徑向熱管換熱器在天然氣工業(yè)爐低溫?zé)煔庵械膽?yīng)用

劉丕龍+范魁元+靳道碩+樊超

摘 要：當(dāng)前我國的能源形勢緊張，能源利用狀況令人擔(dān)憂.在一些高耗能的企業(yè)，工業(yè)生產(chǎn)中排放的中低溫?zé)煔庥酂嵊捎诨厥针y度高、回收成本大等問題，一直得不到合理的利用，如何合理回收成為亟待解決的難題之一.簡要介紹了一種新型余熱利用換熱設(shè)備——徑向熱管換熱器，提出了計算熱管換熱器經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)的方法，并以某工廠低溫?zé)煔庥酂峄厥展こ虨閷嵗瑢煔庥酂岬幕厥绽眠M(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益分析.實踐應(yīng)用證明，徑向熱管換熱器在工業(yè)低溫?zé)煔庥酂峄厥罩杏泻芎玫膶嵱眯院涂尚行?

關(guān)鍵詞：徑向熱管換熱器； 中低溫?zé)煔猓?余熱回收； 應(yīng)用分析

中圖分類號： TK 172.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前我國已成為裝備制造大國，與此同時帶來的是能源的巨大消耗.我國大部分企業(yè)在生產(chǎn)中存在大量廢熱、余熱被忽視，甚至是隨意浪費(fèi)等問題.大量煙氣直接排入大氣的現(xiàn)象屢見不鮮.伴隨著企業(yè)產(chǎn)能的提高，余熱浪費(fèi)也越來越多.如果企業(yè)不加以利用，便會帶來高能耗、高成本的壓力.如何利用這些廢棄的能源，降低能耗，減少排放，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)行綠色制造，已成為裝備制造業(yè)亟待解決的一個問題[1].

當(dāng)前國內(nèi)外余熱利用方式主要采用冷凝鍋爐、熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)和除塵換熱一體化設(shè)備等四類換熱設(shè)備.我國工業(yè)余熱利用雖然取得一定的進(jìn)展，但仍處于較低水平，余熱利用率低，綜合利用差，中低溫余熱多數(shù)未被利用，余熱利用設(shè)備和系統(tǒng)不夠完善，效率低下.

工業(yè)生產(chǎn)中排出的中低溫?zé)煔庥捎诨厥针y度高、回收成本大等問題，一直得不到合理的利用，這也是一直困擾有關(guān)工業(yè)界的問題.本文結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的實例，提出將新型熱管換熱器應(yīng)用于工業(yè)爐低溫?zé)煔庥酂峄厥?，探討徑向熱管換熱器在中低溫?zé)煔庥酂峄厥罩械膬?yōu)勢.

1 熱管換熱器

1.1 徑向熱管換熱器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

徑向熱管換熱器主要由循環(huán)氣體箱體、徑向熱管束、進(jìn)出水集箱和進(jìn)出水管道組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.煙氣的熱量由熱管外壁面?zhèn)鬟f給熱管內(nèi)的工質(zhì)，工質(zhì)吸熱蒸發(fā)后沿管徑向流動，在接觸到內(nèi)管壁的水箱給水后放熱凝結(jié)成液態(tài)，液態(tài)工質(zhì)在重力作用和毛細(xì)管作用下回流.徑向熱管換熱器是通過工質(zhì)的循環(huán)相變實現(xiàn)高溫?zé)煔馀c水箱給水的高效熱傳遞.

與其他換熱器相比，徑向熱管換熱器最大的特點(diǎn)是[2]：① 徑向熱管外表面溫度基本相等，具有很好的等溫性；② 能夠有效地控制溫度，避免受到煙氣中硫化物的露點(diǎn)腐蝕，使熱管盡可能避開最大腐蝕區(qū)域；③ 設(shè)備易維護(hù)，即使換熱器出現(xiàn)泄漏也能快速修復(fù)；④ 體積小，布置緊湊.

1.2 徑向熱管的工作原理及基本特性

徑向熱管作為徑向熱管換熱器的核心部件，是一種具有極高熱導(dǎo)的裝置[3-5].它除了具有普通熱管的一般特性外，還具有良好的等溫性、良好的功率傳輸性能，可有效提高壁溫等特性.

徑向熱管的工作原理如圖2所示.典型的徑向熱管由帶翅片的外管、內(nèi)管、工質(zhì)、吸液芯和端蓋組成.通常徑向熱管的制作工藝是將空腔抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負(fù)壓后充入適量的工質(zhì)，然后將外管、內(nèi)管和端蓋焊接成一個密閉的空腔.當(dāng)熱煙氣通過外管時，吸液芯中的液態(tài)工質(zhì)受熱氣化，在壓差的作用下流向內(nèi)管，氣態(tài)工質(zhì)遇到冷流體后釋放出熱量，然后在內(nèi)管外壁上凝結(jié)成液態(tài)，內(nèi)管中的冷流體被加熱.凝結(jié)后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用和毛細(xì)管作用下回流至蒸發(fā)段，如此循環(huán)不斷.熱管在這一過程中實現(xiàn)了熱量的傳遞和轉(zhuǎn)移.

2 熱管換熱器的評定

評價熱管換熱器性能的五組目標(biāo)函數(shù)[6-8]分別為：① 換熱面積F、換熱器體積；② 傳熱量Q；③ 換熱器中兩種傳熱介質(zhì)之間的平均溫差ΔTm；④ 流體壓力損失Δp；⑤ 流體輸送功率N.本文中目標(biāo)函數(shù)的性能評價可在其中三組函數(shù)確定后得到.

為了簡化問題，對熱管換熱器進(jìn)行熵分析，忽略整體對外界的熱損失.

由熱力學(xué)第一定律可知

將熱管換熱器看成是一個熱力系統(tǒng)，對式（4）進(jìn)行積分得

式中：ΔST為由溫差不可逆?zhèn)鳠崴鸬南到y(tǒng)熵增；

ΔSp為由壓差不可逆流動所引起的系統(tǒng)熵增；

ΔST1為隨著煙氣流過熱管換熱器后熵的減少；

ΔST2為隨著冷卻水流過熱管換熱器后熵的增加；

T′1、T″1分別為煙氣進(jìn)、出熱管換熱器的溫度；T′2、T″2分別為冷卻水進(jìn)、出熱管換熱器的溫度.

式（5）中的ΔSp也由兩部分組成，即

式中：ΔSp1為隨著高溫?zé)煔饬鬟^熱管換熱器后由壓差不可逆流動所引起的熵增；

ΔSp2為隨著低溫水流過熱管換熱器后由壓差不可逆流動所引起的熵增.

假設(shè)流經(jīng)的煙氣為理想氣體，冷卻水為不可壓縮流體，它們由壓差流動所引起的熵增分別為

式中：V1為煙氣進(jìn)口體積，m3；V′1為煙氣出口體積，m3；p1為煙氣進(jìn)口壓力，Pa；

p′1為煙氣出口壓力，Pa；

V2為冷卻水進(jìn)口體積；n為煙氣的多變指數(shù)；

Δp2為冷卻水流過熱管換熱器后的壓降.

熱管換熱器流出的冷流體在得到熱量Q的同時也會伴隨著能量的損失.設(shè)這些能量損失為Q1.Q1主要包括摩擦所引起的壓降損失和傳熱過程的能量損失.

式中：T0為環(huán)境溫度，K；k為流體阻力損失與溫差傳熱損失的折算系數(shù).

則熱管換熱器的熵增率為

對于熱管換熱器，S′越小則其熱經(jīng)濟(jì)性越好.因此，可以將S′作為不同形式熱管換熱器在不同情況下的經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo).

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況

某工廠鑄鋼車間正火爐常年排放的廢熱煙氣產(chǎn)生很大的熱損失.經(jīng)調(diào)研，工廠決定提取其中的廢熱資源將生活用水加熱到合適的溫度供工人洗浴.

工廠計劃每天需加熱100 m3熱水，設(shè)計將生活用水從5℃加熱至70℃.

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，回收該工廠三臺正火爐的煙氣即可滿足需要.如果車間正常工作，三臺正火爐每天同時工作兩班，每班工作8 h.正常工作時，煙氣溫度能夠達(dá)到280℃，排放煙氣流量為5 500 m3·h-1.

3.2 應(yīng)用實施方案

在煙氣余熱回收系統(tǒng)中，徑向熱管換熱器安裝在空氣預(yù)熱器的下方，其高溫側(cè)與原煙道串聯(lián)，低溫側(cè)與水箱的管道系統(tǒng)并聯(lián).通過熱管中的工質(zhì)循環(huán)往復(fù)的相變實現(xiàn)高溫氣體與水箱給水的高效熱傳遞.煙氣余熱回收系統(tǒng)示意圖如圖3所示.

3.3 節(jié)能效益分析

每天可回收熱量

Q′=Cm（T″3-T′3）

（16）

式中：m為水箱充滿時水的質(zhì)量，t；C為水的定壓比熱容，為4.18 kJ·kg-1·K-1；T′3、T″3分別為水箱中水被加熱前、后的溫度，K.

回收熱量折算等效標(biāo)準(zhǔn)煤量

G1=Q′·HRQP·η

（17）

式中：HR為設(shè)備一年中滿負(fù)荷運(yùn)行的天數(shù)；QP為標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，kJ·t-1；η為鍋爐的效率，取η=91%.

換熱水泵增加的能耗

P1=DgΔh1η2

（18）

式中：D為換熱水泵的流量，t·h-1；g取9.2 m·s-2；Δh1為水泵的揚(yáng)程，m；η2為水泵的效率，取η2=75%.

增加能耗折算等效標(biāo)煤量

G2=（P1+P2）·HR·Bf·10-6

（19）

式中：P1為換熱水泵增加的能耗，kW；P2為其他設(shè)備增加的能耗，kW；Bf為企業(yè)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g·（kW·h）-1.

3.4 節(jié)能效益計算結(jié)果分析

將數(shù)據(jù)代入式（16）～（19）中，計算得到的結(jié)果如表1所示，表中節(jié)能效益計算時間為1 a.從表1中可以看出，在本項目中熱管換熱器獲得了較好的余熱回收效益.在除去各種運(yùn)行成本后，該項目可以為企業(yè)每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)369.67 t.

4 結(jié) 論

目前，國內(nèi)一些高耗能工廠已逐漸開始重視中低溫?zé)煔獾挠酂峄厥?，各種余熱回收技術(shù)也有了很大的發(fā)展.熱管換熱器適用范圍廣、消耗能源少、效率穩(wěn)定、阻力小、不易堵塞.這為中低溫?zé)煔獾挠酂峄厥仗峁┝艘粭l新的思路.研究證明，徑向熱管換熱器煙氣余熱回收技術(shù)成熟，運(yùn)行安全穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，能夠帶來很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益.

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