淺談燃?xì)夤徨仩t采用熱管技術(shù)回收余熱的適應(yīng)性

摘要：針對在燃?xì)夤徨仩t余熱回收工作中采用直接換熱或是熱管換熱的爭論，從換熱效率、換熱裝置體積、裝置使用壽命和經(jīng)濟(jì)性等方面，論述了在現(xiàn)階段并不適合將熱管技術(shù)應(yīng)用在煙氣余熱回收換熱器中。
　　關(guān)鍵詞：節(jié)能;燃?xì)忮仩t效率;熱管技術(shù);余熱回收;熱效率
　　中圖分類號(hào)：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1008- 2271(2005)06- 0261-02
　　隨著國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國出現(xiàn)了全國性的能源緊缺。建筑能耗占總能耗的三分之一左右，而建筑能耗中，除了建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗之外，最主要的部分就是暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗了，因此降低暖通空調(diào)能耗成為緩解我國能源緊張狀況的重要途徑。對于必須采暖的三北地區(qū)、尤其是大量使用天然氣的地區(qū)，如何提高燃?xì)夤徨仩t效率以節(jié)約能源，是擺在技術(shù)人員面前的重要課題。
　　隨著國家對節(jié)能工作的日益重視，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，其中不乏節(jié)能效果非常好的技術(shù)及產(chǎn)品，但是也出現(xiàn)了一些值得注意的問題。有些產(chǎn)品打著新技術(shù)的旗號(hào)，但無法達(dá)到所標(biāo)榜的節(jié)能效果。對此，必須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度加以審視和關(guān)注。
　　從節(jié)能的途徑分析，燃?xì)夤徨仩t效率的提高主要包含兩方面:即提高產(chǎn)熱效率(即燃燒效率)和熱量利用效率。燃燒效率主要由燃燒器決定。目前燃燒器的燃燒效率已經(jīng)很高，提高起來有一定困難，因此，提高熱量利用效率就是提高燃?xì)忮仩t效率、實(shí)現(xiàn)燃?xì)忮仩t節(jié)能的基本途徑。燃?xì)忮仩t的排煙溫度一般較高，如果在煙氣出口增加余熱回收裝置，就是提高燃?xì)忮仩t效率的簡便易行的方法。
　　當(dāng)前燃?xì)忮仩t余熱回收裝置通常利用溫度較低的系統(tǒng)回水吸收高溫?zé)煔庵械臒崃浚缤o鍋爐增加了一個(gè)回程，主要有兩類形式:一種是直接吸收式，煙氣中的熱量通過換熱裝置中的金屬受熱面直接傳給水;另一種是熱管余熱回收裝置，即煙氣中的熱量先傳給熱管，再通過熱管傳給水。由于熱管技術(shù)是一項(xiàng)較為新穎的技術(shù)，而且在某些領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)間壁式換熱技術(shù)優(yōu)越得多的性能，因此廣受關(guān)注，許多公司也開始大規(guī)模宣傳熱管式回收裝置。筆者認(rèn)為，在缺乏可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，不宜大規(guī)模在燃?xì)夤徨仩t余熱回收工作中推廣使用熱管技術(shù)。
    1 熱管工作原理
    熱管的概念首先出現(xiàn)于1944年。1963年，美國LosA lamos國家實(shí)驗(yàn)室的G.M .G rover獨(dú)立發(fā)明了這種傳熱元件并將其正式命名為熱管(heat pipe)。1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論。20世紀(jì)70年代以來，我國也開展了對熱管的研究和應(yīng)用。
                
    如圖 1所 示，一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3x(10一’-10-0 )p a 的負(fù)壓后，充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，中間為絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下6個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過程川,(1)熱量從熱源通過熱管管壁和吸液芯傳遞到〔液一汽)分界面;(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液一汽)分界面上蒸發(fā);(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;(4) 汽在冷凝段內(nèi)的汽一液分界面上凝結(jié);(5)熱量從(汽一液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。
    2 熱管換熱效果是否高于直接換熱
      傳熱過程實(shí)際是由導(dǎo)熱、對流、輻射三種基本傳熱方式組成的。在燃?xì)忮仩t余熱回收裝置中，由于溫差較小，傳熱可以簡化為導(dǎo)熱和對流兩種方式川。
                     
    普通余熱回收裝置的單位換熱面積熱阻R沿?zé)崃鞣较蚩煞譃槿糠?如圖2所示):①煙氣與金屬管壁面之間的對流熱阻(R,) ;②由金屬一側(cè)到另一側(cè)的傳導(dǎo)熱阻(R,);③水與金屬管壁面之間的對流熱阻(Rs)。即有:
           
    由此可知，熱管即使可認(rèn)為其內(nèi)部熱阻為零，其總熱阻也不一定小于直接換熱器熱阻。因此在燃?xì)忮仩t余熱回收應(yīng)用中，換熱面積相同時(shí)，熱管換熱器的換熱效果也不一定優(yōu)于直接吸收式換熱器。
    3 熱管換熱器體積是否小于直接換熱器
    由于設(shè)計(jì)燃?xì)夤徨仩t時(shí)并未考慮回收煙氣余熱，因此鍋爐房加裝余熱回收裝置時(shí)，換熱裝置的占地面積大小也是確定換熱裝置類型的關(guān)鍵因素。換熱器的占地面積往往取決于其體積，而考慮換熱器體積，必須固定換熱面積。也就是說，在比較兩種換熱器的體積時(shí)，必須選擇同樣的換熱面積。
    對于普通直接換熱器，煙氣與金屬換熱面的一側(cè)直接接觸，水與金屬換熱面的另一側(cè)直接接觸，因此其換熱面積與金屬換熱面(包括擴(kuò)展表面，如翅片)面積相等。而由熱管換熱原理可知，每根熱管分為三部分:吸熱段、絕熱段和放熱段，如果忽略不計(jì)絕熱段的面積，則每根熱管與直接換熱的等效換熱面積為該熱管外表面的一半。如果再加上熱管內(nèi)部所需空間，要想達(dá)到與直接換熱等效的換熱面積，其體積上并不占優(yōu)勢。只有當(dāng)熱管通過增加翅片來擴(kuò)展換熱面積時(shí)，其體積才可能較小。
    4 熱管使用壽命
    直接式換熱器的壽命通常只受所使用的材質(zhì)影響。如果能有效解決金屬壁面的腐蝕問題，可認(rèn)為直接式換熱器具有相當(dāng)長的壽命[3]。
    而影響熱管壽命的因素很多。歸結(jié)起來，造成熱管失效的主要原因有以下三方面:
    1) 熱 管 內(nèi)部真空度被破壞。熱管內(nèi)部為1.3x(10一‘-10-4 )Pa 的負(fù)壓，以國內(nèi)現(xiàn)有的熱管加工工藝來看，其負(fù)壓幾乎不可能長時(shí)間維持，而熱管換熱器也不叮能定期進(jìn)行抽真空處理，因此如果熱管的真空度被破壞，內(nèi)部工作液體沸點(diǎn)改變，而巨增加了其他傳熱熱阻，整個(gè)熱管的傳熱性能可能還不如一根實(shí)心金屬棒。
    2) 工作液體熱物性惡化。有機(jī)工作介質(zhì)在一定溫度下，會(huì)逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機(jī)工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或者是與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能(如甲苯、烷、烴類等有機(jī)工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象)。一般低溫滬常溫?zé)峄厥障到y(tǒng)多采用以水為介質(zhì)的熱管，更容易引起熱管內(nèi)部腐蝕和其他相容性問題。
    3) 管殼材料的腐蝕。工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動(dòng)阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。
    綜上所述，就不難看出為什么有些熱管換熱器，第1年好用，因?yàn)槠渌袩峁芫鶇⑴c傳熱;第2年就開始不好用，因?yàn)槠錈峁懿糠质?等到第3年、第4年沒有用，是因?yàn)闊峁苋繜o效了。
    5 經(jīng)濟(jì)性及其它
    節(jié)能產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)當(dāng)從其投資回收期人手，投資回收期又由三方面決定即:一次投資、年節(jié)省費(fèi)用和可使用年限。
    1)從上面的論述觀點(diǎn)不難看出，如果達(dá)到同樣的有效換熱面積，熱管余熱回收裝置的體積比普通余熱回收裝置體積要大，使用的鋼材也要相應(yīng)增多，因此，如果換熱效果相近，熱管余熱回收裝置應(yīng)當(dāng)比普通余熱回收裝置貴很多。
    2) 從年節(jié)省費(fèi)用來看，相同換熱面積時(shí)，由于熱管余熱回收裝置單位面積熱阻與普通余熱回收裝置相當(dāng)，因此其年節(jié)省費(fèi)用也相當(dāng)。
    3) 好的熱管，壽命也僅有3-4年，遠(yuǎn)低于普通余熱回收裝置。
    從以上這三項(xiàng)指標(biāo)可以看出，熱管余熱回收裝置同普通余熱回收裝置比起來，并不適合用在燃?xì)夤徨仩t中。
    6 后記
    熱管技術(shù)確實(shí)為一項(xiàng)好技術(shù)，將其應(yīng)用在諸如遠(yuǎn)距離輸送熱量的系統(tǒng)中以及要求“均溫”等特殊場合，就有其獨(dú)特的優(yōu)越性。但將其作為一項(xiàng)萬能技術(shù)，取代所有換熱裝置是不合適的。由上述種種分析不難理解，該項(xiàng)技術(shù)誕生至今幾十年而尚未在工業(yè)界大規(guī)模普及的原因。由于燃?xì)夤徨仩t的煙氣與熱回收工作開展時(shí)間并不長，在沒有充足數(shù)據(jù)和充分論證的情況下，盲目將熱管技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)夤徨仩t余熱回收裝置中的做法并不適合，必然造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，不符合我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的總目標(biāo)。