作者：豪邁化工技術(shù)引言熱管技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種傳熱新技術(shù)，是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值

作者：豪邁化工技術(shù)

引言

熱管技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種傳熱新技術(shù)，是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值。本文主要介紹了熱管換熱器的基本特性及其在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用。

1 背景

1944 年,Gauler[1]提出了熱管的原理。1962 年, L.Trefethen 再次提出類似于Gauler 的傳熱元件, 但因故未能實(shí)施。直到1964 年, Grover[2]等人獨(dú)立地提出了類似于Gauler 的傳熱元件, 并且取名熱管。我國(guó)于1970年開始熱管的研制工作。目前，我國(guó)的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，熱管技術(shù)已經(jīng)在化工及石化、建材及輕紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、電力電子、航天、內(nèi)燃機(jī)等領(lǐng)域等得到了廣泛的應(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)重地威脅著生產(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[3]。目前，熱管換熱器在余熱回收上得到了廣泛應(yīng)用。

2 熱管換熱器的結(jié)構(gòu)

利用熱管能夠方便地在熱源與冷源間實(shí)現(xiàn)熱傳遞，把若干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，形成了冷、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[4]。

熱管換熱器常見的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。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。隔板對(duì)熱管管束起部分支撐作用，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)流體均為垂直橫掠流動(dòng)，提高了傳熱系數(shù)。為防止煙氣積塵堵塞，煙氣側(cè)翅片間距較大；在空氣側(cè)，氣流較清潔，為了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，這樣可使傳熱系數(shù)提高。

圖1 熱管換熱器結(jié)構(gòu)圖

3 熱管換熱器的基本特性

熱管換熱器與其它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)熱管具有如下特點(diǎn)[5]：

（1）熱管換熱器的結(jié)構(gòu)決定了它是典型的逆流換熱，由于近于等溫工作，因此熱管換熱器具有較高的換熱效率，比常規(guī)換熱器的傳熱系數(shù)大10～20倍。

（2）每根熱管完全獨(dú)立，某根或一些熱管被腐蝕穿透，不會(huì)影響其它熱管工作，也不會(huì)造成漏風(fēng)，并可拆卸，易于安裝和更換。

（3）冷熱流體的換熱均是在管外表面進(jìn)行的，所以可通過在熱管冷、熱側(cè)焊接翅片以強(qiáng)化傳熱，增大氣體換熱系數(shù)，提高換熱器的傳熱效率。

（4）可以方便地通過調(diào)整熱管數(shù)量或冷、熱側(cè)的傳熱面積比來提高管壁溫度，有效防止煙氣產(chǎn)生的低溫腐蝕。

（5）可以采用變截面結(jié)構(gòu)，使流體等速流過換熱器，提高流體在換熱器出口處的流速，有效防止堵灰現(xiàn)象。

（6）冷、熱流體都在管外流動(dòng)，流體通道簡(jiǎn)單、阻力小。冷熱流體之間用中隔板嚴(yán)密隔開，防止相互泄漏。即使有的熱管一端破裂，冷熱液體也不會(huì)相互串通。

（7）熱管換熱器無任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件，因而無動(dòng)力消耗，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，工作安全可靠。熱管被磨損后，可翻轉(zhuǎn)180°使用，延長(zhǎng)壽命。

4 熱管換熱器在余熱回收中的應(yīng)用

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)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(zhǎng)、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-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-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-氣型熱管式換熱器，也可以說是氣-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(guó)幾種主要行業(yè)中的應(yīng)用。

4.1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2＃130 t/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)熱器入口風(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[6]。

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[7].

4.2 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間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419 MJ。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47.7 MJ，年回收熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤11.59 t，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。馬鋼第一煉鐵廠7＃高爐投入運(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%[8]。

4.3 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[9]。

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)入蒸汽管網(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1.027 t[10]。

4.4 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，SO2通過接觸器氧化為SO3時(shí)放出大量熱，使SO3干氣體的溫度高達(dá)200～ 300℃，此時(shí)氣體需冷卻后再進(jìn)入吸收工段，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SO3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892 MJ，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214.5 t[11]。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[10]。

4.5 熱管式換熱器在石油化工企業(yè)中的應(yīng)用

安慶石化煉油廠減壓爐于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完全可以用于石化行業(yè)中一些燃用高含硫燃料的惡劣工況[12]。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 ℃之間，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(guó)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余熱。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)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。這種流程具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性[8]。

5.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(guó)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)。

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