徑向熱管換熱器在天然氣工業爐低溫煙氣中的應用

劉丕龍+范魁元+靳道碩+樊超

摘 要：當前我國的能源形勢緊張，能源利用狀況令人擔憂.在一些高耗能的企業，工業生產中排放的中低溫煙氣余熱由于回收難度高、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備——徑向熱管換熱器，提出了計算熱管換熱器經濟性評價指標的方法，并以某工廠低溫煙氣余熱回收工程為實例，對煙氣余熱的回收利用進行了技術和經濟效益分析.實踐應用證明，徑向熱管換熱器在工業低溫煙氣余熱回收中有很好的實用性和可行性.

關鍵詞：徑向熱管換熱器； 中低溫煙氣； 余熱回收； 應用分析

中圖分類號： TK 172.4 文獻標志碼： B

隨著經濟的發展，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.我國大部分企業在生產中存在大量廢熱、余熱被忽視，甚至是隨意浪費等問題.大量煙氣直接排入大氣的現象屢見不鮮.伴隨著企業產能的提高，余熱浪費也越來越多.如果企業不加以利用，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，降低生產成本，進行綠色制造，已成為裝備制造業亟待解決的一個問題[1].

當前國內外余熱利用方式主要采用冷凝鍋爐、熱管技術、熱泵技術和除塵換熱一體化設備等四類換熱設備.我國工業余熱利用雖然取得一定的進展，但仍處于較低水平，余熱利用率低，綜合利用差，中低溫余熱多數未被利用，余熱利用設備和系統不夠完善，效率低下.

工業生產中排出的中低溫煙氣由于回收難度高、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工業界的問題.本文結合工業生產中的實例，提出將新型熱管換熱器應用于工業爐低溫煙氣余熱回收，探討徑向熱管換熱器在中低溫煙氣余熱回收中的優勢.

1 熱管換熱器

1.1 徑向熱管換熱器的結構和特點

徑向熱管換熱器主要由循環氣體箱體、徑向熱管束、進出水集箱和進出水管道組成，其結構示意圖如圖1所示.煙氣的熱量由熱管外壁面傳遞給熱管內的工質，工質吸熱蒸發后沿管徑向流動，在接觸到內管壁的水箱給水后放熱凝結成液態，液態工質在重力作用和毛細管作用下回流.徑向熱管換熱器是通過工質的循環相變實現高溫煙氣與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腐蝕，使熱管盡可能避開最大腐蝕區域；③ 設備易維護，即使換熱器出現泄漏也能快速修復；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、內管、工質、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的負壓后充入適量的工質，然后將外管、內管和端蓋焊接成一個密閉的空腔.當熱煙氣通過外管時，吸液芯中的液態工質受熱氣化，在壓差的作用下流向內管，氣態工質遇到冷流體后釋放出熱量，然后在內管外壁上凝結成液態，內管中的冷流體被加熱.凝結后的液態工質在重力作用和毛細管作用下回流至蒸發段，如此循環不斷.熱管在這一過程中實現了熱量的傳遞和轉移.

2 熱管換熱器的評定

評價熱管換熱器性能的五組目標函數[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.本文中目標函數的性能評價可在其中三組函數確定后得到.

為了簡化問題，對熱管換熱器進行熵分析，忽略整體對外界的熱損失.

由熱力學第一定律可知

將熱管換熱器看成是一個熱力系統，對式（4）進行積分得

式中：ΔST為由溫差不可逆傳熱所引起的系統熵增；

ΔSp為由壓差不可逆流動所引起的系統熵增；

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、出熱管換熱器的溫度；T′2、T″2分別為冷卻水進、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為隨著高溫煙氣流過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.

假設流經的煙氣為理想氣體，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為煙氣進口體積，m3；V′1為煙氣出口體積，m3；p1為煙氣進口壓力，Pa；

p′1為煙氣出口壓力，Pa；

V2為冷卻水進口體積；n為煙氣的多變指數；

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為環境溫度，K；k為流體阻力損失與溫差傳熱損失的折算系數.

則熱管換熱器的熵增率為

對于熱管換熱器，S′越小則其熱經濟性越好.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濟性評價指標.

3 工程應用研究

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生很大的熱損失.經調研，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，設計將生活用水從5℃加熱至70℃.

通過調研發現，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，煙氣溫度能夠達到280℃，排放煙氣流量為5 500 m3·h-1.

3.2 應用實施方案

在煙氣余熱回收系統中，徑向熱管換熱器安裝在空氣預熱器的下方，其高溫側與原煙道串聯，低溫側與水箱的管道系統并聯.通過熱管中的工質循環往復的相變實現高溫氣體與水箱給水的高效熱傳遞.煙氣余熱回收系統示意圖如圖3所示.

3.3 節能效益分析

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準煤量

G1=Q′·HRQP·η

（17）

式中：HR為設備一年中滿負荷運行的天數；QP為標準煤的發熱量，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為水泵的揚程，m；η2為水泵的效率，取η2=75%.

增加能耗折算等效標煤量

G2=（P1+P2）·HR·Bf·10-6

（19）

式中：P1為換熱水泵增加的能耗，kW；P2為其他設備增加的能耗，kW；Bf為企業發電標準煤耗，g·（kW·h）-1.

3.4 節能效益計算結果分析

將數據代入式（16）～（19）中，計算得到的結果如表1所示，表中節能效益計算時間為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.在除去各種運行成本后，該項目可以為企業每年節約標準煤達369.67 t.

4 結 論

目前，國內一些高耗能工廠已逐漸開始重視中低溫煙氣的余熱回收，各種余熱回收技術也有了很大的發展.熱管換熱器適用范圍廣、消耗能源少、效率穩定、阻力小、不易堵塞.這為中低溫煙氣的余熱回收提供了一條新的思路.研究證明，徑向熱管換熱器煙氣余熱回收技術成熟，運行安全穩定，節能效果明顯，能夠帶來很好的社會效益和經濟效益.

參考文獻：

[1] 吳貴輝.我國能源形勢及發展對策[J].中國工程科學，2011，13（4）：4-8.

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