本發(fā)明屬于工業(yè)余熱回收領域，具體涉及一種用于測試煙氣余熱換熱器積灰特性的裝置及方法。

背景技術：

我國是能源消耗大國，在能源消耗比例中工業(yè)耗能占到最大的份額，約占總能耗的70％以上，其中至少有50％轉(zhuǎn)化為載體不同、溫度不同的工業(yè)余熱，大部分可回收利用。隨著全世界對能源問題及節(jié)能減排的持續(xù)關注，換熱器被廣泛應用于工業(yè)過程中進行煙氣余熱回收利用。煙氣與換熱設備工質(zhì)之間進行對流換熱，其換熱性能對設備整體的運行效果以及余熱利用的效率有著重要影響。由于煙氣余熱回收場合的限制，煙氣換熱器通常工作于高含塵的環(huán)境中，相對于較為潔凈的氣體，余熱煙氣中煙塵顆粒的存在增加了問題的復雜性。煙氣中煙塵顆粒易在換熱器表面發(fā)生沉積，進而削弱換熱器的傳熱性能，增大換熱器的流動阻力，從而降低了設備及系統(tǒng)的運行效率，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。因此，如何測試換熱器或換熱管的積灰性能，進而優(yōu)選或設計出能有效抗積灰的煙氣換熱器，已成為了工業(yè)余熱回收利用領域亟待解決的重大問題。

目前普遍存在的測試煙氣余熱回收用換熱器或換熱管積灰特性的裝置主要有實驗室冷態(tài)測試裝置和安裝于鍋爐內(nèi)部的測試裝置等。對于實驗室冷態(tài)測試裝置，首先冷態(tài)的氣體載體與實際換熱器所處的高溫煙氣環(huán)境相差較大，此外實驗室測試中的灰塵顆粒通常為人為控制進料，包括測量時的積灰重量稱重，均帶來了較大的人為誤差。對于安裝于鍋爐內(nèi)部的測試裝置，其測試裝置通常安裝于鍋爐內(nèi)部，拆裝和更換換熱器或換熱管通常要配合鍋爐的啟停，對實際鍋爐的運行造成不良影響，同時也帶來了測試的不便性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于測試煙氣余熱換熱器積灰特性的裝置及方法，其在測試結(jié)束后不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監(jiān)測和計算換熱器的換熱系數(shù)隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的污垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性，從而克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內(nèi)部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。

為達到上述目的，本發(fā)明的裝置包括測試段換熱器和分別與測試段換熱器相連的煙氣循環(huán)回路、水循環(huán)回路和測試系統(tǒng)；

所述的煙氣循環(huán)回路包括安裝于鍋爐除塵器前側(cè)側(cè)壁面的帶有煙氣進口閥門和煙氣出口閥門的煙氣進口與煙氣出口，所述的煙氣進口通過煙氣進口段管道與測試段換熱器的進口相連通，測試段換熱器的出口經(jīng)煙氣出口段管道與煙氣出口相連，且在煙氣出口段管道上還安裝有引風機；

所述的水循環(huán)回路包括分別與測試段換熱器的進水口、出水口相連通的暖氣供水管和暖氣回水管，在靠近暖氣供水管和暖氣回水管的管路上分別安裝有截止閥，在靠近測試段換熱器的進水口和出水口的管路上分別安裝球閥，在測試段換熱器的出水口與暖氣回水管之間安裝有流量計；

所述的測試系統(tǒng)包括安裝于煙氣進口段管道的與數(shù)據(jù)采集儀相連的風速探測儀和煙氣分析儀，安裝于測試段換熱器的進口、出口、進水口和出水口的與數(shù)據(jù)采集儀相連的溫度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集儀與中央處理器相連。

所述的煙氣進口段管道包括煙氣進口段以及與其相連的進口延長段，煙氣進口段的前端與煙氣進口相連，進口延長段的后端與測試段換熱器的進口相連，且在煙氣進口段與進口延長段之間的管道上安裝有整流柵。

所述的煙氣出口段管道包括煙氣出口段以及與其相連的出口延長段，煙氣出口段的前端與煙氣出口相連，出口延長段的后端與測試段換熱器的出口相連，引風機安裝于煙氣出口段與出口延長段之間。

所述的引風機還與調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速的變頻器相連。

所述的流量計采用轉(zhuǎn)子流量計。

所述的測試段換熱器包括帶有進口、出口、進水口和出水口的測試段換熱器殼體，在測試段換熱器殼體內(nèi)安裝有若干組換熱管。

所述的換熱管為4橫排、6縱排，錯排布置，其中上下兩排為換熱假管，中間兩排管為換熱實驗管，換熱實驗管通過金屬軟管組成換熱管水路，熱實驗管一端與進水口相連，另一端與出水口相連。

所述的換熱假管與換熱實驗管通過螺栓及兩側(cè)的透明pc蓋板與測試段換熱器殼體相連，在換熱管上安裝有橡膠密封圈與金屬鎖母密封每根換熱管與透明pc蓋板之間的縫隙。

本發(fā)明用于測試煙氣余熱換熱器積灰特性的方法包括以下步驟：

1)打開煙氣進口閥門和煙氣出口閥門，啟動引風機并調(diào)節(jié)變頻器使引風機穩(wěn)定運行，打開截止閥與球閥，使水回路聯(lián)通；

2)等待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀測量數(shù)據(jù)，計算獲得高溫煙氣的密度ρg和比熱容cp；利用風速探測儀獲得煙氣流速ug；利用測試段換熱器煙氣側(cè)和水側(cè)進出口的溫度傳感器測量換熱器初始時刻的煙氣進口溫度tgin0、煙氣出口溫度tgout0、進口水溫twin0和出口水溫twout0；

3)計算初始時刻換熱量q0＝ρguglwcp(tgin0-tgout0)，初始時刻對數(shù)溫差進而計算測試段換熱器初始時刻的換熱系數(shù)其中，l為煙氣通道截面的長，w為煙氣通道截面的寬，at為測試段換熱器的總換熱面積；

4)利用數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測測試段換熱器煙氣進口溫度tgin、煙氣出口溫度tgout、進口水溫twin和出口水溫twout，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器，隨時計算并記錄測試段換熱器的換熱量q＝ρguglwcp(tgin-tgout)，對數(shù)溫差和每時刻的換熱系數(shù)

5)通過流量計測量水循環(huán)回路的水流量配合數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測的測試段換熱器水側(cè)進口水溫twin和出口水溫twout，將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器，隨時計算并記錄測試段換熱器水側(cè)的換熱量其中，c為水的比熱容。對比煙氣側(cè)換熱量q與水側(cè)換熱量qw，若誤差在5％以內(nèi)，則認為系統(tǒng)達到熱平衡，測量結(jié)果有效，否則返回步驟2重新測試；

6)根據(jù)方程計算每時刻測試段換熱器的污垢熱阻rf，得到其污垢熱阻rf隨時間的變化關系；

7)通過調(diào)節(jié)變頻器調(diào)節(jié)引風機的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)煙道中的煙氣流速ug，多次重復步驟2至步驟6，以獲得不同雷諾數(shù)re條件下測試段換熱器的污垢熱阻隨時間的變化關系，進而獲得換熱器中換熱管的積灰特性。

本發(fā)明的有益效果是，由于本裝置煙氣側(cè)采用了真實的高溫鍋爐煙氣(含塵、含酸)，水側(cè)采用暖氣供水，高度還原中低溫省煤器中換熱管的運行環(huán)境，與現(xiàn)有的實驗室冷態(tài)測試裝置及方法相比，測試結(jié)果更加可靠與符合實際；此外，與現(xiàn)有的安裝于鍋爐內(nèi)部的測試裝置及方法相比，本發(fā)明裝置可在不影響鍋爐運行的情況下隨意更換測試管件。

本發(fā)明在測試結(jié)束后不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監(jiān)測和計算換熱器的換熱系數(shù)隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的污垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。因此，本發(fā)明克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內(nèi)部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。

另外，本發(fā)明測試段換熱器中的換熱管可為各種形式的拓展表面?zhèn)鳠峁?，各傳熱管通過金屬軟管連接組成換熱管水路，換熱管管型及布置方式(順排、錯排)可任意調(diào)節(jié)，測試段換熱器兩側(cè)蓋板采用透明pc板，可實現(xiàn)測試時的可視化操作，方便監(jiān)測測試段的積灰情況，測試系統(tǒng)通過流量計、溫度傳感器、風速探測儀、煙氣分析儀、數(shù)據(jù)采集儀、中央處理器隨時監(jiān)測和計算換熱器的換熱系數(shù)隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的污垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構示意圖；

圖2是本發(fā)明測試段換熱器的主視圖；

圖3是本發(fā)明測試段換熱器的左視圖；

圖4是本發(fā)明測試段換熱器的爆炸視圖。

圖中：1-煙氣進口，2-煙氣出口，3-煙氣進口閥門，4-煙氣出口閥門，5-煙氣進口段，6-煙氣出口段，7-整流柵，8-進口延長段，9-出口延長段，10-測試段換熱器，11-引風機，12一變頻器，13-暖氣供水管，14-暖氣回水管，15-截止閥，16-球閥，17-流量計，18-風速探測儀，19-煙氣分析儀，20-數(shù)據(jù)采集儀，21-中央處理器，22-進口，23-出口，24-測試段換熱器殼體，25-進水口，26一出水口，27-透明pc蓋板，28-螺栓，29-換熱假管，30-換熱實驗管，31-金屬軟管，32-橡膠密封圈，33-金屬鎖母。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

本發(fā)明主要利用了當換熱管表面產(chǎn)生積灰時，其換熱系數(shù)會發(fā)生下降的特點，通過實時監(jiān)測測試段換熱器進、出口的煙氣溫度以及進、出口水溫，實時計算換熱器的換熱系數(shù)隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的污垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。本發(fā)明裝置可安裝于電站鍋爐或供熱鍋爐的除塵器前側(cè)。在本實例中，本發(fā)明的裝置系統(tǒng)安裝于某供熱鍋爐重力沉降室后側(cè)，布袋除塵器前側(cè)。

參見圖1，本發(fā)明包括測試段換熱器10和分別與測試段換熱器10相連的煙氣循環(huán)回路、水循環(huán)回路和測試系統(tǒng)；

所述的煙氣循環(huán)回路包括安裝于鍋爐除塵器前側(cè)側(cè)壁面的帶有煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4的煙氣進口1與煙氣出口2，所述的煙氣進口1通過煙氣進口段5、進口延長段8與測試段換熱器10的進口22相連通，在煙氣進口段5與進口延長段8之間的管道上安裝有整流柵7，測試段換熱器10的出口23經(jīng)煙氣出口段6、出口延長段9與煙氣出口2相連，煙氣出口段6與出口延長段9之間安裝有帶有變頻器12的引風機11；

所述的水循環(huán)回路包括分別與測試段換熱器10的進水口25、出水口26相連通的暖氣供水管13和暖氣回水管14，在靠近暖氣供水管13和暖氣回水管14的管路上分別安裝有截止閥15，在靠近測試段換熱器10的進水口25和出水口26的管路上分別安裝球閥16，在測試段換熱器10的出水口26與暖氣回水管14之間安裝有轉(zhuǎn)子流量計7；

所述的測試系統(tǒng)包括安裝于煙氣進口段管道的與數(shù)據(jù)采集儀20相連的風速探測儀18和煙氣分析儀19，安裝于測試段換熱器10的進口22、出口23、進水口25和出水口26的與數(shù)據(jù)采集儀20相連的溫度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集儀20與中央處理器21相連。

煙氣循環(huán)回路測試時打開煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，通過引風機11將鍋爐內(nèi)的含塵高溫煙氣引出，煙氣經(jīng)過煙氣進口段5，經(jīng)整流柵7整流后，進入進口延長段8，高溫含塵煙氣在此達到均勻流動并充分發(fā)展后，經(jīng)過測試段換熱器10進行熱量交換，此后通過出口延長段9、引風機11和煙氣出口段6回到鍋爐內(nèi)部。引風機11可通過變頻器12調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)煙氣循環(huán)回路中高溫含塵煙氣的流速。測試結(jié)束后，關閉煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，測試前后及測試期間對鍋爐的正常運行不造成任何影響。

所述的水循環(huán)回路測試時打開截止閥15和球閥16，熱水由暖氣供水管13流出，流經(jīng)測試段換熱器10進行熱交換，并流回暖氣回水管14。水循環(huán)回路的水流量由流量計17測量。測試結(jié)束后關閉截止閥15和球閥16，測試前后及測試期間對供熱站的正常供暖不造成任何影響。

所述的測試系統(tǒng)測試時，通過風速探測儀18測量煙氣側(cè)高溫含塵煙氣的流速；通過煙氣分析儀19分析分析煙氣成分，用于后續(xù)煙氣物性的計算；安裝于測試段換熱器煙氣側(cè)和水側(cè)進出口的溫度傳感器隨時監(jiān)測通過測試段換熱器10前后的煙氣溫度和進出口水溫，監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀20采集，并傳輸至中央處理器21處理數(shù)據(jù)，實時計算測試段換熱器10的換熱系數(shù)，計算換熱器的污垢熱阻，進而評價換熱管的積灰特性。

圖2～圖4所示，本發(fā)明的測試段換熱器10包括帶有進口22、出口23、進水口25和出水口26的測試段換熱器殼體24，在測試段換熱器殼體24內(nèi)安裝有若干組換熱管。換熱管為4橫排、6縱排，錯排布置，其中上下兩排為換熱假管29，不參與實際換熱，其目的是為了模擬實際鍋爐中多排換熱管的煙氣流場環(huán)境；中間兩排管為換熱實驗管30，參與實際換熱，換熱實驗管30通過金屬軟管31組成換熱管水路，熱實驗管30一端與進水口25相連，另一端與出水口26相連，換熱假管29與換熱實驗管30通過螺栓28及兩側(cè)的透明pc蓋板27與測試段換熱器殼體24相連，在換熱管上安裝有橡膠密封圈32與金屬鎖母33密封每根換熱管與透明pc蓋板27之間的縫隙。

本發(fā)明所提供的用于測試煙氣余熱換熱器積灰特性的方法，通過以下步驟進行實施：

1)打開煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，啟動引風機11并調(diào)節(jié)變頻器12使引風機11穩(wěn)定運行，打開截止閥15與球閥16，使水回路聯(lián)通；

2)等待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀19測量數(shù)據(jù)，計算獲得高溫煙氣的密度ρg和比熱容cp；利用風速探測儀18獲得煙氣流速ug；利用測試段換熱器10煙氣側(cè)和水側(cè)進出口的溫度傳感器測量換熱器初始時刻的煙氣進口溫度tgin0、煙氣出口溫度tgout0、進口水溫twin0和出口水溫twout0；

3)計算初始時刻換熱量q0＝ρguglwcp(tgin0-tgout0)，初始時刻對數(shù)溫差進而計算測試段換熱器10初始時刻的換熱系數(shù)其中，l為煙氣通道截面的長，w為煙氣通道截面的寬，at為測試段換熱器的總換熱面積；

4)利用數(shù)據(jù)采集儀20實時監(jiān)測測試段換熱器煙氣進口溫度tgin、煙氣出口溫度tgout、進口水溫twin和出口水溫twout，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器21，隨時計算并記錄測試段換熱器10的換熱量q＝ρguglwcp(tgin-tgout)，對數(shù)溫差和每時刻的換熱系數(shù)

5)通過流量計17測量水循環(huán)回路的水流量配合數(shù)據(jù)采集儀20實時監(jiān)測的測試段換熱器水側(cè)進口水溫twin和出口水溫twout，將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器21，隨時計算并記錄測試段換熱器10水側(cè)的換熱量其中，c為水的比熱容。對比煙氣側(cè)換熱量q與水側(cè)換熱量qw，若誤差在5％以內(nèi)，則認為系統(tǒng)達到熱平衡，測量結(jié)果有效，否則返回步驟2重新測試；

6)根據(jù)方程計算每時刻測試段換熱器10的污垢熱阻rf，得到其污垢熱阻rf隨時間的變化關系；

7)通過調(diào)節(jié)變頻器12調(diào)節(jié)引風機11的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)煙道中的煙氣流速ug，多次重復步驟2至步驟6，以獲得不同雷諾數(shù)re條件下測試段換熱器10的污垢熱阻隨時間的變化關系，進而獲得換熱器中換熱管的積灰特性。

在煙氣成分固定的條件下，污垢熱阻rf與積灰量成正比，因此污垢熱阻rf反應的換熱器的積灰特性，通過不同種換熱管組成的換熱器進行測試，得到各自的污垢熱阻rf變化趨勢，即可得到不同換熱管的積灰特性，通過對比即可優(yōu)選出抗積灰的換熱管結(jié)構。

采用上述用于測試煙氣余熱回收用換熱管的積灰特性的裝置及方法，與現(xiàn)有的實驗室冷態(tài)測試裝置及方法相比，其采用了真實的高溫鍋爐煙氣(含塵、含酸)，水側(cè)采用暖氣供水，高度還原中低溫省煤器中換熱管的運行環(huán)境，測試結(jié)果更加可靠與符合實際；與現(xiàn)有的安裝于鍋爐內(nèi)部的測試裝置及方法相比，本發(fā)明可在不影響鍋爐運行的情況下隨意更換測試管件，順排、錯排布置方式隨意切換有利于管型與布置方式的優(yōu)選，測試段采用透明pc板，可實現(xiàn)測試的可視化操作，方便監(jiān)測測試段的積灰情況。此外，本發(fā)明在測試結(jié)束后不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監(jiān)測和計算換熱器的換熱系數(shù)隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的污垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性?？偠灾?，本發(fā)明克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內(nèi)部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。