熱管換熱器在煙氣余熱回收中的應(yīng)用

【摘要】 介紹了熱管技術(shù)，并分析了其傳熱機(jī)理。熱管換熱器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)獲得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)用主要集中在中低溫余熱資源回收利用方面，應(yīng)完善高溫?zé)峁埽酝貙挓峁軗Q熱器在高溫余熱資源中的應(yīng)用。
　　【關(guān)鍵詞】 熱管  熱管換熱器  煙氣  余熱回收
　　一、前言
　　目前，國(guó)內(nèi)外煙氣余熱同收裝置，有回轉(zhuǎn)式換熱器、焊接板(管)式換熱器、熱管換熱器、熱媒式換熱器，同時(shí)還有有效吹灰或加裝程控吹灰裝置、加裝低壓省煤器等，其中以熱媒式和熱管式為主。熱媒式換熱器由于運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備多，設(shè)備維護(hù)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，對(duì)系統(tǒng)的要求十分苛刻，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。熱管是一種新型、高效的傳熱元件，其內(nèi)部是靠工質(zhì)循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，它的當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)金屬的1o3--1o4倍。以熱管為傳熱元件的熱管換熱器較其他型式換熱器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在利用熱能、回收廢熱、節(jié)約原料、降低成本等方面，特別適用于中低溫的余熱回收，廣泛應(yīng)用于鍋爐余熱回收，取得了明屁的節(jié)能效果。
　　二、熱管的工作原理及基本特性
　　熱管是一個(gè)封閉系統(tǒng)，由管殼、吸液芯和工質(zhì)組成(如圖1所示)。管殼通常由金屬制成，兩端焊有端蓋，管殼內(nèi)壁裝有一層由多孔性物質(zhì)構(gòu)成的管芯(若為重力式熱管則無管芯)，管內(nèi)抽真空后注入某種工質(zhì)，然后密封。熱管利用工質(zhì)相變的物理過程，以潛熱的形式傳遞熱量。當(dāng)熱管的蒸發(fā)段被加熱時(shí)，管內(nèi)的工質(zhì)吸收潛熱被蒸發(fā)，變成蒸汽，壓力增大后沿中間通道流向另端，蒸汽在冷凝段接觸到冷的吸熱芯表面，冷凝成液體并放出潛熱；工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)時(shí)，其汽液交界面下凹，形成許多彎月形液面，產(chǎn)生毛細(xì)壓力，液態(tài)工質(zhì)在管芯毛細(xì)壓力和重力等的同流動(dòng)力作用下義返同蒸發(fā)段，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)，工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝便把熱最不斷地從熱端傳遞到冷端。
                        
　　螺旋槽管其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理為：殼程流體在非傳熱界面的區(qū)域，如管問支撐物的局部地區(qū)，形體阻力損失很小，而大部分的流體壓降町用米促進(jìn)傳熱管傳熱界面上的流體湍流，能以較低的流體輸送功獲取較高的傳熱膜系數(shù)；螺旋槽管可利用粗糙的傳熱肋面來促進(jìn)流體邊界層的湍流度，減薄傳熱滯流底層厚度，從而強(qiáng)化邊界層傳熱，螺旋槽管明顯地強(qiáng)化了管內(nèi)傳熱，同時(shí)，對(duì)于管外流體橫掠管束而占，螺旋槽管表面的凹槽有利于邊界層流體的分離和強(qiáng)化流體的擾動(dòng)。因此，管外流體的換熱能力也有所提高。
    節(jié)距P和槽深e是影響螺旋槽管傳熱的主要因素。當(dāng)節(jié)距一定，槽道越深或當(dāng)槽深一定，節(jié)距越小時(shí)，螺旋槽管強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的效果越顯著。降低了層流熱阻，提高了液流傳熱系數(shù)，但同時(shí)也提高r液流的擾動(dòng)性，使液體微團(tuán)間產(chǎn)生相互混合摻混摩擦，消耗T部分能量，故而流阻高于光管。槽道深度對(duì)液膜厚度的影響非常明顯，在淺槽范圍內(nèi)，槽道越深，液膜越薄且均勻一致，強(qiáng)化傳熱的性能越好。
    三、熱管換熱器的結(jié)構(gòu)和基本特性
    1．熱管換熱器的結(jié)構(gòu)
    熱管換熱器是常見的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
                          
    利用熱管能夠方便地在熱源與冷源問實(shí)現(xiàn)熱傳遞，把若f支路熱管組裝成一體，中間用隔板把熱管的蒸發(fā)段和凝結(jié)段隔開，形成l『冷、熱介質(zhì)的流道，把熱源中的熱量源源不斷地傳給冷源，這種熱管元件的組裝體就是熱管換熱器。
    典型的熱管換熱器，其外形一般為長(zhǎng)方體，主要部件為熱管管束、外殼、隔板。熱管的蒸發(fā)段和凝結(jié)段被隔板隔開。熱管管束、外殼、隔板組成了冷、熱流體的流道。隔飯對(duì)熱管管束起部分支排作用，其主要功能是密封流道，以防止兩種流體的相互滲透 熱管元件的蒸發(fā)段和凝結(jié)段外壁均加裝翅片，其目的是強(qiáng)化整個(gè)傳熱過程；兩側(cè)流體均為乖直橫掠流動(dòng)，提高了傳熱系數(shù)。為防止煙氣秘塵堵塞，煙氣側(cè)翅片間距較大；在空氣側(cè)，氣流較清潔，為獲得較高的翅化系數(shù)，肋片間距可取小些。熱管管束一般為錯(cuò)列布置，這樣可使放熱系數(shù)提高。熱管管束安裝位置有水平、傾斜和垂直三種。
    從熱管換熱器結(jié)構(gòu)型式來看，可分為整體式、分離式、凹轉(zhuǎn)式和組合式。
    2．熱管換熱器的基本特性
    熱管換熱器與其他形式的換熱器比較起來有許多的優(yōu)點(diǎn)，但最本質(zhì)的和最獨(dú)特的有以下幾點(diǎn)：
    (1)傳熱性能好 熱管換熱器優(yōu)良傳熱性能的獲得，首先是在兩流體側(cè)均方便地實(shí)現(xiàn)了翅化，增大了冷熱流體的熱交換面積，大大減小了兩側(cè)的對(duì)流熱阻，因而強(qiáng)化了整個(gè)傳熱過程；其次，把傳統(tǒng)的換熱器的交叉流型改為純逆流流動(dòng)，在不改變冷熱流體人口溫度的條件下，增大了該傳熱過程中冷熱流體換熱的平均溫壓；再次，把一側(cè)氣體的管內(nèi)流動(dòng)改為垂直外掠流動(dòng)。這三方面的原因可使熱管換熱器較其他形式的換熱器，特別是常規(guī)管殼式換熱器的傳熱性能好得多。
    (2)冷、熱流體兩側(cè)的傳熱面可以自由布置熱管換熱器的傳熱元件是熱管，其蒸發(fā)段、冷凝段長(zhǎng)度及翅化比按給定的傳熱量、流體溫度、流量以及各流體的性質(zhì)及清潔程度等各側(cè)獨(dú)立決定，兩側(cè)互不牽連。這就從結(jié)卡句卜確保熱管換熱器能適用于溫度、流量及清潔稗度相差懇琳的兩種流體I\'NJ的傳熱 這一特點(diǎn)，其他形式的換熱器(管殼式、板式、 轉(zhuǎn)式等)均不具有。
    (3)傳熱而 部破壞時(shí)，能確保兩流體彼此不摻混熱管換熱器杜絕流休問摻混現(xiàn)象。在這種換熱器中，當(dāng)一熱管元件某一端殼壁損壞時(shí)，造成的影響僅僅足該元件火效I酊停止傳熱，兩種流體仍被元件另一端的殼壁隔開，通過元件殼壁的泄漏 會(huì)發(fā)生(除非同一元件的加熱段、冷卻段殼壁同時(shí)損壞，這種情況極其少見)，因而能確保流體的品質(zhì)不致變壞。再加上單根熱管元件損壞后更換方便，并不影響換熱器整體。兇而存流休品質(zhì)要求嚴(yán)格，冷熱流體不能相瓦污染的情況下進(jìn)行熱交換時(shí)，熱管換熱器自然是理想的換熱設(shè)備。
    (4)熱管換熱器有較高的防積灰堵灰能力 熱管是煙氣在管外壁流動(dòng)橫掠換熱，州氣的擾動(dòng)性加強(qiáng) 冉加上熱管壁溫高，管擘壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，因此，也就不會(huì)結(jié)膜不易黏附煙灰，因而它就能有效地防止堵塞。
    (5)熱管換熱器有較高的抗低溫腐蝕的能力煙氣進(jìn)入低溫受熱面后，其中的水蒸氣可能用于煙溫降低或在接觸溫度較低的受熱面時(shí)發(fā)牛凝結(jié)。煙氣中水蒸氣開始凝結(jié)的溫度稱為水露點(diǎn)。水露點(diǎn)一般比較低，所以一般不易在低溫受熱面發(fā)生結(jié)露，但如果凝結(jié)時(shí)可能使受熱而金屬產(chǎn)生氧腐蝕。
    當(dāng)燃用含硫燃料時(shí)，硫燃燒后形成二氧化硫，其中一部分會(huì)進(jìn)一步氧化成 氧化硫。 氧化硫與煙氣中水蒸氣結(jié)合成硫酸蒸氣。煙氣中硫酸蒸氣的凝結(jié)溫度稱為酸露點(diǎn)。它比水露點(diǎn)要高很多。煙氣中三氧化硫含量愈多，酸露點(diǎn)就愈高。 煙氣中硫酸蒸氣本身對(duì)受熱面的工作影響不大。但當(dāng)它在壁溫低于酸露點(diǎn)的受熱面上凝結(jié)下來時(shí)，就會(huì)對(duì)受熱面金屬產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕作用。這種由于金屬壁低于酸露點(diǎn)而引起的腐蝕稱為低溫腐蝕。強(qiáng)烈的低溫腐蝕通常發(fā)牛在低溫級(jí)空氣預(yù)熱器中空氣和煙氣溫度最低的區(qū)域。煙氣刈受熱面低溫腐蝕常用酸露點(diǎn)的高低來表示。露點(diǎn)愈高，腐蝕范圍愈廣，腐蝕也愈嚴(yán)重。其腐蝕速度與金屬瞳面溫度有很大關(guān)系，如圖3所示．
                         
    由圖可見，隨著金屬壁斷溫度的降低，出現(xiàn)兩個(gè)嚴(yán)重腐蝕區(qū)和兩個(gè)相對(duì)安全區(qū)。對(duì)于一定的煤種及運(yùn)行方式，腐蝕曲線也足一定的。對(duì)于一般的管式空氣預(yù)熱器采用諸如提高排煙溫度和熱風(fēng)再循環(huán)以及暖風(fēng)機(jī)提高入口溫等措施，可以避開第一個(gè)嚴(yán)露腐蝕區(qū)，但是，第一個(gè)嚴(yán)重腐蝕區(qū)腐蝕是難以避免的。而對(duì)于熱管空氣預(yù)熱器，在設(shè)計(jì)中，可根據(jù)鍋爐工況特點(diǎn)調(diào)整熱管加熱段和冷凝段的長(zhǎng)度，以及調(diào)整低溫處熱臂冷、熱兩段翅片的間距、數(shù)量等辦法來調(diào)整炯?xì)鈧?cè)與空氣側(cè)的熱阻比，從而達(dá)到控制熱管壁溫的目的。使煙氣側(cè)壁溫高于運(yùn)行工況酸露點(diǎn)溫度，而避開硫酸蒸氣的結(jié)露。
    四、熱管換熱器的評(píng)定
    換熱器性能改善的目標(biāo)函數(shù)有四個(gè)。
    1)減少換熱面積F，縮小換熱器的體積。
    2)增加換熱器的傳輸熱量Q。
    3)提高校加熱流體的出口溫度，這意味替換熱器兩傳熱介質(zhì)之間平均溫度差△Tm的減少。
    4)降低流體的壓力損，火△p及減少流體輸送功率N，對(duì)于F、Q、△Tm及△p(或功率消耗N)等四項(xiàng)日標(biāo)中．在另外三項(xiàng)一定時(shí)即可得出該項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)的性能評(píng)判準(zhǔn)則。
             
    由于熱管內(nèi)工作液體的蒸發(fā)溫度Ts干u蒸汽凝結(jié)溫度Te基本相等，工作液體的汽化潛熱和蒸汽的凝結(jié)熱相等，因而工作液體的蒸發(fā)量和蒸汽的凝結(jié)量也相等，則工作液體吸收煙氣熱量使熵的增加和工作蒸汽凝結(jié)放熱使熵的減少相互抵消，所以△St由以下兩部分組成
    1)高溫?zé)煔饬鬟^熱管換熱器時(shí)，由于吸熱使熵減少
                
    冷流體水是不可壓縮流體，由于壓差流動(dòng)引起的熵增為：
                 
    設(shè)熱管換熱器總的熵增率為S，也就是熱管換熱器每傳遞單位熱量所消耗的可用能
                
    熱管換熱器總的熵增率為S，其值越小，熱管換熱器的熱經(jīng)濟(jì)性越好。因此，可以把系統(tǒng)總的熵增率作為不同形式的熱管換熱器在不同情況下的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
    五、熱管換熱器的應(yīng)用
    熱管換熱器應(yīng)用較多的場(chǎng)合是：工業(yè)鍋爐或工業(yè)窯爐用來加熱空氣的熱管式空氣預(yù)熱器及用來加熱給水的熱管熱水器；電站鍋爐中用來代替蒸汽暖風(fēng)器的前置式熱管空氣預(yù)熱器及空調(diào)制冷中用來回收余熱的熱管式換熱器、熱管鍋爐、熱管蒸發(fā)器等。
    1．熱管式空氣預(yù)熱器
    熱管空氣預(yù)熱器是氣—?dú)鈸Q熱器的一個(gè)典型代表，它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱、預(yù)熱進(jìn)入爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染，因此，熱管空氣預(yù)熱器在余熱回收利用中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
    熱管空氣預(yù)熱器外形一般為長(zhǎng)方體，主要部件為熱管管束、殼體和隔板。隔板、殼體內(nèi)壁和熱管束外壁問的空間即為熱、冷流體流道，隔板對(duì)熱管束起部分支撐作用，其主要功能是密封流道，以阻止兩種流體相互摻混。
    熱管元件的蒸發(fā)段和凝結(jié)段外壁均加裝翅片，其目的是強(qiáng)化整個(gè)氣一氣傳熱過程；兩側(cè)氣體均為垂直橫掠流動(dòng)，提高了傳熱系數(shù)。但熱管空氣預(yù)熱器的管外翅片存在積灰和增大阻力降的問題，目前熱管空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，導(dǎo)致其冷熱流體問的換熱并不充分。
    2．熱管蒸發(fā)器(余熱鍋爐)
    余熱鍋爐與常規(guī)余熱鍋爐相比，前者更具有明顯的優(yōu)越性，其體積緊湊，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，更重要的是如果單根熱管破壞不影響設(shè)備運(yùn)行，提高了設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。不論是采用高溫空氣預(yù)熱器方式還是采用高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器方式，煙氣溫度可將至2OO~C以下，這對(duì)大型加熱爐的熱回收率的提高有很大意義。
    國(guó)內(nèi)外許多加熱爐采用了余熱鍋爐和空氣預(yù)熱器相結(jié)合的流程來回收煙氣的高溫余熱。即首先將高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐降至500—600℃溫度范圍。產(chǎn)生1．9—3MPa的蒸汽，降溫后的煙氣通過空氣預(yù)熱器將空氣預(yù)熱至250℃，煙氣溫度降至300℃以下進(jìn)入熱管省煤器，將105℃的脫氧水加熱至250℃左右。煙氣溫度降至300℃以下，經(jīng)引風(fēng)機(jī)送至煙囪排放。這種流程的優(yōu)越性在于，余熱鍋爐可以以較少的設(shè)備投資回收煙氣高溫部分的余熱，所產(chǎn)生的蒸汽如果可以外銷則在極短的時(shí)間內(nèi)收凹投資，空氣通過預(yù)熱器可以加熱至300℃以上，一次能耗可以節(jié)約14％---18％，這是最合算的流程，如果采用蒸汽透平發(fā)電，再將背壓蒸汽外銷，也是一種經(jīng)濟(jì)效益很好的方案。熱管空氣預(yù)熱器和熱管省煤器可以在較低的條件下充分發(fā)揮其傳熱效率高和體積緊湊的特點(diǎn)。
    六、結(jié)束語
    針對(duì)熱管換熱器的結(jié)構(gòu)、原理、評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行了分析，并總結(jié)了其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。同時(shí)熱管換熱器在煙氣余熱回收中也有廣泛的應(yīng)用，主要集中在中低溫余熱資源的余熱回收利用。其發(fā)展是完善高溫?zé)峁?，降低其成本，提高其可靠性，以拓寬熱管換熱器在高溫余熱資源中的應(yīng)用，提高熱管換熱器與其他形式高效熱交換器的競(jìng)爭(zhēng)力。