一种新型循环流化床锅炉内置床换热器传热特性研究

摘要

循环流化床燃烧技术是近三十余年来发展起来的一种新型清洁煤燃烧技术，循环流化床锅炉作为高效、低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好的洁净燃煤技术，在我国已经得到广泛的运用，正在成为燃煤技术的主力军。随着循环流化床锅炉容量的增大，燃烧室内四周受热面相对有限、换热器布置空间不足等问题相继出现，外置式换热器的应用使燃烧和传热分开，有效得增加了换热面的布置空间，但其自身存在热量损失大、结构复杂等缺点。在此背景下，美国Babcock&Wilcox公司与东南大学合作，提出了一种新型内循环流化床锅炉的设计方案，并建立2.5MWt中试装置，开发高效低污染新能源技术。此炉型带有独特的内置床换热器，它继承了外置式换热器的一些优点，并且使炉型的布置更加紧凑。
　　本文在此中试装置上，用自制的传热测试管，进行了内置床换热器内传热状况的测定与分析。试验测量了换热器中埋管表面与床层间的换热系数，探讨流化风速、颗粒平均粒径、床层温度、管壁温度对换热系数的影响规律，埋管表面局部换热系数分布，以及换热器内不同深度和不同高度处换热系数的分布状况。主要结果如下:
　　换热器内流化风速较小时，对流换热系数随风速的增加而变大，当到达最佳流化风速时，换热系数达到最大值，之后随着风速的增加，换热系数稍有降低，然后趋于定值。因为风速的提高一方面加快了颗粒团在埋管表面的更新频率，强化了传热，另一方面又降低了颗粒的浓度，不利于传热。
　　颗粒粒径越小，对埋管表面的换热效果越好。颗粒与管壁面的传热主要是通过点接触及其间的气体，较小颗粒在相同传热面积内有较多的传热接触点，相比之下，较大颗粒与受热面的接触面积要少。
　　埋管表面换热系数随床层温度的升高而增大。在温度不是太高的情况下，气体的导热系数随温度的增加是造成换热系数增大的主要因素。在温度较高的情况下，辐射传热的作用体现了出来，换热系数会因辐射效应的提高而显著增大。
　　管壁温度的上升也会使埋管表面换热系数增大，因为与管壁相接触的床料颗粒的平均温度及气膜的温度也相应升高，从而导致了颗粒导热系数和气膜导热系数的增大，所以对流换热得到了增强。
　　由于管束结构的影响，埋管背风面换热系数总体大于迎风面换热系数，风速较小时，最大换热系数在90°位置，最小换热系数在135°位置;风速较大时，最大换热系数出现在45°位置，最小换热系数也在135°位置，且换热系数的分布分布趋于均匀。
　　考虑床料的内循环作用，换热系数从靠近隔墙处到远离隔墙处逐渐减小;越高的位置，换热系数越大。
　　针对此型循环流化床的内置床换热器中水平埋管，提出了其表面换热系数的试验关联式，此公式能较好地把试验值与预测值的偏差控制在25％以内。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 我国煤炭能源利用状况

1．1．2 循环流化床燃烧技术

1．2 本课题国内外研究现状

1．2．1 内置式热交换器的研制

1．2．2 流化床内传热研究现状

1．3 本课题研究内容及论文结构安排

1．4 本章小结

参考文献

第二章 试验装置及内置床换热器介绍

2．1 中试装置主要系统及部件简介

2．2 内置床换热器介绍

2．2．1 内置床换热器结构

2．2．2 水冷管、假管和传热测试管

2．2．3 换热器供水系统

2．2．4 换热器供风系统

2．2．5 床温测点分布

2．2．6 传热数据采集系统

2．3 本章小结

第三章 传热管设计及换热系数计算方法

3．1 引言

3．2 传热管系统简图及测点布置

3．3 传热管操作步骤及换热系数计算方法

3．3．1 传热管1操作步骤及换热系数计算方法

3．3．2 侍热管2握作步骤及换热系数计算方法

3．3．3 传热管3操作步骤及换热系数计算方法

3．3．4 传热管测量误差可能性分析

3．4 测点位置选择

3．5 本章小结

参考文献

第四章 内置床换热器埋管传热特性试验研究

4．1 引言

4．2 物料特性及颗粒临界流化速度确定

4．2．1 试验所用物料特性分析及粒径分布

4．2．2 颗粒临界流化速度

4．3 冷态模型研究结果简介

4．4 管束结构对埋管表面换热系数的影响

4．5 试验结果及分析

4．5．1 流化风速对埋管表面换热系数的影响规律

4．5．2 颗粒平均粒径对埋管表面换热系数的影响规律

4．5．3 床层温度对埋管表面换热系数的影响规律

4．5．4 管壁温度对埋管表面换热系数的影响规律

4．5．5 埋管周向局部对流换热系数的分布规律

4．5．6 换热器内不同深度处总换热系数分布规律

4．5．7 换热器内不同高度处总换热系数分布规律

4．6 埋管换热系数试验关联式

4．6．1 水平埋管换热系数三个经典试验关联式

4．6．2 经典关联式与本试验结果的比较

4．6．3 本试验中水平埋管表面换热系数关联式

4．7 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究不足之处及后续工作展望

作者简介及攻读硕士期间的学术成果

致谢