热管换热器在小锅炉上的应用

  为了响应国家节能减排的号召，认真贯彻节约能源的要求，提出在WNL3-13-4型锅炉烟道上装设热管换热器，利用烟气余热力热给水。同时将部分热水用于浴池，供职工洗澡之用（换季停炉时用太阳能加热水用于洗澡），可节省一台专供洗澡用的小锅炉。

 这台气-水热管换热器热管的加热段带有翅片，冷却段是光管的表面，每支热管相对于换热器来说都是可拆的。

 这台可拆的气-水带翅片热管换热器经过一年的研制和运行考验，性能指标达到了设计要求，于1983年5月通过了技术鉴定。

一、热水热管换热器的方案图示

 热水热管换热器装置如图7-7所示。热水热管换热器是放在锅炉到除尘器的排烟道上，该处的排烟温度为230℃，经过热管换热器后烟气温度降至170℃，水进入热管的温度为10℃C，经过热管水的温度升到60℃，然后进入浴池或锅炉加以利用。

二、在小锅炉上应用热管的考虑

（1）小锅炉的热效率是比较低的，热效率低的原因是损失太大，其中很主要一项损失是排烟损失，排烟损失一般要占15%~20%，而且排烟损失降低1%，小锅炉的热效率就增加1%，根据热管换热器的传热效率高和体积小重量轻的特点，特别适应于小锅炉，所以，从烟道的排气中回收热量是热管的理想的工作环境。回收热量怎样利用呢？加热水，然后加以利用也是可以的，但是，应用热管去加热空气是最理想的。因为，气气换热方式应用热管是最有利的，至于被加热的空气怎样利用，方案也是多种多样的。但是，在小锅炉上把加热的空气引入锅炉的炉膛里参加燃烧最有利，这样可以直接提高小锅炉的热效率，减少燃料的消耗量。进入炉膛的温度每提高20℃c，小锅炉热效率可以提高1%。

（2）小锅炉上的热管应用什么样的工质最为合适，这要根据热管的工作环境来确定，即根据烟道中烟气的温度来确定，小锅炉烟道排烟温度一般在300℃C左右，从这个温度范围来看采用导热姆作为工质是适合的。但是，由于导热姆有毒又较贵，故可考虑采用蒸馏水作为工质，使用蒸馏水作工质既无毒又非常便宜，所以是较理想的工质，以水为工质的热管应用于排烟温度高的地方也是可以的，目前有用到400℃C，500C，甚至600℃，关键在于管内的温度，热管内的饱和蒸汽温度无论如何也不能接近374℃，而374℃为水的临界温度，这时不需再加热热管内的水就全部汽化，这时热管就根本不能工作了。另外，对应374℃的临界饱和温度的临界压力为255kgf/cm2，这么高的压力，一般管材的强度也是承受不了的，因此，热管内部的温度考虑到管内的工作和管子材料的选择等不能太高，一般不超过250℃，热管内蒸汽温度在设计时一般要控制在250℃以下为好，这时热管的管料好选择，管壳的厚度也不至于过厚，另外，加工工艺，特别是焊接工艺容易过关，否则管子容易漏气而失效。

  由此，可以看到管内温度高了对管子的强度、管子的加工工艺是很不利的。在热管工作的环境温度高的情况下，想保持管内温度比较低，如不超过250 ℃时，只要在设计计算时控制热管吸热段和放热段的比例才可以保证这一点。另外，热管在高的环境温度下运行时一定要注意：先通冷空气然后再通烟气，在通烟气时，绝对不能停通冷空气，在停通冷空气前一定要先停烟气，这样就能保证热管安全地工作，否则热管不仅不能正常工作，而且还会因超温、超压而使热管破裂。热管的工质选定之后，就要确定管壳的材料，在设计热管时要根据工质查得与工质化学相容的管壳材料，水只与铜和铁是化学相容的，但是，铜和铁作管壳在强度上或加工工艺上都存在一些问题。因此，只好选用钢铜复合管，因铜与水化学相容，以铜作衬套把水与钢隔开，钢作管壳只承受管内压力。但是这种钢铜复合管比较贵，一吨不拉内槽的钢铜复合管要八千元，而带拉内槽的每吨要一万四千元，如选用钢管作管壳，热管的成本可以大大降低，钢与水化学不相容，产生不凝结气体会降低热管的传热性能，但也可以有几种办法克服，一种办法加缓蚀剂，再在热管放热段加长一段用来存放不凝结气体，还有一种办法在热管工作一段时间之后重新抽空一次，这也不花多少时间，用不多少钱或者用一批管子作为备用也可以，这样总共造价也比用钢铜复合管的造价要低，而且采用钢管作为管壳，在强度和加工工艺性等方面都会大有好处。

（3）热管的抽空，热管中的工作液体要在高真空度下才能很好地进行工作，热管内的真空度一般要达到10-4~ 10-5Torr，热管内真空度的形成，目前有两种办法，一种办法用真空机组抽，达到要求的真空度后填充工作液体，然后封住口。还有一种简易制法：是先把管子清洗干净，然后烘干，将两端焊好。在一堵头中间钻一个q4~5mm的小孔，以便填充工质和排气。用注射器向热管装入约占热管内部体积的1/4-1/3的蒸馏水做为工质。然后在500℃左右的热源上加热，使水沸腾。上堵头的小孔排汽约半分钟左右，用销钉将小孔迅速塞住，并马上用电焊焊好。这时管内约剩有占管内体积的五分之一左右的蒸馏水，即达到预计的填充工作液体量。这样就可以保证管内达到预计的真空度，保证管内的质量。

（4）检查热管传热性能的办法，一般有两种：第一种简易办法是首先用手垂直拿起热管，然后急速上下抖动，听到管内有金属的碰击声，声音清脆的说明热管内的真空度达到要求。其次，将热管约三分之一长的一段放入热水中，用手摸热管顶端，一般不到1~2min热量就传递上来，这说明热管的质量是好的。另外一种办法，想知道热管性能的好坏，甚至确切地测定热管的传热性能，则在试验台上进行测定，首先测得热管的等温性。

（5）应用热管空气预热器能回收多少热量，这主要要看采用多少根热管，一般是根据要回收的热量来计算出需要多少根热管，但是对于运输式设备来说，热管的设计计算最主要的问题是尺寸、重问题，由于运输式设备结构上的限制，对尺寸、重量指标要求很严格，不允许放置很多的热管，如在蒸汽机车的烟箱里尽最大的努力只放了64根1.5m长的热管，由于热管的数目少，当然回收的热量数目也就少了。另外，目前有关单位生产的两米长的水铜钢复合热管，每根热管所传递的功率为1.5~2kw，每根热管传递功率的大小，与管内质量和管外质量有关，即与管内的毛细结构的好坏，是否清洗得干净，充液量的多少，真空度的大小，铜钢复合得是否紧，是否有空隙，空隙有多大，翅片是否紧，片与光管外表面接触面的大小，片与光管外表面间隙的大小等有关系，本来-根热管传递的功率可以很大，因为一般热管的声速极限、携带极限、沸腾极限和吸液芯毛细管压力极限等都是很高的，一般都在5~6kw以上，有的超过10KW。但是，由于目前热管处于试制阶段，生产、加工工艺还不十分成熟，因此在目前生产的水铜钢复合热管每根热管传递的功率达到1.5~2kw还是不错的。在地面固定设备上应用热管的数目就不那么受限制，但是，烟气经过热管后的排气温度由于露点温度的限制也不能降得太低，这也影响回收的热量，如出口温度降得太低就会出现露点腐蚀，影响设备的寿命。总之，在热管吸热段烟气进口温度和流量一定的情况下，即烟气排气带走的热量一定的情况下，热管吸热段出口的温度越低，即回收的热量越多，当然热管的数目也就越多。

（6）关于热管空气预热器的流动阻力问题，流阻的大小与管束的排列方式，管束的排数，管间距的大小以及流速的大小等有关，流阻的大小可以通过热管的设计计算来控制。

三、结论

根据上述的分析和探讨，在小锅炉上应用热管空气预热器从排烟中回收热量，去加热进入炉膛的空气的方案是可行的，这样不仅降低小锅炉的排烟损失，提高锅炉的热效率，增加锅炉的蒸发量，而且还可以减少燃料的耗量，为国家节省能源。这一结论已经被蒸汽机车热管换热器的实验数据所证实。