低温压内螺纹管换热器的传热研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 3.38MB 69 页 15积分

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摘要

随着国家经济的发展，导致国家能源需求迅速上涨，余能的二次利用，对日

益紧张的能源需求起到了很大的缓解作用。据统计我国工业耗能的 60%-65%都转

化成为不同载体不同温度的余热资源，其中，中低温余热数量极其庞大，但由于

技术及其它方面的原因，低温余热利用的效率较低，研究实际低温烟气的传热特

性对低温烟气余热的回收，具有重要的指导意义。本文研究了低温烟气在内螺纹

管中的传热问题。

上海华之邦科技股份有限公司与上海理工大学进行校企联合，创建“燃气超

低排放”校企联合实验室，天然气流量 Q=30Nm3/h 的300KW 热水锅炉。本传热

试验台以联合实验室为依托，搭建低温压内螺纹管换热器热态试验台，详细介绍

了传热试验台的装置、系统和测试方法。

介绍了低温压内螺纹管换热器的结构和特点，用内螺纹管制作低温压换热器，

回收热水锅炉产生的200-80℃的低温烟气余热，在热态试验台上进行传热试验，

研究内螺纹管对低温烟气余热回收的强化效果和低温烟气余热的传热特性。

本文详细介绍了低温压蛇形管换热器的设计方法和换热器压力损失的计算方

法，设计传热试验台上用的内螺纹管低温压换热器，回收 Q=30Nm3/h的天热气热

水锅炉产生的 200-80℃的低温烟气余热，并用年费用法对其进行了结构优化。基

于以上研究结果，对 130t 煤粉锅炉进行节能改造，将排烟温度 160℃降低至 90℃，

设计内螺纹管低温压换热器，并使换热器的压力损失在 400pa 以内。

关键词：内螺纹管换热器低温烟气传热特性压力损失

ABSTRACT

With the development of national economy, national energy demand rises rapidly.

The utilization of complementary energy will play a significant role in mitigation of the

increasing tense energy demand. According to statistics, 60% - 65% of China's

industrial energy consumption transformed to different carrier and different temperature

waste heat. It’s huge of the low temperature waste heat quantity.

Because of technologies and other reasons, the utilization efficiency is low of the low

temperature waste heat. Studying the actual heat transfer characteristics of low

temperature flue gas in waste heat recovery has important guiding significance. This

paper studies heat transfer of low temperature flue gas in inner grooved tubes.

University of Shanghai for Science and Technology and Shanghai Wisebond

Technology PLC create a "gas ultra-low emission" Enterprise - and - School Joint

laboratory of 300KW hot water boiler which gas flow is 30Nm3/h. With the Joint

Laboratory for relying on build thermal state test rig of low temperature and pressure

inner threaded pipe heat exchanger. Heat transfer test-bed device, system and method

are introduced in detail.

It’s introduced structure and characteristics of heat exchanger with inner screw

thread pipe in low temperature and pressure. Inner screw thread fabricate heat

exchanger to recovery low-temperature flue gas waste heat of 200-80℃. Do heat

transfer test in thermal state test bed to study the effect on the enhancement of heat

transfer and heat transfer characteristics of low temperature flue in inner grooved tubes.

The paper introduces the design method of Serpentine tube heat exchanger of low

temperature and pressure and the calculation method of the heat exchanger pressure loss

in detail. It’s designed internal thread heat exchanger to use in the heat transfer test rig

and structure optimization with annual cost method. The heat exchanger is to recovery

low-temperature flue gas waste heat of 200-80℃ which Q=30Nm3/h natural gas

combust in hot water boiler. Based on the above research results, it’s energy saved

reconstruction of a 130t pulverized coal fired boiler to reduce the exhaust temperature

from 160℃ to 90℃. It’s designed retrofit scheme of heat exchanger with inner screw

thread pipe in low temperature and pressure and the pressure loss within 400pa.

Key words: internal screw pipe, heat exchanger, low temperature flue

gas, heat-transfer character, loss of pressure

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................1

1.1 课题研究背景 ..................................................1

1.2 低温余热利用技术的研究现状 ....................................2

1.2.1 国外发展现状 .............................................2

1.2.2 国内发展现状 .............................................3

1.3 内螺纹管强化换热研究现状 .....................................6

1.3.1 螺纹管的结构和应用 .......................................6

1.3.2 内螺纹管的结构和传热机理 .................................8

1.3.3 内螺纹管的研究现状 .......................................9

1.4 本文研究意义、内容及方法 ...................................11

第二章低温压内螺纹管传热试验台系统及方法 ........................12

2.1 传热试验台简介 ...............................................12

2.2 传热试验台目的 ...............................................12

2.3 传热试验台装置 ...............................................12

2.3.1 天然气集装箱 .............................................12

2.3.2 燃气燃烧器 ...............................................13

2.3.3 卧式燃气热水锅炉 .........................................13

2.3.4 压力调节阀和电磁快关阀 ...................................14

2.3.5 循环水泵 .................................................14

2.3.6 内螺纹管低温压换热器 .....................................15

2.3.7 膨胀水箱和循环水箱 .......................................16

2.3.8 风机 .....................................................16

2.3.9 PLC 控制柜 ...............................................17

2.3.10 热电偶 ..................................................17

2.3.11 天燃气报警器 ............................................17

2.4 传热试验台系统 ...............................................18

2.4.1 燃气燃烧系统 .............................................18

2.4.2 低温换热系统 .............................................20

2.4.3 水循环系统 ...............................................23

2.4.4 自动监控系统 .............................................23

2.5 本章小结 .....................................................24

第三章低温烟气在内螺纹管中的传热特性试验研究 ....................25

3.1 内螺纹管的传热特性 ...........................................25

3.2 换热器的结构和特点 ...........................................26

3.3 试验原理及工况 ...............................................28

3.4 试验结果及分析 ...............................................29

3.4.1 烟气流速随换热系数的关系 .................................30

3.4.2 水流流速随换热系数的关系 .................................31

3.4.3 内螺纹管工质侧的放热曲线 .................................33

3.5 试验结论 .....................................................34

3.6 本章小结 .....................................................35

第四章低温压换热器的设计及优化 ..................................36

4.1 低温压换热器设计 .............................................36

4.1.1 蛇形管换热器的介绍 .......................................36

4.1.2 低温压换热器设计方法 .....................................38

4.1.3 换热器烟气侧的压力损失的计算方法 .........................42

4.2 试验台低温压内螺纹管换热器设计 ...............................45

4.2.1 设计参数 .................................................45

4.2.2 结构设计和选材 ...........................................45

4.2.3 设计计算汇总 .............................................46

4.3 低温压换热器的优化 ...........................................48

4.3.1 优化设计的概念 ...........................................48

4.3.2 换热器结构能量优化方法-年费用法 ..........................49

4.3.3 能量优化的具体实现 .......................................50

4.3.4 换热器结构的优化结果 .....................................51

4.4 130 吨燃煤锅炉低温压内螺纹管换热器优化设计 ...................51

4.4.1 设计背景 .................................................51

4.4.2 工程概况 .................................................52

4.4.3 改造方案 .................................................52

4.4.4 低温压换热器设计方案 .....................................53

4.5 本章小结 .....................................................58

第五章总结 ......................................................59

5.1 全文总结 .....................................................59

5.2 工作展望 .....................................................60

参考文献 ..........................................................61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................65

致谢 ..............................................................66

第一章绪论

1.1 课题研究背景

随着国家经济的高速发展，常规能源需求量也急剧增加，2011 年至 2035 年中

国能源需求的增长速度为 2.23%[1]。2010 年，这中国的能源需求达到了 32 亿吨标

准煤[2]。中国的能源消费以一次能源煤、石油、天然气为主，而工业将这些能源利

用后除了被有效利用的外还产生了大量的余热被排放到环境中。余热资源主要分

布在钢铁、水泥、合成氨、硫酸、烧碱、电石、玻璃 7个行业中，其占的百分比

分别为 50.3% 、27.3%、5.7% 、0.91% 、4.14% 、1.46% 、10.2% 。“十二五”

期间，综合考虑行业现状与发展趋势，余热资源总量高达 3.4 亿吨标准煤[3]，合理

有效地回收余热资源具有重要的意义。

余热资源可按照其可被利用的能量存在状态又可分为三类：燃料类余热，即

工业设备排出的具有可燃性的气体、固体、液体，如煤矿瓦斯、焦炉气、炼油气、

可燃垃圾、碎木屑、纸浆黑液等；压力类余热，是在工业生产中排放的有压力的

气体或液体，这部分余压也是可以被利用的余能资源；载热类余热，我国工业能

耗的 60%-65%都转化为了载体不同、温度不同的气体、液体和物料余热。载热类

余热按其温度分布的不同，又可分为高、中、低温余热，温度高于 650℃称之为高

温余热、温度介于 200℃和 650℃之间的称之为中温余热、温度低于 200℃为低温

余热[4]，烟气余热类型及分布如表 1-1 所示。

表1-1 低温烟气余热类型及分布

低温烟气余热资源具有以下几个特点：

1、烟气温度不高，负荷不稳定：使余热回收换热设备中的冷热工质温差不大，

换热温差低使得热量转换动力减小，回收热量较大时需考虑各种换热强化手段来

增强换热能力。烟气中含有 SO2和NOX，在低温条件下易产生低温腐蚀，低温腐

蚀对换热设备的寿命有致命的影响，对余热回收系统安全运行形成威胁。低温余

热资源的不稳定性是由产品生产工艺决定的，例如有些产品的生产是周期性的，

行业

余热类型

余热温度/℃

余热来源举例

占耗量比例（%）

钢铁冶金

气体余热

100~800

荒煤气、热风炉

大于 33

化学工业

气体余热

200~700

加热炉

大于 15

轻工业

气体余热

80~120

干燥机排气

约15

建材工业

气体余热

900~1500

玻璃窑炉

约20

电力工业

气体余热

100~300

锅炉排烟

约12

上海理工大学硕士学位论文

有些高温产品、炉渣排放是间断性的。

2、烟气不清洁：工业生产烟气中含有大量的粉尘或灰分，积灰对换热设备的

换热效率产生较大的影响。如沸腾焙烧炉的含尘量为 150-350 g/m3、氧气顶吹转炉

烟气中的含尘量达 80-150 g/m3、闪速炉 80-130 g/m3、烟气炉 80-160 g/m3[5]，含尘

量超过一般锅炉很多。同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣，尤其是炉烟温度

高、含尘量大时，更容易粘结、积灰，从而对余热回收的设备产生严重磨损和堵

塞的后果。

3、余热回收设备体积庞大：因低温烟气温度较低，回收相同热量时相对高温

烟气工况下换热设备的换热面积和体积势更加庞大，然而工业现场并非有较大场

地，故换热设备的布置及构造需更加紧凑灵活。

4、分散性：工业部门分行业众多，钢铁等行业具有很长的生产工艺流程，工

业的余热资源广泛分布在各行各业和各生产工序环节中。

低温烟气余热的特点，决定了低温余热利用难的特点，目前未被广泛利用。

低温烟气余热资源属于二次能源，深度回收其余热的潜能巨大，在生产中最大限

度地利用这些能源可以充分节约人力和物力。鉴于低温烟气余热资源存在余热资

源量大、利用率低、存在低温腐蚀等问题，开展低温烟气余热性质的研究，实现

余热资源的高效利用具有重要的节能意义。

1.2 低温余热回收技术的研究现状

1.2.1 国外发展现状

20 世纪 70 年代国外发生了石油危机，受能源危机的影响，对余热回收技术开

始进行深入的研究[9]，国外一直对余热回收利用领域的关键技术工作十分的重视，

申请、公开了大量的专利技术[10]，余热利用已成为工业生产中不可分割的组成部

分，进入相对稳定的成熟期，国外的研究主要集中在热管技术、余热发电技术和

热泵技术。

以热管为传热元件组成的热管换热器就成为各类换热器中最优的一种，并成

为各国余热利用技术水平高低的重要标志。在60 年代，美国 Q-DOT 公司开发出

了世界上的第一台热管换热器[11]。热管技术在日本发展得更快，特别在节能工程

中热管换热器的研究和应用尤为显著。从日本的“月光计划”里可看出，节能领

域中正在大力推广使用热管换热器，估计 90 年代中期热管换热器产值为 40 亿日

元/年。

国外也一直致力于将余热转化为电能的研究[12]。国外在窑炉余热发电上起步

较早。美国 Alpend 水泥厂早在 1973-1978 年期间，先后建成了 5套汽轮机发电机

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