节能热管加热炉烟火管制造技术

本发明专利技术涉及一种节能热管加热炉烟火管，属于机械和热能领域。本节能烟火管通过在烟火管上安装热管元件，在不改造加热炉外部结构和工艺管线的条件下，通过加强烟火管的综合换热能力来减少排烟损失。根据热管安全性能要求，按照烟气温度分布梯度，设计了三种不同型号的热管，即长翅片管，短翅片管和光管，分别命名为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型。三种热管元件的传热能力和安全工作温度范围不同，通过调整三种热管在烟火管上的安装位置，可以保证热管元件的安全运行。采用此烟火管后，在相同热负荷，处理量，入口温度和出口温度的前提下，天然气耗量由每小时１７５．２立方米下降到１６１．８立方米，热效率由百分之八十提高到了百分之八十六点二，节能效果显而易见。主要用于采油厂新加热炉的使用和加热炉的改造。

【技术实现步骤摘要】
节能热管加热炉烟火管1. 热管的工作原理热管是《中国节能政策大纲》推荐的节能元件，尤其廉价高效的碳钢-水热管在节能领域的哥哥 方面发挥越来越重要的作用。热管技术是二十世纪60年代发展起来的，是一种巧妙地组织了热阻极 小的沸腾和凝结两种相变换热的高效传热元件，具有许多优良的传热性能，被誉为热的"超导体"。 在航天领域、地热能利用、机电领域以及农业等许多方面得到应用，尤其在余热回收方面应用广泛。热管的工作过程为当蒸发段从热源吸热时，工作液体吸热汽化，蒸汽在压差的作用下高速流,向 凝结段，在凝结段向冷源放热而凝结为液体，凝结液体在吸液芯的毛细力作用下，从冷源返回热源A, 完成一个工作循环。这样，热源的热量Q就不断的从热管的一端传到另一端。热管正常工作时，内部 进行着工质的蒸发、蒸汽流动、蒸汽的凝结、液体的回流这四个工作过程。由于热管组织了热阻极小的沸腾和凝结两种相变的传热过程，而且热管冷却段和加热段都能够用 增加肋片的方法增大传热面积，因此其当量导热系数很高，为一般金属的几倍甚至几千倍，可达105~ 108W/(m.K);传热效率高达108W/m2。此外，热管还具有等温性好、温度适应范围广等优点。2. 热管安装方案根据热管安全性能要求，按照烟气温度分布梯度，在烟管上布置三种不同型号的热管，形成先进 的双极传热方式。热管在烟管上的安装采用30° 、 60°两种安装倾斜角度，使得热管传热能力得以 充分发挥。热管在加强了烟管传热量的同时，还改变了烟气在管内的流动状态，加强了烟气的扰动，从而提 高了烟管的传热系数，因此，热管兼起到了绕流片的作用。热管在加热炉上的安装位置和安装方式见 附附图说明图1和附图2。3. 使用此热管后加热炉主要改进点(1) 普通加热炉的烟管尾部烟气温度低，换热条件差，以增大传热面积来加强换热效果不明显。 应用了传热能力较强的热管元件后，可以有效地加强低温区的换热，进一步降低排烟热损失，提髙了 加热炉的热效率，节约了燃料。(2) 相同的换热条件下，热管表面壁温高于烟管表面壁温。这样热管在烟气低温区换热时，其 抗低温腐蚀能力比烟管好得多。(3) 由于热管内部为真空，独特得传热机理使其启停非常迅速。这样加热炉得操作更加灵活， 加热炉得升降温度都较快。主要参数如下所示。<table>table see original document page 3</column></row><table>4.热管元件的优化设计(1)热管元件结构型式的确定按照热管凝结液回流的方式，热管可以分为毛细力热管、重力热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体力动力热管等。其中重力热管结构简单，应用最为广泛。根据需要，热管结构可以做成各种不 同形式，比如等截面或变截面、有翅片或不安装翅片管、统一式或分离式热管等。对于1.745MW火简式加热炉，我们根据热力计算的结果，从经济和安全运行的角度，设计了三 种不同尺寸型号的重力式热管元件，其中I'型为长翅片管，II型为短翅片管，III型为光管。三种热管 元件的传热能力和安全工作温度范围不同，这样通过调整三种热管在烟管上的安装位置，可以保证热 管元件的安全运行。(2)热管结构尺寸的最优化设计热管元件结构参数的确定采用最优化设计方法。该规划问题的数学模型描述方程为 min F(x)"Oo设计变量为式中d为热管外径；t为加热段翅片间距；h为翅片高度。参变量包括烟气流速、导热系数、运 动粘度、普朗特数、热管组换热量、肋片厚度、热管加热段于冷却段长度等。 约束条件包括10项，即G(;)-((^ +G2 +G3 +..- + G10)7在优化设计中，我们综合考虑了生产工艺的影响、安装对油田正常生产的影响等客观因素，选取 了热管元件对烟气阻力(或阻力系数)最小为优化目标。这样有可能利用烟囱髙度设计裕量系数较大 的特点，不用安装引风机或增加烟囱高度就能使加热炉满足烟气流动要求，从而缩短施工工期，减少 安全隐患，同时避免了由于增加烟囱高度而突出的低温腐蚀问题。我们确定用于1.745MW火简式加热炉改造设计的热管元件优化设计目标函数的表达式为(阻力 系数)4)=2.78 + 0.464、d 乂(z-l)Re一012式中，d为热管外径(mm); h为肋片高度(mm); t为肋片间距(mm); S,为热管纵向间距(^ml); Z为热管排数； Re为烟气雷诺数。约束条件式由于技术火经济的原因，对设计参数的限制。包括加热炉内部空间对热管加热段长度 1,和冷却段长度12的几何尺寸约東、根据加热炉热力计算确定的热管组传热量Qr约東、碳钢-水热管 的安全工作温度约束(T《250'C)以及肋片制造工艺对其肋片几何尺寸的限制等。换热量约東条件式中，Re为热管冷却段换热热阻；Rh为热管加热段换热热阻；N为热管数量；At为热管加热段和冷却段换热介质的温差。 热管安全约東条件<formula>formula see original document page 5</formula>式中，h为烟气温度；fe为被加热介质(冷水)温度。 几何约東条件如下热管外径的常用设计范围d=20~60mm; 热管加热段肋片间距的常用范围t=3~15mm; 加热段肋化比范围P=2~10; 热管加热段长度h<450mm; 热管冷却段长度12< 300mm;对于以上有约束的非线性优化问题，可以采用序贯无约東极小化方法(SUMT)、可行方向法等 进行求解。本次设计采用SUMT结合外推加速技术的求解方法。 设计结果如下表(单位mm)。<table>table see original document page 5</column></row><table>图1:热管安装位置示意图。其中1-烟囱，2-烟管，3-隔板，4-人孔，5 火管，6-支座，7-进水管，8-热管。 '图2:热管安装形式示意图。其中l-热管，2-烟管，3-火管。权利要求1.一种节能热管加热炉烟火管，其特征是加热炉烟管上安装热管元件，在不改造加热炉外部结构和工艺管线条件下，通过加强烟管的综合换热能力来减少排烟损失；烟管上可以布置3种不同型号的热管，形成双级传热方式；热管在烟管上的安装可以采取30°、60°两装安装倾斜角度，热管的传热能力得以充分发挥；热管在加强烟管传热量的同时，改变了烟气在管内的流动状态，加强了烟气的扰动，提高了烟管的传热效率。2. 根据权利要求l所述的节能加热炉烟火管，其特征是烟管上装有热管元件，并科学地 布置。全文摘要本专利技术涉及一种节能热管加热炉烟火管，属于机械和热能领域。本节能烟火管通过在烟火管上安装热管元件，在不改造加热炉外部结构和工艺管线的条件下，通过加强烟火管的综合换热能力来减少排烟损失。根据热管安全性能要求，按照烟气温度分布梯度，设计了三种不同型号的热管，即长翅片管，短翅片管和光管，分别命名为I，II，III型。三种热管元件的传热能力和安全工作温度范围不同，通过调整三种热管在烟火管上的安装位置，可以保证热管元件的安全运行。采用此烟火管后，在相同热负荷，处理量，入口温度和出口温度的前提下，天然气耗量由每小时175本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种节能热管加热炉烟火管，其特征是：加热炉烟管上安装热管元件，在不改造加热炉外部结构和工艺管线条件下，通过加强烟管的综合换热能力来减少排烟损失；烟管上可以布置３种不同型号的热管，形成双级传热方式；热管在烟管上的安装可以采取３０°、６０°两装安装倾斜角度，热管的传热能力得以充分发挥；热管在加强烟管传热量的同时，改变了烟气在管内的流动状态，加强了烟气的扰动，提高了烟管的传热效率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，
申请(专利权)人：张昊，
类型：发明
国别省市：23[中国|黑龙江]