加热炉空气预热器设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

1前言

空气预热器的应用在低温余热回收系统中不可或缺。常规应用比较多的换热器有螺纹管预热器，热管空气预热器，搪瓷管换热器等，它们都有各自的优点。螺纹管预热器可以有效提高换热管的工作壁温[1]；热管空气预热器可以有效减轻锅炉的低温腐蚀,降低排烟温度,提高锅炉效率[2]；搪瓷管换热器具有优良的耐酸碱性，耐热震性，耐磨性以及良好的导热性[3]。针对上述现有技术的优点而整合研发一种可长周期运行、使用寿命长、换热效率高的高效组合式空气预热器。

2低温余热回收

2.1余热

余热是工业企业在生产过程中，由各种热能转换设备、用能设备和化学反应设备中产生而未被用尽的能量资源，其数量十分可观。而占总余热2/3的低温余热，由于其品位低而难以被利用[4]。

2.2余热回收装置

余热典型的载体之一就是来自加热炉中的烟气，在低温余热回收领域，国内绝大部分企业使用空气预热器来回收低温余热。

换热器中常见的导热元件是：热管、内螺纹管、搪瓷螺旋槽管等[5]。

热管是20世纪60年代发展起来的具有极高导热性能的传热元件,导热系数非常大,本文在对热管传热机理研究的基础上,通过对热管式空气预热器在换热过程中热量、阻力、温度等传递过程的设计计算,制作了用于烟气回收的热管式空气预热器,通过实际使用验证了性能的可靠性和结构的可行性[6]。

内螺纹管由普通光管冷轧成形,一般通过液轧、冷加工的方法制成。它是一种外凹内凸的螺旋形异形管(如图1所示)。制造工艺简单方便,费用低廉。螺纹管外凹内凸的结构,使它能同时提高管内外侧的传热系数,尤以管内侧更显著。实际试验表明,在相同条件下,其内侧传热系数可以达到光管的2倍,这对提高管壁温度是十分有利的[7]。

搪瓷螺旋槽管因其具有耐腐蚀、耐磨损、表面光滑、抗污染性强、不易粘附物料和与金属隔离等特点,在石油化工行业中被广泛应用。搪瓷换热管除具有较好的热传导能力外,也特别适合于耐温、耐压、防污、防粘的热交换过程[8]。

3组合式空气预热器

3.1定义

空气预热器是利用烟气余热来提高进入炉膛的空气温度的设备，属换热设备[9]。组合式空气预热器，即是由螺纹管预热器，热管空气预热器，搪瓷管换热器分段组成的新型空气预热器。

3.2导热元件基本结构及工作原理

3.2.1热管结构及工作原理：

在一个密闭的高度真空的管子（金属管）中，靠近管子内壁，贴装以某种毛细结构（吸液芯），再装入某种工作物质（工质），即成热管[10]。

图1、热管结构示意图

工作时，管的一端从热源吸热，使工质蒸发、汽化，如图1所示。蒸汽流往另一端，该端向冷源放热，蒸汽冷凝液化。凝液借助毛细压力的作用，流回蒸发端，完成工质的自动循环。在物质循环过程中，同时进行热量的传输。热管可以被分为三区段：蒸发段、绝热输送段和冷凝段。

3.2.2内螺纹管管结构及工作原理：

内螺纹管是一种管壁上具有外凸和内凸的螺旋形异形管[11],如图2所示。

图2、螺旋管结构示意图

工作时，内螺纹管使冷凝液膜产生附加的表面张力场，使平均冷凝液膜减薄，减少了冷凝传热热阻所致。因此它可以通过提高传热速率来提高设备的传热能力；以及通过减少传热温差，去减少有效能损失；通过减少传热面积和泵的功率消耗，去减少设备投资和操作费用[12]。总之可以通过某项综合的技术经济指标的最优化，使用相应的螺旋槽管，设计成性能优异的高效换热器。

3.2.3搪瓷螺旋管

在螺旋槽管的外表面、内表面或内外表面搪工业瓷釉（工业搪瓷），即成为搪瓷螺旋槽管。搪瓷螺旋槽管表面的瓷釉具有良好的电绝缘性,而且减小化学吸附对换热管的氧化腐蚀,使搪瓷换热管表面不粘接物料,既提高了换热效率,也延长了换热器的使用寿命。

炼油厂或热电厂的加热炉的大量烟气,特别是含硫较高燃料油烟气,对炉管和烟道都会产生严重的腐蚀，降低设备的使用寿命。用碳素钢制造的换热器管束在没有工艺防腐蚀的条件下腐蚀速率高达5~15mm/a。搪瓷管换热器,正是结合目前石化生产装置的工艺要求和高硫原油加工量逐渐增大、炼油装置设备腐蚀加剧的具体情况,而开发的经济可靠且用途广泛的防腐蚀换热设备[13]。搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属基材表面，经过高温烧结，瓷釉与金属之间发生物理化学反应而牢固结合，在整体上具有金属的力学强度，并以无机物成分组成的涂层来提高表面质量保护金属表面,搪瓷管换热器由于具有优良的耐酸碱性、衬热震性、耐磨性以及良好的导热性,在石油化工行业的应用越来越广泛。

3.3组合式空气预热器的基本结构、工作过程、作用、优点

3.3.1基本结构

图3、组合式空气预热器结构示意图

基本结构示意图如图3所示，它包括烟气通道和空气通道，其特征是高温烟气通道与冷空气通道是由高温区换热器、中温区换热器和低温区换热器组合连接而成，其中高温区换热器为螺旋槽管式荆棘扰流换热器，中温区换热器为热管式换热器，低温区换热器为搪瓷螺旋槽管式换热器，并在螺旋槽管式荆棘扰流换热器和搪瓷螺旋槽管式换热器的管内安装了荆棘，以加强换热。

3.3.2工作过程

组合式空气预热器工作过程为：

高温烟气→烟气进口→高温区换热器（螺旋槽管荆棘扰流子空气预热器）→中温区换热器热管式换热器→低温区换热器搪瓷（螺旋槽管荆棘扰流子空气预热器）→烟气排出口至烟囱排出。

冷空气→空气进口→低温区换热器低温区换热器搪瓷（螺旋槽管荆棘扰流子空气预热器）→中温区换热器热管式换热器→高温区换热器（螺旋槽管荆棘扰流子空气预热器）→从热空气出口至加热炉助燃[14]。

3.3.3组合式空气预热器有如下作用：

（1）改善并强化燃烧

当经过预热器后的热空气进入炉内后，加速了燃料的干燥、着火和燃烧过程，保证炉内稳定燃烧，起着改善、强化燃烧的作用。

（2）强化传热

由于炉内燃烧得到改善和强化，加上进入炉内的热风温度提高，炉内平均温度水平也有提高，从而可强化炉内辐射传热。

（3）结构紧凑,布置方便,换热效果好[15]

一方面，由于炉内燃烧稳定，辐射热交换得到强化，因而可以降低化学不完全燃烧损失；另一方面，空气预热器利用烟气余热，进一步降低排烟温度，因此，提高了加热炉效率及能源利用率。

3.3.4组合式空气预热器的优点

（1）高导热性

热管实现热量的热量传递是借助于饱和工质的汽化和冷凝，这是一种潜热交换过程，不仅换热强度大，而且换热量也可以很大。

（2）工作等温

由于热管内腔的蒸汽状态饱和，在一定压力下，饱和蒸汽温度对应饱和压力，而管内压力梯度很小，故几乎没有温差产生，可以等温工作[16]。

（3）热流密度大

热管可以根据需要把集中的热量加以分散，反之亦可以把分散的热量加以集中，即可以达到很高的热流密度。

（4）相比光管，螺纹管外表面增加2.5倍以上，强化冷凝效果显著，给热系数可提高一倍以上[17]。

（5）采用螺纹管换热使总传热系数提高30%以上，且具有良好的抗腐蚀和抗垢性能[18]。

（6）螺纹管换热器耐腐蚀寿命长,不积灰不堵灰,可以防止露点腐蚀[19]。

（7）热管式换热器具有传热量大．温度均匀、结构简单、工作可靠的优点[20]。

4、综述:

大型加热炉，其操作负荷大，工况变化大。焦化炉尾部对流段，要求空气预热器操作弹性大，才能确保设备长周期安全运行。

组合式空气预热器将热管式空气预热器与采用高效传热元件的列管式空气预热器组合起来，克服了目前各种换热器的管内换热系数小、强化换热不足等问题，并解决了露点腐蚀和高温易损坏的缺陷，完美的实现了设备的高效长周期安全运行。

5参考文献：

[1]柳志情胡达姚伟文应用螺纹管解决锅炉空气预热器低温腐蚀的改造技术南京电力专科学校1992

[2]李永华热管空气预热器应用研究华北电力大学河北保定2004

[3]莫广文搪瓷管换热器的工业应用石油化工腐蚀与防护2007

[4]葛霖筑炉手册.北京：冶金工业出版社1994

[5]蔡建国周永传轻化工设备设计北京：化学工业出版社2006-10

[6]姚强热管式空气预热器的设计与应用华东理工大学2012

[7]陈慧雁热管和内螺纹管在低温空气预热器中的应用浙江大学机械与能源工程学院2003

[8]莫广文搪瓷管换热器的工业应用石油化工腐蚀与防护2007

[9]李洪斌杨先热超导体-热管技术的原理及应用现代物理知识

[10]钱颂文朱冬生李庆领杨丽明管式换热器强化传热技术北京：化学工出版社2003-04

[11]陈慧雁姚斌热管和内螺纹管在低温空气预热器中的应用浙江大学机械与能源工程学院2003

[12]徐奇焕杨子临螺旋槽管强化传热在锅炉空气预热器上的应用水利电力机械

[13]曹玉荣韩瑞香搪瓷双螺纹管空气预热器的设计及应用节能与环保2002-11

[14]柳尚熙杨学忠马飞组合式空气预热器简介专利产品2007-03

[15]张清蕴热管空气预热器设计、运行中的几个问题中国石化天津分公司乙烯事业部天津2006

[16]李科群周超罗行热管式空气预热器的设计化工进展2006-01

[17]傅松于淑梅螺旋槽管在空气预热器改造中的应用工程技术2001-12

[18]张斌孙志坚赵辉内螺纹管空气预热器的设计和优化能源工程2003-02

[19]李之光戴桂荣朱开城内螺纹外肋片新型铸铁空气预热器的论述与计算方法京之光锅炉研究所1995

[20]钱家麟管式加热炉（第二册）中国石化出版社

[21]K.HanjalicY.NaganoM.Tummers.2003.Numericalstudyofheatandflowinaplate-finheatexchangerwithvortexgenerators.

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[23]MathioulakisE,BelessiotisV.Anewheatpipesolardomestichotwatersystem.SolarEnergy2002;72:1320.

[24]SmirnowHF,KosoyBV.Refrigeratingheatpipes.ApplThermalEng2001;21:6314.

[25]TanBK,HuangXY,WongTN,OoiKT.Astudyofmultipleheatsourcesonaflatplateheatpipeusingapointsourceapproach.IntJHeatMassTransfer2000;43:375564.

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1本课题解决的问题

（1）解决回转式换热器的漏风和易损坏的问题；

（2）整合了3种换热器之所长并互补了各自缺点；

（3）有效延长使用寿命，节约成本。

组合式空气预热器的不足之处：

较常规换热器，安装过程稍显复杂，成本有所提高。

2拟采用的解决方法

设计三段组合式式空气预热器：高温区螺旋槽管式荆棘扰流换热器，中温区热管式换热器，低温区搪瓷螺旋槽管式换热器。

考虑烟气和烟气的温度、露点腐蚀等因素，设计上分段计算，通过调节热管元件的烟气侧翅片与空气侧翅片的面积比，控制热管的工作温度和管壁温度，选用不同的工作介质和换热管材料，避免热管元件高温段超温和低温段的露点腐蚀。