專利名稱：：充氣熱管在防止露點腐蝕中的應用的制作方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及具有狀態(tài)變化的兩種熱交換介質(zhì)均為氣體或蒸汽的直接接觸的熱交換設備，尤其涉及帶有蒸發(fā)段和冷凝段的熱管。
背景技術(shù)：
：為了提高能源利用率，實現(xiàn)"降耗減排"的節(jié)能目標，能源設備如鍋爐等的排煙溫度要求盡可能降低，由原來的22018(TC的排煙溫度，降至160150。C，甚至要求降的更低，達12010(TC。熱管換熱器如熱管空預器，熱管省煤器等，在低溫排煙環(huán)境下的應用遇到的最大挑戰(zhàn)是煙氣的酸露點腐蝕，尤其在燃燒含硫高的煤和重油時，腐蝕更為嚴重。為了避開露點腐蝕，通常所采取的技術(shù)措施是(1)改變加熱段和冷卻段的長度比；(2)在冷卻段采用大節(jié)距的翅片，甚至采用光管，旨在進一步改變兩段的傳熱面積，提高加熱段的壁面溫度；(3)逐排計算，力圖精確掌握在設計工況下各排的壁溫，以便采取適當措施和(4)調(diào)節(jié)煙氣和空氣的局部流速，以期改變煙氣和空氣側(cè)的換熱系數(shù)。在采取了上述一系列技術(shù)措施后，大部分熱管空預器和省煤器的應用取得了成功，但是仍有相當部分的熱管換熱器沒能逃脫露點腐蝕的厄運。有的設備經(jīng)過多次停爐維修，都不能徹底解決。究其原因，有下列幾個方面，這些因素是設計人員難以控制和預料的(1)用戶給出的排煙流量和煙溫數(shù)據(jù)不準確，或者由于上游換熱設備的運行情況發(fā)生了變化，往往使實際排煙溫度低于設計數(shù)據(jù)，或出現(xiàn)較大地波動，因而造成露點腐蝕；(2)設備(鍋爐)經(jīng)常停爐。頻繁的停爐，開機，再停爐，使煙氣參數(shù)經(jīng)常處于低溫，低負荷運行，因而極易產(chǎn)生腐蝕；(3)在北方，冬季空氣進口溫度長期低于設計入口溫度，因而冬季成為露點腐蝕的高發(fā)季節(jié)；而在南方，由于空氣的濕度過大，造成了排煙的濕度增加，從而改變了煙氣的酸露點；(4)燃料品質(zhì)，含硫的變化，水分含量及過剩空氣系數(shù)的變化都會改變煙氣的酸露點溫度；(5)腐蝕和積灰的相互影響，相互促進，是設計者難以預料的。綜上所述，可以得出這樣一個印象我們設計者根據(jù)某一條件和設想設計出的熱管空預器或省煤器具有產(chǎn)品的固定性，它有固定的翅化比，固定的長度比，固定的結(jié)構(gòu)和形狀；而實際參與換熱的流體參數(shù)如流量，溫度，成份等則具有變動性。我們以往所采取的防止露點腐蝕的技術(shù)方案都是以"固定的"設備應對隨時"變動的"流體，不能以變應變，因而防露點腐蝕的效果并不理想。為了對付露點腐蝕，我們需要換一種思維即從"固定"應對"變動"改為以"變動"應對"變動"。當流經(jīng)熱管換熱器的冷、熱流體的參數(shù)發(fā)生變化時，熱管本身應具有自動調(diào)節(jié)能力，能自動改變參與換熱的面積，以保證在任何情況下都可避開露點腐蝕。這使我們想到了可以自動調(diào)溫和改變傳熱功率的充氣熱管。所謂充氣熱管，就是在熱管的冷凝段內(nèi)充裝上一定量的惰性氣體，根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)的蒸汽溫度和壓力的變化，惰性氣體會fi動地改變占有的體積和冷凝段的充氣長度，從而改變和調(diào)節(jié)管內(nèi)蒸汽溫度和壁面溫度，以達到避開露點腐蝕的目的。充氣熱管的概念雖然提出很久，但其應用背景主要是航天和需要精確控制熱負荷的領域，在相關文獻上稱之為"可變導熱性熱管"，目前尚未看到為了防止露點腐蝕在低溫段煙氣余熱回收中的應用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，就是將這一高科技領域中調(diào)節(jié)溫度和熱負荷的手段應用于余熱回收中，尤其是低溫煙氣的余熱回收中，為防止露點腐蝕開辟一條新的途徑。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段，冷凝段中充裝工質(zhì)，其特征在于所述的冷凝段中同時還有按規(guī)定長度和規(guī)定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，并能形成充裝氣體分子與工質(zhì)蒸汽分子組成的混合物。所述的規(guī)定的充氣長度和規(guī)定的充氣量分別按下述公式進行計算，其中(1)充氣段長度根據(jù)下式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中——熱管冷凝段長度，m3——充氣長度，mhe——蒸發(fā)段從煙氣(Tg)至管內(nèi)蒸汽(TvJ之間的傳熱系數(shù)，W/m2，°CLe—熱管蒸發(fā)段長度，mTg一繞流熱管蒸發(fā)段的在煙氣溫度，°CTw~-—熱管蒸發(fā)段的壁面溫度，°Chc——冷凝段從管內(nèi)蒸汽(Tve)至管外空氣之間的傳熱系數(shù)，W/m2，°CTa——繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;(2)充氣量根據(jù)下式確定Mg=(PXPglXAv)/(RgXTgi)式中P——充氣長度，mPgi——氣體分子的分壓力，PaAv——充氣段橫截面積，m2Rg——氣體常數(shù)，J/kg.KTgi——氣體溫度，等于外界空氣溫度Ta，KMg——充氣質(zhì)量，Kg。一種用于給權(quán)利要求1所述充氣熱管充氣的裝置，其特征在于包括充氣罐，充氣罐依次連接充氣調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓罐、氣體充裝閥、熱管元件和熱管調(diào)溫箱，其中所述的調(diào)壓罐上裝有壓力表，在氣體充裝閥和熱管元件之間的管路上還裝有放氣閥。所述的充氣裝置的充氣方法包括下述步驟(1)熱管充氣之前，首先將定量的工質(zhì)注入熱管中；(2)通過充氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)供氣量和供氣壓力；(3)打開氣體充裝閥，放入氣體并使其與壓力罐中的壓力達到相等；(4)關閉氣體充裝閥，打開放氣閥，放出熱管中已充裝的氣體，重復多次打開與關閉充裝閥和/或放氣閥，借此對熱管內(nèi)部空間進行清掃，吹掃過后，關閉放氣閥，打開充裝閥，實現(xiàn)最后一次氣體充裝；(5)將充氣熱管立置或傾斜放置于熱管調(diào)溫箱中，并與充裝閥和放氣閥相聯(lián)接；充裝完畢后，用冷焊鉗切斷充氣管并最后焊接封口。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，木發(fā)明的優(yōu)點在于采用充氣熱管取代普通熱管，利用其冷凝段內(nèi)充裝的惰性氣體能自動改變占有的體積和充氣長度的特性，來改變和調(diào)節(jié)管內(nèi)溫度和壁面溫度，以達到避免發(fā)生露點腐蝕的目的。本發(fā)明有附圖2幅，其中圖l是充氣熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是充氣工裝的示意圖。在附圖中1、充氣罐，2、充氣調(diào)節(jié)閥，3、調(diào)壓罐，4、壓力表，5、氣體充裝閥，6、放氣閥，7、熱管元件，8、熱管調(diào)溫箱。具體實施方式如圖1圖2所示的一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段，冷凝段中充裝工質(zhì)，其特征在于所述的冷凝段中同時還有按規(guī)定長度和規(guī)定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，并能形成充裝氣體分子和工質(zhì)蒸汽分子組成的混合物。所述的規(guī)定的充氣長度和規(guī)定的充氣量分別按下述公式確定。1、充氣段長度的確定圖1所示的是基于熱管空預器的普通熱管的典型結(jié)構(gòu)，圖中的幾何特征和流體參數(shù)設定為do:熱管外徑，m;dv:熱管內(nèi)徑，即蒸汽空間的直徑，m;Le:熱管蒸發(fā)段長度，m;Lcl冷凝段中實際換熱長度，m;P:充氣長度，m;Lc:熱管冷凝段長度，m;Lc=Lcl+eTg:繞流熱管蒸發(fā)段的煙氣溫度，°C;Ta:繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;Tt熱管蒸發(fā)段的壁面溫度，°C;Tve:熱管蒸發(fā)段的管內(nèi)蒸汽溫度，°C;Tvc:熱管冷凝段的管內(nèi)蒸汽溫度，°C;Tv:熱管內(nèi)平均蒸汽溫度，°C;Tgi:充氣段內(nèi)氣體的溫度，°C;he:蒸發(fā)段從煙氣(Tg)至管內(nèi)(Tve)之間的傳熱系數(shù)，w/nf°C;hc:冷凝段從管內(nèi)蒸汽(Tvc)至管外空氣之間的傳熱系數(shù)，w/m2°C;由此，可根據(jù)熱平衡原理，建立從蒸發(fā)段加入的熱量應等于從冷凝段傳出的熱量的平衡關系，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由此可求出壁溫Tw，注意到Tw"Tv，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>he-Le+hc(lx-3)式(1)將壁溫Tw與充氣段的長度e聯(lián)系在一起，這樣就可以通過充氣段長度的自動變化，起到調(diào)節(jié)壁溫的作用，從而防止露點腐蝕的發(fā)生。由上式，充氣段長度可由下式(2)確定heLe(Tg—Tw)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>根據(jù)式(1)和式(2)，充氣段長度P的計算可通過下面的實施例加以說明。實施例l一臺熱管空氣預熱器用以回收某鍋爐的排煙余熱，經(jīng)過設計，所選取的碳鋼——水熱管元件的幾何特征如下基管外徑38mm，基管內(nèi)徑32mm，壁厚3mm,蒸發(fā)段長度Le=2.0m，冷卻段長度Lfl.5m，基管外面都帶有高頻焊螺旋圓形翅片，翅片間距都是8mm，翅片高都是16腿；煙氣入口溫度22(TC，出口溫度150。C;空氣入口溫度20°C，出口溫度100°C。經(jīng)過計算，排煙的酸露點為120°C，為了防止露點腐蝕，擬采用充氣熱管，希望使所有的熱管的壁溫都在13(TC以上，試計算該熱管所需要的充氣段長度。計算按煙氣流動方向的最后一排管進行計算，其對應的煙氣溫度Tg二15(TC，空氣溫度Ta-2(TC，煙氣側(cè)基管壁溫Tw二13(TC，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)he和冷凝段傳熱系數(shù)hc可由熱管的傳熱計算得到，此處假定he二hc二300w/m2。C。由式(2)可求出(Lc-P)=heLe(Tg-Tw)/[he(Tw-Ta)]=0.36mP=Lc-0.36=1.5-0.36=1.14m即在末排熱管內(nèi)，充氣段的長度e應達1.14m才能保證Tw二13(TC。2、充氣量的確定為了推導所需充氣的質(zhì)量，需做下面幾點假定1)充氣段P與冷凝器工作段Lcl之間的分界面是平面；2)充氣段內(nèi)的溫度為Tgi，因為充氣段不參與換熱，可以認為充氣段內(nèi)的溫度Tgi等于管外的空氣溫度Ta;3)在充氣段內(nèi)充滿著充裝的氣體分子與工質(zhì)的蒸汽分子的混合物，氣體分子的分壓力為Pgi(對應Tgi);而蒸汽分子對應的分壓力為Pvi(也對應Tgi);兩者之和即等于熱管內(nèi)蒸汽的總壓力Pv(對應Tv)，即Pv(Tv)二Pvi(Tgi)+Pgi(Tgi)或Pgi=Pv_Pvi4)充裝的氣體適用于理想氣體定律；5)Tve二Tvc^v，且壁溫Tw與管內(nèi)蒸汽溫度十分接近，取TfTv;對熱管內(nèi)的充裝氣體應用理想氣體定律PgiVg=RgTgiMg(3)式(3)中，Pgi-充氣分壓力，PaVg=Av充氣體積，m3Av-充氣段橫截面積，m2;Rg-氣體常數(shù)，J/kgK;Tgi-氣體溫度，等于外界空氣溫度Ta，K;Mg-充氣質(zhì)量，kg由式(3)可解出充氣所需質(zhì)量Mg=(0XPgiXAv)/(RgXTgi)(4)根據(jù)實施例1中所選用的參數(shù)知Av=0.000804m2對水蒸汽在Tv二130。C下，Pv=2.7013X105Pa;在Ta二20。C下，Pvi=0.02338X105Pa。對于充氣為氮氣的情況下，Rg=296J/kg*K，由上式(4)可解出充氣質(zhì)量Mg=0.00283kg二2.83g應當指出，對于不同的熱管尺寸和不同的冷熱流體參數(shù)，只要選定了一個避開露點腐蝕的壁面溫度Tw數(shù)值，就可按式(4)計算出應該填充的氣體質(zhì)量。3、充氣工藝和方法如何將確定的氣體質(zhì)量充裝到熱管中去是充氣熱管制造的關鍵技術(shù)之一。該技術(shù)需要與現(xiàn)有的熱管制造工藝相結(jié)合，且設備簡單，容易操作，成本低廉。對于通常的碳鋼/水熱管，推薦的充氣工藝如圖2所示。其中最關鍵的器件是調(diào)壓罐3。只有將待充裝的氣體如氮氣在調(diào)壓罐中調(diào)至合適的壓力之后，才可以向熱管內(nèi)充裝。充裝前，先將定量的工質(zhì)注入熱管中，充液長度為Le，上部待充氣長度為P。所需充氣壓力Pg可由式(4)轉(zhuǎn)換而來Pg二MgRgTa/(PAv)(5)式(5)中Ta——為充裝時的環(huán)境溫度，根據(jù)前面列舉的條件-Mg二0.00283kg;Rg二296J/(kgK);Ta=273+20二293K;Av=U/4)dv2=0.000804m2;熱管總長L二2.Om+1.5m=3.5m;工質(zhì)罐裝量若取20%內(nèi)部容積，則工質(zhì)占有長度3.5X20%=0.7m;待充裝氣體長度e=3.5-0.7=2.8m。代入上式(5)，得Pg=1.09X105Pa;若工質(zhì)灌注量為內(nèi)部容積的25%，則3=3.8X75%二2.625m，充裝氣體壓力為Pg=1.16X105Pa;將調(diào)壓罐中的氣體壓力調(diào)節(jié)到上述計算出的壓力值之后，即可向熱管內(nèi)充裝了。4、充氣熱管的變工況計算和設計考慮當確定了熱管的充氣量以后，還需對該充氣熱管進行變工況計算，即計算該熱管在不同的煙氣溫度和空氣溫度條件下，其充氣段的長度P及對應的壁溫Tw。按實施例l中設定的條件，變工況計算結(jié)果如表l所示表l:充氣熱管的變工況計算<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>上表中所列出的壁溫Tw是由式(2)和式(4)聯(lián)立求解得到的。權(quán)利要求1、一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段，冷凝段中充裝工質(zhì)，其特征在于所述的冷凝段中同時還有按規(guī)定長度和規(guī)定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，并能形成充裝氣體分子與工質(zhì)蒸汽分子組成的混合物。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，其特征在于所述的規(guī)定的充氣長度和規(guī)定的充氣量分別按下述公式進行計算，其中(1)充氣段長度根據(jù)下式確定(Lei)=heLe(Tg-Tw)/hc(Tw—Ta)，亦即P=Lc-[heLe(Tg-Tw)/hc(Tw-Ta)]式中Lc——熱管冷凝段長度，mP——充氣長度，mhe——蒸發(fā)段從煙氣(Tg)至管內(nèi)蒸汽(Tve)之間的傳熱系數(shù)，W/m2，°CLe—熱管蒸發(fā)段長度，mTg—繞流熱管蒸發(fā)段的在煙氣溫度，°CTw熱管蒸發(fā)段的壁面溫度，°C卜——冷凝段從管內(nèi)蒸汽(TVJ至管外空氣之間的傳熱系數(shù)，W/m2,°CTa——繞流熱管冷凝段的空氣溫度，°C;(2)充氣量根據(jù)下式確定Mg=(PXPgiXAv)/(RgXTgi)式中P——充氣長度，mPgi——氣體分子的分壓力，PaAv——充氣段橫截面積，m2Rg——氣體常數(shù)，J/kg.KTgi——氣體溫度，等于外界空氣溫度Ta，KMg——充氣質(zhì)量，Kg。3、一種用于給權(quán)利要求1所述充氣熱管充氣的裝置，其特征在于包括充氣罐(1)，充氣罐(1)依次連接充氣調(diào)節(jié)閥(2)、調(diào)壓罐(3)、氣體充裝閥(5)、熱管元件(7)和熱管調(diào)溫箱(8)，其中所述的調(diào)壓罐(3)上裝有壓力表(4)，在氣體充裝閥(5)和熱管元件(7)之間的管路上還裝有放氣閥(6)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的充氣裝置的充氣方法，其特征在于充氣過程包括下述步驟(1)熱管充氣之前，首先將定量的工質(zhì)注入熱管中；(2)通過充氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)供氣量和供氣壓力；(3)打開氣體充裝閥，放入氣體并使其與壓力罐中的壓力達到相等；(4)關閉氣體充裝閥，打開放氣閥，放出熱管中己充裝的氣體，重復多次打開與關閉充裝閥和/或放氣閥，借此對熱管內(nèi)部空間進行清掃，吹掃過后，關閉放氣閥，打開充裝閥，實現(xiàn)最后一次氣體充裝；(5)將充氣熱管立置或傾斜放置于熱管調(diào)溫箱中，并與充裝閥和放氣閥相聯(lián)接；充裝完畢后，用冷焊鉗切斷充氣管并最后焊接封口。全文摘要本發(fā)明公開了一種充氣熱管在防止熱管換熱器露點腐蝕中的應用，所述充氣熱管包括蒸發(fā)段和冷凝段，冷凝段中充裝工質(zhì)，其特征在于所述的冷凝段中同時還有按規(guī)定長度和規(guī)定充氣量充裝的惰性氣體或氮氣，并能形成充裝氣體分子與工質(zhì)蒸汽分子組成的混合物。充裝的惰性氣體能自動改變占有的體積和充氣長度，進而改變和調(diào)節(jié)管內(nèi)溫度和壁面溫度，以達到避免熱管發(fā)生露點腐蝕的目的。文檔編號F28D15/02GK101303205SQ20081001202公開日2008年11月12日申請日期2008年6月25日優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日發(fā)明者余傳林,劉紀福申請人:余傳林;劉紀福