（工程熱物理專業(yè)論文）真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)與換熱特性的試驗(yàn)和應(yīng)用研究.pdf

摘要 工業(yè)鍋爐在我國(guó)能源消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比例 大多數(shù)工業(yè)鍋爐用戶對(duì)鍋爐 給水品質(zhì)的不嚴(yán)格控制造成了鍋爐壽命的縮短 鍋爐傳熱惡化 從而降低了效率 浪費(fèi)了能源 真空鍋爐由于其內(nèi)部熱媒水處在密封無氧狀態(tài) 具有良好的節(jié)能性 和安全性 因此受到了廣泛關(guān)注 本文在查閱大量的關(guān)于真空鍋爐設(shè)計(jì)和研究文獻(xiàn)及對(duì)真空鍋爐做了相關(guān)的 市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上 參照有關(guān)工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行了真空鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱 力計(jì)算 用v c 程序語言編寫了真空鍋爐的熱力設(shè)計(jì)電算軟件 設(shè)計(jì)軟件采用 了菜單式人機(jī)對(duì)話 界面友好 使用方便 為真空鍋爐產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn) 便可行的方法 在熱力計(jì)算 理論與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上 對(duì)真空鍋爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了設(shè)計(jì)和優(yōu)化 用a u t o c a d 完成了樣機(jī)圖紙的設(shè)計(jì) 目前正在制造中 本文運(yùn)用傳熱原理對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析 提出 了相應(yīng)的換熱模型和汽液分流的結(jié)構(gòu)形式 通過搭建試驗(yàn)臺(tái) 對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的 流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究 獲得了一些對(duì)真空鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行有參考價(jià)值 的結(jié)果 試驗(yàn)證實(shí)了所選的添加劑有利于冷凝換熱的強(qiáng)化以及不凝性氣體對(duì)冷凝 換熱的影響 因此 在真空鍋爐的制造過程中確保良好的氣密性 運(yùn)行時(shí)及時(shí)有 效的除去不凝性氣體是至關(guān)重要的 本文的研究結(jié)果為工業(yè)鍋爐向節(jié)能和安全方向發(fā)展提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì) 參考 關(guān)鍵詞 真空鍋爐 熱力計(jì)算 v c 計(jì)算程序 熱媒水 流動(dòng)與傳熱 a b s t r a c t t h eb o i l e r su s e df o rh e a t i n ga r ee n e r g y c o n s u m i n gd e v i c e s m o s tb o i l e r sf o r h e a t i n gi nc h i n aa r er u n n i n gu n d e rb a dc o n d i t i o n s f e e d w a t e ri si np o o rq u a l i t y w h i c hc a u s e sal a r g ea m o u n to f e n e r g yw a s t i n g s i n c e1 9 8 0 s an e w t y p eo f b o i l e r v a c u u m b o i l e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nj a p a nd u et ot h e a d v a n t a g e so fs a f e t ya n d e n e r g ys a v i n g t h i st y p eo fb o i l e ri sr a p i d l yd e v e l o p e di nc h i n aa n dp a r t l yt a k i n gt h e p l a c eo f t h eo r d i n a r yh e a t i n gb o i l e r sp r e s e n t l y t h er e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so fv a c u u m b o i l e ra r er e v i e w e di nd e t a i li nt h i s p a p e r t h eh y d r o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a c u u m b o i l e ra r e a n a l y z e d a n d as a m p l em a c h i n eo f0 7 m ww a sa l s o d e s i g n e da n db e i n g m a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so f t h ei n v e s t i g a t i o n s a p r o g r a mi np r o g r a m m i n gl a n g u a g eo f t h ev c f o rs e r i e so f t h ev a c u u m b o i l e r d e s i g n i n gw h i c hi se a s yf o ru s ei sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h et h e r m a la n d h y d r o d y n a m i ca n a l y s i s a n ds o m et e c h n i q u e sf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti nt h e v a c u u m b o i l e ra r ea l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e r s t e a ms y s t e mi n t h e v a c u u m b o i l e rw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yw i t ha l le x p e r i m e n t a l s e t u p d i f f e r e n t k i n d so fa d d i t i v e s w h i c hm a ye n h a n c et h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s w e r ea l s oi n v e s t i g a t e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h e n o n c o n d e n s a b l eg a ss u c ha sa i rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r e v e n t i n gh e a tt r a n s f e ri n v a c u u m b o i l e r st h a tc a u s e st h ec o n d e n s a t i o nc o e f f i c i e n tt o d r o ps h a r p l ym a n y i m p r o v e m e n t sa n dv a l u a b l e r e s u l t sf o rt h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n go ft h e v a c u u m b o i l e r sa r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s v a c u u mb o i l e r t h e r m a lc a l c u l a t i o n p r o g r a mi nt h ev c i n t e r m e d i a r yw a t e r f l o wa n dh e a tt r a n s f e r i i 知識(shí)水壩 damdoc damdoc為您傾心整理 小店 qq 2218108823 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得澎至三盤生或其他教育機(jī) 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn) 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 姚做儲(chǔ)獬薩嘣簽知期 衙 月g 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解浙姿盤堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和 借閱 本人授權(quán)澎望盤壁可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文作者簽名 吟 簽字日期 娜年 月6 日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位 通訊地址 u 曲 剮磴名 彤叩 i 簽字日期 口j 年4 歲月 同 f 電話 郵編 知識(shí)水壩 damdoc damdoc為您傾心整理 小店 qq 2218108823 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論 我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó) 用于生產(chǎn)和生活的工業(yè)鍋爐在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占 了相當(dāng)大的比例 5 0 左右的工業(yè)鍋爐是用于生活采暖 洗滌 洗澡和工藝生產(chǎn) 的熱水鍋爐 近幾年興起的一種新型的熱水鍋爐 真空鍋爐因其具有良好的節(jié) 能性 安全性受到了廣泛的關(guān)注 本文所研究的真空鍋爐主要是指燃油 燃?xì)?真空熱水鍋爐 1 1 真空鍋爐的由來和工作原理 按加熱方式區(qū)分 熱水鍋爐有直接加熱和間接加熱兩種 由鍋爐受熱面直接 加熱供熱介質(zhì) 熱水 的稱為直接加熱 由鍋爐受熟面加熱中間介質(zhì) 然后通過 中間介質(zhì)加熱供熱介質(zhì) 熱水 的稱為間接加熱 除了個(gè)別廠家的少量產(chǎn)品外 我國(guó)現(xiàn)有的熱水鍋爐幾乎均為直接加熱的熱水鍋爐 直接加熱熱水鍋爐雖然沒有 蒸汽鍋爐那樣的蒸發(fā)受熱面 但由干熱力不均勻 水動(dòng)力不均勻等原因 過冷沸 騰仍是不可避免的 因而對(duì)于鍋爐給水品質(zhì)必須有嚴(yán)格的要求 世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家對(duì)鍋爐水質(zhì)十分重視 對(duì)鍋爐給水品質(zhì)進(jìn)行了嚴(yán)格的 控制 但我國(guó)熱水鍋爐用戶 特別是較小容量熱水鍋爐 2 8 m w 用戶 到目 前為止對(duì)鍋爐給水品質(zhì)的控制不夠嚴(yán)格 更有一些小容量的采暖熱水鍋爐 0 7 m w 用戶 對(duì)鍋爐補(bǔ)充水不進(jìn)行處理 既不除硬度鹽 更不除氧 甚至不 進(jìn)行簡(jiǎn)單的過濾 因此 水受熱后發(fā)生沸騰時(shí) 就會(huì)在傳熱元件上結(jié)垢 導(dǎo)致過 熱變形或氧化進(jìn)而發(fā)生管壁減薄 穿孔 開裂等現(xiàn)象 更為嚴(yán)重的是 傳熱元件 上結(jié)水垢影響傳熱性能 降低鍋爐效率 浪費(fèi)大量的能源 這種情況在今后長(zhǎng)時(shí) 間內(nèi)難以改變 針對(duì)上述情況 研究者一直在尋求一種能夠適應(yīng)鍋爐用戶水質(zhì)不佳 對(duì)水質(zhì) 不甚敏感的新型鍋爐 這種爐型可以解決受火元件上結(jié)水垢的問題和浪費(fèi)能源的 問題 科研工作者在間接式加熱鍋爐的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種相變換熱式鍋爐 圖1 1 示出了相交換熱鍋爐的工作原理 相交換熱鍋爐是一種依靠熱媒介質(zhì) 一般為熱媒水 的沸騰與凝結(jié)換熱而傳遞熱量使水加熱的換熱設(shè)備 它由蒸發(fā) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第 章緒論 換熱器和冷凝換熱器兩部分組成 蒸發(fā)換熱器中設(shè)有鍋爐燃燒室和對(duì)流受熱面 燃料燃燒放出熱量使受熱面外熱媒水產(chǎn)生相應(yīng)壓力下的飽和蒸汽 蒸汽上升至冷 凝段在冷凝換熱器內(nèi)凝結(jié)放出汽化潛熱 將熱量傳遞給換熱器內(nèi)的供熱水 將水 加熱到預(yù)定的溫度后送到熱用戶 冷凝后的凝結(jié)水又回到蒸發(fā)換熱器中沸騰汽 化 這樣不斷周而復(fù)始不斷的向外界供給熱量 卜燃燒囂 2 一供熱進(jìn)水 3 一供熱出水 4 一換熟管組t5 一水位線 6 熱媒水 7 一煙氣出口 圖卜l 相變換熱鍋爐的工作原理圖 相變換熱式鍋爐根據(jù)其中間介質(zhì)的壓力可分為有壓 常壓和負(fù)壓相變換熱式 鍋爐 其中負(fù)壓相變換熱式鍋爐因其中間介質(zhì) 熱媒水 在一定的真空度下工作 就稱作真空鍋爐 這種真空鍋爐主要是供給采暖熱水和生活用熱水 一般也叫真 空熱水鍋爐 真空鍋爐是相變換熱式鍋爐的一種 基本原理同圖1 1 它是利用水在不同 壓力下 沸騰溫度不同這一特性來進(jìn)行工作的 在一個(gè)大氣壓下 水的沸騰溫度 是1 0 0 而在o 8 k p a 的壓力下 水的沸騰溫度則是4 真空鍋爐的工作壓力 范圍大多在2 6 7 k p a 6 6 7 k p a 對(duì)應(yīng)的水的飽和溫度是1 5 8 s 在真空鍋爐 工作的壓力下 燃燒使熱媒水的溫度上升到飽和溫度 并在水面上產(chǎn)生相同溫度 的水蒸汽 然后向冷凝換熱器內(nèi)通以冷水 管內(nèi)冷水被管外的水蒸汽加熱成熱水 送給熱用戶 面管外的水蒸汽則被冷卻凝結(jié)成水滴流回水蒸發(fā)段再次被加熱 從 而完成整個(gè)循環(huán)過程 真空鍋爐 負(fù)壓相變換熱式熱水鍋爐 最早出現(xiàn)在日本 上世紀(jì)7 0 年代 由于真空技術(shù)的發(fā)展 日本的直燃機(jī)市場(chǎng)得到了很大的進(jìn)步 一些鍋爐廠家受直 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 燃機(jī)高發(fā)部分的啟發(fā)開始研制真空鍋爐 并且在8 0 年代初紛紛推出真空鍋爐 目前日本較大的真空鍋爐生產(chǎn)廠家主要有昭和鐵工 塔庫瑪 巴商會(huì)及前田鐵工 等企業(yè) 在日本整個(gè)真空鍋爐的年市場(chǎng)銷售量在5 0 0 0 6 0 0 0 臺(tái)左右 已成為日本 鍋爐市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品 其銷售臺(tái)數(shù)已大大超過常壓熱水鍋爐 真空鍋爐也因其 中間介質(zhì)溫度低 排煙溫度低 熱效率高而獲得日本節(jié)能大獎(jiǎng) 同時(shí)因其中間介 質(zhì)溫度低于大氣壓力下的飽和溫度 即使破裂 也不會(huì)引起汽水爆炸而獲皇冠大 獎(jiǎng) 2 真空鍋爐在我國(guó)出現(xiàn)主要在上世紀(jì)9 0 年代后期 大多數(shù)是根據(jù)日本 韓國(guó) 的進(jìn)口鍋爐仿制而成 不過上世紀(jì)8 0 年代中期 西安交通大學(xué)和常州鍋爐廠合 作研發(fā)過一臺(tái)水火管鏈條爐排燃煤真空熱水鍋爐 3 目前市場(chǎng)上的真空鍋爐有 較大比例是從日本和韓國(guó)進(jìn)口的產(chǎn)品 也有少數(shù)廠家獨(dú)立開發(fā)了該技術(shù) 逐漸占 據(jù)了一定的市場(chǎng)份額 1 2 真空鍋爐的特點(diǎn)和分類 真空鍋爐是應(yīng)節(jié)能和安全而出現(xiàn)的 它最早出現(xiàn)在節(jié)能技術(shù)很發(fā)達(dá)的日本 實(shí)際上真空鍋爐是利用了單根熱管的工作原理 這種鍋爐由于中間熱媒介質(zhì)是封 閉循環(huán)的 無須補(bǔ)充 因此與火直接接觸的傳熱面既不會(huì)結(jié)垢也不會(huì)氧化 真空 鍋爐跟常壓熱水鍋爐和有壓鍋爐相比 在結(jié)構(gòu)和原理方面有著獨(dú)到的特點(diǎn) 2 1 負(fù)壓運(yùn)行 安全 鍋爐爆炸的重要原因是鍋爐承壓運(yùn)行 再加上生產(chǎn)質(zhì)量及安全保護(hù)措施不得 當(dāng) 操作運(yùn)行不規(guī)范 可能導(dǎo)致鍋爐超壓并造成爆炸事故 真空鍋爐因?yàn)樵谪?fù)壓 狀態(tài)下工作 內(nèi)部工作壓力低于外界大氣壓 而且有多道安全保護(hù)措施 因此不 會(huì)有爆炸的危險(xiǎn) 不屬于勞動(dòng)部鍋爐壓力容器范疇 不需要?jiǎng)趧?dòng)部門的年審 報(bào) 批等程序 所以真空鍋爐很受廣大的中小型 等級(jí)低的鍋爐生產(chǎn)廠家的歡迎 2 高效運(yùn)轉(zhuǎn) 效率可達(dá)到9 0 以上 一般對(duì)燃油燃?xì)忮仩t來講 影響鍋爐效率的原因主要是排煙熱損失及散熱損 失 而對(duì)于真空鍋爐來講 因?yàn)橐话悴捎弥行幕厝际饺紵绞?另外在鍋爐煙管 內(nèi)加設(shè)了擾流子 換熱效果較好 降低了排煙溫度減少了排煙熱損失 保證了鍋 爐的效率 另外 很多真空鍋爐出廠之前都進(jìn)行保溫處理 使鍋爐的散熱損失大 大降低 通過上述的特殊處理 使對(duì)燃油燃?xì)忮仩t效率影響最大的兩項(xiàng)熱損失大 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 大降低 確保了真空鍋爐的高效運(yùn)轉(zhuǎn) 3 爐內(nèi)不結(jié)垢 真空無氧 壽命更長(zhǎng) 對(duì)鍋爐壽命影響最大的兩個(gè)因素就是結(jié)垢及氧腐蝕 這也被稱為鍋爐的兩大 癌癥 結(jié)垢對(duì)鍋爐的影響很大 水垢通常結(jié)在爐膽和煙管的內(nèi)側(cè)或外側(cè) 而水垢 的阻熱能力很強(qiáng) 使燃燒產(chǎn)生的熱量不能很好的傳遞給工作介質(zhì) 一般為水 使 大部分的熱量積聚在鍋爐的鋼板上 導(dǎo)致鍋爐過燒情況的發(fā)生 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍋 爐報(bào)廢 氧腐蝕主要是在鍋爐內(nèi)部的氧氣與水及鋼板發(fā)生強(qiáng)烈的腐蝕 使鋼板變 簿最終導(dǎo)致鍋爐報(bào)廢 這也是一些熱水鍋爐產(chǎn)生事故的主要原因 同時(shí)腐蝕也是 鍋爐出水品質(zhì)比較差的一個(gè)原因 真空鍋爐由于鍋爐內(nèi)部是密封的 沒有氧氣的 存在 所用熱媒水又經(jīng)過特殊脫氣處理 所以氧腐蝕基本消除 鍋爐外部進(jìn)行了 保溫處理 也基本消除了腐蝕 另外鍋爐內(nèi)部的熱媒水是出廠之前灌充好的經(jīng)過 處理的水 在鍋爐內(nèi)部閉式循環(huán) 所以不會(huì)產(chǎn)生水垢 這樣就把對(duì)鍋爐壽命影響 最大的兩大頑癥消除了 保證了真空鍋爐的長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)轉(zhuǎn) 4 結(jié)構(gòu)緊湊 節(jié)省空間 一般的熱水鍋爐 包括燃煤 燃油 燃?xì)忮仩t都存在著占地面積大這一問題 目前 鍋爐生產(chǎn)廠家都在努力進(jìn)行技術(shù)革新 減小鍋爐體積和重量 取得了較大 的進(jìn)展 但仍有一定的差距 真空鍋爐一般采用中心回燃式燃燒并在鍋爐煙管內(nèi) 部設(shè)置擾流子 這樣大大提高了換熱效果 減小了換熱面積 減小了鍋爐體積 重量 另外 部分真空鍋爐本體采用單橢圓形筒體 大大減小了鍋爐的寬度 使 鍋爐的占地面積大為減少 節(jié)省了用戶的鍋爐房面積 5 不銹鋼管換熱 衛(wèi)生熱水更加清潔 以往鍋爐由于內(nèi)部腐蝕生銹等原因 使鍋爐的出水品質(zhì)比較差 不能夠直接 通到用戶處供衛(wèi)生熱水使用 必須在系統(tǒng)上增加一個(gè)換熱器 一般材質(zhì)為不銹 鋼 通過換熱來提供衛(wèi)生熱水 而真空鍋爐的換熱器直接安裝在鍋爐內(nèi)部 換 熱器的材質(zhì)為不銹鋼 可以使產(chǎn)生的衛(wèi)生熱水直接被用戶使用 6 多重安全保護(hù)措施 鍋爐有很多影響安全的原因 一方面是生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān) 另一方面則是安全 保護(hù)措施不得力 使鍋爐在不正常狀態(tài)下不能自動(dòng)停機(jī) 報(bào)警 而是繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 最后導(dǎo)致安全事故的發(fā)生 現(xiàn)在日本和韓國(guó)的真空鍋爐安全保護(hù)措施非常完善 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 以日本昭和鐵工株式會(huì)社生產(chǎn)的鋼板制真空鍋爐為例 就有五重安全保護(hù)措施 確保鍋爐的工作壓力永遠(yuǎn)低于一個(gè)大氣壓 不超壓 超溫 并且有高低水位控制 電極 確保鍋爐的水位正常 這就是為何在日本有眾多用戶 運(yùn)行壽命最達(dá)近2 0 年 而沒有發(fā)生一例安全事故的主要原因 7 單機(jī)多用的理想選擇 目前國(guó)內(nèi)大部分鍋爐只有單一用途 比如只能夠采暖或是提供衛(wèi)生熱水 如 果用戶有其他用途需要的話 就要重新購置一臺(tái)鍋爐或者在系統(tǒng)上進(jìn)行改造 這 對(duì)用戶來講是一個(gè)非常棘手的問題 真空鍋爐可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用 一臺(tái)鍋爐可以 同時(shí)滿足采暖 洗浴 游泳池等多種功能 可以最大程度地滿足用戶的需求 8 較高的環(huán)保性能 一般真空鍋爐采用的是低n o x 燃燒器 排煙完全符合國(guó)家一類地區(qū)要求 屬 于真正的環(huán)保產(chǎn)品 而以往的燃煤鍋爐及較差的燃油氣鍋爐燃燒后產(chǎn)生大量的 s o x 和n o x 是造成酸雨的主要原因 而且n 0 x 還會(huì)造成肺氣腫等多種疾病 對(duì) 環(huán)境的危害極大 9 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 維護(hù)簡(jiǎn)單方便 真空鍋爐由于有一機(jī)多用的理想功能 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單 以往需要 幾臺(tái)鍋爐完成的工作 現(xiàn)在由一臺(tái)鍋爐即可完成 而且由于真空鍋爐上的換熱器 采用不銹鋼管 可直接通到用戶處使用 這樣就節(jié)省了系統(tǒng)供衛(wèi)生熱水使用的換 熱器 對(duì)于維護(hù)而言 鍋爐的煙管內(nèi)擾流子抽出來之后就可以直接進(jìn)行煙垢清掃 另外 由于鍋爐內(nèi)部不結(jié)水垢 就減去了普通鍋爐清除水垢這一復(fù)雜的維護(hù)保養(yǎng) 過程 使整個(gè)操作維護(hù)變得非常簡(jiǎn)單 除了上述優(yōu)點(diǎn)外 真空鍋爐也有其缺點(diǎn)和不足 1 運(yùn)行條件苛刻 真空鍋爐在運(yùn)行時(shí) 要求燃料放出的熱量必須與系統(tǒng)回水及冷水被加熱所帶 走的熱量嚴(yán)格相等 否則中間介質(zhì)的負(fù)壓難以維持 這種苛刻的要求 只有在燃 油燃?xì)夂妥詣?dòng)控制系統(tǒng)絕對(duì)保證的條件下才能實(shí)現(xiàn) 2 制造工藝嚴(yán)格 鍋爐要始終維持真空負(fù)壓狀態(tài) 鍋筒及冷凝換熱器內(nèi)不能有一點(diǎn)泄漏 在制 造時(shí)要用氦氣檢漏 普通的閥門容易泄漏也不能使用 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 真空鍋爐根據(jù)其材料的不同可以分為鋼板式真空鍋爐和鑄鐵式真空鍋爐 根 據(jù)其燃料 燃燒室的不同可以分為燃油 燃?xì)庹婵斟仩t和燃煤真空鍋爐 目前大 多數(shù)是鋼板式真空鍋爐 燃煤真空鍋爐因其燃燒的慣性較大 不好控制 所以市 場(chǎng)也不多 1 3 真空鍋爐的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀 雖然真空鍋爐最早出現(xiàn)在日本 并且在上世紀(jì)8 0 年代發(fā)展到頂峰 在日本幾 乎取代了一般的常壓熱水鍋爐 但是在中國(guó)這種鍋爐直到上世紀(jì)9 0 年代才開始出 現(xiàn) 而且產(chǎn)品以仿制為主 當(dāng)然我們國(guó)家在上世紀(jì)8 0 年代中期由西安交通大學(xué)和 常州鍋爐廠聯(lián)合開發(fā)過一臺(tái)0 7 m w 燃煤真空鍋爐 取得了成功 獲得了相關(guān)的技 術(shù)經(jīng)驗(yàn) 3 真空鍋爐的特點(diǎn)受到了我國(guó)廣大的熱水鍋爐用戶和眾多的鍋爐制造廠的青 睞 除了日本和韓國(guó)的一些廠家外 目前國(guó)內(nèi)也有很多廠家如 大連三洋制冷公 司 引進(jìn)e t 本昭和鐵工技術(shù) 廣州貝龍環(huán)保熱力設(shè)備股份公司 浙江聯(lián)豐股份 有限公司制冷機(jī)廠 廣重空調(diào)設(shè)備公司 寧夏三新技術(shù)股份有限公司和常州鍋爐 廠主要開發(fā)燃煤真空鍋爐 一般廠家大都采用引進(jìn)技術(shù) 較少進(jìn)行真空鍋爐的獨(dú) 立研究和開發(fā) 后兩個(gè)生產(chǎn)商主要進(jìn)行了把燃油真空鍋爐改進(jìn)為燃煤鍋爐的改造 工作 3 1 1 4 5 1 1 6 7 寧夏三新技術(shù)股份有限公司吸收了國(guó)內(nèi)熱管研究的經(jīng)驗(yàn)和結(jié) 果將原來的封閉式真空鍋爐改造為開啟式真空鍋爐 同時(shí)把燃油真空鍋爐改進(jìn)為 燃煤 7 3 8 1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所研究了一種新型真空鍋爐 該 種鍋爐以濃度適當(dāng)?shù)匿寤嚾芤鹤鳛榧訜峁べ|(zhì) 提高加熱介質(zhì)的飽和溫度從而提 高供熱水的溫度 同時(shí)還維持相應(yīng)的真空度 9 啥爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)燃油 氣 真空鍋爐的設(shè)計(jì)時(shí)沸騰冷凝換熱等參數(shù)的選取做了一定的研究 1 0 1 北京之光鍋 爐研究所對(duì)真空鍋爐的改進(jìn)為有壓相交鍋爐以及針對(duì)有壓相變鍋爐的換熱特性 做了很多研究工作 1 l 上海工程技術(shù)大學(xué)和上海工業(yè)鍋爐研究所通過試驗(yàn)和理 論分析對(duì)真空鍋爐的傳熱特性做了一些研究 1 2 還有針對(duì)真空鍋爐爐膽選取平 直爐膽進(jìn)行熱應(yīng)力分析研究 1 3 1 及熱媒水中加添加劑強(qiáng)化冷凝換熱的研究 6 上述大多數(shù)研究工作集中在介紹和總體設(shè)計(jì)真空鍋爐 或者如何改進(jìn)其結(jié) 構(gòu) 針對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱的研究還很少 尤其對(duì)熱媒介質(zhì)的流動(dòng)特性 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 研究幾乎沒有 1 4 本課題研究?jī)?nèi)容 目前國(guó)內(nèi)真空鍋爐技術(shù)大多數(shù)是引進(jìn)或者是直接仿制進(jìn)口產(chǎn)品 研究工作也 大都集中在改進(jìn)結(jié)構(gòu)上 對(duì)于真空鍋爐各個(gè)環(huán)節(jié)的理論研究很少 根據(jù)熱量的傳 輸過程 真空鍋爐主要有 燃料燃燒沖間介質(zhì)沸騰汽化 中間介質(zhì)冷凝 供暖水加 熱四個(gè)環(huán)節(jié) 其中不難看出中間介質(zhì) 一般為熱媒水 扮演了相當(dāng)重要的角色 因此 研究真空鍋爐就要對(duì)熱媒水的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行仔細(xì)研究 本課題的研究?jī)?nèi)容 1 對(duì)真空鍋爐進(jìn)行文獻(xiàn)收集和市場(chǎng)調(diào)研 了解真空鍋爐目前的生產(chǎn)和使 用情況 分析該產(chǎn)品的特點(diǎn) 了解關(guān)于真空鍋爐的研究現(xiàn)狀 為進(jìn)一步深入研究 打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 2 對(duì)真空鍋爐的設(shè)計(jì)原理加以研究進(jìn)行真空鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 熱力計(jì)算 阻力計(jì)算等 編制真空鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算程序 達(dá)到界面友好 使用方便的要求 真 空鍋爐圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作 3 對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行基礎(chǔ)理論分析 了解其工作原 理和換熱機(jī)理 對(duì)各部分的流動(dòng) 換熱特性和強(qiáng)化換熱手段進(jìn)行研究和探討 4 搭建試驗(yàn)臺(tái) 對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究 尤其 對(duì)熱媒水的沸騰與凝結(jié)換熱進(jìn)行系統(tǒng)研究 將研究結(jié)果用于真空鍋爐的設(shè)計(jì)和改 進(jìn) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)程序 第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)程序 2 1 真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 真空鍋爐是間接加熱式鍋爐 其結(jié)構(gòu)和常規(guī)熱水鍋爐的結(jié)構(gòu)基本類似 但是 和常規(guī)熱水鍋爐相比 它多了冷凝換熱管組 因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須引起足夠的 重視 真空鍋爐在原有的蒸汽鍋爐的汽包內(nèi)置入了一組或者多組冷凝換熱管組 在 工作過程中燃料在爐內(nèi)燃燒放出熱量經(jīng)受熱面?zhèn)鬟f給熱媒水 被加熱的熱媒水沸 騰汽化 蒸汽與上部換熱器管壁接觸進(jìn)行冷凝換熱 將其汽化潛熱傳遞給循環(huán)水 送至熱用戶 真空鍋爐分兩部分來設(shè)計(jì) 真空鍋爐的蒸發(fā)換熱段是由一套完整的鍋爐系統(tǒng)構(gòu)成的 當(dāng)燃用油 氣燃料 時(shí) 一般采用鍋殼結(jié)構(gòu) 因?yàn)殄仛な藉仩t有一個(gè)容積較大的鍋筒 適合放置冷凝 換熱管組 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 緊湊 目前鍋殼式燃油燃?xì)忮仩t主要采用各種形式的中 心回燃結(jié)構(gòu)和濕背式三回程結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計(jì)的真空鍋爐采用臥式中心回燃結(jié) 構(gòu) 如圖2 1 所示 進(jìn)水 燃燒器 上部換熱器 出水 躁 煙氣 一 夕 心 圖2 1 燃油 氣 真空鍋爐結(jié)構(gòu)圖 真空鍋爐的冷凝換熱管組要占據(jù)一定的空間 采用中心式回燃結(jié)構(gòu)有利于減 小整個(gè)系統(tǒng)的體積 特別是真空鍋爐的容量一般較小 中心回燃式結(jié)構(gòu)具有占地 面積小 結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)越性而被廣泛采用 同時(shí)為保證鍋爐的熱效率 煙管建議 采用強(qiáng)化傳熱措施 本設(shè)計(jì)中煙管內(nèi)加裝擾流子 上部換熱管組用銅管管束 上 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)程序 部換熱管組的選取也很重要 本文的后續(xù)的流動(dòng)傳熱特性的研究可以為獲得更為 緊湊的鍋爐結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù) 本文所設(shè)計(jì)的真空鍋爐采用中心回燃鍋殼式鍋爐 以下的各種計(jì)算都基于這 種結(jié)構(gòu)包括設(shè)計(jì)計(jì)算程序 但是設(shè)計(jì)計(jì)算和程序也可以使用其他形式 因?yàn)樗?及的計(jì)算公式和方法都是普遍適用的 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 2 2 真空鍋爐的設(shè)計(jì)原理 一 煙氣量的計(jì)算 1 理論干空氣量的計(jì)算 v o o 0 8 8 9 c 0 3 7 5 s 1 o 2 6 5 h 一0 0 3 3 3 0 7 理論氮?dú)饬?咣 o 7 9 礦 o 8 篙 s 0 2 和c 0 2 容積 乩s 6 6 警 水蒸汽理論容積 嘴 o o 11i h 0 0 1 2 4 w 7 0 0 1 6 1 v o 水蒸汽實(shí)際容積 歸 昭 0 0 1 6 1 a 一1 v 2 煙氣容積 0 2 巧 噶 口一1 v o 3 三原予氣體容積份額 r m q 白 d3 d 巧 4 煙氣重量 g y 1 1 蒜0 3 0 s 口礦 5 煙氣在標(biāo)況下的密度 p q 0 6 每千克燃料消耗的熱媒水量 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理 上及設(shè)計(jì)程序 鯨 叩 r 7 煙氣焓溫表 口 f 名q c 日 0 2 巧0 2 c 日 心 四z o c 口 j v o c 8 j a t i 其中過量空氣系數(shù)取口 1 1 1 3 0 設(shè)計(jì)中通常取口 1 1 5 二 煙氣部分換熱計(jì)算 1 燃料消耗量 哆 互導(dǎo)i 2 鍋爐的輸入熱量 q r b j q l 3 理論燃燒溫度 查溫焓表眈 疋 眈 2 7 3 4 實(shí)際功率下煙氣容積量 x b j 5 實(shí)際功率下煙氣質(zhì)量流量 a y s g y x b j 6 排煙損失 q 查溫焓表計(jì)算 三 爐膛部分計(jì)算 1 爐膛直徑 d 2 7 x b 0 7 5 m 根據(jù)文獻(xiàn) 1 6 擬合 2 爐膽長(zhǎng)度 l l 1 8 x b f 1 5 m 3 爐膽總的表面積 丘 面l l r d c d 2 2 4 爐膽內(nèi)輻射換熱系數(shù)c c 11 0 按文獻(xiàn) 1 6 選取 5 爐膽出口溫度 研 8 0 0 假設(shè) 6 爐膽內(nèi)煙氣平均溫度 計(jì)算煙氣輻射換熱的平均溫度 碰 去 見一碰 2 7 3 7 爐膽內(nèi)每千克煙氣與爐膽壁的輻射換熱量 j k g 浙江太學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)程序 麗c f z 堋齋4 一c 甜圳3 瓦 t 9 0 2 7 3 8 爐膽內(nèi)總的輻射換熱量 w q l q l b s 9 爐膽出1 2 1 煙氣熱焓 k j k g j q 幺一qx 1 0 一 b 校驗(yàn)爐膽出口溫度 根據(jù)煙氣出口焓查焓溫表校驗(yàn) 四 煙管部分計(jì)算 1 煙管出口煙氣溫度 排煙溫度 取口 1 4 0 2 7 3 2 煙管內(nèi)煙氣平均溫度 只 皇 墨 l o v e r 2 7 3 k 3 平均溫度下煙氣的密度 比容 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 普朗特?cái)?shù)的確定 o a 3 5 3 2 5 t k g m 3 乩 嬰1 0 0 生0 0 一晉乎 1 0 6 k 鼉薩 怖 叼 鼉薩劇 y 坐 m 2 s p d w p o 7 2 6 一等 4 煙管內(nèi)平均溫度下的煙氣體積流量 v g v s p 5 煙管規(guī)格的選擇 煙氣流速的選擇 取規(guī)格礦4 5 3 5 r a m 流速 1 2 m s 6 煙管根數(shù) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章真空鍋爐的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)程序 鏟瓦w a v e r 根 7 煙管長(zhǎng)度 與爐膽長(zhǎng)度相當(dāng) l y t 占 8 煙管內(nèi)壁壁溫 t t 1 5 c l t 2 7 3 k 9 煙管內(nèi)雷獺 警 1 0 煙管內(nèi)努塞爾特?cái)?shù) 1 4 n u 增 0 0 2 1 4 c 0 8 堋呶 c 緲 c 秒5 o 6 p k 1 5 o 5 等 i 5 2 2 0 0 r e 月 v 則方程 3 1 6 變?yōu)?口 f 旦 3 1 7 口 2 l 麗j 瓦 以上分析是蒸汽凝結(jié)機(jī)理的分析 通常情況下由于蒸汽在冷凝液膜上的凝結(jié) 產(chǎn)生的傳熱熱阻比較小 也就說由此而產(chǎn)生的溫差在蒸汽側(cè)與換熱管內(nèi)供熱水的 溫差中是比較小的一部分 主要的溫差產(chǎn)生在液膜兩側(cè) 但在真空鍋爐中由于上 部蒸汽壓力較小 蒸汽凝結(jié)率較一般常壓下小 由于蒸汽凝結(jié)而產(chǎn)生的熱阻在總 的熱阻中占了相當(dāng)比例 特別是有不凝性氣體 如空氣 存在時(shí)這部分產(chǎn)生的熱 阻就嚴(yán)重影響到了冷凝換熱 這樣就不得不把凝結(jié)熱阻和溫差考慮到整個(gè)熱阻和 溫差中來 在n u s s e l t 作出的膜狀凝結(jié)的理論解析中 假定凝結(jié)率很高 由凝結(jié)產(chǎn)生的 溫差很小 事實(shí)上當(dāng)蒸汽壓力較低時(shí) 由凝結(jié)產(chǎn)生的熱阻必須引起足夠的重視 而且在不凝性氣體存在時(shí) 從另一方面說是蒸汽分壓較低時(shí) 由蒸汽在液膜上 的凝結(jié)產(chǎn)生的熱阻可以跟液膜產(chǎn)生的熱阻相當(dāng)甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 如果能及時(shí)有效的 去除不凝性氣體 就可以得到良好的冷凝換熱效果 如果在換熱器或者真空鍋爐 運(yùn)行過程中較難除去不凝性氣體 似乎必須減小液膜層的熱阻比如實(shí)現(xiàn)珠狀凝 結(jié) 當(dāng)然既能除去不凝性氣體 又使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)是最理想的情況 關(guān)于水平管外蒸汽的膜狀凝結(jié)換熱的模型 文獻(xiàn) 2 3 2 4 有詳細(xì)的描述 這 里不再贅述 3 3 3 凝結(jié)換熱在真空鍋爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討 通常情況下 真空鍋爐上部換熱器外蒸汽以膜狀在管束外冷凝換熱 通過前 面的模型可以得到比較滿意的結(jié)果 其中的換熱計(jì)算也可以參照相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 關(guān)聯(lián)式 從蒸汽到換熱管內(nèi)供熱水傳熱熱阻包括凝結(jié)換熱熱阻 管壁導(dǎo)熱熱阻 管內(nèi)水的對(duì)流換熱熱阻 當(dāng)管內(nèi)流速為2 m s 左右時(shí) 真空鍋爐內(nèi)冷凝換熱熱阻 和管內(nèi)對(duì)流換熱熱阻數(shù)量級(jí)相當(dāng) 而如果采用銅管管壁導(dǎo)熱熱阻較小忽略 那么 要提高換熱系數(shù)就必須增加管內(nèi)對(duì)流換熱和管外凝結(jié)換熱 當(dāng)然由于管程較長(zhǎng) 阻力增加在流速的平方區(qū) 所以流速的提高是有限的 所以設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮增加 管外凝結(jié)換熱 根據(jù)很多文獻(xiàn) 1 4 3 3 3 4 可知不凝性氣體的存在會(huì)嚴(yán)重影響冷凝換熱系數(shù) 必須及時(shí)有效的除去 真空鍋爐中應(yīng)采用真空泵或其它除氣裝置 3 4 真空鍋爐內(nèi)部的熱媒水和蒸汽的流動(dòng) 3 4 1 真空鍋爐內(nèi)部水蒸汽流速的計(jì)算 真空鍋爐運(yùn)行時(shí) 熱媒水通過爐膽和煙管吸收燃料燃燒放出的熱量并發(fā)生穩(wěn) 定的核態(tài)沸騰 熱媒水沸騰汽化 在水面上聚集成水蒸汽 隨著汽相壓力的升高 水蒸汽克服重力上升到上部冷凝換熱器管束周圍 由于冷凝管管壁溫度遠(yuǎn)低于水 蒸汽的溫度從而蒸汽凝結(jié) 然后凝結(jié)水下落到水空間 汽化和凝結(jié)過程進(jìn)行反復(fù) 循環(huán) 因此 在靠近水面的蒸汽壓力必須高于上部換熱管束外的蒸汽壓力 水蒸 汽向上的質(zhì)量流速可以根據(jù)鍋爐容量和相應(yīng)壓力下的水蒸汽的汽化潛熱計(jì)算 r 型 3 1 8 r 1 一q 5 其中 為真空鍋爐的容量 功率 k w r 為蒸汽質(zhì)量流速 k e s 1 為蒸汽汽化潛熱 k j k g 吼為真空鍋爐散熱損失 則水蒸汽上升的速度為 k 半 3 1 9 其中 4 為真空鍋爐的水蒸汽流通的面積 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 結(jié)合方程 3 1 8 和 3 1 9 可得 w 一一2 生 3 2 0 w g2 丙f 如 3 根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的鍋爐可算得 他 蘭鼉一 0 1 8 4 m 5 3 2 1 k 2 i 贏2 剛5 從上面可以看出蒸汽的流速還是相當(dāng)可觀的 在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)在保證熱媒水充 分包圍爐膽和煙管的情況下 應(yīng)盡量減小蒸汽流通截面積 以提高蒸汽流速形成 沖刷換熱管束增強(qiáng)換熱 如果蒸汽流速較大時(shí) 由上部落下的凝結(jié)液滴可能在下 降過程中被再一次蒸發(fā) 這樣到達(dá)上部的蒸汽量相對(duì)下降從而影響冷凝換熱 必 須對(duì)蒸汽流道進(jìn)行調(diào)整 同時(shí)應(yīng)盡量減小蒸汽上升的距離即從熱媒水自由水面到 上部換熱管束的距離應(yīng)盡量小 3 4 2 真空鍋爐內(nèi)部的熱媒水 蒸汽的流道分析 真空鍋爐在原理上跟單根重力式熱管一樣 但是一般的重力式熱管蒸汽流道 和冷凝液的流道有比較明顯的區(qū)分 如圖3 3 所示 也就是由蒸汽與液體的相互 逆流產(chǎn)生的耗散從而導(dǎo)致的傳熱的下降幾乎可以忽略 遠(yuǎn)低于攜帶極限 一i j 剝 i 8 i f i 壅搴l 劇 圖3 3 重力式熱管內(nèi)部流動(dòng)特性圖 真空鍋爐內(nèi)部蒸汽和冷凝液的流動(dòng)相互干擾的情況較熱管要嚴(yán)重得多 所以 在設(shè)計(jì)真空時(shí)必須對(duì)相應(yīng)的流動(dòng)進(jìn)行調(diào)整 同時(shí)如果設(shè)計(jì)不合理 在真空鍋爐運(yùn) 行時(shí) 就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定工況 蒸發(fā)器即下部爐膽和煙管外的熱液體會(huì)周期性的噴 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 入冷凝段 并維持一段時(shí)間才會(huì)回到下部 這種現(xiàn)象被稱為 噴振 這種不穩(wěn) 定工況會(huì)影響凝結(jié)換熱的效率 并使得換熱系統(tǒng)以一定的頻率強(qiáng)迫振動(dòng) 這種振 動(dòng)會(huì)造成設(shè)備提前破壞 還會(huì)造成角焊縫連接處形成疲勞裂紋 同時(shí)由于噴入上 部的熱媒水不能及時(shí)下降到水空間 若熱媒水余量不足時(shí)可能造成下部煙管外局 部干涸從而導(dǎo)致鍋爐不安全運(yùn)行 針對(duì)上升蒸汽流可能攜帶細(xì)小的凝結(jié)液滴及大熱流下的 噴振 現(xiàn)象 我們 在真空鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用分流道結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中在水空間上部放置一系列托盤 蒸汽沿托盤四周上升 托盤下部開口連接小管徑管子把從上部冷凝落下的液滴導(dǎo) 流到熱媒水水面如圖3 4 所示 圖3 4 真空鍋爐內(nèi)部托盤示意圖 這樣放置托盤后 既可以減小蒸汽流通的截面積提高流速 又可以收集冷 凝液滴導(dǎo)流到底部水空間減小因蒸汽和液滴相互逆流產(chǎn)生耗散 另外還可以防止 下部熱媒水上噴 從而防止發(fā)生噴振現(xiàn)象 保證冷凝換熱效果以及防止不穩(wěn)定工 況造成鍋爐的損壞 3 4 3 真空鍋爐內(nèi)部的熱媒水容量的分析 真空鍋爐下部熱媒水容量的設(shè)計(jì)對(duì)鍋爐內(nèi)部蒸汽和冷凝液滴的循環(huán)流動(dòng)有 很大的影響 如果熱媒水容量偏小那么就會(huì)導(dǎo)致部分煙管外沒有熱媒水 導(dǎo)致干 燒 如果熱媒水過多 那么一方面整個(gè)鍋爐的體積偏大 增加耗材 另一方面鍋 爐的啟動(dòng)較慢 減小了小型燃油 氣 鍋爐的機(jī)動(dòng)性 通常情況下按熱媒水循環(huán) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第蘭章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 量與熱媒水容量的比例取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值 熱媒水循環(huán)量取 m 0 3 6 0 0 k g h 3 2 2 1 一q 5 其中 為真空鍋爐的容量 功率 k w m 為熱媒水循環(huán)量質(zhì)量流速 k e h 1 為蒸汽汽化潛熱 l d k g 吼為真空鍋爐散熱損失 熱媒水量一般先根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行估算 基本要求是除去熱媒水循環(huán)量 外 剩余熱媒水必須包圍煙管和爐膽 同時(shí)根據(jù)工程設(shè)計(jì)歸納 熱媒水循環(huán)量與 熱媒水總的容量之比 也可以成為循環(huán)比率k 一般取在1 1 1 3 h 1 鍋爐容量 大 蒸汽溫度高 比率可以相應(yīng)的提高一些 對(duì)于一般的容量的真空鍋爐可以選 取上述范圍的循環(huán)比率 從而算出熱媒水容量 選取適當(dāng)?shù)臒崦剿臻g 熱媒水 循環(huán)比率關(guān)系如下 k 墮 3 2 3 i 其中 i 為真空鍋爐熱媒水的容量蠔 m 為熱媒水循環(huán)量質(zhì)量流速 k g h 總之在真空鍋爐的設(shè)計(jì)中熱媒水循環(huán)比率是一個(gè)很重要的參數(shù) 而熱媒水容 量的選取至關(guān)重要 它跟重力式熱管中的充液量的選取一樣重要 如果選取不合 理會(huì)造成沸騰和冷凝換熱不穩(wěn)定 導(dǎo)致鍋爐不穩(wěn)定運(yùn)行 甚至出現(xiàn)局部燒干的現(xiàn) 象或者長(zhǎng)時(shí)間的過冷沸騰從而鍋爐效率下降 而在真空鍋爐熱媒水循環(huán)比率 真 空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)特性方面 國(guó)內(nèi)的研究很少 也沒有作技術(shù)統(tǒng)計(jì) 缺少技術(shù)交流 本文是在總結(jié)較多產(chǎn)品的基礎(chǔ)上得出上述范圍 真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)要比一般的重力式熱管中的兩相流動(dòng)復(fù)雜得多 而且真 空鍋爐內(nèi)部是負(fù)壓運(yùn)行 沸騰和凝結(jié)不如重力式熱管內(nèi)部壓力自行調(diào)節(jié)的范圍大 從而傳熱強(qiáng)度也不如熱管 重力式熱管內(nèi)部的蒸汽和冷凝液的流道分明相互干擾 少 同時(shí)一般的重力式熱管蒸汽上升的阻力降較小 所以它內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱效 果很好被稱為熱的超導(dǎo)體 真空鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜沒有一般的重力式熱管那么良 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 好的流動(dòng)和傳熱特性 研究真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱必須跟其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān) 對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱的研究必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行 本文前面只是對(duì) 真空鍋爐內(nèi)部熱媒水的流動(dòng)和換熱做了一些簡(jiǎn)單的理論分析 并結(jié)合自己設(shè)計(jì)的 樣機(jī)對(duì)各個(gè)部分流動(dòng)和換熱得出 些粗略的結(jié)論 在用實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)的參數(shù)后可 以數(shù)值模擬真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和換熱特性 進(jìn)一步認(rèn)識(shí)以便更加合理的設(shè)計(jì)真 空鍋爐 3 5 強(qiáng)化傳熱技術(shù)在真空鍋爐中的應(yīng)用探討 從前面的真空鍋爐內(nèi)部的傳熱分析可知 真空鍋爐內(nèi)部的傳熱幾乎包括了所 有的傳熱途徑 從燃料燃燒到供熱水的加熱 傳熱途徑包括有輻射 對(duì)流 沸騰 凝結(jié) 熱傳導(dǎo)等 目前的強(qiáng)化傳熱手段很多 在文獻(xiàn) 2 8 3 5 1 有詳細(xì)的介紹 總 體來說 強(qiáng)化傳熱可以通過三種途徑來實(shí)現(xiàn) 增加平均傳熱溫差 擴(kuò)大換熱面積 提高換熱系數(shù) 根據(jù)傳熱學(xué)基本原理可知強(qiáng)化傳熱必須在熱阻較大側(cè)進(jìn)行 通過分析 我們 可知真空鍋爐從燃料燃燒到供熱水吸熱這一串聯(lián)的過程中 煙管內(nèi)的輻射對(duì)流換 熱系數(shù)較小應(yīng)是強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn) 3 5 1 真空鍋爐煙管內(nèi)的強(qiáng)化傳熱的應(yīng)用探討 真空鍋爐一般采用中心回燃式結(jié)構(gòu) 煙管的長(zhǎng)度有限即煙管的傳熱面積較小 所以必須提高傳熱系數(shù) 通常情況采用如下途徑 管子內(nèi)插入紐帶 管子內(nèi)插入 螺旋片 管子內(nèi)插入螺旋絲 采用螺紋槽管 采用螺旋內(nèi)肋或直肋管等 文獻(xiàn) f 2 8 3 6 3 7 對(duì)燃油燃?xì)忮仩t煙管內(nèi)的強(qiáng)化傳熱做了很多分析 并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行各種 強(qiáng)化途徑的比較 通常情況下加入擾流子后是光管內(nèi)的換熱系數(shù)1 4 1 7 倍 本 文所設(shè)計(jì)的鍋爐煙管中加入螺旋絲 3 5 2 真空鍋爐上部冷凝換熱器強(qiáng)化傳熟的應(yīng)用探討 為了鍋爐的緊湊和減小散熱損失 上部空間不能設(shè)計(jì)得很大 因此換熱管束 管內(nèi)的流速必須使流動(dòng)達(dá)到紊流 有必要在管內(nèi)外兩側(cè)均采取強(qiáng)化傳熱措施 通 常情況下可以采用內(nèi)外螺紋管 或內(nèi)螺紋管 2 8 3 5 采用螺旋管束增加管子長(zhǎng) 度 加添加劑變膜狀凝結(jié)為珠狀凝結(jié) 文獻(xiàn) 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 中有這方面的研究 對(duì)各種變膜狀凝結(jié)為珠狀凝結(jié)的促進(jìn)劑的研究很多 并在逐 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的理論分析 步向工業(yè)應(yīng)用靠攏 理論和實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)蒸汽中存在不凝性氣體 凝結(jié)換熱系數(shù)將急劇下降 尤其是真空鍋爐中水蒸汽壓力低 熱流密度小 不凝性氣體的存在對(duì)凝結(jié)換熱系 數(shù)的作用更大 因此必須要及時(shí)有效的去除不凝性氣體 防止傳熱效果下降 所 以及時(shí)除去不凝性氣體在真空鍋爐運(yùn)行中相當(dāng)重要 本文后期的實(shí)驗(yàn)也對(duì)不凝性 氣體的對(duì)換熱的影響做了相關(guān)的分析 3 6 本章小結(jié) 要較好的設(shè)計(jì)真空鍋爐 必須對(duì)真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性有一個(gè)深入 的了解和認(rèn)識(shí) 本章對(duì)真空鍋爐熱量傳遞的各個(gè)環(huán)節(jié)以及真空鍋爐內(nèi)部熱媒水的 沸騰和冷凝做了詳細(xì)的分析 并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出了自己的建議 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究 第四章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的試驗(yàn)研究 真空鍋爐由于其內(nèi)部水循環(huán)處于完全密封狀態(tài) 不易結(jié)垢和腐蝕 再加之熱 媒水在負(fù)壓下運(yùn)行 安全性能較好 所以真空鍋爐在我國(guó)受到了大多數(shù)中小工業(yè) 鍋爐生產(chǎn)商和廣大工業(yè)鍋爐用戶的歡迎 國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐制造廠紛紛仿制從日 韓 進(jìn)口真空鍋爐 而對(duì)于真空鍋爐的研究工作做得不多 真空鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的系 統(tǒng) 它包括燃料燃燒 熱媒水沸騰 冷凝 供熱水加熱等各部分 本文實(shí)驗(yàn)將對(duì) 熱媒水的流動(dòng)和換熱尤其是對(duì)冷凝換熱加以實(shí)驗(yàn)研究 本文的實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)如下 問題進(jìn)行 真空鍋爐由于是在負(fù)壓下運(yùn)行 其內(nèi)部的水蒸汽冷凝跟常壓下的差別 與第三章的分析進(jìn)行比較 如果真空鍋爐的密封性不好 漏入的空氣對(duì)冷凝換熱 的影響情況 以及文獻(xiàn) 4 2 所提出的添加劑對(duì)冷凝換熱的影響 4 1 試驗(yàn)的意義 國(guó)內(nèi)大多數(shù)真空鍋爐制造廠在真空鍋爐的設(shè)計(jì)中選取的參數(shù)主要來源于一 般的熱水鍋爐 對(duì)于在一定負(fù)壓下運(yùn)行的內(nèi)部熱媒水的沸騰蒸發(fā)和冷凝情況缺乏 相關(guān)試驗(yàn)研究 上部換熱器的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)至關(guān)重要 選取合適 的冷凝換熱系數(shù)是上部換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 因此 對(duì)一定真空度下水蒸汽在管外 冷凝換熱的研究對(duì)真空鍋爐的設(shè)計(jì)意義重大 本文通過實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)冷凝換熱進(jìn) 行研究 另外對(duì)添加劑也進(jìn)行研究 4 2 試驗(yàn)測(cè)試的原理 本文的試驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成 分別是下部加熱器 上部冷凝器 主要測(cè)量 的參數(shù)是冷卻水流景 進(jìn)出口溫度 加熱管和冷凝管管外壁溫度以及加熱功率 測(cè)試的基本原理是熱平衡原理 根據(jù)通入加熱棒的電流和兩端的電壓算出加 熱功率 也就是沸騰的熱通量 再根據(jù)測(cè)出的加熱管外壁溫度與熱媒水溫度以及 加熱管的表面積算出沸騰的熱流密度和沸騰換熱系數(shù) 試驗(yàn)中采用電加熱 沸騰 換熱跟實(shí)際的真空鍋爐內(nèi)的爐膽和煙管外的沸騰相差較大 因此在試驗(yàn)中這方面 的測(cè)試較少 試驗(yàn)的重點(diǎn)在冷凝換熱 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究 加熱功率 p 明或者p 警 4 1 其中 u 加熱棒兩端的電壓 礦 交流電壓表讀數(shù) 一恿入加熱棒的電流 爿 交流電流表讀數(shù) 凇 六根加熱棒的并聯(lián)電阻 q 鼬 詈 沸騰的平均熱流密度 口 上 4 2 g 瓦 4 2 其中 p 加熱棒功率即熱通量 矽 按式 4 一1 e a 六根加熱棒表面積總和 e a 6 r x d l m 2 沸騰的換熱系數(shù) 口 衛(wèi) 垡 4 3 2 毒 贏 圳 其中 g 熱流密度 熱通量 w m 2 a t 壁面過熱度 加熱管外壁溫度 f 熱媒水飽和溫度 穩(wěn)定狀態(tài)下 加熱功率除了少量散熱 大部分熱量用于加熱冷卻水 實(shí)際測(cè) 量中 大多是通過測(cè)出冷卻水流量和進(jìn)出口溫差算出冷卻水吸收的熱量 同時(shí)也 認(rèn)為蒸汽冷凝放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量 根據(jù)熱量平衡以及蒸汽溫度與 換熱管平均管外壁溫得出冷凝換熱系數(shù) 具體見下面的方程 g h q 砧 4 4 其中 q 蒸汽冷凝放熱量 礦 q 冷卻水吸收的熱量 形 q i 口時(shí)彳 t f 4 5 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章真空鍋爐內(nèi)部流動(dòng)和換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究 其中 口可 冷凝換熱系數(shù) w m 2 c 如 冷凝管管束外表面積 l n 2 a z r x d l z 為管子根數(shù) f 蒸汽溫度 冷凝管外平均壁溫 級(jí) c 廊 f 一f 4 6 其中 巳 冷卻水在測(cè)試工況下的平均比熱 j k g c v h 冷卻水質(zhì)量流量 堙 s t 冷卻水進(jìn)口溫度 冷卻水出口溫度 根據(jù)方程 4 4 4 5 和 4 6 聯(lián)立可得冷凝換熱系數(shù) c p r h t t 型墮塵一 4 7 9 4 w 一 z n x 丸三 一 其中所有的溫度量可以通過試驗(yàn)中的熱電偶測(cè)得 冷卻水的質(zhì)量流量可以根 據(jù)冷卻水的體積流量和密度算出 所有尺寸按設(shè)計(jì)圖紙 最后可以根據(jù)冷凝換熱 量和電加熱功率算出系統(tǒng)的散熱損失 4 3 試驗(yàn)裝置 儀表及測(cè)量系統(tǒng) 本文試驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成 試驗(yàn)裝置 水路電路 測(cè)試系統(tǒng) 總的試驗(yàn) 系統(tǒng)圖見圖4 1 試驗(yàn)裝置如圖4 2 所示 試驗(yàn)裝置下部采用