冷凝式节能锅炉节能器的节能参数分析

李峰光

（湖南省特种设备检验检测研究院株洲分院，湖南株洲412000）

冷凝式节能锅炉节能器的节能参数分析

李峰光

（湖南省特种设备检验检测研究院株洲分院，湖南株洲412000）

根据冷凝式节能器的工作原理，研究了主要结构参数对节能效果的影响。结果表明：冷凝式节能器的出水口温度随烟气连接管内径、烟气连接管长度的增大而升高；烟气出口温度随烟气连接管的长度增加而降低。

节能式锅炉；结构参数；节能

0 引言

目前工业锅炉是我国主要的热能动力设备，随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，城市大气质量日益恶化的问题越发突出。在热能动力方面能耗高、污染高的主要原因之一就是锅炉的烟气排放，锅炉排烟问题一方面来自烟气污染物的直接污染，另一方面来自过高的排烟温度。而若直接降低排烟温度则会使锅炉尾部受热面中烟气与工质的传热温差减小，传热面积增大，金属消耗和设备初投资增多。且排烟温度过低还会引起烟气中硫酸蒸汽的凝结，使低温受热面腐蚀堵灰。但是排烟温度过高，大量的燃烧烟气带走了可观的热量，造成了能源的大量浪费。为此，利用烟气的余热对煤气和助燃空气预热，减少煤气消耗量，特别是减少高热值焦炉煤气的消耗量越来越受到人们的重视［1-3］。

本文以工业应用较多的冷凝式节能锅炉节能器为研究对象，分析了节能器关键结构参数筒体外径、烟气连接管长度、烟气连接管外径、烟气连接管数量及进出水管水平间距等对节能效率的影响规律，为优化节能器结构参数、提高节能效率、开发可靠性高的高效节能器提供技术储备。

1 冷凝式节能器的热力计算方法

冷凝式节能器为锅炉尾部余热回收装置，其结构示意图如图1所示，当高温烟气在通道内通过管壁传导热量至筒体内流动的水介质，使得排放烟气温度得以降低，进入锅炉的水得以预热，从而达到将排烟中的大量能量加以回收利用的目的，实现了节能环保的效果。其优点在于换热面积大，换热效果好，生产简单，安装方便，占地面积小，传热性能良好，功率稳定，安全可靠等，因而在工业上得到了广泛的推广应用［4］。

图1 节能器的三维模型

由冷凝式节能器结构特点和工作原理可知，其热力计算的目的是根据传热效率、烟气流速和进水温度等，计算确定烟气连接管数量、管径大小和长度及关键结构参数。

烟气连接管主要传递对流热，但经过大量的实验研究发现，烟气中含有大量的三原子气体，辐射热在换热份额中占有一定的比重，不能忽略，因此计算时应同时考虑对流传热和辐射传热［5］。根据传热原理，烟气在管道内流动，管外为水介质，管外侧的传热系数远高于管内的气相传热系数，即烟气连接管的传热阻力几乎全部在管道内烟气一侧，烟气连接管的总传热系数大小主要取决于烟气侧的换热情况。一般冷凝式节能器内烟气在烟气连接管内的流动呈过渡状流动。烟气连接管内的对流传热系数计算公式可采用Gnielinski公式［6］：

式中：βc为烟气对管壁的对流传热系数，W/（m2·K）；λ为烟气在平均温度下的导热系数，W/（m·K）；d为烟气连接管的内径，m；l为烟气连接管长度，m。

辐射传热系数的计算式为：

式中：βf为烟气对烟气连接管的辐射传热系数，W/（m2·K）；αh为烟气黑度；Tst为烟气平均温度，K；Tw为烟气连接管灰污壁面温度，K。

2 冷凝式节能器的主要结构参数对节能效果的影响

根据冷凝式节能器的工作原理和烟气连接管的热传递计算方法，不难发现，冷凝式节能器的结构参数烟气连接管内径d、烟气连接管长度l、烟气连接管数量n及烟气流速s等对冷凝式节能器的节能效果有影响。在以上的分析基础上，以Q373冷凝式节能器的结构参数为参照模型，针对这些参数对冷凝式节能器的节能效果的影响进行分析［7］。Q373冷凝式节能器的结构参数见表1。

表1 Q373冷凝式节能器的结构参数

2.1 烟气连接管内径对节能效果的影响

冷凝器式节能器的烟气流经烟气连接管，因此连接管内径的大小直接决定了烟气与管壁接触面积的大小，图2为改变烟气连接管内径对出水口水温的影响，计算模型中，进水口水温恒为20℃，烟气进口温度为300℃，烟气流速v=12.75 m/s，烟气管管壁厚度μ=5 mm，管长l=2 010 mm，冷凝管数量n=20，节能器内径D=1 150 mm。

图2 烟气连接管内径对节能器出水口温度的影响

由图2可知，Q373冷凝式节能器的出水口温度随着烟气连接管管道内径的增大而增加，但管径越大，出水口温度的增大趋势越小。

2.2 烟气连接管长度对节能效果的影响

图3 烟气连接管管长对冷凝式节能器烟气出口温度的影响

冷凝式节能器的烟气连接管管长是关键结构参数之一，管道越长，烟气与管壁的热交换面积越大，图3为烟气连接管管长对冷凝式节能器烟气出口温度的影响。计算模型中，烟气进口温度恒为300℃，进水温度为20℃，烟气流速v=12.75 m/s，烟气管管壁厚度μ=5 mm，冷凝管数量n= 20，烟气连接管内径d=53.5 mm，节能器内径D=1 150 mm。

由图3可知，Q373冷凝式节能器的烟气出口端烟气温度随烟气连接管的增长而降低，当烟气连接管管长长于1 800 mm时，烟气温度降低明显减小。

2.3 烟气连接管数量对节能效果的影响

冷凝式节能器的烟气连接管管数作为其关键结构参数之一，数量越多，同一横截面通过的烟气量越多，图4为烟气连接管管数对出水口水温的影响，计算模型中进水口水温恒为20℃，流量恒定，烟气进口温度为300℃，烟气流速v=12.75 m/s，烟气管管壁厚度μ=5 mm，内径d=53.5 mm，管长l=2 010 mm，节能器内径D=1 150 mm。

由图4可知，Q373冷凝式节能器出水口温度随烟气连接管管数的增加而升高，当烟气连接管管数大于14时，出水口温度升高趋势明显增大。

图4 烟气连接管管数对冷凝式节能器出水口温度的影响

3 结论

1）冷凝式节能器出水口温度随烟气连接管内径d的增大而增大，以Q373冷凝式节能器结构参数为参照，当烟气连接管内径大于24 mm时，出水口温度随烟气连接管内径增大而升高的趋势减小。

2）冷凝式节能器烟气出口温度随烟气连接管的增大而减小，且减小趋势逐渐变小，当烟气连接管长度l>1800mm后继续增大，出水口基本保持不变。

3）烟气连接管管数对冷凝式节能器的出水口温度影响显著，出水口温度随管数增加而增加。

［1］ RichardT.TheCommodityCultureofVictorianEnglandAdvertising and spectacle［M］.Stanford Stan-ford University Press，1990：1851-1914.

［2］ 王善武.中国工业锅炉节能潜力分析与建议［J］.工业炉，2005（1）：1-6.

［3］ 孙泽权，石问卿.热能利用与节能工程［M］.重庆：重庆大学出版社，1990.

［4］ 邝平健，过伟权，王显章，等.工业锅炉节能方法及应用［J］.黑龙江电力，2007，29（6）：464-466，469.

［5］ 刘武标，陈鹏飞.燃气锅炉尾部烟气余热回收冷凝型节能器的实验研究［J］.工业锅炉，2007（4）：1-3.

［6］ 冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算［M］.3版.北京：科学出版社，2003.

［7］ 柳鹏飞.高效节能型冷凝式锅炉的研究与开发［D］.大连：大连理工大学，2013.

（编辑昊 天）

Study on Energy Saving Performance of the Condensing Economizer for Condensing Heating Boilers

LI Fengguang
（Zhuzhou Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Zhuzhou 412000,China）

According to the working mechanism of condensing economizer,the influence of key structure parameters on the energy conservation is studied.The results show that,the water outlet temperature of condensing economizer increases with the increase of the internal diameter and length of the gas pipeline,the gas outlet temperature of condensing economizer decreases with the increase of the length of the gas pipeline.

condensing heating boilers;structure parameter;energy conservation

TK 229.6

A

1002－2333（2014）05－0062－02

李峰光（1985—），男，助理工程师，从事特种设备检验检测研究工作。

2014-03-05