1熱管及熱管式換熱器的發(fā)展
1.1熱管工作原理及特點(diǎn)
河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的元件,一般由管殼、吸液芯、工質(zhì)組成,結(jié)構(gòu)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。熱管可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三個(gè)部分,當(dāng)熱源在蒸發(fā)段對(duì)其供熱時(shí),工質(zhì)自熱源吸熱汽化變?yōu)檎羝羝趬翰畹淖饔孟卵刂虚g通道高速流向另一端,蒸汽在冷凝段向冷源放出潛熱后冷凝成液體;工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)時(shí),其氣液交界面下凹,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)壓力和重力等的回流動(dòng)力作用下又返回蒸發(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)和冷凝便把熱量不斷地從熱端傳遞到冷端。
由于河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管是利用工質(zhì)的相變換熱來傳遞熱量,因此熱管具有很大的傳熱能力和傳熱效率。另外,熱管還具有優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、熱二極管與熱開關(guān)性、恒溫特性以及對(duì)環(huán)境的廣泛適應(yīng)性等一系列優(yōu)點(diǎn)。
1.2熱管分類
河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管按其工作溫度可分為:低溫、中溫及高溫?zé)峁?,選用熱管時(shí)須根據(jù)熱管的工作溫度來選用管內(nèi)的工質(zhì)。低溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)有丙酮、氨、氟里昂等;中溫?zé)峁艿某S霉べ|(zhì)有:水、萘等,水的工作溫度為90~250oC,萘的工作溫度為280~400℃;高溫?zé)峁艿某S霉べ|(zhì)有:鈉、鉀等液態(tài)金屬,工作溫度一般在450℃以上。熱管按工質(zhì)回流的動(dòng)力可分為:吸液芯熱管、重力熱管或兩相閉式熱虹吸管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)式熱管、分離型熱管、電流體動(dòng)力學(xué)熱管、電滲透熱管等。根據(jù)熱管翅片與管殼的連接方式可分為:穿片式熱管、鎳鉻合金釬焊熱管、高頻繞焊熱管3種形式。
1.3河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器結(jié)構(gòu)及分類
由于單根熱管傳熱量有限,于是把單根熱管集中起來,形成一束置于冷、熱源之間,使熱源中的熱量通過熱管束源源不斷地傳至冷源,這_是熱管式換熱器。熱管式換熱器中的熱管元件可以呈錯(cuò)列三角形排列,也可以呈順列矩形排列。熱管式換熱器由熱管、箱體和中間隔板組成,隔板將箱體分為兩部分,形成冷、熱介質(zhì)的流道,隔板_兩側(cè)流體互不混淆,熱管橫穿隔板,一端與熱流體接觸,一端與冷流體接觸,冷熱兩端可按需加裝翅片以增大傳熱面積。熱管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
熱管式換熱器按照流體的不同種類可分為:氣一氣型熱管式換熱器,氣一液型熱管式換熱器,液一液型熱管式換熱器;按照熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)型式可分為:整體式、分離式、回轉(zhuǎn)式和組合式。
1.4河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器的特性
河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器本身是依靠內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的,而且可以在兩流體側(cè)實(shí)現(xiàn)翅化,增大了換熱面積,減小了兩側(cè)的對(duì)流熱阻,動(dòng)力消耗小。另外,熱管式換熱器可以實(shí)現(xiàn)流體管外垂直外掠流動(dòng)和冷熱流體的純逆流流動(dòng),在不改變冷熱流體入口溫度的條件下,增大了冷熱流體換熱的平均溫壓;因此熱管式換熱器的傳熱性能好于常規(guī)管殼式換熱器。
熱管式換熱器中熱管元件的蒸發(fā)段和冷凝段的長度形式可以按實(shí)際工況需要合理布置,根據(jù)兩側(cè)冷熱流體的溫度、流量、性質(zhì)、傳熱量等因素獨(dú)立確定,兩種流體被隔板隔開,彼此互不摻混。熱管式換熱器的這種特點(diǎn)可以適用于溫度、流量及清潔程度相差懸殊的兩種流體間的換熱。
在熱管式換熱器中,當(dāng)熱管元件的某一端局部損壞時(shí),僅僅是該熱管元件失效而停止傳熱,并且單根熱管元件損壞后_換方便,不會(huì)影響換熱器整體。因此,熱管式換熱器結(jié)構(gòu)形式好于常規(guī)管殼式換熱器。
2河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管技術(shù)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用
20世紀(jì)60~70年代世界上爆發(fā)的能源危機(jī),導(dǎo)致燃料短缺、燃料費(fèi)用上漲,嚴(yán)重地威協(xié)著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活的需要,于是迫切要求人們開發(fā)新能源和節(jié)約現(xiàn)有能源。在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門中,有大量的加熱爐、窯爐、工業(yè)鍋爐等,其排煙溫度在200~500℃之間,排煙余熱未獲得充分利用,造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi),因此,發(fā)展有效的余熱回收裝置是能源得以合理利用的有效方式。
由于余熱的低品位性及存在的普遍性,要求余熱回收裝置能在小傳熱溫壓下傳遞大熱流量,熱回收率高,阻力小,還要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、經(jīng)濟(jì),并能妥善處理低溫腐蝕問題。常規(guī)形式的換熱器由于傳熱溫壓小、體積龐大、投資費(fèi)用昂貴,或是由于換熱流程長、阻力大,驅(qū)動(dòng)功耗劇增,運(yùn)行費(fèi)用高,或是由于制造復(fù)雜、難以維護(hù),或是由于腐蝕、結(jié)垢、危急設(shè)備壽命等原因,其在余熱回收中的應(yīng)用受到限制。而熱管式換熱器以其優(yōu)良的性能可較好地解決上述問題,滿足余熱回收的要求。目前余熱回收系統(tǒng)中的熱管式換熱器主要有以下三種形式:熱管式空氣預(yù)熱器、熱管式省煤器和熱管式余熱鍋爐。
熱管式空氣預(yù)熱器是常見的氣一氣型熱管式換熱器,它是利用排煙余熱,預(yù)熱進(jìn)入爐子的助燃空氣,不僅可以節(jié)約燃料,提高燃料的利用率,還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。熱管式省煤器屬于氣一液型熱管式換熱器,在工業(yè)鍋爐或工業(yè)窯爐中,采用熱管式省煤器利用煙氣的熱量預(yù)熱鍋爐給水或是提供生活用熱水。熱管式余熱鍋爐通常稱為熱管蒸汽發(fā)生器,熱管式余熱鍋爐在熱管冷側(cè)外表面通過的流體是由進(jìn)入的給水產(chǎn)生蒸汽,可以說是氣一氣型熱管式換熱器,也可以說是氣一液型熱管式換熱器。以下簡(jiǎn)要介紹一下熱管式換熱器在我國幾種主要行業(yè)中的應(yīng)用。
2.1河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在電站鍋爐中的應(yīng)用
福建省永安發(fā)電廠2130t/h型燃用加福無煙煤鍋爐,1987年加裝前置式熱管空氣預(yù)熱器,低溫段空氣預(yù)熱器人口風(fēng)溫由30~40℃升高到85~90℃,排煙溫度由151℃降低到133℃,鍋爐效率提高了2.68%。四川成都熱電廠5煤粉爐,1987年利用熱管式空氣預(yù)熱器代替臥式玻璃管空氣預(yù)熱器,排煙溫度降低了21.5℃。灤河發(fā)電廠2煤粉爐,1991年利用熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,年經(jīng)濟(jì)效益250萬元。由于熱管式換熱器具有小溫差下傳遞大熱量的特點(diǎn),在一般電站鍋爐中作為前置式的空氣預(yù)熱器,將會(huì)回收利用大量能源。
2.2河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用
上海第八鋼鐵廠在四車問軋鋼加熱爐上采用氣-氣型熱管式換熱器,將助燃空氣從20℃預(yù)熱到80~90℃,廢氣從280℃下降到190℃,每小時(shí)回收廢氣余熱為419MJ。另外在其三車間軋鋼加熱爐上安裝了一臺(tái)氣-液型熱管式換熱器作余熱鍋爐用,軋鋼加熱爐廢氣由350℃下降到300℃以下,每小時(shí)回收熱量為47.7MJ,年回收熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤11.59t,經(jīng)濟(jì)效益顯著。馬鋼、寶鋼二期工程采用熱管式余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)300~400℃排風(fēng)廢熱,產(chǎn)生蒸汽用于預(yù)熱燒結(jié)混合料或生活取暖等。馬鋼_煉鐵廠7高爐投人運(yùn)行熱管式空氣預(yù)熱器,使廢氣由290~370℃降至150℃,助燃空氣溫度由常溫預(yù)熱到200℃,裝置每小時(shí)回收熱量3.39GJ,節(jié)約燃燒煤氣40%。
2.3河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在氮肥工業(yè)中的應(yīng)用
化肥廠造氣工段的余熱回收是合成氨降耗的主要環(huán)節(jié),造氣工段的工藝余熱包括:上行煤氣顯熱、下行煤氣顯熱、吹風(fēng)氣顯熱、以及燃燒熱,占合成氨工藝余熱的40%以上,這部分工藝余熱熱位較高,利用價(jià)值較大。
中、小型氮肥廠利用熱管式換熱器對(duì)半水煤氣和吹風(fēng)氣進(jìn)行余熱回收,半水煤氣通過熱管蒸發(fā)器放出熱量,降溫后送至洗氣塔,吹風(fēng)氣降溫后放空,同時(shí)產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽由蒸汽管道送至除氧器或進(jìn)人蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行下一步利用。大型化肥廠一段轉(zhuǎn)化爐的排煙溫度一般在250~300℃之間,利用熱管式換熱器回收這部分煙氣的余熱,用于加熱助燃空氣,每小時(shí)回收熱量折合燃料輕柴油約1.027t。
2.4河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在硫酸工業(yè)中的應(yīng)用
在硫酸生產(chǎn)工藝中,SO:通過接觸器氧化為SO時(shí)放出大量熱,使SO干氣體的溫度高達(dá)200~300℃,此時(shí)氣體需冷卻后再進(jìn)人吸收工段,這部分熱量往往被浪費(fèi),此時(shí)采用氣-液型熱管式換熱器將SO氣體的熱量回收加熱熱水供化堿工藝用,每小時(shí)余熱回收量為892MJ,設(shè)備每年按7000工作小時(shí)算,余熱回收節(jié)約的燃料折合標(biāo)準(zhǔn)煤214.5t。另外硫酸工業(yè)中硫鐵礦沸騰爐與工藝靜電除塵之間和硫磺焚燒爐與轉(zhuǎn)化工段之間,可以利用熱管式余熱鍋爐回收950℃以上的工藝氣的高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽用于發(fā)電或工藝過程。
2.河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在石油化工企業(yè)中的應(yīng)用
煉油廠減壓爐于1995年運(yùn)用熱管式空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱,煙氣從365℃降至165℃,空氣從進(jìn)口溫度20℃升至220℃,每小時(shí)回收熱量8.82GJ,此熱管式空氣預(yù)熱器的成功運(yùn)用說明熱管式換熱器可以用于石化行業(yè)中一些燃用高含硫燃料的惡劣工況。石油化工企業(yè)中的許多加熱爐和裂解爐,例如制造乙烯用的石腦油裂解爐,排煙溫度一般在200~400℃之問,并且燃燒后的廢氣往往不利于排空,采用熱管式空氣預(yù)熱器利用這部分廢氣預(yù)熱助燃空氣,可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。
國內(nèi)外許多加熱爐采用了兩種或三種熱管式換熱器相結(jié)合的流程來回收煙氣的高溫佘熱。即首先將高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐降至500~600℃,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)人熱管省煤器,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。這種流程具有很大的經(jīng)濟(jì)_性。
3積灰和低溫腐蝕問題
熱管式換熱器與管殼式換熱器相比具有傳熱效率高、壓力損失小、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、冷熱流體不混雜、應(yīng)用范圍廣、維修費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn),但是也存在著酸露點(diǎn)的低溫腐蝕、水側(cè)除垢、氣側(cè)清灰等實(shí)際問題。各類煙氣不論是燃用固體燃料、液體或氣體燃料,都不同程度地存在飛灰和煙塵。含塵煙氣流經(jīng)換熱面造成的積灰問題,輕則增加受熱面的熱阻,降低換熱器的性能和效率,使煙道通流截面積減小,流動(dòng)阻力增加,增加引風(fēng)機(jī)的電耗;重則導(dǎo)致煙道阻塞,換熱器失效,被迫停爐撤出運(yùn)行,嚴(yán)重影響了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
當(dāng)燃料中含有硫時(shí),硫燃燒后形成二氧化硫,其中一部分會(huì)進(jìn)一步氧化成三氧化硫,三氧化硫與煙氣中水蒸汽結(jié)合成硫酸蒸汽,煙氣中硫酸蒸汽的凝結(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)_愈高。煙氣中硫酸蒸汽本身對(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),_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“。積灰與低溫腐蝕相互影響,嚴(yán)重時(shí)將造成換熱器的爆管損壞,以至報(bào)廢,因此積灰和腐蝕問題曾一度成為熱管式換熱器正常運(yùn)行的一大威脅和隱患。
3.1解決積灰問題的措施
影響熱管式換熱器應(yīng)用的因素主要有:熱管工質(zhì)選擇和熱管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。熱管工質(zhì)的選擇,須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度來選擇工質(zhì),現(xiàn)在還沒有一種適合各種工作溫度的工質(zhì)。在對(duì)熱管式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候,應(yīng)該根據(jù)使用場(chǎng)合和具體條件,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,合理選擇熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)(間距、翅片長度、翅片厚度)和翅化比,根據(jù)煙氣的含塵情況采用合適的翅片間距和管間距等。在進(jìn)行熱管式換熱器的設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于高粉塵流體需采用較大的翅片間距,翅片間距可以取到12~20mm,另外需選擇合適的翅片形式,熱管式換熱器大多選用穿片或螺旋型纏繞片,對(duì)于高灰分的情況可以采用軸對(duì)稱單列縱向直肋翅片和釘頭管。目前熱管換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)多采用等質(zhì)量流速法,這種方法的不足_是隨著設(shè)備內(nèi)溫度的下降,出口處的密度、動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)有明顯變化,從而引起出口處流體的速度大幅下降,其結(jié)果是換熱系數(shù)和自清灰能力下降,造成換熱設(shè)備積灰。解決該問題可采用變截面設(shè)計(jì)法,以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法,如要維持體積流速不變,只有改變換熱面積來抵消密度的變化,隨著煙氣溫度的降低,將換熱設(shè)備的流通面積減小,以_進(jìn)出口具有相同的自清灰能力“除了通過改變熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式來減小熱管式換熱器的積灰問題外,在防止或減少積灰問題時(shí)可以采取以下措施:(1)在煙氣風(fēng)道允許的阻力降范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)奶岣邿煔饬魉伲鰪?qiáng)煙氣橫掠熱管元件外壁時(shí)的擾動(dòng)性,使氣流產(chǎn)生自清灰作用;(2)適當(dāng)提高管壁溫度,管壁壁溫高,管外始終呈干燥狀態(tài),因此,也_不會(huì)結(jié)焦不易粘附煙灰,減少灰分凝聚;(3)將熱管式換熱器采取_的傾斜度放置,減少翅片表面的積灰能力;(4)選擇合適的吹灰裝置定期吹灰,防止堵灰“。另外,近年來研制的回轉(zhuǎn)式熱管換熱器,_了傳熱送風(fēng)性能,有效解決了積灰問題。
3.2解決低溫腐蝕問題的措施
在抗低溫腐蝕方面可以通過調(diào)整熱管式換熱器冷、熱段熱管面積來提高熱管式換熱器的壁溫,控制管壁溫度在露點(diǎn)以上;或在低溫區(qū)通過改變熱管管材,采用_鋼如ND鋼制造等;另外,需要控制排煙溫度,使排煙溫度高于露點(diǎn)溫度2O~3O℃,_熱管長期安全運(yùn)行。對(duì)于熱管式空氣預(yù)熱器可以采用空氣旁路技術(shù),即在空氣預(yù)熱器空氣進(jìn)口和出口間設(shè)置一根冷風(fēng)管道,管道中設(shè)置調(diào)節(jié)閥門,通過控制閥門開度_可以控制旁路的空氣量,從而控制排煙溫度,避免露點(diǎn)腐蝕。該技術(shù)不增加動(dòng)力消耗,旁路控制閥門為常溫閥門,技術(shù)要求低,操作簡(jiǎn)單,使用效果_理想。
隨著熱管式換熱器的進(jìn)一步研究和發(fā)展,熱管式換熱器用于工業(yè)余熱回收系統(tǒng)中將會(huì)有較高的防積灰堵灰和抗低溫腐蝕能力,從而在滿足節(jié)能降耗的前提下,_地發(fā)揮其節(jié)能作用。
4總結(jié)
隨著熱管技術(shù)日趨發(fā)展成熟,熱管式換熱器在電站、鋼鐵、冶金、石油、化工、建材、輕工、制冷空調(diào)、電子等領(lǐng)域的節(jié)能應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。熱管技術(shù)的應(yīng)用將推進(jìn)我國節(jié)能工作的進(jìn)程,同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的熱污染,是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的技術(shù)。