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热管技术不适合应用于燃气锅炉余热回收装置

晨怡热管 北京金房暖通节能技术公司 丁琦 2011-8-18 10:22:37

    摘要:本文从热管换热效率、换热器体积、使用寿命、经济性等4个方面,论述了热管技术不适合应用于烟气余热回收换热器中的原因,以供讨论。

    关键词:节能 燃气锅炉效率 余热回收 热管技术

   1 提高燃气锅炉效率的主要措施是烟气余热回收

    燃气锅炉效率的提高主要包含2方面:即燃烧效率和换热效率。燃烧效率主要由燃烧器决定,燃油、燃气锅炉的燃烧器通常为进口产品,燃烧效率已经很高,再进一步提高有一定的难度。因此,提高换热效率就是提高燃气锅炉使和效率的基本方法。对于锅炉产品,换热面积已经由锅炉厂家计算确定,所以当排烟温度较高时,在烟气出口增加烟气余热回收装置,就是提高燃气锅炉效率简便易行的方法。

   2 烟气余热回收及热管技术

    燃气锅炉烟气余热回收是利用低温热媒水吸收高温烟气中的热量。

    烟气余热回收装置主要形式是直接换热型, 即直接吸收式。其传热原理与锅炉的原理一样, 在装置中由金属受热面将烟气与水隔开, 烟气中的热量传给金属受热面, 再由金属受热面传给水。

           

                                          图 1 热管原理图

    什么是“热管”的传热原理?见图1所示,一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成,管内抽成1.0×10-~10-)Pa的负(14压,充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),中间为绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。往复循环,热量就由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中,包含以下6个相互关联的过程:

    1. 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液-汽)分界面;

    2. 液体在蒸发段内的(液-汽)分界面上蒸发;

    3. 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;

    4. 蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结;

    5. 热量从(汽-液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;

    6. 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

   3 “热管”是否存在高于直接换热效率的“超导”?

    有人提出“热管”具有高于直接换热效率的“超导”。

    我们可以用“电超导”的定义加以比拟。所谓“超导”,是指在一定的温度和压力条件下,一些金属、合金和化合物的电阻突然变为零的性质。“热超导”可以定义为:在一定条件下物质的热阻变成零的性质。

    传热过程是由传导、对流、辐射 3 种基本传热方式组成的。在燃气锅炉余热回收装置中, 由于温差较小, 传热可以简化为传导和对流2种方式。

    普通余热回收装置的单位换热面积热阻包括3个部分,见图2,即:烟气与金属壁之间的对流热阻(R1)、金属的传导热阻(R2)和水与金属壁之间的对流热阻(R3) 。

                        

                                               图 2 直接换热

     热管换热器单位换热面积热阻则包括6个部分见图 3,即:烟气与金属壁之间的对流热阻(R1) 、金属的传导热阻(R2)、热管内部液体与输入段金属壁之间的对流热阻(R4) 、热管内部汽化的蒸汽与热量输出段金属壁之间的对流热阻(R5) 、金属由一侧到另一侧的传导热阻(R2)和水与金属壁之间的对流热阻(R3) 。

                     

                                            图 3 热管换热原理图

    假设热管中传热迅速,R4和R5趋近于零(超导)而被忽略,即总热阻约等于:  

             R 热管传热≈R1+2×R2+ R3

    由上式可知:热管即使存在“超导”现象,也就是内部热阻为零,其总热阻也不会小于直接换热器热阻。因此,在燃气锅炉余热回收应用中,换热面积相同时,热管换热器的换热效果绝对不会优于直接换热式换热器。

    4 热管换热器体积是否会小于直接换热器

     由于燃气供热锅炉的烟气余热回收装置多为后增加的,所以换热装置的占用空间也是衡量换热器可行性的关键因素。换热器占用空间往往取决于其体积。选择同样的换热面积时,应该对比2种换热器体积。

     普通直接换热器烟气与金属换热面的一侧直接接触,水与金属换热面另一面直接接触,其换热面积与金属面积相等。由热管换热原理可知,每根热管分为3部分:吸热段、绝热段和放热段。如果绝热段忽略不计,这样每根热管与直接换热的等效换热面积为该热管外表面的 1/2,这样如果再加上热管内部所需空间,要想达到与直接换热等效的换热面积,其体积大约要增加1倍。

    5 使用寿命的比较

    直接式换热器的寿命与其所使用的材质寿命相同。影响热管寿命的因素很多。归结起来, 造成热管失效的主要原因有以下 3 方面, 即: 热管内部真空度被破坏, 工作液体热物性恶化, 管壳材料的腐蚀、溶解。

     5.1 热管内部为1.0×(10-1~10-4)Pa的负压,以现在热管换热器中应用的热管加工工艺,其负压能长时间保持几乎是不可能的。因为气体分子很小,无孔不入,如果长时间不用,其压力会下降。许多需要维持真空的设备,例如大型制冷机,都配有真空泵,经过一定时间要重新抽真空。作为热管换热器,在使用过程中要过一段时间就抽真空是不可能的。真空度降低的热管,内部工作液体沸点改变,其传热性能还不如1根实心铁棒。

    5.2 工作液体物性恶化,有机工作介质在一定温度下,会逐渐发生分解,这主要是由于有机工作液体的性质不稳定,与壳体材料发生化学反应,使工作介质改变其物理性能,如甲苯、烷、烃类等有机工作液体容易发生不相容现象。如果介质为水,便会引起热管内部的腐蚀。

    5.3 工作液体在管壳内连续流动,存在着温差、杂质等因素,使管壳材料发生溶解和腐蚀,流动阻力增大,热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后,引起强度下降,甚至引起管壳的腐蚀穿孔,使热管完全失效。

    纵上所述,不难看出为什么有些热管换热器,第1年好用,因为其所有热管均参与传热;第2年开始不好用,因为其热管部分失效;等到第3年、第4年没有用,是因为热管全部失效了。

    6 经济性及其它

    节能产品的经济性应当从其投资回收期入手,投资回收期由3方面决定, 即:一次投资、年节省费用和可使用年限。

    6.1 从前面的论述不难看出,如果达到同样的有效换热面积,热管余热回收装置的体积,会比普通余热回收装置体积大1倍以上,使用的钢材也要相应增多。因此,如果换热效果相近,热管余热回收装置应当比普通余热回收装置价格贵很多。

    6.2 从年节省费用来看,相同换热面积由于热管余热回收装置单位面积热阻较普通余热回收装置略大,也就是传热量略小,因此其年节省费用也略少。

    6.3 质量好的热管,寿命有3~4年,远低于普通余热回收装置。从一次投资、年节省费用和可使用年限这3项指标可以看出,热管余热回收装置同普通余热回收装置比起来,不适合用在燃气供热锅炉中。

    另外,有人说:“热管余热回收装置的烟气阻力小于普通余热回收装置”。烟气阻力的大小,与烟道的布置和烟气与换热面的摩擦力有关。2 种设备的烟道布置没有本质区别, 烟气与换热面的摩擦力与摩擦系数、烟气流速和接触面积这 3 项因素有关, 热管并没有改变其表面的金属光洁度和与其接触的烟气流速。如果说:“热管余热回收装置的烟气阻力小于普通余热回收装置”, 除非是减少了换热面积。

    7 结语

    笔者认为热管技术确实为一项好技术,将其应用在诸如远距离输送热量的系统中以及要求“均温”等特殊场合,就有其独特的优越性。例如:全长1142km的青藏铁路二期工程线路中,约有550多km的冻土地段,将12m长的热管埋设在地下,保持冻土层表面温度就非常合适。再者宇航器向阳面和背阳面温差特别大,只能用热管技术使其表面温度达到均衡。但是将其作为“万能”技术,取代所有换热装置则是不合适的。由于上述种种原因,我们不难理解,该项技术诞生至今几十年,尚未在工业界大规模普及的原因。所以说,热管技术应用在燃气供热锅炉余热回收装置,是不适合的。其应用一两年后部分失效,三四年后,全部失效、更换,必然造成钢材、人力和资金的浪费。(责编:罗增润)

 参考文献

    1 传热学.第 2 版.中国建筑工业出版社

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