CN2539121Y - 柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置 - Google Patents

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李润成
林荣生
张继辉
谷枫
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中国人民解放军第二炮兵第一研究所
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Abstract

本实用新型涉及一种柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其包括一个一级冷却结构和至少一个二级冷却结构,其中所述的一级冷却结构串联于所述的二级冷却结构;所述的一级冷却结构为具有壳体的翅片管束式热交换器,所述的二级冷却结构为具有壳体的U形管式热交换器。该冷却装置能满足对高温气体冷却的技术指标要求,同时也减小了冷却器的体积。

Description

柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置
技术领域
本实用新型涉及的是柴油发电机组的冷却装置,尤其涉及一种柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置。
本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的,本实用新型的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置包括一个一级冷却结构和至少一个二级冷却结构,其中所述的一级冷却结构串联于所述的二级冷却结构;所述的一级冷却结构为具有壳体的翅片管束式热交换器,所述的二级冷却结构为具有壳体的U形管式热交换器。
具有壳体的翅片管束式热交换器的一级冷却结构包括用于与柴油机排烟管连接的进气口和用于烟气排除的出气口,用于接入冷却水的进水管,用于排除冷却水的出水管,在壳体内有叠置的水管,水管的一端连接进水管,而另一端连接出水管,所述的叠置的水管包括有翅片管和光管。
在一级冷却结构的壳体内还设有用于高温烟气隔热的保温板。
在一级冷却结构的壳体内还设有使进入的烟气均匀分布的气体分布器。
具有壳体的U形管式热交换器的二级冷却结构包括同所述一级冷却结构的出气口相连通的烟气进口,一个烟气出气口,用于气体排放口,用于冷凝水排放口,冷却水进口和冷却水出口,在壳体内设置有U形管。
在二级冷却结构中还包括有用于支撑U形管的支撑件。
在二级冷却结构中还包括有用于冷却水进、出分配的管箱。
在二级冷却结构中还包括有使进入的烟气均匀分布的防冲板。
在二级冷却结构中还包括有封头、支腿和连接元件。
本实用新型的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置还可再串联一个二级冷却结构。
下面具体描述本实用新型冷却装置构成结构和形成机理,本实用新型的冷却装置采用了“模块式分级冷却”的结构,有两种基本结构形式,一级设计成一种结构,二级以后设计成另一种结构形式(同时考虑换热性能要求),这是因为将高于520℃的烟气冷却至35℃以下将会有相当数量的水蒸气凝结为冷凝水析出,计算表明冷凝潜热约占总热负荷的1/6左右,因此将冷却任务分成两段。第一段仅有传热过程而无相变,第二段传热与相变两个过程相伴。由于过程机理不同,采用的设备型式也有差异。在工程上还要考虑,当气体总体温度大于50℃时,由于传热壁面温度较低,仍有可能产生少量冷凝液。因此两段冷却的分界温度要高于50℃,而选择在90℃~150℃间。将分界温度提高的另一个好处就是减少两段热负荷差,使一段冷却器尺寸不至于过大,而二段冷却器不过小。在具体设计中,又将第二段冷却分在两个串联的热交换器中进行。这主要是考虑柴油发动机在运行中,其负荷与环境条件均会发生变化。当柴油发动机输出功率小于额定值时,其排气温度降低。当环境温度和相对湿度下降时,烟气中水蒸气含量减少,也会导致烟气冷却系统热负荷减轻。在这种条件下,若第二段分为两台设备,就有只使用其中一台的可能性。因此,在设计中采用了三级串联的形式。即一级(一段)冷却器H01,二级冷却器H02a以及三级冷却器H02b,并允许根据实际情况可采用H01及H02a两级串联流程。
一级冷却器结构一级冷却器结构采用具有长方形壳体的翅片管束式热交换器。
热交换器类型很多,大体上可以分为三类,即:直接接触式、间壁式与回(蓄)热式。其中直接接触式与回热式热交换器不能避免冷热介质直接接触,势必引起烟气被冷凝水“增湿”的问题,不适合本任务要求。在间壁式热交换器中又有众多形式,例如板式、螺旋板式、板翅式、套管式、管束式(包括管壳式)等等。其中板翅式热交换器单位体积提供的热交换面积和传热系数均较高,是一种比较先进的热交换器型式。但它的留道窄小,只适用于十分洁净又几乎完全不结垢的流体,且一股流体流量大于另一股流体数百倍的(见后)场合,亦非合适的选型。套管式热交换器传热效率很低,体积庞大,占地面积和重量也比其它型式热交换器大的多,加之外隔热面积也大得惊人,故也不适合于本设计要求。最后从几个方面的因素考虑,采用具有长方形壳体的翅片管束式热交换器。
(1)在此,烟气体积流量为7000m3/h,而冷却水量最大仅有25~30m3/h,两者相差200~250倍,若选用管束式,可以将冷却水安排在管内,并将管侧设计为多程以保证流速足够大,以获得较高的传热系数。而气体在管外空间横掠管束,其流量面积比管内大的多,可以避免流速过高而使阻力降过大,也可防止气流过渡冲刷管束引起振动。
(2)两侧介质物性迥然不同。气体在来气温度下的密度为0.45kg/m3,其普朗特准数(一个由物性决定的无量纲数群,是确定传热效率的重要因素)Pr≈0.71。一般为了不使阻力降过大和避免振动,使气体流速限制在8-15m/s以下(质量流速2.5~5kg/m2s以下)。在这一条件下,其雷诺准数(一个表征流动状态的无量纲数群)Re一般在1500-4000范围内。单侧热系数h一般与Re0.6~0.8及Pr0.3~0.4成正比.其结果,在低压下气侧只能实现h≈20~80w/m2c的传热系数。冷却水的密度接近1000kg/m3,Pr值随温度变化在4.0~6.0范围内,水速可取0.5~1.0m/s(或500~1000kg/m2s),因而其Re大于10000,可以到20000~30000间,其单侧热系数一般在2000~4000w/m2c间。
一侧给热系数高而另一侧很低,相差约100倍。其结果因总传热系数受热阻大(给热系数低)的一侧控制。其结果整台热交换器只能实现很低的总传热系数。这使得间壁(传热表面)材料的利用率很低,对于这种情况,一种较好的对策是将给热系数低的一侧做成带有扩展表面的形式。在本设计中,采用翅片外径φ52mm,翅片内径等于管子外径为φ32mm,翅片厚度1.5mm,每米管子160翅片,其结果管外总传热面积(翅片表面与管子上无翅片部分的外表面积)为光管外表面的约5.5倍。这相当于将管外给热系数提高好几倍。
在带有外壳的管束式热交换器中,有固定管板式、U型管式、浮头式等多种形式。考虑到两侧介质温差很大,必须避免管束与壳体因温差而产生的热应力,故不能采用固定管板式。又考虑到气体流量与冷却水流量倍数较大,将热交换器壳休设计为长方形,可以提供较圆形壳体更大的壳侧通流面积,而可以比较方便的实现气体流动方向与管束垂直(即气流横掠管束),有利于提高气侧给热系数,减少气侧阻力损失。正好气侧压力很低,允许将壳体制成长方形。
二级冷却器结构二级冷却器结构采用传统的管(U形管式)壳式热交换器烟气在二、三级冷却器中会产生大量冷凝液。冷凝液由于会与金属表面之间存在附着力,且其自身有表面张力会存留于翅片之间的空间使有效传热面积减少。所以二、三级冷却器不采用翅片管而仍采用光管。冷凝液在光管外表面形成后,由于重力的作用易于滴落。由于传热伴随有相变过程,其气侧表面给热系数大于一级。又由于进入二、三级的烟气的温度已大大低于进入一级冷却器的烟气,其体积流量已大为减少。所以二、三级冷却器选择管壳式。传统的管壳式热交换器具有结构、尺寸、材料选择灵活性大,容易满足工艺条件要求,加工、维修简单方便,成本低,运行可靠等一系列优点,广泛应用在化学工业中,其工艺计算及强度与结构设计均比较成熟。
二级冷却器在运行中,管束材料与壳体材料之间存在一定的温差,为了避免过大的热应力,采用U形管式而不用固定管板式。
冷却器主要技术参数(1)一级冷却器(H01):外形尺寸mm3:2000×1000×400换热面积:90.51m2(2)二、三级冷却器(H02a、H02b):外形尺寸mm3:Φ700×2817换热面积:40m2(3)冷却器能力:对520℃时,7000m3/h的烟量采用2级流程时,烟气冷却至≤42℃采用3级流程时,烟气冷却至≤35℃(4)系统阻力:气路≤0.038×105Pa;水路≤0.45×105Pa(采用2级流程时≤0.35×105Pa);
参看附图1至4,本实用新型的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置包括一个一级冷却结构(如图1和2所示)和至少一个二级冷却结构(如图3和4所示),其中所述的一级冷却结构串联于所述的二级冷却结构;所述的一级冷却结构为具有壳体1的翅片管束式热交换器,所述的二级冷却结构为具有壳体2的U形管式热交换器。
具有壳体1的翅片管束式热交换器的一级冷却结构包括用于与柴油机排烟管连接的进气口11和用于烟气排除的出气口12,用于接入冷却水的进水管13,用于排除冷却水的出水管14,在壳体1内有叠置的水管,该水管的一端连接进水管13,而另一端连接出水管14,所述的叠置的水管包括有翅片管15和光管16。
在一级冷却结构的壳体1内还设有用于高温烟气隔热的保温板17。
在一级冷却结构的壳体1内还设有使进入的烟气均匀分布的气体分布器18。
具有壳体2的U形管式热交换器的二级冷却结构包括同所述一级冷却结构的出气口12相连通的烟气进口21,一个烟气出气口22,用于气体排放口23,用于冷凝水排放口24,冷却水进口25和冷却水出口26,在壳体内设置有U形管27。
在二级冷却结构中还包括有用于支撑U形管的支撑件28。
在二级冷却结构中还包括有用于冷却水进、出分配的管箱29。
在二级冷却结构中还包括有使进入的烟气均匀分布的防冲板221。
在二级冷却结构中还包括有封头222、支腿223和连接元件224。
本实用新型的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置还可再串联一个二级冷却结构。

Claims (9)

1.一种柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于它包括一个一级冷却结构和至少一个二级冷却结构,其中所述的一级冷却结构串联于所述的二级冷却结构;所述的一级冷却结构为具有壳体的翅片管束式热交换器,所述的二级冷却结构为具有壳体的U形管式热交换器。
2.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于所示的具有壳体的翅片管束式热交换器的一级冷却结构包括用于与柴油机排烟管连接的进气口和用于烟气排除的出气口,用于接入冷却水的进水管,用于排除冷却水的出水管,在壳体内有叠置的水管,水管的一端连接进水管,而另一端连接出水管,所述的叠置的水管包括有翅片管和光管。
3.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模决式分级冷却装置,其特征在于在一级冷却结构的壳体内还设有用于高温烟气隔热的保温板。
4.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于在一级冷却结构的壳体内还设有使进入的烟气均匀分布的气体分布器。
5.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于具有壳体的U形管式热交换器的二级冷却结构包括同所述一级冷却结构的出气口相连通的烟气进口,一个烟气出气口,用于气体排放口,用于冷凝水排放口,冷却水进口和冷却水出口,在壳体内设置有U形管。
6.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于在二级冷却结构中还包括有用于支撑U形管的支撑件。
7.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于在二级冷却结构中还包括有用于冷却水进、出分配的管箱。
8.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于在二级冷却结构中还包括有使进入的烟气均匀分布的防冲板。
9.根据权利要求1所示的柴油发电机组尾气模块式分级冷却装置,其特征在于在一个二级冷却结构之后还可再串联一个二级冷却结构。
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