CN104048908B - 一种传热设备性能实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热设备性能实验装置，以解决现有的实验装置所存在的不能对气‑气传热的空气预热器进行传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验的问题。本发明设有筒体(10)、燃烧器(12)、气体分布器(9)、过渡段(26)、烟风道(27)、二氧化硫储气瓶(17)等部件；气体分布器将筒体的内腔分为第一腔室(13)和第二腔室(24)。在入口空气管(61)、第二腔室、烟风道和出口空气管(62)各自分别连接有用于测量气体温度、压力和流量的数据采集器，每个数据采集器通过各自的数据线(4)与一个数据处理器(8)相连。本发明主要用于对石油炼制、石油化工行业中的气‑气传热的管式加热炉空气预热器的性能进行实验。

Description

一种传热设备性能实验装置

技术领域

本发明属于传热设备技术领域，涉及一种传热设备性能实验装置。

背景技术

在石油炼制、石油化工等行业中，加热炉(主要是管式加热炉)空气预热器是加热炉回收烟气余热、提高热效率的主要设备，也是常用的设备。近年来，随着企业节能减排工作的深入，为了回收更多的烟气余热，要求将烟气排放的温度尽可能地降低，对空气预热器的传热性能提出了更高的要求。降低烟气排放温度还受到低温酸露点腐蚀因素的制约。目前，很多加热炉的烟气酸露点温度在145℃左右，烟气排放温度在155℃左右；烟气排放温度继续降低就会在空气预热器的传热面上产生低温酸露点腐蚀，造成传热面腐蚀穿孔。可以说，低温酸露点腐蚀已成为降低烟气排放温度、提高热效率的主要障碍。多年来，人们为了预防低温酸露点腐蚀，开展了诸多研究工作，主要使用了三种方法：(1)开发新的耐腐蚀金属材料传热管，如ND钢传热管；(2)开发金属涂层传热管，如镍基合金涂层传热管、陶瓷涂层传热管、渗铝钢传热管、聚四氟乙烯塑料涂层传热管等；(3)开发新的非金属耐腐蚀材料传热管，如石墨传热管、聚四氟乙烯传热管、玻璃传热管等。此外，机械性能也是关系到空气预热器能否安全运行的重要因素。中国专利CN2890740Y公开的带热泵的传热实验装置，由热泵系统A、水位控制系统B、传热实验装置C组成；其中的传热实验装置C主要有蒸汽发生器、蒸汽过热器、列管式换热器、蒸汽反冲罐、冷水箱、电加热装置等。所述带热泵的传热实验装置是用于气-液传热设备传热性能方面的研究，现有已公开的其它传热实验装置的功能与上述的实验装置类似；它们不能对气-气传热的空气预热器的传热性能进行实验，也不能对空气预热器的耐腐蚀性能和机械性能进行实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种传热设备性能实验装置，以解决现有的实验装置所存在的不能对气-气传热的空气预热器进行传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种传热设备性能实验装置，其特征在于：所述实验装置用于对气-气传热的空气预热器的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验，它设有一个卧式圆筒形的筒体，筒体的一端设有燃烧器，另一端为出口端，与空气预热器烟气入口相连，筒体的内腔设有气体分布器，气体分布器将筒体的内腔分为第一腔室和第二腔室，空气预热器烟气出口与过渡段的入口相连，过渡段的出口与烟风道的入口相连，烟风道的出口设有与烟囱相连的烟道管，空气预热器空气入口与入口空气管相连，空气预热器空气出口设有与燃烧器相连的出口空气管，实验装置设有二氧化硫储气瓶，二氧化硫储气瓶设有与筒体的第一腔室相连的二氧化硫输送管，空气预热器下部的管板上设有与酸液池相连的酸液管，入口空气管、第二腔室、烟风道和出口空气管各自分别连接有用于测量气体温度、压力和流量的数据采集器，每个数据采集器通过各自的数据线与一个数据处理器相连。

采用本发明，具有如下的有益效果：本发明可用于对气-气传热的空气预热器的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验，满足了本领域对这方面的迫切需求，提供了一个新的科研手段。详细的实验过程，见本说明书具体实施方式部分的说明。采用本发明方案对空气预热器进行实验，可以对空气预热器的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能作出正确的评定，为从材料选择、结构设计、传热操作等方面解决存在的问题或是进行进一步的优化提供可靠的依据，以利于最终实现空气预热器的高效热回收以及安全、长周期稳定的操作。本发明主要用于对石油炼制、石油化工行业中的气-气传热的管式加热炉空气预热器的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验，可用于已有的空气预热器和新研制的空气预热器。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明传热设备性能实验装置的结构与布置示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的传热设备性能实验装置(简称为实验装置)，用于对气-气传热的空气预热器19的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验，空气预热器19安装在实验装置上。图1所示的空气预热器19为管式空气预热器，设有传热管201；传热管201设置多根，形成管束。本发明要求传热管201垂直设置，空气预热器空气入口5位于顶部，空气预热器空气出口21位于底部，空气预热器烟气入口18和空气预热器烟气出口25位于侧部。空气预热器19还可以是板式空气预热器，设有传热板；本发明要求传热板以及相邻两个传热板之间所形成的传热通道垂直设置，其它要求如同图1所示的管式空气预热器。

本发明实验装置设有一个卧式圆筒形的筒体10；筒体10的一端设有燃烧器12，另一端为出口端，与空气预热器烟气入口18相连。筒体10的内腔设有气体分布器9。气体分布器9将筒体10的内腔分为第一腔室13和第二腔室24；第一腔室13位于筒体10设有燃烧器12的一端与气体分布器9之间，第二腔室24位于筒体10的出口端与气体分布器9之间。气体分布器9用于将第一腔室13内燃烧器12燃烧生成的烟气11均匀地分布到第二腔室24内。在进行耐腐蚀性能实验时、向第一腔室13内通入二氧化硫气体15的情况下，气体分布器9用于将第一腔室13内的含有二氧化硫的烟气均匀地分布到第二腔室24内。气体分布器9可以使用工业上常用的气体分布器，例如折流板式气体分布器、波纹板式气体分布器。

空气预热器烟气出口25与过渡段26的入口相连，过渡段26的出口与烟风道27的入口相连，烟风道27的出口设有与烟囱2相连的烟道管1，烟道管1上设有引风机28。过渡段26为圆台面形，卧式设置；过渡段26起到将空气预热器烟气出口25与烟风道27的入口过渡连接的作用。烟风道27为一段水平设置的圆管。空气预热器空气入口5与入口空气管61相连，入口空气管61上设有鼓风机7。空气预热器空气出口21设有与燃烧器12相连的出口空气管62。

参见图1，本发明实验装置设有一个二氧化硫储气瓶17。二氧化硫储气瓶17设有与筒体10的第一腔室13相连的二氧化硫输送管16，二氧化硫输送管16上设有用于调节管内二氧化硫气体流量的气体流量调节阀。在空气预热器下部的管板202上设有与酸液池23相连的酸液管22；酸液池23为一陶瓷容器，位于空气预热器19的下方。空气预热器下部的管板202，即靠近空气预热器空气出口21的管板。管板202上设有开孔，酸液管22的入口端插入开孔，并密封、固定。

入口空气管61、第二腔室24、烟风道27和出口空气管62各自分别连接有用于测量气体温度、压力和流量的数据采集器，每个数据采集器通过各自的数据线4与一个数据处理器8相连。

参见图1，入口空气管61连接的是第一数据采集器31，第一数据采集器31连接于入口空气管61位于鼓风机7上游的管段(即相当于鼓风机7的入口管)上；该管段上还设有用于调节管内入口空气流量的气体流量调节阀。第二腔室24连接的是第二数据采集器32，烟风道27连接的是第三数据采集器33，出口空气管62连接的是第四数据采集器34。上述的每个数据采集器，都设有独立的测量空气或烟气温度的热电偶、测量空气或烟气压力的压力表、测量空气或烟气流量的气体流量计；为简明起见，每组热电偶、压力表和气体流量计合起来用一个数据采集器表示。图1所示的数据采集器共有四个，表示有四组热电偶、压力表和气体流量计。一个数据采集器中，热电偶与一条独立的温度测量数据线相连，压力表与一条独立的压力测量数据线相连，气体流量计与一条独立的气体流量测量数据线相连，这些数据线的输出端最终都连接于数据处理器8。为简明起见，上述一个数据采集器中的温度测量数据线、压力测量数据线和气体流量测量数据线合起来用一条数据线表示。在图1中，数据线4共有四条，用加粗的虚线表示。

数据处理器8通常是使用PLC(可编程序控制器)。PLC可以将接收到的温度、压力、气体流量等数据显示出来，或是按编制好的程序对接收到的数据进行计算并将计算结果显示出来。本领域的技术人员对这些内容都是熟知的，并且根据本发明的说明可以很容易地实施；详细说明从略。

本发明实验装置，筒体10的内直径一般为500～800毫米，长度一般为1500～2000毫米。

筒体10的出口端最好是通过法兰29与空气预热器烟气入口18相连，空气预热器烟气出口25最好是通过法兰29与过渡段26的入口相连。采用可拆卸式的法兰连接，在需要对多种不同类型和尺寸的空气预热器进行性能实验时，很容易更换。空气预热器烟气入口18和空气预热器烟气出口25的直径，可向制造厂提出要求，使之能够分别与筒体10出口端的直径和过渡段26入口的直径配合。

本发明要求，燃烧器12以其额定燃烧负荷为基准计，具有-80％～+80％的热负荷调节弹性，以便于在实验中调节燃烧生成的烟气11的温度，满足多种实验条件的要求。工业上现有的可用于本发明的燃烧器12，有SOG、ERI等型号。

参见图1，本发明实验装置包括除空气预热器19之外的全部机械部件、工艺管线、数据采集器、数据处理器、数据线等。本发明所使用的热电偶、压力表、气体流量计、气体流量调节阀、鼓风机、引风机等，均可使用工业上常用的；本领域的技术人员可按常识选用。筒体10、过渡段26、烟风道27、气体分布器9等一般使用耐腐蚀、耐高温的不锈钢制造。

下面结合图1说明采用本发明实验装置对空气预热器19的性能进行实验的过程；实验分为传热性能实验、耐腐蚀性能实验和机械性能实验三种类型。

1、传热性能实验

用鼓风机7将大气中的空气经入口空气管61、空气预热器空气入口5通入空气预热器19内。空气的流量由入口空气管61上的气体流量调节阀调节；所述空气的温度、压力、流量由第一数据采集器31测量，并经数据线传送至数据处理器8。通入空气预热器19内的空气在传热管201内自上而下流动。

将燃气14(瓦斯或煤气等)通入燃烧器12，燃气14的流量由气体流量调节阀调节。在空气预热器19内预热后的空气经空气预热器空气出口21、出口空气管62进入燃烧器12助燃。燃烧器12燃烧生成的烟气11进入筒体10的第一腔室13，由气体分布器9均匀地分布到筒体10的第二腔室24内，具有均匀的热流场(包括温度场、速度场、浓度场)。第二腔室24内烟气的温度、压力、流量由第二数据采集器32测量，并经数据线传送至数据处理器8。第二腔室24内的烟气经空气预热器烟气入口18进入空气预热器19的烟气通道内，向在传热管201内流动的空气放热，将空气预热。预热后的空气由空气预热器空气出口21流出，经出口空气管62全部进入燃烧器12助燃。出口空气管62内预热后的空气的温度、压力、流量由第四数据采集器34测量，并经数据线传送至数据处理器8。

放热后的烟气温度降低，经空气预热器烟气出口25流出，经过渡段26、烟风道27，由引风机28经烟道管1送入烟囱2排放至大气。其中烟风道27内烟气的温度、压力、流量由第三数据采集器33测量，并经数据线传送至数据处理器8。

衡量空气预热器19传热性能的参数为总传热系数K和传热效率η。总传热系数K按下式计算：

K＝a₁/[1+(ε+1/a₂)a₁]

式中：K-总传热系数，kcal/m²·h·℃

a₁-空气预热器19烟气通道内的烟气横向流过传热管201外壁时的对流放热系数，kcal/m²·h·℃

a₂-空气自上而下流过传热管201时的对流吸热系数，kcal/m₂·h·℃

ε-传热管201内外壁的总结垢热阻，m²·h·℃/kcal

a₁、a₂、ε的数据可从有关的手册查出或根据手册的说明计算；手册例如可以是烃加工出版社1986年出版的《炼油厂设备加热炉设计手册》(具体参见第六章“余热回收系统”)。

传热效率η按下式计算：

η＝(t_a2-t_a1)/(t_f1-t_f2)

式中：t_a1-通入空气预热器19内的空气的温度，℃

t_a2-由空气预热器19流出的预热后的空气的温度，℃

t_f1-通入空气预热器19内的烟气的温度，℃

t_f2-由空气预热器19流出的放热后的烟气的温度，℃

上述的总传热系数K和传热效率η由数据处理器8按编制好的程序计算并显示，根据计算结果可以研究空气预热器19在不同条件下的传热性能。

空气预热器19为板式空气预热器时，总传热系数K和传热效率η按相似的方法计算；本领域的技术人员对此是熟知的，详细说明从略。

传热性能实验的主要条件见表1。

图1中，未注明附图标记的箭头表示空气、烟气或酸液的流动方向，或是表示数据的传送方向。

2、耐腐蚀性能实验

按上述传热性能实验的步骤进行；不同之处是，耐腐蚀性能实验时，将二氧化硫储气瓶17内的二氧化硫气体经二氧化硫输送管16通入第一腔室13，其流量由二氧化硫输送管16上的气体流量调节阀调节。附图标记15表示进入到第一腔室13内的二氧化硫气体，它混入燃烧器12燃烧生成的烟气11后使烟气11成为含有二氧化硫的烟气。通过调节混入烟气11中的二氧化硫的量，可以改变烟气的腐蚀能力和烟气的酸露点温度，满足多种实验条件的要求。上述含有二氧化硫的烟气中，二氧化硫的含量按标准状态下的体积含量计一般为200～2000ppm(本发明所述的标准状态为0℃、1个标准大气压)。筒体10第二腔室24内含有二氧化硫的烟气的酸露点温度，可以使用常用的便携式烟气酸露点温度测量仪测量(将测量仪的探头插入第二腔室24内即可测量)。也可以在第二数据采集器32增加一个常用的烟气酸露点温度测量仪，用一条独立的数据线将测量到的第二腔室24内含有二氧化硫的烟气的酸露点温度数据传送至数据处理器8，由数据处理器8显示出来。

耐腐蚀性能实验与传热性能实验相比，筒体10第一腔室13和第二腔室24以及进入空气预热器19烟气通道内的烟气均为含有二氧化硫的烟气；含有二氧化硫的烟气按与传热性能实验中的烟气相同的路径流动、向在传热管201内流动的空气放热、由相关的数据采集器测量数据，详细说明从略。只是含有二氧化硫的烟气在放热后、温度低于酸露点温度时，二氧化硫气体与水会在传热管201的外壁上冷凝成酸液(硫酸液)，向下流动至空气预热器下部的管板202的上表面上，再经酸液管22流动至酸液池23后排放。在对空气预热器19的耐腐蚀性能进行实验时，可以在酸液池23内放入氧化钙或石灰石等中和剂，用于与酸液池23内的酸液发生中和反应、生成中性的硫酸盐；硫酸盐定期从酸液池23内移出。

耐腐蚀性能实验全部完成后，人工检查以下项目：传热管是否出现锈色、锈斑、点蚀或剥皮等腐蚀现象。空气预热器19为板式空气预热器时，检查传热板是否出现锈色、锈斑、点蚀或剥皮等腐蚀现象。

耐腐蚀性能实验的主要条件见表1。耐腐蚀性能实验中含有二氧化硫的烟气的有关数据，按表1中的烟气。

3、机械性能实验

与传热性能实验不同的是，机械性能实验时，鼓风机7停止运行，不将空气通入空气预热器19(传热管201内无空气流动)，也没有预热后的空气经出口空气管62进入燃烧器12助燃。燃烧器12燃烧生成的烟气11按与传热性能实验中的烟气相同的路径流动；在空气预热器19的烟气通道内流动时，仅仅是从传热管201的外壁加热传热管201并加热空气预热器19的管板，以实验空气预热器19的机械性能。

机械性能实验全部完成后，人工检查以下项目：传热管与管板的密封处是否出现烟气泄漏，传热管与管板是否出现裂纹。空气预热器19为板式空气预热器时，检查传热板烟气侧之间的连接处是否出现烟气泄漏，传热板是否出现裂纹。

机械性能实验的主要条件见表1。

传热性能实验、耐腐蚀性能实验和机械性能实验，每种实验的全部过程所包括的实验次数以及每次实验的时间也列于表1中。

在对空气预热器19的传热性能和机械性能进行实验时，本发明不将二氧化硫储气瓶17内的二氧化硫气体经二氧化硫输送管16通入筒体10的第一腔室13内(将二氧化硫输送管16上的气体流量调节阀关闭即可)，实验过程中将不形成酸液并经酸液管22流动至酸液池23内。

观察数据处理器8，当其接收到的各数据采集器传送的温度、压力、气体流量数据趋于稳定时，上述的传热性能实验、耐腐蚀性能实验和机械性能实验方正式开始。

表1

Claims (5)

1.一种传热设备性能实验装置，其特征在于：所述实验装置用于对气-气传热的空气预热器(19)的传热性能、耐腐蚀性能和机械性能进行实验，所述实验装置设有一个卧式圆筒形的筒体(10)，筒体(10)的一端设有燃烧器(12)，另一端为出口端，与空气预热器烟气入口(18)相连，筒体(10)的内腔设有气体分布器(9)，气体分布器(9)将筒体(10)的内腔分为第一腔室(13)和第二腔室(24)，空气预热器烟气出口(25)与过渡段(26)的入口相连，过渡段(26)的出口与烟风道(27)的入口相连，烟风道(27)的出口设有与烟囱(2)相连的烟道管(1)，空气预热器空气入口(5)与入口空气管(61)相连，空气预热器空气出口(21)设有与燃烧器(12)相连的出口空气管(62)，实验装置设有二氧化硫储气瓶(17)，二氧化硫储气瓶(17)设有与筒体(10)的第一腔室(13)相连的二氧化硫输送管(16)，空气预热器下部的管板(202)上设有与酸液池(23)相连的酸液管(22)，入口空气管(61)、第二腔室(24)、烟风道(27)和出口空气管(62)各自分别连接有用于测量气体温度、压力和流量的数据采集器，每个数据采集器通过各自的数据线(4)与一个数据处理器(8)相连。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：筒体(10)的内直径为500～800毫米，长度为1500～2000毫米。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：筒体(10)的出口端通过法兰(29)与空气预热器烟气入口(18)相连，空气预热器烟气出口(25)通过法兰(29)与过渡段(26)的入口相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的实验装置，其特征在于：燃烧器(12)以其额定燃烧负荷为基准计，具有-80％～+80％的热负荷调节弹性。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：酸液池(23)内放有氧化钙或石灰石。