超導(dǎo)熱管換熱器在鍋爐節(jié)能中的應(yīng)用

王洪亮 郎豐海

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濰坊分院，山東濰坊 261041

超導(dǎo)熱管換熱器在鍋爐節(jié)能中的應(yīng)用

王洪亮 郎豐海

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濰坊分院，山東濰坊 261041

本文所介紹的 “超導(dǎo)熱管換熱器余熱回收技術(shù)”在鍋爐上是一項(xiàng)具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，熱量傳送快，傳導(dǎo)熱效率高。該超導(dǎo)余熱回收技術(shù)的利用，減少了能源的浪費(fèi)，達(dá)到了節(jié)能、環(huán)保的雙重目的。

超導(dǎo)熱管技術(shù)；換熱器；余熱回收；節(jié)能減排

我們對(duì)超導(dǎo)熱管換熱器技術(shù)在鍋爐節(jié)能上應(yīng)用的研究、開發(fā)以及生產(chǎn)新型節(jié)能減排產(chǎn)品的目的是為了節(jié)約能源、減少污染物排放和保護(hù)環(huán)境。通過對(duì)普通熱管換熱器的技術(shù)進(jìn)行革新、開發(fā)和研制，從而生產(chǎn)出傳熱效果更佳、使用壽命更長(zhǎng)、溫度適應(yīng)范圍更廣的新型熱管換熱器。該類產(chǎn)品的應(yīng)用，使鍋爐等設(shè)備的余熱得到充分的回收利用，從而達(dá)到節(jié)約燃料、減少污染、保護(hù)環(huán)境、降低成本的目標(biāo)。

1 鍋爐應(yīng)用超導(dǎo)熱管換熱器的價(jià)值分析

煤作為目前最主要的傳統(tǒng)燃料，它的燃燒會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1噸煤，可減少CO2排放量約2.6噸；減少二氧化硫排放量約8.5Kg；減少氮氧化合物排放量約7.4Kg；減少一氧化碳（CO）排放約0.5Kg（CO按國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）。

傳統(tǒng)殼管式省煤器由于結(jié)露而引起硫酸腐蝕，甚至穿孔現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響鍋爐的運(yùn)行安全。目前的鍋爐都是通過提高排煙溫度來緩解結(jié)露和腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，煙氣溫度居高不下。我們開展“超導(dǎo)熱管換熱器鍋爐余熱回收中的應(yīng)用”研究，正是通過開發(fā)新型、高效的超導(dǎo)熱管換熱器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)省煤器、空氣預(yù)熱器和普通熱管換熱器，充分回收各類鍋爐煙氣以及其他余熱，從而提高鍋爐等設(shè)備的熱效率，達(dá)到節(jié)能、減排和保護(hù)環(huán)境的目的。

2 熱管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

熱管是一種傳熱性極佳的導(dǎo)熱構(gòu)件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管，內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)。管內(nèi)抽真空，使其在非工作狀態(tài)時(shí)保持真空。熱管一般由管殼和內(nèi)部工作液體組成。管殼是鋼制的、抽成真空的密閉管殼；工質(zhì)是經(jīng)過與管殼相容性選擇的液體。

熱管換熱器由兩端密封的翅片管，將熱管元件按一定行列布置，成束裝在框架的殼體內(nèi)，用中間隔板將熱管的加熱段和散熱段分隔開，構(gòu)成熱管換熱器。中隔板采用了有效的密封裝置，做到不滲漏，熱管原件便于組裝、拆卸、清洗和更換。

超導(dǎo)熱管的工作原理是熱管一端受熱時(shí)管內(nèi)工質(zhì)汽化，汽化后蒸汽向另一端流動(dòng)并遇冷凝結(jié)向散熱區(qū)放出潛熱。冷凝液借重力作用回流，繼續(xù)受熱往復(fù)循環(huán)將大量熱量從加熱區(qū)傳遞到散熱區(qū)，熱管內(nèi)熱量的傳遞是通過工質(zhì)的相變以潛熱的方式進(jìn)行的。

3 超導(dǎo)熱管換熱技術(shù)的優(yōu)越性

超導(dǎo)熱管技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 適用范圍廣。超導(dǎo)介質(zhì)適用溫度范圍為60～1000℃。

3.2 節(jié)省鋼材，優(yōu)化傳熱。設(shè)計(jì)上可不考慮耐壓強(qiáng)度，只考慮傳熱性能、耐腐蝕和穩(wěn)定性即可。

3.3 可消除導(dǎo)熱死區(qū)。水及其他液體工質(zhì)在高溫相變過程中和母管金屬有不同形式的化學(xué)反應(yīng)，如水熱管內(nèi)就易產(chǎn)生氫氣等不凝氣體，從而在熱管上部形成導(dǎo)熱死區(qū)，影響傳熱效果，而超導(dǎo)介質(zhì)熱管不存在此問題。

3.4 超導(dǎo)熱管安裝方便，不受安裝位置限制。一般熱管必須依靠重力實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)。超導(dǎo)熱管可任意安裝，只要有溫差就可傳熱。

3.5 良好的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱速度快，強(qiáng)度大，效率高，超導(dǎo)熱管熱量的傳遞隨著溫差增加而增加，一般液體工質(zhì)其汽相速度不能超過音速，一旦達(dá)到音速，即出現(xiàn)“阻塞”現(xiàn)象（附圖：熱管熱傳遞速率）。

圖1 熱管熱傳遞速率

3.6 具有良好的等溫性。試驗(yàn)證明，一根長(zhǎng)2m的超導(dǎo)熱管，其一端置于80℃的熱水中，另一端置于無風(fēng)的大氣中，熱、冷兩端溫差不大于1℃；而同樣條件下的一般液體（如水）工質(zhì)熱管，熱、冷兩端溫差高達(dá)4℃。這說明超導(dǎo)熱管具有良好的等溫性，傳熱阻力小。

4 超導(dǎo)熱管換熱器運(yùn)行特點(diǎn)

由熱管組成的熱管換熱器具有以下特點(diǎn):

4.1 熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，可以比較容易實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的完全逆流換熱：同時(shí)冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，且兩側(cè)受熱面均可采用擴(kuò)展受熱面，所以，用于品位較低的熱能的回收非常經(jīng)濟(jì)。

4.2 對(duì)于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過調(diào)整熱管結(jié)構(gòu)尺寸，擴(kuò)展受熱面形式，以解決換熱器的磨損、堵灰等問題。

4.3 熱管換熱器用于帶有腐蝕性的煙氣的余熱回收時(shí),可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開腐蝕性最嚴(yán)重的區(qū)域。

我們根據(jù)不同溫差、工藝參數(shù)和管殼材質(zhì)，試驗(yàn)、研究、優(yōu)化工質(zhì)的選用，達(dá)到提高傳熱效率和延長(zhǎng)換熱器使用壽命之目的。

通過使用新材料、碳鋼熱管內(nèi)壁涂涂料、選用新型工質(zhì)，使我們新開發(fā)的新型熱管換熱器，在保持高效傳熱的基礎(chǔ)上具備了新的優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)熱管的工作介質(zhì)具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。這種熱超導(dǎo)工質(zhì)在一定溫度下被激活，并以分子震蕩形式來傳遞熱量，它超強(qiáng)導(dǎo)熱性能使其導(dǎo)熱系數(shù)是一般金屬的一萬倍左右，是水熱管的十倍左右，在傳導(dǎo)方向上幾乎沒有溫度的衰減并能以極快的速度傳遞(超音速傳遞)。

5 超導(dǎo)熱管換熱器的應(yīng)用范圍

該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于燃?xì)狻⑷加湾仩t和立式、臥式燃煤鍋爐，以及其他利用余熱回收的裝置。

只要是有溫差存在，需要傳導(dǎo)或交換熱量的領(lǐng)域，都可以運(yùn)用超導(dǎo)余熱回收技術(shù)解決，而且比傳統(tǒng)方式大幅節(jié)約能源和資源。新型超導(dǎo)熱管換熱器也可用于蒸汽冷凝水、鍋爐排污水等低熱液體的熱量回收，應(yīng)用范圍廣泛。目前，我們的研究已經(jīng)取得良好效果，新型熱管換熱器HCRG-XA、HCRGXB型等已經(jīng)在山東得到廣泛認(rèn)可。

6 超導(dǎo)熱管換熱器在鍋爐節(jié)能中的應(yīng)用效果分析

超導(dǎo)熱管換熱器對(duì)工業(yè)鍋爐的余熱回收主要是針對(duì)鍋爐的煙氣余熱、蒸汽冷凝水余熱等回收利用。

我們的研究開發(fā)的超導(dǎo)熱管換熱器已經(jīng)取得良好效果，新型超導(dǎo)熱管換熱器HCRG-XA、HCRG-XB型等已經(jīng)在山東各地鍋爐尾部煙道安裝并投入使用，在節(jié)能方面取得了理想的效果。北京節(jié)能環(huán)保中心對(duì)山東日照昌華公司蒸汽鍋爐（型號(hào)為SZL4-1.25-AⅢ）使用近半年的超導(dǎo)熱管換熱器HCRG-4B的應(yīng)用效果進(jìn)行了全面的檢測(cè)。經(jīng)過測(cè)算，得出如下結(jié)論：經(jīng)檢測(cè)SZL4-1.25-AⅢ型SZ4302號(hào)蒸汽鍋爐安裝HCRG-4B型余熱回收器前，平均熱效率為72.01%，安裝后平均熱效率為78.21%，鍋爐熱效率提高了6.2%，節(jié)約燃料率達(dá)9%以上。再如山東濰坊美林公司于2010年6月在6t/h蒸汽鍋爐的尾部安裝了超導(dǎo)熱管換熱器HCRG—6B后經(jīng)過調(diào)試、檢測(cè)證明，該設(shè)備使用后，可使鍋爐的熱效率提高6%，節(jié)約煤約8.7%。該項(xiàng)目于2010年5月份國(guó)家質(zhì)檢總局組織專家鑒定，該超導(dǎo)熱管換熱器技術(shù)的傳熱、節(jié)能效果達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

7 結(jié)束語

超導(dǎo)熱管換熱器余熱回收技術(shù)是一項(xiàng)具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的環(huán)保節(jié)能技術(shù)，熱量超導(dǎo)傳送，節(jié)能效果顯著，運(yùn)行安全可靠，故障率低，傳熱效率高，熱回收率高等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)熱管換熱器在鍋爐余熱回收方面具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平和廣闊的應(yīng)用前景。該超導(dǎo)余熱回收技術(shù)的在鍋爐上加以利用，將有效避免能源的浪費(fèi)和減少?gòu)U氣的排放，達(dá)到了節(jié)能、環(huán)保的雙重目的。節(jié)能效果顯著，熱效率提高約6%，節(jié)能效果達(dá)到節(jié)煤約10%以上，為社會(huì)節(jié)約了大量的能源。另外，超導(dǎo)熱管技術(shù)余熱回收的具體應(yīng)用有很多，只要是有熱量、溫差存在，需要傳導(dǎo)或交換熱量的領(lǐng)域，都可以運(yùn)用超導(dǎo)余熱回收技術(shù)解決，而且比傳統(tǒng)方式大幅節(jié)約能源和資源。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.012

王洪亮 山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濰坊分院，高級(jí)工程師。