热管式蒸发器余热锅炉的结构设计
- 30 -
论文广场
石油和化工设备2014年第17卷
热管式蒸发器余热锅炉的结构设计
倪三明1,张吉1,翁晓伟2
(1.台州市特种设备监督检验中心, 浙江 台州 318000)(2.台州市质量技术监督检测研究院, 浙江 台州 318000)
[摘 要] 为利用余热,对某印染厂一台6.0MW导热油锅炉尾部烟气加装热管式蒸发器余热锅炉,依据现有热工数据及预设条件进行热工计算。该热管式余热锅炉汽包下方开孔密集,采用ANSYS软件进行了应力分析,依据GB150《压力容器》标准,设计了一台热管式余热锅炉。
[关键词] 余热回收;热管蒸发器;锅炉;应力分析
台州某印染厂的一台型号为YLW6000-AII的6.0MW导热油炉余热烟气尚未回收,经过经验法和数值模拟法对比[1],决定加装热管式蒸发器余热锅炉,将排烟温度由目前的320℃降至210℃,并得到一定数量的0.5 MPa饱和蒸汽。本文针对现有热工条件进行计算,并进行强度校核和应力分析。预设热工条件见表1。
积为基准的传热系数Ka,计算冷凝段为一蒸汽发生器,视为垂直管外沸腾给热。根据雷诺数,查文献得知,应使用Gilmour公式[2]对沸腾给热系数进行计算。Gilmour
公式见式1。各参数见表2。
1 传热系数计算
加热段光管外壁面积为基准加热段的传热系数Kf=0.183 kW/(m2•℃)。求以冷凝段光管外壁面
[1]
(1)
表2 Gilmour公式计算参数参数项
Cs -加热面表面状态系数Cl -液体的比热 (kJ/kg•℃)
3202100.52.30.81.5叉排0.0880.[***********]5
值0.0014.30686246.3842.459890.[1**********]1.7
表1 预设条件预设条件
th1 -蒸发器出口烟气温度 (℃)th2 -蒸发器出口烟气温度 (℃)
饱和蒸汽压力 (MPa)l -单根热管长度为 (m)lc -冷却段平均长度 (m)lh -加热段平均长度 (m)
管子排列方式S1 -管子横向中心距 (m)S2 -管子纵向中心距 (m)do -光管外径 (mm)t -管子壁厚 (mm)H -翅片高度 (mm)df -翅片管外径 (mm)δf -翅片厚度 (mm)Y -翅片间隙 (mm)nf -单根换热管翅片数
N -换热管根数Vh -锅炉排烟量 (Nm/h)
μl -液体黏度 (Pa•S)kl -液体的导热系数 (kJ/m•h•℃)σ -液体的表面张力 (N/m)
P -沸腾压力 (N/m2)F -管表面状态参数
Ggb液体的质量速度:为垂直管外沸腾,用式(2)进行计算:(kg/h•m
2):参数见表3。
(2)
根据相关参数计算得到,Ggb为:12270.3 kg/h•m2。其中V由以下过程计算所得:首先计算每小时烟气放热量:Q=mhCph(th1-th2)=1.919×106 kJ,计算传到水侧的热量,考虑冷侧及热侧热损,根据经验各取9%,故每小时传到蒸汽侧的热量
作者简介:倪三明(1981—),男,浙江台州人,工程硕士,工
程师。台州市特种设备监督检验中心承压设备检验师。
12000
第12期 倪三明等 热管式蒸发器余热锅炉的结构设计
- 31 -
Qc=Q×(1-0.09)×(1-0.09)=1.5736×106 kJ。查表得,20℃水焓值为84.8 kJ/kg,158℃饱和蒸汽焓值为2756.66 kJ/kg。该蒸发器正常工作每小时可得到158℃饱和蒸汽量为589 kg,V为2.739 kg/h。按照尾花英朗《热交换器设计手册》中的Gilmour公式及符号意义进行计算,并换算得hb为30.367 kw/m•h•℃
表3 Ggb计算参数参数项
值V -每一根管的蒸发量(kg/h)
2.739D -管径(m)0.032A -单根管表面积(m2)0.08042ρl -液相密度(kg/m3)917.044ρv -气相密度(kg/m3)
2.54544
热管内的工质冷凝热阻rc((m2•℃)/kW))为:0.215,热管的污垢热阻ro((m2•℃)/kW))为:0.172,故以冷凝段光管外壁面积为基准的传热系数Ka为2.406 kw/(m2•℃)。1.3 传热面积的确定
根据公式 A=Q/KfΔt 计算传热面积。烟气侧:求烟气侧对数平均温差:Δt =((320-158-20)-(210-158-20))/ln((320-158-20)/(210-158-20))=74℃
求烟气侧传热面积 A1=471.0/(0.183×74)=32.114 m2
蒸汽侧:求蒸气侧沸腾给热平均传热温差:查文献得Gilmour公式对应的沸腾传热温差可根据下式进行计算:hb=m(Δt)n-1。各参数已知,根据上式求得平均传热温差为19.1605℃,与预设值误差极小,可忽略不计,可直接计算传热面积。故蒸气侧传热面积A2=437.1/(2.4064×19.1605)=9.4802 m2,设计烟气侧光管面积:A1d=πdo×Lh×N=32.42m2 > A1,设计蒸气测光管面积:A2d=πdo×Lc×N=10.505m2 > A2。因此设计结果符合要求。
2 汽包结构设计与强度校核
2.1 汽包结构设计
经计算余热锅炉的产汽量为589 kg/h,预设蒸汽压力为0.5MPa(表压)。考虑到实际运行可能存在的波动,汽包的容积定为3 m3左右,因此确定设计压力为1.0 MPa,设计温度为200℃。结构尺寸如
图1所示,其中热管采用20#钢管与Q245R封头焊接
连接。
1-筒体;2-封头;3-液位计;4-支座;5-热管;g-给水口;a-蒸汽出口;b-压力表口;c-安全阀口;d-排空口;
h1~h2-排污口;m,n-人孔;L1~L4-液位计口
图1 汽包结构图
2.2 强度校核及应力分析
汽包属于压力容器,根据GB150《压力容器》设计标准,筒体和封头强度校核如下:筒体材料为Q345R,[σ]t=183 MPa,筒体名义厚度12 mm,腐蚀余量1.5 mm,钢板的负偏差0.3 mm。有效厚度为δ=10.2 mm,内径按照Di=1403 mm进行校核,设计压力为Pc=1.0 MPa,
应力计算如下:
封头材料为Q345R,[σ]t=183 MPa,名义厚度12 mm,腐蚀余量1.5 mm,因此,最小有效厚度为δ=10.2 mm;设计压力Pc=1.0MPa,封头内直径Di=1403 mm,按此进行校核,总体薄膜应力计算
如下:
故筒体、封头强度合格。同理,按GB150标准的要求,对接管的强度进行逐一校核,给出相关的尺寸,并按相关的标准,选用法兰、支座等。
- 32 -
论文广场
石油和化工设备2014年第17卷
图2 人孔局部的SINT云图图3 热管的SINT云图
表4 设计工况下Path-1~ Path-6评定表 (压力单位:MPa)
路径Path-1Path-1Path-1Path-1Path-1Path-1
许用应力Sm
[***********]
压力分类符号SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)SⅡ(PL)SⅣ(PL+Pb+Q)
当量应力强度SINT
230.8292.9192.2214.8253.1342.294.82104.7111.6135.9128.9160.1
压力控制值1.5×Sm=274.53.0×Sm=5491.5×Sm=274.53.0×Sm=5491.5×Sm=274.5 3.0×Sm=5491.5×Sm=274.5 3.0×Sm=5491.5×Sm=274.5 3.0×Sm=5491.5×Sm=274.5 3.0×Sm=549
评定结果通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过
考虑到汽包人孔为非标结构以及汽包下方存在连接热管,开孔密集,受力复杂,较难进行规则设计计算,为保证汽包强度,本文进一步采用ANSYS软件进行分析。本设备的实际结构,采用一个三维实体模型,考虑到结构的对称性,取1/2的余热锅炉建立有限元模型。包括筒体、封头、人孔、接管、支座等;在采用ANSYS软件分析中,结构分析选用SOLID95单元(20节点),利用规则的六面体进行网格划分,其中人孔局部的SINT云图见图2,热管的SINT云图见图3。采用JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》对有限元分析计算结果进行应力校核,主要对图2、图3
选定危险的应力位置的路径分别进行静强度评定结果符合要求,见表4。由此可见,该汽包人孔与密集布管处的强度均符合要求,此余热锅炉结构设计可行。
◆参考文献
[1] 倪三明. 热管蒸发器加热段管外传热特性分析[J].工业炉,2014,(6):
[2] (日)尾花英朗,徐中权译. 热交换器设计手册(上)[M].北京:石油工业出版社,1984.
收稿日期:2014-09-15;修回日期:2014-10-16