熱管鍋爐隔板密封結(jié)構(gòu)探討及優(yōu)化設計

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

隨著節(jié)能減排工作的深入推進，熱管作為一種高效傳熱元件得到了廣泛應用。熱管式鍋爐以其特有的優(yōu)勢，在余熱回收、低品位熱能利用等方面發(fā)揮了重要作用。

隔板密封結(jié)構(gòu)是熱管中間隔開冷、熱流體通道的密封裝置。由于熱管管外一般帶有強化傳熱的翅片，因此熱管與隔板之間的密封結(jié)構(gòu)便成了熱管鍋爐的一個設計難點，其密封效果對鍋爐性能及可靠性有重要影響。關(guān)于隔板密封，國內(nèi)外都進行過大量的研究，提出了許多密封形式，但均存在密封不嚴、拆裝不便、造價高及需要專用模具等問題，在一定程度上限制了熱管式換熱器的廣泛應用。除此之外，由于密封結(jié)構(gòu)的缺陷而經(jīng)常導致冷熱流體泄漏，從而引發(fā)裝備腐蝕問題。

1 熱管密封隔板結(jié)構(gòu)和設計要求

1.1 熱管及其密封隔板的基本結(jié)構(gòu)

隔板上密布著按一定方式排列的熱管，由于熱管要穿過隔板，在隔板兩側(cè)均有一定的長度，因此導致了隔板制造的特殊性和安裝的復雜性。熱管及密封隔板的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱管及其密封隔板

1.2 密封結(jié)構(gòu)的設計要求

冷熱流體泄漏是熱管鍋爐的常見故障之一，造成泄漏的原因主要有兩方面：一是加工精度不夠，密封面存在各種形狀及尺寸偏差，導致其聯(lián)接處產(chǎn)生間隙；二是密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)流體存在壓力差，冷熱流體通過間隙而泄漏。密封結(jié)構(gòu)的作用就是切斷冷熱流體的泄漏通道。

為了提高換熱效率，熱管換熱器的管間距一般較小，又要求管子便于拆卸，因此這種密封結(jié)構(gòu)有其特殊性，給設計和制造帶來了一些困難。使用場合不同，需要的密封結(jié)構(gòu)設計也不相同：熱管鍋爐等氣液換熱設備和不允許相混的氣氣換熱設備，流體之間要求嚴格密封，必須采用螺紋密封或者焊接密封；熱管空氣預熱器等用于廢熱回收的流體密封則屬于一般性密封，可以采用卡環(huán)密封、面密封或螺紋密封[1]。

2 熱管隔板的密封方式

2.1 螺紋墊片密封

2.1.1 螺紋墊片密封的特點

螺紋密封的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝方便，利于傳熱。熱管上的套管螺紋起到固定作用，只需配備簡單的專用工具，即可方便地拆裝任何一根熱管，適用于需要經(jīng)常更換熱管的場合。

要實現(xiàn)熱管的螺紋墊片密封，通常是在熱管上焊一段帶外螺紋的套管，在隔板的通孔處加工內(nèi)螺紋或者直接焊接螺母。由于熱管鍋爐高溫側(cè)流體溫度較高，為避免螺紋在高溫下?lián)p壞，一般設計中會把螺紋布置在冷流體中加以保護(見圖2)。設計經(jīng)驗表明：安裝時在螺紋上涂極細顆粒的鉛粉，安裝后在螺紋密封部位涂高溫防銹漆，有助于此后的檢修拆卸。

圖2 螺紋墊片密封示意

2.1.2 螺紋密封結(jié)構(gòu)中的密封圈選擇

螺紋密封結(jié)構(gòu)中的密封圈應盡量選用O形圈，因為O形圈的密封效果優(yōu)于普通密封墊片。O形圈密封結(jié)構(gòu)示意見圖3。

密封圈材料和形式的選擇應考慮密封要求、承壓能力、介質(zhì)腐蝕性和適用溫度等方面的因素，其中適用溫度是首要因素。不同密封墊片材料的適用溫度見表1[2]。

圖3 O形圈密封結(jié)構(gòu)示意

表1 不同密封材料的適用溫度

2.1.3 螺紋墊片密封的缺點

采用傳統(tǒng)的螺紋密封結(jié)構(gòu),雖然能滿足熱管拆換方便的要求，但由于腐蝕和變形等原因，其使用壽命有限。因為螺紋有縫隙存在，也容易出現(xiàn)冷熱流體的泄漏，這些均影響了熱管鍋爐的可靠性和經(jīng)濟性。

2.2 傳統(tǒng)的焊接密封

2.2.1 傳統(tǒng)的焊接密封結(jié)構(gòu)特點

焊接密封是一種可靠的密封方式，可以做到安全、牢固、無泄漏;但這種方式僅僅適用于一端無翅片的熱管，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。為了焊接的安全性，熱管壁需要一定的厚度，同時應加一段焊接套管。采用電弧焊密封時，熱管和套管的壁厚不得小于2 mm[3]；采用釬焊密封時，對兩者的壁厚沒有嚴格要求。

圖4 套管焊接密封示意

2.2.2 傳統(tǒng)焊接密封結(jié)構(gòu)缺點

由于熱管密集排列，現(xiàn)場焊接操作困難，因此熱管冷側(cè)無翅片的一端長度受限。另外，焊接密封完成后，熱管更換將非常困難，不利于后續(xù)檢維修操作。

3 熱管鍋爐隔板新型密封結(jié)構(gòu)設計

3.1 新型套管焊接密封結(jié)構(gòu)設計

熱管鍋爐一側(cè)走高溫煙氣，另一側(cè)為被加熱的水，需要可靠的密封結(jié)構(gòu)。針對熱管鍋爐設計出的新型套管焊接密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型套管焊接密封結(jié)構(gòu)示意

先把密封套管焊接在隔板上，嚴格控制焊接質(zhì)量，從而起到密封抗壓的作用，隨后把熱管的光管一端插入套管中。為了方便安裝熱管并保證良好的傳熱性能，在插入熱管前，套管里填充導熱性能良好的潤滑脂類物質(zhì)。在此基礎上可以采用雙重管板，起到隔離密封的作用。

3.2 新型密封結(jié)構(gòu)對傳熱的影響

從圖5可以看出，由于有整體套管的存在，會增加冷側(cè)的熱阻，對傳熱效率帶來一定的影響。分析認為，熱阻的增加是極其有限的，其對總換熱系數(shù)UH影響很小，可用式(1)分析計算。

(1)

4 結(jié) 語

分析了熱管鍋爐隔板密封的特點和現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)的缺點，設計了一種密封性好、可靠性高、方便檢修更換的熱管鍋爐隔板密封新結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠有效解決鍋爐冷熱介質(zhì)泄漏造成的能量損失和設備腐蝕問題，同時滿足高溫高壓安全穩(wěn)定運行的要求。分析計算了該結(jié)構(gòu)的傳熱特性，為今后熱管鍋爐隔板密封結(jié)構(gòu)的設計和制造提供了新思路。