熱管技術(shù)在工業(yè)爐群中的應(yīng)用

趙立功，張德奎

（1.北京天海低溫設(shè)備有限公司，北京101112；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津300190）

熱管起源于二十世紀六十年代的美國，1967 年一根不銹鋼－水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運行成功。熱管理論一經(jīng)提出就得到了各國科學(xué)家的高度重視，并展開了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以快速發(fā)展。熱管技術(shù)開始主要用于航天航空領(lǐng)域，我國自二十世紀70 年代開始對其進行研究，自80 年代以來相繼開發(fā)了熱管氣－氣換熱器、 熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器、高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼－水兩相重力式熱管結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、制造方便、碳鋼－水相容性的基本解決，使得此類熱管在動力、化工、干燥、建材等領(lǐng)域內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。

1 熱管的組成及特性

1.1 熱管的組成

熱管是一種傳熱性極好的人工組件，典型熱管主要由三部分組成：封閉的金屬管為主體，也稱管殼；管殼內(nèi)部為毛細結(jié)構(gòu)，也稱管芯；管殼內(nèi)部空腔的工作介質(zhì)，也稱工作液。管內(nèi)為真空處理，無空氣和其他雜物。從傳熱狀態(tài)看，沿軸線方向分別為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段（見圖1）。

圖1 熱管組成示意圖

管殼為受壓件，要使用高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力材料，多選擇銅、不銹鋼、鋁、鎳等材質(zhì)。

管芯的毛細結(jié)構(gòu)多用金屬網(wǎng)或纖維緊貼管殼內(nèi)壁，減少熱阻。

熱管工作液要求有較高的氣化潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和系數(shù)及沸點，較低的黏性及良好的穩(wěn)定性，不能溶解毛細結(jié)構(gòu)和管壁。

1.2 熱管分類

按工作液回流動力分為有芯熱管、重力熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、滲透熱管等。

按管內(nèi)溫度分為低溫、常溫、中溫、高溫?zé)峁堋?/p>

按管殼和工作液組合分為碳鋼-水熱管、 銅-水熱管、不銹鋼-鈉熱管等。

1.3 熱管的工作原理（以重力熱管為例）

當(dāng)熱管的蒸發(fā)段受熱時，熱管內(nèi)的工作液蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小壓差下流向冷凝段，放出熱量凝結(jié)成液體，在重力的作用下流回蒸發(fā)段（見圖2）。如此循環(huán)不已，熱量就由一端傳到了另一端。

圖2 重力式熱管工作原理示意圖

熱量轉(zhuǎn)移過程中的關(guān)聯(lián)過程： 熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；液體在液-氣分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié)；熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體、管壁傳給冷源；在吸液芯內(nèi)冷凝后的工作液在重力作用下回到蒸發(fā)段。

1.4 熱管的基本特性

（1）很高的軸向?qū)嵝?。熱管?nèi)部主要靠工作液的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可以傳遞幾個數(shù)量級的能量。

（2）優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽由蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓力差很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。

（3）熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發(fā)段和冷卻段的面積，可以改變熱流密度。

（4）熱流方向的可逆性。水平放置的有芯熱管，其內(nèi)部循環(huán)動力為毛細力，因此任何一端受熱都可作為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段進行放熱。

（5）環(huán)境適應(yīng)性。熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件變化，可做成各種形式，如電機轉(zhuǎn)軸、葉輪的葉片，可以用在地面（重力場），也可用在空中（無重力場）。

1.5 熱管換熱器的優(yōu)點

利用熱管導(dǎo)熱能力強、傳熱量大的特點，以多根熱管作為中間傳熱元件，實現(xiàn)冷熱流體之間換熱的設(shè)備叫熱管換熱器（見圖3）。有氣-氣式、液-氣式、汽-氣式等形式。

圖3 熱管換熱器示意圖

（1）熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運行過程中即使單根熱管因為磨損、腐蝕、超溫等原因發(fā)生泄漏，也只是單根熱管失效，而不會發(fā)生冷熱流體的混雜。所以熱管換熱器用于易然、易爆、腐蝕性等流體的換熱場合具有很高的可靠性。

（2）熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，可以比較容易地實現(xiàn)冷、熱流體的完全逆流換熱，獲得較大的對數(shù)溫差。同時冷熱流體均在管外流動，由于管子對流體擾動的作用使得管外流動所具有的換熱系數(shù)遠高于管內(nèi)流動所具有的換熱系數(shù)，并且管外流動兩側(cè)受熱面均可獲得充分的擴展。這樣換熱器可以做得非常緊湊，用于品位較低的熱能的回收非常經(jīng)濟。

（3）對于含塵量較高的流體，熱管換熱器可以在設(shè)計時對熱管的排布尺寸較容易地進行調(diào)整，解決換熱器的磨損問題。

（4）熱管換熱器用于腐蝕性煙氣的余熱回收時，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整冷、熱兩側(cè)的熱阻，從而達到調(diào)整熱管管壁溫度的目的，使熱管能避開最大的腐蝕區(qū)域。

2 熱管換熱器在工業(yè)爐群中的應(yīng)用實例

2.1 項目概況

某大型重工集團公司生產(chǎn)車間熱處理爐工段共有13 臺臺車式熱處理爐，周期式生產(chǎn)，爐溫分別為1 000 ℃和1 150 ℃，所有熱處理爐均為爐后地下煙道排煙，匯總后由車間外煙囪集中排放。見圖4。

2.2 原始參數(shù)及設(shè)計計算

圖4 車間熱處理爐布置簡圖

（1）煙氣排放溫度：每臺設(shè)備均安裝了助燃熱風(fēng)換熱器，換熱后的煙氣溫度400～450 ℃，實測安裝熱管換熱器位置的煙氣溫度約350 ℃，熱煙氣通過換熱器放熱后，溫度降至120 ℃左右。

（2）煙氣排放量：正常生產(chǎn)時單臺設(shè)備平均排煙量約為4 000 m3/h，設(shè)備同時生產(chǎn)臺數(shù)為8 臺，即總排煙量為32 000 m3/h，熱煙氣提供的熱量：32 000×（350-120）×1.29=9 494 400 kJ/h。

（3）供熱需求：車間采暖面積14 000 m2；浴室(早上36 人，中午27 人，晚上112 人，大夜30 人，每天共有205 人次洗澡）；車間供暖14 000×100（北方車間供暖標準）/1 000=1 400 kW； 每人每天用水50 kg，水從20 ℃加熱到60 ℃，50×205×（60-20）×4.2=1 722 000 kJ。

根據(jù)對當(dāng)前供暖設(shè)施情況的掌握，結(jié)合廠內(nèi)生產(chǎn)工藝中存在的余熱資源情況，經(jīng)分析研究，煙氣余熱可以滿足車間冬季供暖和員工洗浴需求，可通過利用熱煙氣的余熱回收替代鍋爐房供暖。

2.3 建設(shè)方案

（1）分別在寬度為2 436 mm 和2 204 mm 的煙道內(nèi)靠近煙囪位置安裝熱管換熱器兩臺，換熱器安裝于煙道旁路后，其主煙道及換熱器進、出口管道上均安裝電動煙道蝶閥。熱煙氣溫度約350 ℃，作為換熱器熱端介質(zhì)，加熱冷端的采暖循環(huán)水，熱煙氣通過換熱器放熱后，溫度降至120 ℃左右，直接由煙囪排放。兩臺熱管換熱器并聯(lián)使用，提供車間供暖用循環(huán)水及員工浴室熱水。

（2）熱管換熱器根據(jù)煙氣溫度、煙氣量、循環(huán)水溫度、車間熱負荷等參數(shù)進行非標準設(shè)計、制造。

（3）車間外換熱站內(nèi)安裝兩臺循環(huán)水泵（一用一備）。水泵揚程H=50 m，流量Q=100 m3/h，功率N=22 kW。采暖熱水（80 ℃/60 ℃）通過換熱站內(nèi)供回水管路直接引入車間的采暖熱網(wǎng)系統(tǒng)中。

（4）在浴室外部安裝20 m3熱水儲存罐及配套的補水系統(tǒng)、水溫控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)，使罐內(nèi)水溫保持在55～60 ℃范圍內(nèi)。

2.4 效益分析

（1）設(shè)備投資：包含熱管換熱器兩臺，相關(guān)循環(huán)水泵，管路閥門，電氣控制及設(shè)備安裝等，總投資49.6 萬元。

（2）年工作基時為300d，三班；員工消耗為1722000/4.18/860=479 kW，折合每年消耗標煤479×300×0.86/5 000=24.7 t，采暖周期120 d，消耗折合標煤為1 400×120×24×0.86/5 000=693.5 t，年節(jié)約 （24.7+693.5）×500=359 100 元，即年能源消耗節(jié)約35.91萬元。

（3）設(shè)備投資回收期：49.6/35.91×12≈16.6 個月。

（4）設(shè)備使用壽命：10 a。

3 結(jié)語

利用爐群煙道內(nèi)煙氣余熱替代供暖鍋爐房作為供暖熱源，技術(shù)上合理可靠，經(jīng)濟上可行，設(shè)備使用壽命長。工程改造投資較小，回收期短，取消了燃煤鍋爐房，減少了污染物排放，降低環(huán)境污染，收到了非常好的節(jié)能效益和社會效益。