汽水熱交換器用于低溫?zé)煔鉄峄厥盏墓?jié)能性研究

潘雷彬，周振峰，陳燕珍，邴紹洋

（1.上海虹橋國際機(jī)場公司，上海200335；2.上海德昂實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，上海200235；3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

汽水熱交換器用于低溫?zé)煔鉄峄厥盏墓?jié)能性研究

潘雷彬1，周振峰1，陳燕珍2，邴紹洋3

（1.上海虹橋國際機(jī)場公司，上海200335；2.上海德昂實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，上海200235；3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

鍋爐煙氣直接排放，會(huì)損失大量的熱量，充分利用煙氣的余熱會(huì)達(dá)到節(jié)能減排的效果，產(chǎn)生的熱水可以用作鍋爐補(bǔ)水或生活用水。利用汽水熱交換器對(duì)低溫?zé)煔膺M(jìn)行熱回收的節(jié)能效果和投入成本進(jìn)行了分析比較，研究在不同質(zhì)量和熱容乘積比例時(shí)的煙氣出口溫度以及回收的熱量，同時(shí)研究換熱只存在顯熱和有潛熱過程時(shí)熱量回收的多少。另外對(duì)顯熱過程中不同質(zhì)量和熱容乘積比時(shí)換熱器的面積和管長進(jìn)行研究。

天然氣煙氣；余熱回收；節(jié)能效益分析

0　引言

目前隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗日益增加，城市大氣質(zhì)量日益惡化的問題越發(fā)突出。鍋爐是工業(yè)發(fā)展、生存取暖、生活用電等不可或缺的方式，然而不論是工業(yè)鍋爐、燃?xì)忮仩t還是電站鍋爐，其煙氣排放都帶走大量熱量。鍋爐排煙問題一方面在于煙氣污染物的直接污染，另一方面就是過高的排煙溫度。高的排煙溫度既浪費(fèi)了大量能源，又造成嚴(yán)重的環(huán)境熱污染。研究表明［1，2］，煙氣溫度每降低15～20℃可以提高鍋爐熱效率1%。

在余熱回收過程中若直接降低排煙溫度則會(huì)使鍋爐尾部受熱面中煙氣與工質(zhì)的傳熱溫差減小，傳熱面積增大，金屬消耗以及設(shè)備的初投資增多，并且排煙溫度過低還會(huì)引起煙氣中酸性氣體的凝結(jié)，使低溫受熱面腐蝕堵灰［3，4］。為避免上述問題，本文采取在省煤器后進(jìn)行煙氣余熱的回收、降低排煙溫度，以便提高熱能利用效率、減輕高溫?zé)煔庠斐傻臒嵛廴尽?/p>

實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收的常用設(shè)備通常有氣氣熱交換器、汽水熱交換器以及冷凝式換熱器等類型，其中汽水熱交換器設(shè)備尺寸較小，鑒于需要熱回收改造的鍋爐房空間有限，本文擬對(duì)汽水熱交換器的節(jié)能效果和投入成本等方面進(jìn)行分析比較，為確定低溫?zé)煔庾罴训臒峄厥辗桨柑峁├碚撘罁?jù)。

1　煙氣與水的流量比對(duì)熱回收效果的影響

研究項(xiàng)目中，鍋爐為天然氣鍋爐，煙氣排放量為Gs=13445m3/h，煙氣出口溫度及進(jìn)入換熱器的溫度為115℃。天然氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣中含大量的水蒸汽，且硫化物較少，露點(diǎn)溫度相對(duì)較低。在煙氣發(fā)生冷凝時(shí)會(huì)釋放大量的潛熱，因此，以下研究過程分為純顯熱回收和全熱回收（即潛熱跟顯熱之和）。僅回收顯熱時(shí)，回收熱量較少但換熱器面積較??；全熱過程時(shí)，熱量回收較多但相應(yīng)換熱器面積較大。

1.1僅有顯熱交換時(shí)的熱回收特征換熱器溫度效率的定義［5］如下：

式中Gs—煙氣的流量，m3/h；

Gw—水的流量，m3/h；

ε—?dú)鈿鈸Q熱效率，取75%；

ρs—煙氣的密度，取1.248kg/m3；

ρw—水的密度，取1000kg/m3；

Cs—煙氣的定壓比熱，1.12kJ/（kg·℃）；

Cw—水的定壓比熱，4.2kJ/（kg·℃）；

Tis—煙氣的出口溫度，℃；

Tos—煙氣的出口溫度，℃；

Tiw—水的進(jìn)口溫度，取13℃；

Tow—水的出口溫度，℃。

式（1）中（mc）min是計(jì)算過程中兩種流體比熱容流體量大小的臨界點(diǎn)。該臨界點(diǎn)以煙氣和水的質(zhì)量與比熱容的乘積之比是否相等為界限，根據(jù)公式（1）可以得到不同的煙氣和水的質(zhì)量與比熱容乘積的比值時(shí)，經(jīng)過汽水熱交換器后其煙氣、水的出口溫度，如圖1所示。

由圖1可以看出隨著比值的增大，煙氣出口溫度在臨界值以前不變，在比值超過臨界值時(shí)其溫度逐漸升高，水的溫度在煙氣比值小于臨界值時(shí)溫度逐漸升高，在大于臨界值時(shí)其溫度不再變化，這表明，在換熱過程中存在最大溫度差。實(shí)際應(yīng)用中在考慮煙氣和水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)，應(yīng)盡可能考慮實(shí)現(xiàn)最大溫差，同時(shí)應(yīng)根據(jù)所需水量范圍大小，選擇一個(gè)合適的冷水出口溫度。

1.2全熱交換時(shí)汽水流量比對(duì)換熱過程的影響

有潛熱換熱的過程中，煙氣在換熱器內(nèi)的溫度變化與顯熱回收不同，當(dāng)煙氣溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)，只發(fā)生顯熱換熱過程，當(dāng)煙氣溫度低于其露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣在換熱器內(nèi)既發(fā)生顯熱換熱又發(fā)生潛熱換熱，但在計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為只發(fā)生潛熱換熱。圖2給出了煙氣與水在換熱器內(nèi)部的溫度變化示意圖。

圖2　有潛熱換熱時(shí)煙氣與水的溫度變化示意圖

換熱器溫度效率的定義［6］如下：式中T1—煙氣出現(xiàn)冷凝的界面位置對(duì)應(yīng)的冷水溫度，℃；

Td—煙氣露點(diǎn)溫度，℃。

由公式（2）可以得到煙氣出現(xiàn)冷凝的界面位置對(duì)應(yīng)的冷水溫度T1以及冷水的出口溫度Tow的計(jì)算值分別為：

當(dāng)（mc）sa＜（mc）cw時(shí)：

當(dāng)（mc）sa＞（mc）cw時(shí)：

以上公式中的Y為煙氣的比熱容流量與水的比熱容流量之比，即

根據(jù)式（3）～式（6）可以得到在不同的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)煙氣跟冷水的出口溫度，如圖3所示。

圖3　有潛熱換熱時(shí)在不同的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)煙氣跟冷水的出口溫度

由圖3可以看到，煙氣出現(xiàn)冷凝的界面位置對(duì)應(yīng)水的溫度和煙氣溫度均隨著煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比的變化不大，但是冷水出口溫度在本文所研究的煙氣比范圍內(nèi)變化較大，這表明，合適的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比，存在最佳效益值。

2　熱回收效果比較與熱回收方式的確定

2.1煙氣比對(duì)熱回收效果的影響

對(duì)于顯熱換熱，煙氣側(cè)減少的熱量都會(huì)傳給水側(cè)，在這里不考慮換熱器的散熱，則冷水側(cè)通過熱交換器從煙氣中回收的余熱熱量可以表示為：

在有潛熱換熱的過程中，煙氣側(cè)由于存在水蒸汽的冷凝換熱，其換熱量不宜在煙氣側(cè)求得，但由能量守恒原則，煙氣側(cè)的顯熱量以及水蒸氣釋放的潛熱換熱量都會(huì)傳給冷水側(cè)，使外界冷水的溫度升高，所以在計(jì)算過程中總熱量等于外界冷水側(cè)冷水的得熱量，總熱量公式如下：

根據(jù)式（7）、式（8）以及圖3中在不同的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)各相應(yīng)的出口溫度，可以分別得到僅顯熱回收和全熱回收時(shí)，從低溫?zé)煔庵谢厥盏挠酂釤崃浚?jì)算值如圖4所示。

a）顯熱回收b）全熱回收

由圖可以看出，純顯熱換熱中煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比的大小對(duì)熱回收量的影響較小，在比值小于1時(shí)，回收的熱量不變，有潛熱換熱的過程中，煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比對(duì)換熱量有較大影響，同時(shí)由圖4b）圖及圖3可以知道，在不同的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)，水的出口溫度變化較大，在比值較小時(shí)，水的出口溫度較低，應(yīng)根據(jù)實(shí)際中所用水的溫度范圍，選擇合適的比例，在滿足實(shí)際條件下盡可能得到大的熱回收量，同時(shí)熱回收量曲線變化越來越平緩，所以不宜選擇較大的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積比。

2.2煙氣比對(duì)熱換熱面積的影響

由圖4可知在煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積相差不大時(shí)，全熱換熱與顯熱換熱過程中回收的熱量相差不大，但冷凝換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且成本相對(duì)顯熱換熱器成本較高，因此沒有必要對(duì)煙氣進(jìn)行潛熱回收，為此，本文僅對(duì)顯熱回收的熱交換器進(jìn)行計(jì)算分析。

在換熱器換熱面積的計(jì)算過程中，主要的相關(guān)參數(shù)為換熱量，對(duì)數(shù)平均溫差，總的傳熱系數(shù)，在總傳熱系數(shù)的計(jì)算過程中，只考慮管內(nèi)外的對(duì)流換熱系數(shù)，不考慮污垢熱阻、管壁熱阻等的影響。換熱器換熱面積表水為如下：

式中A—換熱器的換熱面積，m2；

Qs—換熱器的顯熱換熱量，kJ；

Δtm—換熱器的對(duì)流平均溫度差，℃；

KT—換熱器總的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。忽略管壁的熱阻以及污垢熱阻等，則總傳熱系數(shù)表達(dá)式為：

式中h1—煙氣與換熱管之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；h2—管內(nèi)水與換熱管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

根據(jù)傳熱原理［7］，計(jì)算得到h1=118W/（m2·K）和h2= 156W/（m2·K）。

換熱器采用逆流方式進(jìn)行換熱，其對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算公式如下：

式中Δtm—對(duì)數(shù)平均溫差，℃；

Δt1—熱流體進(jìn)口溫度與冷流體出口溫度的差值，℃；

Δt2—熱流體出口溫度與冷流體進(jìn)口溫度的差值，℃。

在計(jì)算出總傳熱系數(shù)跟對(duì)數(shù)平均溫差時(shí)，可計(jì)算求得換熱器總的傳熱面積。在不同的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)所需的換熱器換熱面積和換熱管長度如圖5所示。

由圖5分析可知，換熱器換熱面積存在一個(gè)最大值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開這個(gè)值，同時(shí)由于換熱器的換熱量在臨界值以后逐漸降低，所以應(yīng)盡量選擇臨界值以前進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，以較小的換熱面積得到較多的熱量。

圖5　不同煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比時(shí)顯熱熱交換器的面積及管長

3　余熱回收系統(tǒng)的效益評(píng)估

3.1節(jié)約燃?xì)饬康挠?jì)算

計(jì)算過程中煙氣回收的總熱量為顯熱跟潛熱量之和，這部分熱量是從煙氣中回收過來的，而節(jié)約的燃?xì)赓M(fèi)則相當(dāng)于產(chǎn)生這些熱量所消耗燃?xì)饬康馁M(fèi)用。為了得到單位時(shí)間內(nèi)這些煙氣所回收的熱量，需要耗費(fèi)天然氣的量可以通過下式計(jì)算：

式中V—節(jié)約的燃?xì)饬浚琺3/h；

QT—顯熱或全熱過程中總的節(jié)約熱量，kJ；

Q0—天然氣的低位發(fā)熱值，Q0=36120kJ/m3。

3.2純顯熱和全熱過程中燃?xì)夤?jié)約的費(fèi)用

由計(jì)算分析可知，只有顯熱過程以及有潛熱的全熱過程中燃?xì)夤?jié)約的費(fèi)用如圖6所示。

由圖6可知，低溫?zé)煔獯嬖诶淠龘Q熱時(shí)節(jié)約的費(fèi)用大于純顯熱過程中節(jié)約的費(fèi)用，全熱過程中隨煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積之比的增大節(jié)約的費(fèi)用逐漸降低，但節(jié)約的費(fèi)用越高，冷水的出口溫度越低，出水溫度太低，不利于實(shí)際工程的利用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際利用水溫，選擇合適的比例，純顯熱過程中，節(jié)約費(fèi)用在煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積相等之前是不變的，當(dāng)大于這個(gè)比例時(shí)，節(jié)約的費(fèi)用逐漸降低。應(yīng)根據(jù)所需的實(shí)際水溫選擇合適的煙氣與水的質(zhì)量與熱容乘積比。

圖6　顯熱與全熱過程費(fèi)用的節(jié)約值

4　結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，燃?xì)庖云洵h(huán)保高效等優(yōu)勢備受歡迎，因此，燃?xì)庖呀?jīng)成為越來越重要的能源。本文針對(duì)利用汽水熱交換器對(duì)低溫?zé)煔膺M(jìn)行熱回收的節(jié)能效果和投入成本進(jìn)行了分析比較，得到以下主要結(jié)論：

（1）有潛熱換熱的余熱回收熱量較多，但其需要的換熱器面積較大，同時(shí)對(duì)換熱器的要求更高，本文所研究的煙氣更適合顯熱回收。

（2）換熱器換熱面積與汽水流量比值之間存在極大值，在選用時(shí)應(yīng)盡量避開此最大值。

（3）通過對(duì)煙氣余熱回收的效益分析，在本文所用到的煙氣量條件下，每年可以節(jié)約費(fèi)用20萬元以上，投資回收期在3a以內(nèi)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］王志民.天然氣鍋爐煙氣余熱回收與效率［J］.區(qū)域供熱，2003，22（4）：18，19.

［2］CheDefu，Liu Yanhua，GaoChunyang.Evaluation of RetrofittingaConventional Natural Gas Fired Boiler into a Condensing Boiler［J］.EnergyConversion and Management，2004，45（20）：3251～3266.

［3］李慧君，張明智，周蘭欣.燃?xì)忮仩t的煙氣凝結(jié)換熱［J］.動(dòng)力工程，2007，37（5）：697～701.

［4］XuGang，YangYongping，Huang Shengwei，WuYing，Zhang Kai.Techno-economicAnalysis and Optimization of the Heat Recovery of Utility Boilers'Flue Gas［J］.Internation Conference of Applied Energy，2012.

［5］錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：6～10，58～192.

［6］鄧斌，陶文銓.管殼式換熱器殼側(cè)湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（9）：889～893，924.

［7］章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)［M］.5版.北京：中國建筑工業(yè)出社，2007.

Air-water Heat Exchanger for Energy Saving of Low Temperature Flue Gas Heat Recovery Process

PAN Lei-bin1，ZHOU Zhen-feng1，CHEN Yan-zhen2，BING Shao-yang3

（1.Shanghai Hongqiao International Airport Company，Shanghai 200335，China；2.Dynawin International Group，Shanghai 200235，China；3.College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The direct emissions of flue gas in boiler will result in the loss of much heat which could be used to heat water.And the hot water can be used as additional water to boiler and domestic water.In this study，the energy-saving effect and input cost of recycling heat of lower temperature flue gas by gas-liquid heat exchanger were analyzed.Besides，the haze outlet temperature and the recycled heat at different quality and heat capacity of product ratio were studied.The mount of recycled heat was also studied when heat exchange is only with sensible heat or latent heat.In addition，we studied the area and pipe range of heat exchanger with different mass and the ratio of heat capacity during the heat exchange with sensible heat.

natural gas；waste heat recovery；energy saving benefit analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.016

TK229.8

B

2095-3429（2015）04-0056-05

2015-06-04

修回日期：2015-07-08

潘雷彬（1985-），男，上海人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向：暖通；

周振峰（1984-），男，上海人，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：暖通；

陳燕珍（1991-）女，安徽人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向：暖通；

邴紹洋（1990-）男，山東人，工學(xué)碩士，研究方向：暖通。