热管换热器在蒸汽机车上的应用

一、热管在蒸汽机车上应用的意义

  煤炭是实现建设必需的重要能源之一。而我国运行的蒸汽机车的数量很大，但蒸汽机车的效率很低（一般为7%~8%），每台蒸汽机车每年耗煤约3000 5000t，蒸汽机车每年总耗煤量是相当大的。因此，在蒸汽机车上节煤是具有极其重要的意义的。

 现有"前进型"机车的排烟损失约占15%左右，相当于每小时损失400 ~ 500kg煤。如果应用先进的“热管"技术就有可能收回排烟损失中热量的20%~30%，如按回收排烟损失中热量的25%计算，即每小时每台机车可节省煤100 ~ 125kg。这样，蒸汽机车的用煤就可以节省约5%~10%左右。

 应用热管空气预热器从排烟中回收排烟的余热，来加热空气，然后通到炉膛里助燃，可以提高燃烧温度和燃烧效率，从而提高蒸汽机机车锅炉的出力，这样，可以提高蒸汽机车的技术速度，解决蒸汽机车冬季运行晚点的问题。另外，由于提高了燃烧温度还可以使燃烧得更完全，基本不冒黑烟，不冒火星、减少二氧化碳的排放，不排黑色灰渣等，不仅节省煤，还大大改善排烟污染环境。

 在试制期间每台热管空气预热装置需用经费约2万元，若每台机车节省煤约价值1.5万元，则在一年半之内即可回收投资。上面的数字只说明了热管空气预热装置在蒸汽机车上节煤的经济效果。

二、热管在蒸汽车上的应用

 热管在蒸汽机车上能否应用？这就要看热管在蒸汽机车上应用的不利条件和有利条件了。热管在蒸汽机车上应用的不利条件分析：

（1）缺乏蒸汽机车热管空气预热装置的资料。虽然热管在外国应用非常广泛，生产已系列化，但是，没有蒸汽机车热管空气预热装置的实例可遵循，当然也就没有这方面的资料可参考了。

（2）蒸汽机车是运输式设备，尤其蒸汽机车发展到现在，其结构已经很紧凑，几乎没有能放下热管装置的空隙，又加上蒸汽机车的排烟量特别大，M-22865kg/h，这就给热管装置的结构设计带来了非常大的困难。

（3）热管装置是装在蒸汽机车的排烟箱中，由于排烟箱中的烟灰特别多，这就特别容易使热管积灰，甚至使热管的翅片堵塞。

（4）由于在蒸汽机车的排烟中夹杂着许多未燃烧的颗粒，并且这些颗粒以高速流动，这就容易磨损热管，有可能将热管上的翅片很快磨损坏。

（5）由于蒸汽机车的烟气量和空气量都很大及机车上空间的限制而使可选取的热管数目很少，这使烟气和空气的流通面积减小，必须使烟气和空气的流速提高（比固定式的要高2-3倍），因而所产生的阻力就高，甚至会影响到机车的排烟等。

上述问题都是热管在蒸汽机车上应用的关键问题，如果这些问题不解决，热管在蒸汽机车上的应用是谈不上的。下面分析和解决这些不利因素。

（1）热管在蒸汽机车上应用的目的是从排烟中回收热量，然后去加热进入炉膛的空气，是属气气换热，它属于中温热管换热，这种热管空气预热装置，虽然在蒸汽机车上没有应用的实例，但是，对固定式热管换热器已经得到了大量的应用，这种形式热管的经验是成熟的。因此，可以说第一个不利的因素基本上得到解决。

（2）在蒸汽机车热管空气预热装置设计上遇到最大的困难是整台装置的结构设计，通过多次的方案设计与探讨在不改动现有排烟箱内部结构的条件下，最后不得不为了缩小热管装置的尺寸而采取回收热量较少的方案，即热管数目较少的方案。

（3）关于积灰的问题，在蒸汽机车烧型煤的情况下，采用热管装置在减少积灰问题上是非常有利的，除此之外，为了减少积灰，还采取下面一些措施：

①. 加大翅片间距；②. 加大管束间距；③. 控制烟气流速，根据锅炉中管排设计的经验，对管道中干烟灰，当烟气的流速是在接近8m/s以上流经管排时是不容易因积灰而堵塞的；④. 让烟气首先经过火星网和两次转90的弯，使其较大的烟灰颗粒甩掉之后再进入热管装置；⑤. 现在正做热管翅片积灰的试验，如果设计的翅片间距还小，准备再加大翅片间距；⑥. 考虑到管子积灰区主要是在管后的涡流区，为了减少涡流区的积灰，采取叉排排列的管束；采取叉排管束对传热系数的提高也是非常有利的。

（4）关于磨损问题，主要是对热管加热段翅片的磨损，解决的办法：@加厚翅片，由原先的0.8mm加到1mm；②控制烟气流速，根据锅炉管排设计的经验，如果烟气的流速在不超过12m/s时烟气对管子的磨损是不太严重的，考虑到积灰和磨损，我们控制烟气流过热管的速度在6~10m/s之内；③采用加大翅片间距和加大管束间距以及把热管装置放到火星网和使烟气转两个90"的弯之后，这样做对减少热管的磨损也都是有好处的。

（5）关于流动阻力问题，虽然烟气和空气经过热管的流速都很高，因而相应的流动阻力都较大，但经过计算，烟气侧和空气侧的流动阻力加起来不超过80mmH20，这样大的阻力在装有扁烟筒的情况下是能通过的。

 虽然热管在蒸汽机车上应用所存在的问题基本上得到解决，但终究是第一次尝试，所以，计算和探讨得出来的结论都要由实验来验证。

三、结束语

（1）通过具体计算与实验得出结论：热管应用到蒸汽机车上，从排烟的废热中回收热量去加热进入炉膛空气的方案是可行的。由于热风进入炉膛助燃，提高碳燃烧温度，对减少二氧化碳的排放，非常显著。

（2）为了不改动内部结构，经过试验，选用热负荷较小的方案是适合的。采用92根热管，在设计工况下运行，进入炉膛的空气温度可以升高60~70℃，每小时可以回收约35万千卡的热量。热量回收率为16%左右。

（3）关于积灰、清灰和磨损等问题，经过采取一系列措施，通过实验研究均得到了满意的结果。

（4）关于节能减排：@二氧化碳、②黑烟、③火星、④黑灰渣，其中关键是二氧化碳（CO₂），碳是各种燃料中最主要的可燃物质，1kg碳完全燃烧时能放出8100kcal的热量，但碳本身要在比较高的温度下才能燃烧，一般是不容易燃烧的，所以在热风助燃下，提高燃烧温度，二氧化碳的排放量就可以大大减少。

热管在蒸汽机车或类似蒸汽机车的热力设备上的应用、推广是一定会实现的，热管技术必将在节约能源中发挥更大的作用。

热管换热器应用到蒸汽机车上，经过近一年的运行，性能稳定可靠，完全达到了设计要求，已经由铁道部组织召开的技术鉴定会通过鉴定。