三维肋管空预器在热处理炉中的应用实践

邱德彬，徐光福，王国瑞，杨本智

(四川惊雷科技股份有限公司，四川 宜宾 644623)

随着经济的发展，化石能源日益减少，国家开始大力支持企业发展节能减排技术。空气预热器作为一种回收烟气热量的设备，广泛应用于工业生产中。因此，提高空预器的换热效率，降低排烟温度，是企业节能减排的一个重要途径。本文介绍了采用新型换热元件三维肋管制造的空气预热器在热处理炉中的应用实践和节能分析。

1 三维肋管简介

三维肋管是一种新型的高效节能换热元件，它采用专业加工机床将普通换热管加工成整体式翅片管，有内肋、外肋和内外肋之分。

与光管相比，三维肋管具有以下优点：增加了换热面积；肋片的存在增强了扰动，提高了流体流动的湍流度；流体在肋间的近壁面加速，减薄了热边界层厚度。因此，其换热系数可达光管的2～5倍，适用于各种清洁流体的列管式换热器的强化传热升级改造。

2 空预器结构

目前，已有4台三维肋管空气预热器投入使用，分别为9、12、13.5和14 m炉，用于回收烟气的热量。其结构均采用立式，图1为12 m热处理炉空预器结构示意图。高温烟气从左到右横向掠过管束；管程分两程，高温段和低温段，便于采用不同的换热管，降低成本。

图1 立式空预器结构图

其中，考虑到壳程流体烟气中含有大量灰尘，肋片结垢之后不利于清扫，因此，换热管采用Φ38 mm×3 mm的三维内肋管，管长1 600 mm，肋片高2.2 mm，肋宽2 mm，每周肋片数24，肋片轴向间距5 mm；管道外壁沿管长对称焊接4根10 mm宽的不锈钢条。高温段和低温段各255根，采用正方形排列。

3 空预器运行参数

上述12 m热处理炉空气预热器已使用三年，现对其运行状态进行测试，主要参数测试结果见表1。

表1 空气预热器实测运行参数

4 节能分析

以上述空预器实测参数进行节能分析。

4.1 传热系数

换热器的传热系数[1-2]可由下式计算：

Q=KAΔtm

(1)

式中：Q为换热器热负荷，kW;K为换热器传热系数，W/(m2·℃)；A为换热器传热面积，m2;Δtm为换热器传热温差，℃。

其中，热负荷按照空气吸热量计算，空气的定性温度取进出口温度平均值t1=(411+20)/2=215 ℃，查的定压比热cp=1.1 kJ/(kg·K)。

Q=cp1m1Δt=cp1ρ1V1Δt1=1 313 kW

(2)

式中：m1、V1分别为空气侧空气质量流量和体积流量，kg/h、m3/h(标准)；ρ1为空气密度，取1.293 kg/m3；Δt1为空气侧空气进出口温度差，℃。

换热面积按光管外表面积计算，则

A=nπdL=97.37 m2

(3)

式中：n为换热器换热管根数；d,L为单根换热管外径、长度，m。

按逆流计算换热器的对数平均温度，即

(4)

式中：Δtmax、Δtmin分别为换热器两端冷热流体温差的最大值、最小值，℃。

根据P=0.55，R=0.8查的温差修正系数ψ=0.88。则空气预热器的传热温差为

Δtm=ψΔtm，c=246℃

(5)

则空气预热器的传热系数为

(6)

相比于光管换热器的传热系数大概在10～30 W/(m2·℃)，提高了至少1倍；同时，所需传热面积将最多仅为光管时的一半，可有效减少换热管的数量或长度，缩小换热器体积和占地面积，更有益于紧凑布置。

4.2 节约天然气

根据换热器的热负荷来估算天然气的节约量。查天然气的热值大约是36 MJ/m3。则可节约天然气含量为

ΔVg=Q/36=131 m3/h

(7)

取空气过量系数为1.05，空气与天然气的燃烧比为10∶1，则天然气的节能率为

η=ΔVg/(ΔVg+Vg)=14%

(8)

式中：Vg为该空气预热器天然气消耗实际估算值，Vg=V1/α/ε=810 m3/h(标准)。

相比于文献[3]中的螺旋管状插入件卧式换热器，空气预热温度在250～350 ℃，天然气节能率为10%左右，三维肋管空气预热器又提高了将近4%。

同时，还可减少烟气排放量ΔV2为(采用与实际烟气排放量V2对比计算)

(9)

4.3 经济效益

本次投资主要包括一台换热器、一台空气鼓风机和一台烟气引风机。换热器每台造价约20万元；鼓风机选用15 kW变频风机，全压2 500 Pa，引风机选用5.5 kW变频风机，全压100 Pa，两台总价约3.5万元。因此，总计花费23.5万元。

热处理炉的使用时间按照每个月100小时计算，则年节约天然气：

Va=131×100×12=15.7万m3

(10)

四川省天然气价格为2.5元/m3，则每年可节约39万元，即半年多就可收回成本。由此可见，对于运行时间长或者连续运行的工业炉，其节能效果将更加显著。

5 结 语

采用三维肋管制作的空气预热器，其传热系数高达55 W/(m2·℃)，是光管换热的2～3倍；空气预热温度可达400 ℃以上，可节约天然气大约为14%；且投资少，回报周期短，可广泛应用于各种工业炉中，特别是运行时间长或者连续运行的，其节能效果更佳。