CN113280358A - 一种烟道分配器热管均温的换热计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟道分配器热管均温的换热计算方法，所述烟道分配器是L形，分配器包括竖直部分和水平部分，竖直部分位于上游，水平部分位于下游，竖直部分设置热管，所述热管从竖直部分的一个侧壁底部向竖直部分的另一个侧壁延伸，烟道分配器内部分热管换热满足要求。本发明提供了一种新的L形烟道分配器换热计算方法，通过在烟道分配器中设置热管，对热管的换热情况提出了新的计算方法，实现分配器出口烟气温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

Description

一种烟道分配器热管均温的换热计算方法

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体涉及一种烟道分配的换热系统。

背景技术

L型烟气分配器是空预器出口烟道的常用设备，用于均分空预器烟气侧出口烟气，降低单台除尘器入口烟气流量，提高除尘效率。在分配器出口和除尘器入口布置低温省煤器，可进一步降低排烟温度，提高锅炉效率，降低污染物排放。分配器性能对火电机组稳定、高效运行及节能减排等具有重要意义。分配器下游分支烟道烟气流量、灰量和温度均匀性是评价分配器性能好坏的重要指标。传统的烟气分配器通过分支烟道出口节流的方式实现了各分支烟道烟气和灰量的均匀，但尚未提出可靠的手段解决分配器出口烟气温度不均的问题。传统烟气分配器下游各分支烟道的最大温差高于50℃，严重危害下游设备运行的稳定性。

大型火电机组普遍采用回转式空预器回收尾部烟道余热，其周期性流动蓄热的换热方式使得空预器出口烟气在切向上存在较大的温差，正常运行条件下回转式空预器切向的最高温差可达100℃。若空预器在长期运行条件下存在堵灰、腐蚀、漏风等严重问题，空预器出口烟气的切向温差远高于100℃。空预器出口烟气切向的巨大温差使得分配器入口烟气温度不均匀，而分配器内混合长度有限，烟气难以完全混合，最终导致分配器出口烟气温度不均。

空预器出口烟气分配器后烟气温度偏差过大对运行造成的影响：

通常在空预器和除尘器之间设置低温省煤器用来回收烟气余热，目前较为常用的是采用凝结水来回收这部分热量。通常除尘器前每个烟气流道的低温省煤器均为相同的换热面积和换热能力。如果烟气温度偏差大，则造成有的流道烟气温度低于原设计值，有的流道烟气温度高于原设计值。烟气温度低于低温省煤器入口烟气温度设计值的情况下，则该流道的低温省煤器换热面积就过剩，造成浪费，如果烟气温度与低温省煤器出口烟气温度的设计值相当，则这个流道上的低温省煤器就无法投入运行，即增加了烟气阻力，还没有取得热量上的经济效益。烟气温度高于低温省煤器入口烟气温度设计值的情况下，则该流道的低温省煤器换热面积就会不足，虽然低温省煤器选型时会有一些裕量，但如果烟气温度超过设计值太多，则低温省煤器出口的烟气温度将无法降低到设计的低温省煤器出口烟气温度，造成热量的浪费。

每个通道上的低温省煤器换热面积等均相同，入口烟气温度不同，为了达到相同的出口烟气温度，则每台低温省煤器的凝结水流量就要不同，每个低温省煤器水管路上还要设置调节阀，给运行调节带来困难。

低温省煤器入口的温度有偏差，而低温省煤器出口的温度是一样的，这就会加剧每个通道的实际烟气量偏差，造成除尘器各通道内烟气量的偏差，对除尘效果造成一定影响。

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括均温领域。

因此，针对上述的缺陷，本专利提出了一种设置热管均温装置的烟道分配器的锅炉系统，同时提供了一种新的烟道分配器。旨在通过对L形烟道分配器结构进行改进，以达到分配器出口烟气温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。本发明主要是对内部换热情况进行了优化计算。

发明内容

本发明的主要目的之一是提供一种设置烟道分配器的锅炉系统，该系统通过对L形烟道分配器结构进行改进，以达到分配器出口烟气温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种烟道分配器热管均温的换热计算方法，所述烟道分配器是L形，分配器包括竖直部分和水平部分，竖直部分位于上游，水平部分位于下游，竖直部分设置热管，所述热管从竖直部分的一个侧壁底部向竖直部分的另一个侧壁延伸，烟道分配器内部分热管换热满足如下要求：

其中，n表示热管数，t表示温度，h表示表面传热系数，x表示距热管底部的距离，L表示热管长度，

表示导热系数，

表示平均来流速度，

表示流体密度，

表示流体粘度，cp表示流体比热，d表示热管外径。下标x表示当地数值，f表示流体，w表示壁面，0表示热管热端，l表示热管冷端，

表示热管的等效导热系数。

作为优选，其中热管的蒸发端设置在竖直部分的一个侧壁上，热管的冷凝端设置在竖直部分的另一个侧壁上，其中热管蒸发端的烟气温度高于热管冷凝端的烟气温度。

作为优选，所述热管倾斜延伸，从热管的蒸发端向冷凝端倾斜向上延伸。

作为优选，竖直部分内部设置导流板，导流板设置在热管上部，导流板分为两排，每排的相邻的导流板之间设置间隔；第一排从竖直部分的一个侧壁向内部延伸，第二排从竖直部分的另一侧向内部延伸，第一排导流板之间的间隔与第二排的导流板相对，第二排导流板之间的间隔与第一排的导流板相对。

作为优选，所述的竖直部分与水平部分都是矩形横截面。

作为优选，导流板是圆弧形。

作为优选，两个侧壁顶端的连线与导流板两个端点的连线形成的弦倾角θ，导流板远离侧壁的另一端的切线与导流板两个端点的连线形成的弦切角φ，竖直部分高度为H，两个导流板的交点距离水平部分上端面的距离为空余段h；两侧壁之间的距离为L；

h<1/3H，计算公式如下：

弦倾角θ=30~60°。

作为优选，导流板的弦倾角θ=45~60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明提供了一种新的L形烟道分配器，通过在烟道分配器中设置热管，对热管的换热情况提出了新的计算方法，实现分配器出口烟气温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

2）本发明对烟道分配器的热管的换热情况进行计算和优化，以达到最优的出口烟气均温效果。

附图说明

图1为锅炉系统的结构示意图；

图2为背景技术的L形烟道分配器的结构示意图；

图3为本申请的设置热管的L形烟道分配器的结构示意图；

图4为本申请的设置导流板L形烟道分配器的结构示意图；

图5为本申请的L形烟道分配器的主视图；

图6为本申请的L形烟道分配器的俯视图；

图7为本申请的L形烟道分配器的左视图；

图8为本申请的L形烟道分配器的立视图；

图9为本申请的L形烟道分配器的参数示意图；

图10为本申请的设置热管和导流板的L形烟道分配器的结构示意图；

图11、12为本申请的设置热管和导流板的L形烟道分配器的尺寸示意图；

图13、14为本申请的设置热管和的L形烟道分配器的尺寸示意图。

附图标记如下：

1-灰斗连接法兰；2-上护板；3-下护板；4-底护板；5-灰斗接口；6-烟道出口护板；7-烟道出口法兰；8-导流板；9-构架；10-烟道出口支撑桁架；11，12-水平力斜拉撑；13~16-立柱；17,18-支撑；19方形人孔；20-钢板；21~25角钢；26-细灰插板门；27-H型材；28-钢板；29~32-H型材；33-非金属膨胀节；34锅炉，35空气预热器，36省煤器，37除尘器，L形烟气分配器38，39热管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1公开了锅炉系统的结构示意图。如图1所示，所述锅炉系统包括锅炉34，所述锅炉34顶部设置烟气出口，烟气出口连接烟道，烟道内依次设置空气预热器35、省煤器36和除尘器37，其中空气预热器35和省煤器36之间设置L形烟气分配器38。

运行中，煤粉在炉膛中燃烧产生烟气，烟气流经水冷壁和过热器后进入空气预热器35，在空气预热器35中加热一次风和二次风后进入L型烟气分配器38，在L型烟气分配器38中出来的烟气分为多路（优选三路），分别进入多个（优选三个）低温省煤器36，在省煤器36中加热锅炉回水后，烟气分别进入除尘器37除尘，除尘后的烟气经烟囱排放。

如图2、3所示，L形烟道分配器38包括竖直部分381和水平部分382，竖直部分381位于上游，水平部分382位于下游，竖直部分的上部是烟气入口，水平部分的末端是烟气出口，所述烟气出口是多个（优选为3个），每个烟气出口分别连接一个省煤器36。如图2所示，因为烟道中的不同位置烟气温度不同，导致在L型烟气分配器尾部连接的三个烟气通道中存在烟气温度分布不均匀问题，如图2所示，烟气出口1和烟气出口3的温差可达60℃。

在下面的说明书中，如果没有特殊说明，则竖直部分的高度方向为上下方向，烟气出口的方向为左方，与烟气出口方向相对的为右方，垂至于烟气出口方向的为前后方向。

本发明所涉及的设备是L型烟气分配器。作为一个改进，如图3所示，竖直部分381设置热管39，所述热管39从竖直部分的一个侧壁底部向竖直部分的另一个侧壁延伸，其中热管的蒸发端391设置在竖直部分的一个侧壁底部，热管的冷凝端392设置在竖直部分的另一个侧壁，其中热管蒸发端的烟气温度高于热管冷凝端的烟气温度。

本发明通过设置热管，使得进入L形分配器的烟气高温的热量通过热管传递给低温部分，使得整个烟气分配器中的热管的热量整体保持温度均匀，从而实现烟气的温度均匀，避免出口烟气不均导致的问题，使得不同位置的烟气出口的烟气温度保持均衡。

作为优选，所述热管倾斜延伸，从热管的蒸发端向冷凝端倾斜向上延伸。通过倾斜设置，使得热管能够及时的回流冷凝液体，达到快速传热。

作为优选，冷凝端设置在另一个侧壁的中部以上的位置。

作为优选，冷凝端设置在另一个侧壁的四分之三高度以上的位置。

通过冷凝端的设置位置，能够使得烟气温度分配更加均匀。

本发明还对上述结构进行了进一步的研究，研究了上述结构的换热情况。

作为优选，烟道分配器内部分换热满足如下要求：

其中，n表示热管数，t表示温度，h表示表面传热系数，x表示距热管底部的距离，L表示热管长度，

表示导热系数，

表示平均来流速度，

表示流体密度，

表示流体粘度，cp表示流体比热，d表示热管外径。下标x表示当地数值，f表示流体，w表示壁面，0表示热管热端，1表示热管冷端。

表示热管的等效导热系数。第一个积分为沿着热管轴向方向，热管与烟气换热总量。因为热管起到中间换热作用，无法将烟气热能转移，所以热管表面的换热总量为0，符合能量守恒。

通过上述公式的组合，可以计算得出相关的参数，例如热管数量，奴赛尔数等。

由上述各式可以预估此类结构的换热性能以及预估是否达到温度均匀要求。

上述的结构换热公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最优的换热公式，并不是本领域的公知常识。

本发明所涉及的设备是L型烟气分配器。作为一个改进，如图4所示，在竖直部分381内部设置导流板8，优选导流板8设置在热管的上部，所述导流板8设置为多块，所述导流板为至少两块以上，导流板分为两排，每排的相邻的导流板之间设置间隔；第一排从竖直部分的一个侧壁向内部延伸，第二排从竖直部分的另一侧向内部延伸，第一排导流板之间的间隔与第二排的导流板相对，第二排导流板之间的间隔与第一排的导流板相对。

本发明通过导流板和热管的双重合作，使得换热更加均匀。

如图4和图8所示，第一排导流板设置在前方的侧壁左侧或者右侧，第二排导流板设置与前方侧壁行对应的后方侧壁的右侧或者左侧，从而实现错开布置。

本发明通过设置两排弧形导流板，使得进入L形分配器的烟气一部分沿着弧形导流板流动引导至相反的方向，在间隔位置处与另一侧的烟气充分混合，优选再结合热管的设置，从而实现烟气的温度均匀，避免出口烟气不均导致的问题。

作为优选，导流板是弧形结构。

作为优选，从竖直部分上部向下看（高度方向上俯视），在平面投影上每块导流板在侧壁相连的连接宽度是侧壁宽度W的50%。

作为优选，从竖直部分上部向下看（高度方向上俯视），在平面投影上每块导流板从侧壁向竖直部分内部延伸的长度是两个侧壁之间距离L的50％。

通过上述的尺寸设计，一方面能够尽量多的在空间内分配导流板，实现温度的充分均匀，而且还可以避免烟气流动中出现短路现象，防止烟气从一个方向流出，能够使得烟气混合达到最优结构。

作为优选，导流板与侧壁连接的位置设置在侧边的最上端。通过设置在最上端，使得竖直部分内部空间足够大以满足充分混合均匀。

作为优选，所述的竖直部分381与水平部分382都是矩形横截面。

作为优选，导流板是圆弧形。

两个侧壁顶端的连线与导流板8两个端点的连线形成的弦倾角θ，导流板8远离侧壁的另一端的切线与导流板8两个端点的连线形成的弦切角φ，竖直部分381高度为H（竖直部分最上端距离水平部分上端面），两个导流板8的交点距离水平部分上端面的距离为空余段h；两侧壁之间的距离为L。

通过大量的数值模拟和实验研究发现，导流板8的布置方式应综合考虑分流、混合、阻力、振动、排灰等。导流板8弦倾角θ不宜太小，否则导流板表面静压力和动压力较高，流阻增大，不宜太大，否则占据空间太大，结构尺寸复杂；倾角较小，灰颗粒不宜从板表面滑落，导流板上表面积灰严重，使得导流板难以支撑。导流板弦切角φ不宜太高，同样不利于排灰。空余段h不宜太小，否则靠近灰斗处局部流速过高，不利于灰斗排灰。

作为优选，空间布置允许条件下， h≥1/3H，φ≤20°，圆弧形导流板半径可按下式计算：

作为优选，导流板8的弦倾角θ=45~60°。

若难以满足h≥1/3H条件，即h<1/3H，则采用h计算导流板半径，计算公式如下：

作为优选，导流板8的弦倾角θ=30~60°，进一步优选θ=45~60°。

当θ等于或者低于30°时，宜采用直板。

为防止导流板的振动，作为优选，导流板的厚度不宜低于5mm。

通过上述的导流板半径R的设计，能够使得在满足换热和排烟要求情况下是，烟道分配器的烟气的温度达到最佳的均温效果。

导流板采用支撑杆支撑，支撑杆优选外径不小于38mm，内径不小于4mm。横向支撑杆布置在导流板的背风侧，布置数量与间距与L型烟气分配器外部H型加强筋相同，齐缝焊接。纵向支撑杆穿透导流板，并周向焊接在导流板上。纵向支撑杆与横向支撑撑杆焊接。纵向支撑杆在长度方向的间距与横向支撑杆相同，在宽度方向间距不宜高于W/8。

运行中，锅炉34中产生的烟气进入空气预热器35，加热一次风和二次风后进入L型烟气分配器38。L型烟气分配器38的灰斗连接法兰1连接空预器出口的非金属补偿器，上护板2用于加固上部烟道的壁板，下护板3用于加固下部烟道的壁板，底护板4用于加固烟道底部的壁板，灰斗接口5用于底部积灰的排放和空预器冲洗水的排放，烟道出口护板6用于加固烟道出口的水平烟道壁板，烟道出口法兰7用于与后续其它部件的连接，导流板8用于烟气的导流，烟道出口支撑桁架10用于出口烟道的加固，水平力斜拉撑11和12用于稳定整个烟道部件，立柱13~16用于支撑垂直烟道，支撑17和18用于支撑水平烟道，方形人孔19用于检修人员进出烟道内部，钢板20用于支架的加固，角钢21~25用于烟道内部支撑桁架的防磨，细灰插板门26用于控制灰斗底部的放灰，H型材27用于限位支吊架的制作，钢板28用于限位支吊架的制作，H型材29~32用于限位支吊架的制作。L型烟气分配器38通过非金属膨胀节33与省煤器36相连接，烟气流经省煤器36加热回水后进入除尘器37。

作为优选，对设置导流板以及热管共同结构的换热情况进行了研究，研究了上述结构下的热管的换热情况。

其中，n表示热管数，t表示温度，h表示表面传热系数，x表示距热管底部的距离，L表示热管长度，

表示导热系数，

表示来流速度，

表示流体密度，

表示流体粘度，cp表示流体比热，d表示热管外径。下标x表示当地数值，f表示流体，w表示壁面，0表示热管热端，l表示热管冷端。

表示热管的等效导热系数。

第一个积分为沿着热管轴向方向，热管与烟气换热总量。因为热管起到中间换热作用，无法将烟气热能转移，所以热管表面的换热总量为0，符合能量守恒。

通过上述公式的组合，可以计算得出相关的参数，例如热管数量，奴赛尔数等。

由上述各式可以预估此类结构的换热性能以及预估是否达到温度均匀要求。

上述的结构换热公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最优的换热公式，并不是本领域的公知常识。

作为一个改进，本申请还对热管结构进行了改进和优化。

热管与水平面的倾斜角为а。通过大量的数值模拟和实验研究发现，热管39的布置方式应综合考虑分流、混合、阻力、振动、排灰等。热管的管间距S不能太小，否则会导致流动阻力太大，也容易产生积灰，也不能太大，太大会导致均温效果变差，热管的管径d也不能太大或者太小，也会导致传热效果的变差或者流动阻力的变差，热管的倾斜а不能太大或者太小，太大导致热管太长，太小导致热管的回流效果变差，换热效果变差。

因此本申请对上述热管的参数进行了优化，在满足换热效果的同时，提出了一个最佳的设计方案。

作为优选，倾斜角а、管径d以及管间距S的关系如下：

Sin(а)= b*(d/s)-f*(d/S)²-c ，其中b，c，f是参数，

其中2.9315<f<2.9320,3.7648<b<3.7653,0.1820<c<0.1825；

作为优选，f=2.9318,b=3.765,c=0.1822；

作为优选，倾斜角а为25-75°。

作为优选，计算的倾斜角小于25°时，或者Sin(а)<0时，选取25°，计算的倾斜角大于75°或者Sin(а)>1时，选取75°。

作为优选，0.187<d/S<0.51；

作为优选，单根热管功率800-1200w；

作为优选，15<d<40mm；

作为优选，L=6000-10000mm

相邻热管中心间距80<s<130mm。

由上述各式可以进行热管的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种烟道分配器热管均温的换热计算方法，所述烟道分配器是L形，分配器包括竖直部分和水平部分，竖直部分位于上游，水平部分位于下游，竖直部分设置热管，所述热管从竖直部分的一个侧壁底部向竖直部分的另一个侧壁延伸，烟道分配器内部分热管换热满足如下要求：

其中，n表示热管数，t表示温度，h表示表面传热系数，x表示距热管底部的距离，L表示热管长度，

表示导热系数，

表示平均来流速度，

表示流体密度，

表示流体粘度，cp表示流体比热，d表示热管外径；下标x表示当地数值，f表示流体，w表示壁面，0表示热管热端，l表示热管冷端，

表示热管的等效导热系数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中热管的蒸发端设置在竖直部分的一个侧壁上，热管的冷凝端设置在竖直部分的另一个侧壁上，其中热管蒸发端的烟气温度高于热管冷凝端的烟气温度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热管倾斜延伸，从热管的蒸发端向冷凝端倾斜向上延伸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，单根热管功率800-1200w。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热管倾斜角а为25-75°。

6.一种烟道分配器热管系统，所述热管从竖直部分的一个侧壁底部向竖直部分的另一个侧壁延伸，其中热管的蒸发端设置在竖直部分的一个侧壁底部。

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