抛物线法计 算平均温度(从略)：得：U m f=1 9 8 m s 3 3 流化床的流化数 N的选择：最大换热系数一般出现在流化数 N=2 5 左 右。故结合本文的设计条件，取流化数 N=3。3 4 实际流化速度 u 的确定：N u d 31 9 8 5 9 4 m s U 0=“(1+t g 2 7 3)=5 9 4 (1+6 6 6 27 3)=1 7 3 1T I s 维普资讯 http:/ 第 6期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 3 9 U o为标准状态下的流化速度 3 5 热油侧流速 u 的选择：由于热油侧的换热系数本身就较高，增加热油 的流速对综合换热系数影响不大，故选择热油的流 速“l 为：U I=1 m s 3 6 烟气侧换热系数 a 的计算：换热管的截面如图 7 所示，选择图示的换热管 可以有效地避免流化床的固体粒子积聚在其上，也 便于安装和制作。图 7 换热管的截面图 此换热管烟气侧换热系数的计算过程从略，经 计算：g=6 9 2 W m2 K t =4 0 6 故此换热器可用普碳钢制造。3 7 热油侧的换热系数 a 的计算：此计算过程为常规公式计算，故计算过程略。经计算 a l=7 1 1 1 w m 2 K 3 8 综合换热系数 k的计算：志=l (1 +8 2+l )：l (1 7 1 1 1+0 0 0 3 5 4 7+1 6 9 2)=3 9 6 W m2 K 其中 换热管的厚度 m 换热管壁的导热系数 W ink 比普通管式换热器的综合换热系数提高了约 5 倍左右。5结论 本人曾完整地计算过上述条件下的一台流化床 换热器(由于设计计算内容太多，且其它的计算内容 与普通管式换热器基本雷同，故本文从略)，并且将 它与普通管式换热器(加翅片和内插件，并未考虑积 灰对换热的影响)进行比较：流化床换热器的有效体 积为普通管式换热器的 1 3 左右，总体积为后者的 1 2 左右，而换热系数比后者提高了5 倍左右。因此，流化床换热器是一种换热效率高，制造成 本低，适用范围较广，运行 可靠 的新型余热 回收设 备，可以进一步完善用于生产实践中去。参考文献 1 同皓峰，甘永平 新型换热器与传热强化 宇航出版社 2 史美中，王中铮 换热器原理与设计 东南大学出版社 3 黄鸿鼎等 换热器(上、下册)烃加工出版社 4 朱聘冠 换热器原理及计算 清华大学出版社 5 张蕴壁 流态化选论 西北大学 出版社 6 毛希澜，换热器设计，上海科技出版社 7 邱树林，钱滨江 换热器 上海交通大学出版社 8 汤学忠 热能转换与利用 冶金工业出版社 9 周筠清 传热学 冶金工业出版社 1 0 李化治等 流化床换热器的应用 第六界热能热工年会论文 1 1 殷晓静等 高效沸腾粒子换热器的研究 冶金能源 1 2 王立等 流化床与浸入表面的传热机制 冶金能源 1 3 李书灿 板状粒子换热器设计初探 工业炉 1 4 张宝城译 流化床燃烧和应用 科学出版社 1 5 李书灿 流化床余热锅炉的应用研究 工业炉 1 6 冯旭 工程流体力学 北京科技大学热能系 1 7 李书灿 板状高效沸腾粒子换热器的热态试验研究 工业炉 1 8 王立等固体粒子的几何参数及其物理性质对流化床埋入表 面问传热的影响 第七界热能热工学术会议 收 稿 日期：2 0 0 5 1 0 2 0 维普资讯 http:/