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一种新型过热蒸汽饱和器的设计与试验研究点击：1952 日期：[ 2014-04-26 22:00:59 ] |
| 一种新型过热蒸汽饱和器的设计与试验研究 周根明 王晓春 马建民 (江苏科技大学,江苏镇江 212003) 摘要：基于热质交换原理,设计了一种新型的过热蒸汽饱和器,用于热质交换设备中过热蒸汽的饱和化。详细介绍 了其设计技术背景、结构及其工作原理,并对其进行了性能试验,试验结果表明:过热蒸汽饱和器的使用,使蒸汽过热度 降为零,机组制冷量提高约50%,大大改善了机组的运行工况,提高了机组的热力系数和带负荷能力,产生了巨大的经济 效益和社会效益。 关键词：工程热物理;过热蒸汽饱和器;热质交换;过热蒸汽;饱和蒸汽;试验研究 中图分类号：TK223.3 文献标识码: A 1 前言 石油、化工、橡胶、纺织等企业生产过程中所使 用的蒸汽在许多情况下往往不是饱和蒸汽,而是过 热蒸汽。这种过热蒸汽是理想的机械做功(例如蒸 汽轮机)的介质,但是对于一些进行热交换的设备 却不是理想的介质。因此,许多利用热交换进行工 作的热能设备中不希望出现过热蒸汽;否则,则要 求热交换器有着较大的冷凝面积。除此以外,过热 蒸汽的温度也往往与负载的大小有关。在这种情 况下,过热蒸汽饱和装置以其巨大优势成为热能设 备理想、经济高效的热交换装置,具有可调节的、稳 定的生产过程加热能力;由于温度分布均匀,因此 流程设备生产的产品质量很高;管道材料要求低,可以节省设备材料费用[1]。 目前,市场上的过热蒸汽饱和装置主要有:蒸 汽润湿器、带喷嘴的冷却喷水器、雾化蒸汽喷嘴、 减温减压器等[2~4]。上述装置中,蒸汽主要是通 过添加水来进行冷却的。当在蒸汽中加入水后, 水分将会蒸发,并吸收热量,从而使蒸汽的温度降 低,通过对温度下降度数的控制,可以生成所需的 蒸汽。但现行装置也存在一些缺点:装置中存在 喷嘴等零部件,导致工作可靠性降低;工作负荷调 节范围狭窄;蒸汽流量受限等。 为了更好地实现过热蒸汽的饱和化,克服现 行过热蒸汽饱和装置的不足,本文采用全新的思 路,设计了一种新型的过热蒸汽饱和器,并对其进 行了性能试验。 2 新型过热蒸汽饱和器的设计 2.1 设计的技术背景 以蒸汽为热源的换热设备,其换热面积一般 以饱和蒸汽凝结放热为计算条件,而热电厂所供 蒸汽一般为过热蒸汽。过热蒸汽进入换热器必须 首先冷却放出显热,变为饱和蒸汽后才能进入冷 凝放热过程,但冷却放热过程的换热系数只有冷 凝放热的百分之一,这将会损失部分换热面积,使 换热设备不能达到额定出率。由传热方程分析可 知[5、6],换热器传热面积的损失系数为: 可见,大约损失27%的换热面积,因此有必 要将过热蒸汽饱和化。而过热蒸汽饱和器就是实 现这一功能的装置,它将过热蒸汽与部分蒸汽凝 结水进行热质交换,经过汽水分离后向系统提供 干饱和蒸汽,这样既改善了换热器的工作条件,又 回收利用了部分蒸汽凝结水的热量。 2.2 装置设计与工作原理 本装置为实用新型专利,专利号:ZL 02287665.0。基本结构如图1所示,其以垂直放 置的压力容器为饱和器,其内设有两组金属丝网 填料,下面一组填料作为热质交换器,上面一组填料作为汽水分离器;饱和器外安装带信号远传水 位计和水位控制器。过热蒸汽饱和化后,可使供 汽量提高10%以上,供汽压降降低50%以上,大 大改善换热效果,有效地保证用热设备达到额定 负荷。 其工作原理为:过热蒸汽经主汽阀进入饱和 器,与泵入的软水首先在底层填料进行热质交换 后,进入上层填料进行汽水分离,最终变为饱和蒸 汽,进入热能设备。而通过饱和器外安装带信号 远传水位计和水位控制器来控制进入饱和器中的 软水量,实现过热蒸汽的变负荷调节,最终达到调 节蒸汽过热度的目的。 3 试验系统设计与试验方法 3.1 试验系统组成及其原理 为了进一步对过热蒸汽饱和器的性能进行研 究,结合镇江纺织集团有限责任公司的一台双良 SXZ4—230Z型蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组, 按图2搭建了所需的试验系统。 镇江纺织集团的双良SXZ4—230Z型蒸汽双 效溴化锂吸收式冷水机组,名义制冷量为200 (104kcal/h,其热力系统原理如图3所示。 在机组的运行过程中实际制冷量远小于设计 值,其主要原因是因为采用热电厂所供过热蒸汽 作为其加热热源。按机组使用说明书要求,热源 应采用0.4MPa(表压)左右的饱和蒸汽,但由于 纺织集团的汽源来自热电厂,电厂蒸汽总带有一 定的过热度,蒸汽过热使高压发生器中平均换热 系数下降,放气范围缩小,进而使低压发生器中水 蒸汽产量减少;若冷却水和冷冻水的流量、入口温 度等参数不变,则冷凝器和吸收器热负荷降低,冷凝温度、稀溶液出口温度均降低,冷冻水出口温度 升高使蒸发压力上升,这些可使放汽范围有所回 升,但总的效果是放汽范围缩小,制冷量下降。蒸 汽过热度不大时影响尚不明显,若过热度增大到 使加热蒸汽出高压发生器时为气液混合状态,就 会导致制冷量急剧下降。近几年纺织集团使用蒸 汽的过热度为20℃上下,随着热网用户增加,蒸 汽过热度还会上升,对制冷机的影响会非常严重。 如图2所示的试验系统中,热交换器(机组) 即为蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组。其测试系 统原理为:过热蒸汽经主汽阀进入过热蒸汽饱和 器,与泵入的蒸汽凝结水进行热质交换后变为饱 和蒸汽,饱和蒸汽进入换热器(机组)换热后变成 凝结水,部分凝结水进入凝结水箱,水箱中冷却盘 管将凝结水冷却到70℃以下,再经加压泵送入饱 和器,改变回流阀开度以调节水泵出口压力,从而 改变进入饱和器的凝结水量,最终达到调节蒸汽 过热度的目的。对于高位换热器(如溴化锂制冷 机的发生器),可直接利用其凝结水静压向饱和器提供水源,无需外加任何动力,系统中只需热质 交换器。 3.2 试验方法 在测试系统启动前应进行以下操作:查看清 理过滤器,关闭排污阀;关闭供液阀,打开回流阀, 打开冷却水阀,打开凝结水阀;查看冷却水流是否 畅通,查看凝结水箱水位及水温,使水位满,水温 低于70℃;如果已长时间停机,应手动盘旋高压 水泵,确信没有明显卡死现象;查看电源电压,其 线电压应在360V以上,并没有明显的三相不平 衡现象;查看压力表,其示值应在零位。 上述启动准备完成后,接通电源,水泵立即运 转,水泵应无特殊杂音,缓慢关闭回流阀,使泵出 口压力略高于蒸汽压力,然后开启供液阀,继续调 节回流阀,使蒸汽温度接近饱和温度,并经常查看 蒸汽温度、凝结水箱水位水温、水泵压力以及水泵 的运行情况。 在试验完成以后,应进行下述操作:切断电 源,高压水泵停止运行,同时关闭供液阀;关闭冷 却水阀,关闭凝结水阀;若长期关机,应打开排污 阀及水泵放水口以放光系统积水,并对系统进行 适当维护和保养。 4 试验结果及其分析 为了对比新型过热蒸汽饱和装置运行前后对 机组制冷量的影响效果,选取前后相邻两年同期 几天的运行记录,对其进行了初步整理和计算。 机组主要运行参数如表1所示。 4.1 技术分析 同期相比,第一年冷水进出口温差平均为 4.95℃,而第二年冷水进出口温差平均为7.55 ℃,冷水流量不变,制冷量约提高50%。主要有 几方面原因: (1)第一年工作蒸汽过热度达23℃以上,而 第二年使用过热蒸汽饱和器后蒸汽过热度降为 0℃,大大改善发生器换热效果,这是制冷量提高 的主要因素; (2)第一年冷却水进口温度较高,而冷却水 进口温度的提高使冷凝压力、吸收器稀溶液出口 浓度均升高,放气范围缩小,制冷量下降。(据资 料介绍[7],在类似工况下,冷却水进口温度每升高 1℃,制冷量约下降5%~7%); (3)第一年蒸发器结垢现象较严重。在冷水流量不变情况下,Δtw/te反映了蒸发器换热系数 的相对大小,表1中数据说明第一年结垢较第二 年严重。结垢使换热器中传热温差加大,制取相同温度冷水时蒸发温度降低,吸收能力减弱,吸收 终了稀溶液浓度升高,放气范围变小,制冷量下 降。 4.2 经济性分析 (1)过热蒸汽饱和器的使用,显著增加了机 组制冷量,使车间温度明显下降,改善了车间环境,保证了高温季节的生产需求,极大地稳定了生 产过程和产品质量。由于生产条件得到保障,为 企业带来了巨大的经济效益和社会效益; (2)蒸汽饱和化使发生器传热系数提高,从 而提高了制冷机组的热力系数。又由于回收利用了部分冷凝水,使机组能耗进一步降低,据厂方统 计测算,平均每天节约5~6吨蒸汽,仅此一项每 天就可节约500余元,三个月就可回收全部投资。 (3)饱和蒸汽的使用使发生器杜绝了局部过 热现象,有效防止制冷机中缓蚀剂的分解,延长设备使用寿命。 5 结论 (1)对于以蒸汽为热源的溴化锂制冷机组, 过热蒸汽的饱和化使制冷量显著增加,不仅可以改善机组的运行工况,提高机组的热力系数和带 负荷能力,还可以防止缓蚀剂的分解,延长设备使 用寿命。 (2)新型过热蒸汽饱和器可使蒸汽过热度降为零,符合设计要求。蒸汽温度的降低,减少了供热管路的热膨胀量,提高了供热管网的安全性。 (3)对于高位换热器(如溴化锂制冷机的发生器),可直接利用其凝结水静压向过热蒸汽饱和器提供水源,无需外加任何动力。 参考文献 [1] 彭光峰.用过热蒸汽代替饱和蒸汽的探讨[J].能源与环境,2005,(2):25-26. [2] 郑心伟,宋岩.燃气轮机余热锅炉饱和蒸汽减温时 过热器热力计算特点[J].热能动力工程,2005, (6):636-638. [3] 李家鹏,高璞珍.蒸汽小流量下减温减压器的实验 研究[J].应用科技,2006,(10):66-68. [4] 陈仙绒.减温减压器系统存在的问题及处理办法 [J].化工安全与环境,2005,(40):6-7. [5] 周根明.传热学学习知道及典型习题分析[M].北 京:中国电力出版社,2004. [6] 沈维道,蒋智敏,童钧耕.工程热力学[M].北京:高 等教育出版社,2004. [7] 胡永明.提高蒸汽型溴化锂吸收式制冷机制冷性能 的管理方法[J].制冷空调与电力机械,2006,(4): 73-77. |
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