เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกระเป๋าและท่ออุณหภูมิสูง: การฟื้นฟูความร้อนจากก๊าซสูบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการควบคุมการกัดกร่อนและการบดกร่อน

โรงงานอุตสาหกรรม การผลิตไฟฟ้า และกระบวนการทางเคมีจะปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมหาศาลผ่านทางไอเสียที่อุณหภูมิสูง เรียกคืนพลังงานนี้ผ่านทางการนำความร้อนเหลือทิ้งจากก๊าซไอเสีย (WHR)เป็นหนึ่งในกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการลดต้นทุนการดำเนินงานและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อมของก๊าซไอเสียทำให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมที่รุนแรง ได้แก่ ความเครียดจากความร้อนที่รุนแรง การกัดกร่อนของจุดน้ำค้างของกรด และการกัดเซาะของเถ้าลอย

การใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่ทนทานซึ่งได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเป็นพิเศษซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ ช่วยให้โรงงานอุตสาหกรรมสามารถเชื่อมช่องว่างระหว่างความยืดหยุ่นในอุณหภูมิสูงและความน่าเชื่อถือทางกลในระยะยาวได้อย่างปลอดภัย

การออกแบบเปลือกนำความร้อนเหลือทิ้งและตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อกลับคืนมาถูกกำหนดโดยกฎพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อนและพลศาสตร์ของไหลพร้อมกัน พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ออกแบบใหม่จากกระแสก๊าซไอเสียจะแสดงผ่านสมการการถ่ายเทความร้อนทั่วไป:

ในการใช้งานก๊าซหุงต้ม ความต้านทานความร้อนด้านก๊าซจะครอบงำระบบ เนื่องจากก๊าซมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าของเหลวในกระบวนการผลิตของเหลวภายในท่ออย่างมาก เพื่อชดเชยค่าสัมประสิทธิ์ฟิล์มด้านก๊าซที่ต่ำและเพิ่ม U ให้สูงสุด เครื่องแลกเปลี่ยนต้องใช้ความเร็วของก๊าซสูงหรือรูปทรงของแผ่นกั้นที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อกระตุ้นให้เกิดความปั่นป่วนเฉพาะจุดโดยไม่ทำให้เกิดแรงดันตกที่มากเกินไปและมีค่าใช้จ่ายสูง (Delta P)

การทำงานที่อุณหภูมิก๊าซตั้งแต่ 350°C ถึงสูงกว่า 800°C ต้องใช้โครงสร้างขั้นสูงเพื่อรองรับการขยายตัวทางความร้อนอย่างรุนแรง และป้องกันการโก่งงอของกลไกที่เป็นหายนะ

เมื่อก๊าซหุงต้มอุณหภูมิสูงเข้าสู่ด้านเปลือก ท่อและเปลือกด้านนอกจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกันอย่างมาก การกำหนดค่าแผ่นท่อแบบคงที่มาตรฐานจะหักหรือแตกที่ข้อต่อแบบท่อต่อแผ่นท่อภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ตัวแลกเปลี่ยน WHR ขั้นสูงใช้การกำหนดค่าเฉพาะเพื่อแยกความเครียดเหล่านี้:

• การออกแบบหัวลอย:แผ่นท่อหนึ่งแผ่นถูกยึดไว้กับเปลือก ในขณะที่แผ่นท่อของฝั่งตรงข้ามถูกปล่อยว่างให้เคลื่อนที่ตามแนวแกนภายในเปลือก ซึ่งช่วยขจัดความเครียดจากความร้อนของโครงสร้างโดยสิ้นเชิง

• การกำหนดค่า U-Tube:ท่อจะโค้งงอเป็นรูปตัว "U" อย่างต่อเนื่อง ทำให้แต่ละท่อสามารถขยายและหดตัวได้อย่างอิสระจากเมทริกซ์ของเปลือก ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสำหรับเฟืองท้ายที่มีอุณหภูมิสูง แต่ต้องใช้ของเหลวในท่อที่สะอาดและไม่เปรอะเปื้อน

• เครื่องเป่าลมขยาย:สำหรับชุดท่อแบบอยู่กับที่ เครื่องสูบลมโลหะแบบยืดหยุ่นที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมจะถูกรวมเข้ากับผนังเปลือกด้านนอกโดยตรงเพื่อดูดซับการเคลื่อนที่ของส่วนต่างของแกนได้อย่างปลอดภัย

ความสามารถในการทำกำไรของโครงการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้จะขึ้นอยู่กับเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF) ของอุปกรณ์ ก๊าซไอเสียเป็นภัยคุกคามต่อการย่อยสลายทางเคมีและการสึกหรอทางกายภาพ

ก๊าซไอเสียที่ได้มาจากถ่านหิน น้ำมันเตาหนัก หรือขยะเคมีมักประกอบด้วยซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3) เมื่อก๊าซเย็นลงในระหว่างการสกัดด้วยความร้อน ก๊าซนั้นจะต้องไม่ตกลงต่ำกว่าจุดน้ำค้างของกรดซัลฟิวริก (โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 120°C ถึง 150°C)

หากอุณหภูมิผนังท่อลดลงต่ำกว่าเกณฑ์นี้ H2SO4 จะควบแน่นบนพื้นผิวโลหะ ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนอย่างรวดเร็วเฉพาะจุด

กฎทางวิศวกรรม:ลูปควบคุมจะต้องรวมเข้ากับท่อของเหลวในกระบวนการเพื่อรักษาอุณหภูมิผิวผนังท่อข้างบนจุดน้ำค้างของกรดที่คำนวณได้ ช่วยให้มั่นใจว่าก๊าซยังคงอยู่ในสถานะไออย่างปลอดภัยตลอดชั้นขอบเขตภายใน

อนุภาคของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในก๊าซไอเสียจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการระเบิดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอย่างต่อเนื่องกับตัวแลกเปลี่ยนภายใน อัตราการกัดเซาะเป็นสัดส่วนแบบเอกซ์โปเนนเชียลกับความเร็วของของไหล

• การควบคุมความเร็ว:ความเร็วของก๊าซด้านเปลือกต้องถูกควบคุมให้อยู่ในช่วงอนุรักษ์ (โดยทั่วไปคือ 10 ถึง 15 เมตร/วินาที) เพื่อป้องกันการขัดถูผนังท่อ

• แผ่นกั้นการปะทะ:แผ่นแข็งบูชายัญเกจหนักจะถูกติดตั้งไว้ใต้หัวฉีดทางเข้าก๊าซไอเสียโดยตรง สิ่งนี้จะเบี่ยงเบนการกระแทกของอนุภาคความเร็วสูงออกไปจากมัดท่อที่ละเอียดอ่อน โดยดูดซับพลังงานจลน์เริ่มต้นของกระแสที่เข้ามา

การเลือกโลหะผสมที่เหมาะสมจะทำให้รายจ่ายฝ่ายทุน (CAPEX) สมดุลกับความอยู่รอดในระยะยาวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง

ถาม: ควรส่งก๊าซไอเสียไปที่ใด—ด้านเปลือกหรือด้านท่อ

ตอบ: ในการใช้งานการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ส่วนใหญ่ ก๊าซไอเสียจะถูกส่งผ่านด้านเปลือก. ซึ่งให้พื้นที่การไหลหน้าตัดที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งรองรับปริมาณก๊าซที่สูง ลดแรงดันตก และช่วยให้สามารถรวมเครื่องดูดเขม่าทางกายภาพหรือช่องทางทำความสะอาดเชิงกลเพื่อจัดการกับการสะสมของเถ้า

ถาม: การเปรอะเปื้อนส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากก๊าซไอเสียอย่างไร

ตอบ: การเปรอะเปื้อนของก๊าซไอเสียจะสะสมชั้นเขม่าหรือเถ้าไว้ด้านนอกของท่อ ชั้นนี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) ได้อย่างมาก ระยะเวลาการทำความสะอาดเป็นประจำและระบบการเป่าเขม่าทางเสียงหรือไอน้ำแบบอินไลน์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อน

ถาม: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้สามารถใช้สำหรับการนำความร้อนจากก๊าซเป็นก๊าซกลับมาใช้ได้หรือไม่

ก. ใช่. มักถูกนำไปใช้เพื่ออุ่นอากาศเผาไหม้ขาเข้าโดยใช้ก๊าซหุงต้มที่ส่งออกไป เมื่อจัดการกับการใช้งานจากก๊าซเป็นก๊าซ วิศวกรมักจะใช้ท่อครีบที่ด้านนอกเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีอยู่ (A) อย่างมีนัยสำคัญ และชดเชยค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนต่ำของก๊าซ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่ทนทานซึ่งออกแบบมาเพื่อการนำก๊าซไอเสียที่อุณหภูมิสูงกลับมาใช้ใหม่ถือเป็นทรัพย์สินหลักที่สำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานทางอุตสาหกรรม ด้วยการใช้การออกแบบทางกลที่แข็งแกร่งสำหรับการขยายตัวทางความร้อน การจำกัดความเร็วของเหลวที่เข้มงวดเพื่อลดการกัดเซาะของอนุภาค และการเลือกโลหะผสมคุณภาพสูงเพื่อทนทานต่อการกัดกร่อนของจุดน้ำค้าง โรงงานต่างๆ สามารถปลดล็อกพลังงานสำรองจำนวนมหาศาลได้อย่างปลอดภัยซึ่งอาจจะหายไปจากปล่อง

คุณพร้อมที่จะคำนวณศักยภาพความร้อนทิ้งของปล่องไอเสียของคุณแล้วหรือยัง?

กระแสก๊าซไอเสียทุกกระแสมีโปรไฟล์ทางอุณหพลศาสตร์ ความเข้มข้นของกรด และโหลดอนุภาคที่แตกต่างกัน

คุณต้องการหารือเกี่ยวกับวิธีคำนวณอุณหภูมิผนังท่อที่เหมาะสมที่สุดสำหรับองค์ประกอบเชื้อเพลิงเฉพาะของคุณเพื่อหลีกเลี่ยงการควบแน่นของจุดน้ำค้างของกรดโดยสิ้นเชิงหรือไม่