重力熱管在西安某燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)煙氣余熱回收中的應(yīng)用

徐宏錦 強(qiáng)天偉 向 俊 池佳春

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048）

0 引言

鍋爐煙氣屬于低品位能源，直接排放至大氣既造成能源的浪費(fèi)，同時也增大了單位產(chǎn)品的能耗。鍋爐排煙一般溫度在120-130℃左右，燃燒高硫燃料的鍋爐，排煙溫度在150℃左右，加裝暖風(fēng)氣的鍋爐，排煙溫度在160-180℃左右，因此鍋爐排煙是一個潛力很大的余熱資源，排煙溫度既浪費(fèi)了大量的能源，又造成了環(huán)境的熱污染[1]。利用重力式熱管技術(shù)對煙氣余熱進(jìn)行回收利用，可達(dá)到能量梯次利用的目的，可有效緩解資源緊缺問題，同時亦可達(dá)到提高供熱系統(tǒng)效率的目的。熱管是一種高效的導(dǎo)熱元件，它可以將大量的熱量通過很小的截面遠(yuǎn)距離輸送，不需額外做功。熱管的原理起先被美國通用發(fā)動機(jī)公司R S Gaugler 于1944年首次提出，但他的思路方法并未被公司所采納。在1963年，美國Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室G M Grover 再次獨(dú)立發(fā)表聲明了類似R S Gaugler 的傳熱元件，并進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)，正式命名該傳熱元件為熱管“Heat pipe”。李科群等人指出在熱管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計過程中，各排熱管的壁溫須高于露點(diǎn)酸腐蝕溫度，提出冷、熱流體可采用溫度連續(xù)式分布模型，導(dǎo)出了熱管換熱器換熱量的表達(dá)式，并以此為基礎(chǔ)對熱管換熱器進(jìn)行了調(diào)壁溫設(shè)計[2]。王芹等人采用fluent 軟件模擬了重力熱管在低溫余熱回收中熱管內(nèi)部工質(zhì)相變情況，并且分析了長度比、充液率、管中心距對熱管換熱器換熱性能的影響[3]。Hongting Ma 和Lihui Yin 采用重力式熱管換熱器實(shí)驗(yàn)，利用廢水余熱預(yù)熱純凈水，分析了換熱效率以及換熱單元數(shù)[4]。林春花和舒水明等人分析了在重力熱管內(nèi)加內(nèi)螺紋的方法，研究表明用內(nèi)螺紋熱管代替光滑內(nèi)壁面熱管是一種有效的強(qiáng)化傳熱的方法[5]。雖然前人對熱管換熱性能、以及熱管換熱效率影響因素等展開了充分研究，但并不涉及實(shí)際應(yīng)用中的研究。因此，本文采用重力式熱管換熱器對煙氣進(jìn)行余熱回收，通過對供熱系統(tǒng)運(yùn)各檢測點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，分析熱管換熱器煙氣側(cè)溫度變化情況，為換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 重力熱管

1.1 重力熱管的結(jié)構(gòu)和傳熱原理

圖1 為重力熱管結(jié)構(gòu)示意圖，重力熱管（TPCT）的工作原理利用工作流體“相變吸熱-冷凝放熱”進(jìn)行熱量傳遞。熱管是一個封閉的兩相傳熱系統(tǒng)，在一個真空密封裝置中相位的變化依賴于流體進(jìn)入室內(nèi)（液體到氣體和氣體到液體）的傳熱裝置，將一個密封的殼抽成真空管，該液體工作介質(zhì)按一定比例充裝在內(nèi)部，構(gòu)成了熱管[6]。由蒸發(fā)端（熱源）吸熱，工質(zhì)相變流經(jīng)絕熱段到達(dá)冷凝端（冷源）放熱冷凝，在重力工質(zhì)表面張力作用下回流至蒸發(fā)端。如此完成一次循環(huán)。

圖1 重力熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A diagram of the structure of the gravity heat pipe

1.2 重力熱管和鍋爐高溫?zé)煔獾膿Q熱過程

重力熱管氣-液換熱器工作原理為：當(dāng)高溫?zé)煔饨?jīng)排煙入口進(jìn)入換熱機(jī)制中后，熱管內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)受熱后發(fā)生相變汽化變成氣態(tài)，從而帶走煙氣中的熱量降低排煙溫度，工質(zhì)從蒸發(fā)端到冷凝端是在微壓力差下實(shí)現(xiàn)的，在冷凝端，氣態(tài)工質(zhì)通過壁面與管外水進(jìn)行熱交換從而加熱管外水，釋放熱量后變?yōu)橐簯B(tài)，在重力作用下回流到蒸發(fā)端完成一次循環(huán)，不斷吸收汽化，完成熱循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量在冷熱源間的傳遞。熱管因其具有熱流密度可變性，從而可很好實(shí)現(xiàn)以較大的傳熱面積輸入流量以較小的冷卻面積輸出熱量，靈活、高效的解決了熱傳遞問題。圖2 為重力熱管和鍋爐高溫?zé)煔鉄峤粨Q示意圖。

圖2 重力熱管和鍋爐高溫?zé)煔鉄峤粨Q工作示意圖Fig.2 Gravitational heat pipe and boiler high temperature flue gas heat exchange work diagram

2 重力熱管換熱器的設(shè)計計算與安裝

2.1 工程項(xiàng)目介紹

（1）工程概況

采用重力式氣-液型熱管換熱器對西安某天然氣鍋爐尾氣做余熱回收節(jié)能處理，用于加熱一次側(cè)回水。采用兩臺2.8MW 常壓臥式燃?xì)鉄崴仩t作為熱源，向供熱系統(tǒng)提供熱量。鍋爐型號為CWNS2.8-95/65-Q，采用并聯(lián)模式。鍋爐煙氣采用自然排煙法排放，無動力輔助設(shè)備。

（2）供熱系統(tǒng)介紹

將重力熱管換熱器就近鍋爐排煙出口處安置，采用逆流換熱方式安裝，將鍋爐排煙口與換熱器煙氣側(cè)采用風(fēng)管法蘭連接，保證密封不露氣；水側(cè)采用焊接方式，與供熱系統(tǒng)一次側(cè)供回水管道連接，分別在設(shè)備連接進(jìn)出端預(yù)留檢測孔。圖3 為設(shè)備安裝及檢測點(diǎn)示意圖。

圖3 設(shè)備安裝及檢測點(diǎn)示意圖Fig.3 A diagram of the installation and detection points of the device

2.2 熱管換熱器設(shè)計計算

根據(jù)供熱系統(tǒng)鍋爐房設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提出氣液型熱管換熱器設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要求如表1所示，其中包括煙氣側(cè)、水側(cè)設(shè)計要求及壓降要求。

表1 換熱器設(shè)計參數(shù)Table 1 Heat exchanger design parameters

根據(jù)表1中的參數(shù)，計算熱管的工作溫度，進(jìn)而確定工質(zhì)、結(jié)構(gòu)和管材。

（1）確定結(jié)構(gòu)尺寸長度比值

加熱冷凝段長度比選擇，根據(jù)實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)值，計算熱管經(jīng)濟(jì)長度比值，取加熱段傳熱系數(shù)K1=260W/(m2·℃) ，冷 凝 段 傳 熱 系 數(shù)K2=2200W/(m2·℃)。

由安全長度比[L]公式驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)性長度比的可行性，要求L經(jīng)<[L]，以保證熱管的安全運(yùn)行[10]。

取T1=120℃，[Tv]=120℃，T2=65℃，帶入計算得[L]=8.2，則經(jīng)濟(jì)性長度比符合設(shè)計要求，本設(shè)計中擬采用長度比為3。

（2）參數(shù)設(shè)定及結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計中選取的煙氣側(cè)迎面風(fēng)速v=2.5m/s，管間距為52mm時的熱管換熱器導(dǎo)熱能力最佳[11]。計劃采用1500mm的管材制作熱管，根據(jù)長度比及加熱工藝取蒸發(fā)段L1=1080mm，冷凝段L2=360mm，絕熱段L0=30mm，預(yù)留加工耗損30mm。實(shí)際長度比為3，水側(cè)采取單管程設(shè)計流道。

煙氣側(cè)迎風(fēng)面積A1：

選取熱管設(shè)計迎風(fēng)面寬度為0.71m，第一排管根數(shù)m= 0.71/0.052 = 13.65根。設(shè)計選取第一排管為14根。則實(shí)際寬度為14 × 52 + 44 = 722mm，則定型寬度取值為780mm。

（3）換熱面積與根數(shù)的確定

考慮到生產(chǎn)工藝與阻垢的影響，由文獻(xiàn)[10]選取傳熱系數(shù)K0=150W/(m2·℃)進(jìn)行設(shè)計計算。當(dāng)ΔT1/ΔT2≤2時，可以用平均溫差替代對數(shù)溫差，誤差控制范圍在4%。

平均溫差ΔT：

傳熱面積A：

管根數(shù)NG：

式中，L1為蒸發(fā)段熱管長度，mm。

根據(jù)熱管叉排布局及阻力問題，選取10%的富余量，則熱管選取54根，采取14/13/14/13的4排管分布。表2為換熱器設(shè)計計算結(jié)果匯總。

表2 換熱器設(shè)計計算結(jié)果匯總Table 2 Summary of heat exchanger design calculations

（1）重力式氣-液型熱管換熱器簡介

重力式氣液型熱管換熱器，隸屬于整體式熱管換熱器，由單支熱管組合而成，每根熱管獨(dú)立運(yùn)行，冷熱流體被隔板分離。上側(cè)走水，下側(cè)走高溫?zé)煔狻?/p>

本文所研究的重力式氣-液型熱管換熱器，如圖4所示，外形尺寸為長×寬×高（400×850×1670）mm3，冷凝側(cè)與蒸發(fā)側(cè)長度比為1/3，熱管采用叉排結(jié)構(gòu)布置。四排管布管，管間距為52mm，每排為14或13 根熱管共54 根，熱管長度為1500mm，換熱器外壁面采用12mm 鋼板，中間隔板采用15mm 厚鋼板材。自重為240kg，阻力在60Pa 左右。

圖4 重力式氣-液型熱管換熱器示意圖Fig.4 Gravity gas-liquid heat pipe heat exchanger diagram

式中：S1為垂直于氣流方向橫向管間距；S2為沿氣流方向縱向管間距。

將數(shù)據(jù)帶入上式計算：

式中：PΔ 為阻力損失，mmH2O；N為煙氣流方向上的管排數(shù)；P為氣體密度，kg/m3；f為摩擦系數(shù)。

將結(jié)果代入上式得：

則單排壓降為1.623mmH2O 約為15.9Pa。

熱管換熱器內(nèi)部采用正三角形叉排布管，如圖5所示，采取橫向管排間距取值為S1=52mm，縱向間距S2=45.03mm。根據(jù)客戶意見并考慮換熱器加工制造成本，故選取氨做為熱管管內(nèi)工質(zhì)，選取鋁管作為基管管材，翅片采取直接切削擠壓一次成型。煙氣側(cè)采用翅片管，水側(cè)采用光管。基管外徑為24mm，熱管壁厚2mm，翅片高度10mm。

圖5 熱管平面叉排布置圖Fig.5 Heat pipe plan fork layout

圖6為熱管局部結(jié)構(gòu)圖，采用內(nèi)部帶有24道螺旋凹槽鋁管，槽深為1mm，用來強(qiáng)化熱管換熱。

圖6 熱管局部結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Local structure of the Heat pipe

（2）換熱器規(guī)格的定型

所有參數(shù)均在設(shè)計要求下定型，選取中點(diǎn)溫度所對應(yīng)熱物理性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，設(shè)計風(fēng)速為2.5m/s，迎風(fēng)口規(guī)格為（1080×780）mm2。經(jīng)過校核計算，最終選定以1500mm 鋁管做基管，采用正三角形叉排布管，共用54 根熱管，4 排管排列。長度比為3，蒸發(fā)段長度為1080mm，冷凝段長度為360mm，蒸發(fā)側(cè)有效換熱面積為16.12m2，冷凝段有效換熱面積為1.47m2。壓降為63.66Pa。

（3）熱管換熱器設(shè)計說明及加工流程

結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)熱管設(shè)計計算參數(shù)與生產(chǎn)加工工藝相結(jié)合而制定的，將熱管換熱器的風(fēng)速控制在2～5kg/(m2·s)，以保證熱管換熱器處于高效的換熱狀態(tài)，同時兼顧供熱系統(tǒng)加裝換熱器后所帶來的阻力，要符合換熱器設(shè)計參數(shù)要求。避免因壓損過大而導(dǎo)致供熱系統(tǒng)燃?xì)忮仩t無法正常啟動運(yùn)行的發(fā)生。圖7 為重力式氣-液型熱管換熱器實(shí)物圖，圖8 為安裝施工現(xiàn)場圖。

圖7 重力式氣-液型熱管換熱器Fig.7 Gravity gas-liquid heat pipe heat exchanger

圖8 安裝施工現(xiàn)場圖Fig.8 Installation of the construction site

2.3 熱管換熱器安裝

本文數(shù)據(jù)采集于2019年冬季-2020年春季西安的供暖季，對安裝了重力式氣-液熱管換熱器的供熱系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測，采集4 排管換熱器對4t 天然氣鍋爐尾氣溫度改善運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。重力熱管換熱器設(shè)備安裝如圖9所示。供熱系統(tǒng)采用溫度傳感器對供熱系統(tǒng)一、二次側(cè)及熱管換熱器上下兩側(cè)進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過溫度傳感器對溫度信號進(jìn)行采集，便于對供熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)。采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式對供熱系統(tǒng)鍋爐運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過對數(shù)據(jù)收集，可以準(zhǔn)確的反饋出熱管換熱器各檢測時間點(diǎn)的溫度狀態(tài)參數(shù)。通過渦輪流量計采集單位時間內(nèi)燃?xì)庀牧?，便于后期流速模擬分析，如圖10 渦輪流量計燃?xì)庥嬃勘硭尽?/p>

圖9 重力熱管換熱器設(shè)備安裝圖Fig.9 Gravity heat pipe heat exchanger equipment installation diagram

圖10 渦輪流量計燃?xì)庥嬃勘鞦ig.10 Turbo flow meter gas meter

3 重力式氣-液型熱管換熱器的實(shí)際應(yīng)用與節(jié)能分析

3.1 熱管換熱器在供熱系統(tǒng)運(yùn)行中的監(jiān)測

通過對調(diào)試運(yùn)行穩(wěn)定后的供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，篩選出某正常氣候條件下?lián)Q熱器上下側(cè)進(jìn)出口全天數(shù)據(jù)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對比分析，選取2019.01.11 熱管換熱器兩側(cè)進(jìn)出口數(shù)據(jù)作為換熱器數(shù)據(jù)處理分析對象，進(jìn)行整理分析。采用Origin制圖軟件對熱管換熱器上下兩側(cè)進(jìn)出口溫度繪制曲線圖，分析換熱器煙氣側(cè)及水側(cè)溫度的變化情況，換熱器水側(cè)入口為供熱系統(tǒng)循環(huán)水，水溫在30-35℃范圍內(nèi)波動。圖11 為重力熱管換熱器煙氣側(cè)溫度變化圖線圖，圖12 為換熱器水側(cè)溫度變化曲線圖。

圖11 熱管換熱器煙氣側(cè)溫度變化曲線圖Fig.11 Heat pipe heat exchanger flue gas side temperature change graph

圖12 熱管換熱器水側(cè)溫度變化曲線圖Fig.12 Heat pipe heat exchanger water side temperature change graph

由圖11 和12 可知，熱管換熱器煙氣側(cè)和水側(cè)的溫度變化曲線具有規(guī)律同步，符合供熱系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)變化規(guī)律，供熱系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)受到外界溫度變化的影響，換熱器兩側(cè)溫度曲線走勢為先增加再減小，然后再增加再減小趨勢，在每天的供熱系統(tǒng)過渡時間段內(nèi)曲線圖呈平穩(wěn)狀態(tài)，溫度波動時刻出現(xiàn)在每天供熱需求量最大刻。室外溫度升高時，供熱需求量較小，對應(yīng)曲線圖中的波谷時期。當(dāng)換熱器冷熱流體的比熱容量（MC）之比介于0.26～0.60 之間時，換熱器煙氣側(cè)的溫度變化區(qū)間在5.2～9.6℃，水側(cè)溫度波動范圍在11.2～28.6℃。較大換熱溫差出現(xiàn)的時間段為供熱高峰期，此時供熱系統(tǒng)所需熱量大，鍋爐排放的煙氣量及溫度處于偏高狀態(tài)。

由圖11 可知，煙氣側(cè)溫度呈峰谷式波動，波峰值出現(xiàn)在早上6:14 和下午18:14，該時間為每一天時間段內(nèi)供熱需求量較大的開始時間值，此時需要對整個過度時間段內(nèi)的供熱系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)行加熱，燃?xì)庀牧枯^多，此時換熱器冷熱流體的比熱容量（MC）之比分別為0.38、0.3，所對應(yīng)換熱器水側(cè)進(jìn)口溫度被抬升了25.3℃、28.6℃，煙氣分別被冷卻了9.6℃和8.5℃；在正午時，當(dāng)室外溫度較高時，供熱系統(tǒng)的供水溫度值偏低，此時燃?xì)忮仩t的耗氣量相應(yīng)減少，供熱系統(tǒng)所需熱量較少，1:14至16:14 為白天供熱系統(tǒng)處于過渡時間段，此時換熱器冷熱流體的比熱容量（MC）之比介于0.42～0.60 之間，煙氣被冷卻了5.2～7.3℃，換熱器水側(cè)溫度被加熱了11.2～12.2℃；午夜時分至凌晨5:14，該階段為一天中室外氣溫最低時間段，換熱器水側(cè)進(jìn)出口被加熱了14.5℃左右，此時換熱器冷熱流體的比熱容量（MC）之比介于0.43～0.60 之間，煙氣被冷卻了6.4～8.8℃，換熱器水側(cè)溫度被加熱了14.1～15.1℃。

由圖12 知，換熱器水側(cè)入口溫度波動范圍較小，出口溫度的波動隨供熱系統(tǒng)供需平衡呈峰谷式變化。隨煙氣側(cè)流量及入口溫度變化趨勢同步變化，峰值出現(xiàn)在兩個供熱需求量大的時間節(jié)點(diǎn)上，波谷出現(xiàn)在，白天供熱系統(tǒng)的過渡時期。

3.2 熱管換熱器節(jié)能分析

（1）熱管換熱器煙氣回收熱量計算。

根據(jù)能量計算式：

式中：Cp為比熱容，kJ/(kg·℃)；M為質(zhì)量流量，kg/h；ΔT為流體進(jìn)出口溫差，℃。

由上式計算如下：

一小時煙氣回收節(jié)約的熱量為：

Q=1.07×7000×0.91×(96.5-88.2)=56571.97kJ/h

則換算成千卡為：

56571.97÷4 .18=13533.96kcal/h

（注：因每小時鍋爐燃?xì)庀牧坎欢o法準(zhǔn)確計算，節(jié)能計算中煙氣量采取設(shè)計參考值計算，溫差取熱管換熱器中全天換熱器煙氣側(cè)進(jìn)出口平均溫差進(jìn)行計算。）

（2）煙氣余熱回收裝置節(jié)能效益計算。

式中：φ為鍋爐效率，%；Qr為節(jié)能量，GJ；Qnet為天燃?xì)獾臀话l(fā)熱值，kcal/m3；p為天然氣單價，元。

節(jié)約燃?xì)饬?回收熱量/燃料發(fā)熱值

天然氣的低位發(fā)熱值取8500kcal/m3。

每小時節(jié)約天然氣：

13533.96 kcal/h÷8500=1.592NCMH

設(shè)備一個采暖季節(jié)約天然氣量：1.592×24×120=4585.62NCMH（取西安采暖季總天數(shù)120 天為計算依據(jù)）。

M=0.9×4585.62×1.98=8171.6 元

（注：鍋爐效率取值90%，燃?xì)鈫蝺r參考西安民用燃?xì)鈫蝺r標(biāo)準(zhǔn)1.98 元/Nm3。）

重力式熱管換熱器的成本和安裝成本15000元，參考價為換熱器合同價，則一個采暖季，采用熱管換熱器所帶了的節(jié)能效益為8171.6 元。計算結(jié)果匯總見表3。

表3 節(jié)能分析計算Table 3 Energy saving analysis and calculation

4 小結(jié)

采用四排管重力式熱管換熱器對天然氣鍋爐煙氣余熱回收，發(fā)現(xiàn)煙氣出口溫度普遍偏高，出現(xiàn)該現(xiàn)象的直接原因在于煙氣與熱管換熱不充分，熱管排數(shù)過少導(dǎo)致。建議在以后的設(shè)計中盡量優(yōu)化熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計，適量加大迎風(fēng)面風(fēng)速，在安全長度比許可范圍內(nèi)，使用較大長度比加強(qiáng)熱管煙氣側(cè)換熱長度，將重力式氣-液型熱管換熱器設(shè)計為長窄式外型，增加熱管排數(shù)，使煙氣換熱更加充分。重力熱管在余熱回收和能源節(jié)約上效果顯著，在減少能源消耗的同時也降低了單位產(chǎn)品的能耗；重力熱管因其成熟的技術(shù)及加工生產(chǎn)工藝、簡單的結(jié)構(gòu)、可靠的運(yùn)行和高導(dǎo)熱性，使其在余熱回收領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛?。在綠色建筑和節(jié)能改造工程中將被大量運(yùn)用。