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热管技术及其工业化应用

晨怡热管 南京圣诺热管有限公司 江苏 南京 210009 杨峻 李来所 2007-2-4 17:47:26
1 概述
     大部分干燥需要热源加热,其能耗约占其生产总成本的三分之一以上,我国干燥热源普遍使用热风炉及其换热设备,而换热设备的形式有多种多样,但开发新型的高效低能耗设备以逐步更新老设备,已是当务之急。以热管为传热元件组成的热交换设备更具其独特性,正越来越广泛地被应用到各行各业,本文主要介绍热管技术的发展及其换热设备的一系列特点。
     在众多的传热元件中,热管是人们所知的最有效的传热元件之一,它可将大量的热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。国际上对热管技术的研究和应用在20世纪60年代开始。我国自上世纪70 年代开始,开展了热管的传热性能研究和热管在电子元器件冷却和空间飞行器方面的应用研究,80年代初,我国的热管研究和开发重点转向节能和能源的合理利用。从1976年开始,南京化工学院热管科研组开始了热管技术在工业余热回收中的应用开发,主要研究热管换热设备。1980年4月由南京化工学院与南京炼油厂共同研制的我国第一台工业试验的气—气式热管换热器在南京炼油厂正式投入运行;1981年底,我国第一台碳钢—水热管余热锅炉由南京化工学院研制成功,并在江苏省如东化肥厂投入运行。以上二台热管换热设备的正式投入运行,大大推动了热管换热器设计计算的研究和热管的传热性能、内部阻力、钢—水相容性、充液量、设计、余热回收应用等,解决了廉价的碳钢—水两相闭式热虹吸管在余热回收中应用的一些技术问题。1983年以后,热管换热器工业应用的节能效果逐步受到社会重视,热管换热器的应用进入了工业化推广阶段。1983年9月经江苏省政府批准,以南京化工学院为技术依托,成立南京热管技术开发中心,这是一个科研生产联合体,主要任务是承接各种工程应用项目,将热管技术推向市场。 1993年8月经江苏省政府体改委批准,在南京热管技术开发中心的基础上成立江苏圣诺热管集团公司,并于2004年改制成为南京圣诺热管有限公司。
     由于碳钢—水热管的技术日趋成熟,换热器的换热量愈来愈大,1986年第一台大型分离式热管换热器在梅山钢铁厂1300m3高炉热风炉投入运行,回收热量达到3000kW,年内收回投资;1988年用于大化肥一段转化炉余热回收的整体式热管空气预热器由湖北化肥厂与南京化工学院联合开发成功,回收热量达11163kW(960万千卡/小时),同年用于马鞍山钢铁公司第二烧结厂的75m2烧结机的热管蒸汽发生器也开发成功,回收热量为3176kW,开创了国内冶金工业烧结余热回收的先例。由于碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于在工业中推广应用,使得热管技术工业化应用的开发与研究得到了迅速的发展,我们相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高、中温热管热风炉等各类热管产品。随着科学技术的不断提高,热管研究和应用的领域也在不断拓宽。目前,热管及热管换热器作为高效传热传质设备已广泛应用于石油、化工、动力、冶金、建材、轻工、交通等领域,以及电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却及电路控制板等的冷却。
     目前,除微型热管已批量化、大规模生产外,无论是工业过程中的热管换热设备还是余热回收用的热管换热器,由于各种设备规模、大小、使用情况的不同,每台设备均可以根据现有的工艺条件、现场情况进行设计、制造。
 2 热管工作原理及分类
 2.1 重力热管工作原理
     重力热管——两相闭式热虹吸管,如图1所示,热管由密闭的管壳和工质组成。热管的一端为蒸发段(也称:受热段、加热段),另一端为冷凝段(也称:冷却段、放热段)。
     热管受热段吸收管外高温流体的热量,通过热管壁传给管内工质,工质吸热后沸腾和蒸发,转变为蒸汽,蒸汽在压差的作用下上升至放热段,受管外低温流体的冷却,蒸汽冷凝并向外界放出凝结潜热,低温流体获得热量,冷凝液依靠重力回到受热侧。因此,重力热管的工作具有一定的方向性,蒸发段必须置于冷凝段的下方。通过管内工质的不断蒸发与冷凝,周而复始,高温流体热量便传给低温流体,使低温流体得到加热。在热管的加热段和冷凝段外表面可以高频焊接螺旋翅片来扩展传热面积。
     由于热管内部一般抽成一定的真空,工质极易沸腾与蒸发,热管启动非常迅速,因此其具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。
                                       


 2.2 热管的分类
     热管的结构、种类多,用途广,分类方法也多种多样。常用的分类方法有:
 2.2.1 按热管管内工作温度分
     低温热管(-273~0℃)、常温热管(0~250℃)、中温热管(250~450℃)、高温热管(450~1000℃)等。
 2.2.2 按管壳与工作液体的组合方式分
     碳钢—水热管、铜—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、不锈钢—钠热管等,
 2.2.2 按结构形式分
     普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。
 3 热管换热器的常用结构与特点
     由热管作为传热元件组成的换热器称热管换热器,热管换热器形式多种多样,有气—气式、气—汽(液)式、分离式等,有热管式空气预热器、热管式蒸汽发生器、热管省煤器、冷却器等等。
 3.1 整体式热管换热器
 3.1.1 气—气式热管换热器
     该换热器有一个矩形的外壳,内部由许多单根热管组成,热管的布置形式可以错列呈三角形排列,也可以顺列呈正方形排列,如图2所示。在矩形壳体内部的中央有一块管板(中孔板)把壳体分成两部分,形成热流体和冷流体的通道。当冷、热流体同时在各自的通道中流过时,热管就将热流体的热量传给冷流体,实现了两种流体的热交换,使热流体的温度降低达到排放的温度或工艺要求,冷流体的温度升高而满足工艺的需求。在换热器中,热管数量的多少取决于换热量的大小,为使设备紧凑,在热管上缠绕翅片,这样可使所需的热管数目大大减少。因此,采用热管式换热装置可以提高换热效率,减小设备占地空间。与普通列管式气—气换热器相比,在处理相同气体量的情况下,热管换热器体积、重量均比列管式的要小,同时气体的流动阻力降也相对较小。
                                                                              
 
 

       


 
 3.1.2 气—液式热管换热器
     气—液热管换热器是气体和液体进行热交换的换热器,由于气侧的换热系数比液体侧的换热系数小得多,因此在换热过程中,主要热阻在气体侧,所以在气体侧的热管可以缠绕翅片,而在液体侧的热管一般不需要加翅片,可设计成套管形式或直接插入水箱。图3所示。其独特之处在于,当气侧热管管壁遭到破坏时,水侧的水不会漏入气侧,增加了设备的可靠性。
 3.1.3 气—汽式热管换热器
     气—汽式热管换热器通常称热管式蒸汽发生器,也称热管式余热锅炉,结构基本同气—液式,只是冷水进口处通入给水而产生蒸汽,同样,热管冷凝段可设计成套管式,通过上升与下降管与汽包相连,或直接插入汽包内的形式。蒸发器与汽包在一定的位差下形成水汽的自然循环,无需外加动力。其结构示意如图4所示。目前热管式蒸汽发生器产生的蒸汽压力可达2.5 MPa,进入的烟气温度最高可达1000℃。热管蒸汽发生器最大特点是结构紧凑,体积小,安全可靠。热管元件的破损,不影响蒸汽系统的循环,无需为此停车检修。
          


  3.2分离式热管换热器
     热管的加热段与冷凝段分别采用两个独立的箱体,每台壳体内均装有若干片由翅片管和上、下联箱组焊而成的彼此独立的热管管束。如图5所示。加热段和冷凝段相对应的各片管束通过蒸汽上升管和冷凝液下降管连接,构成各自独立的封闭系统。这里,加热段与冷凝段分离开来,用蒸汽上升管和冷凝液下降管将它们联接,组成了具有热管传热效应的又一结构形式。当管束内部形成一定的真空度后,热流体通过加热段时,加热段管束内的工质吸收热量后汽化,产生的蒸汽汇集于受热段上部的上联箱内,经蒸汽上升管输送到冷流体通过的冷凝段的管束内,受管外冷流体的作用,蒸汽冷凝放出的凝结潜热将管外的冷流体加热,蒸汽冷凝后的液体汇集于冷凝段下部的下联箱内,在位差的作用下,通过冷凝液下降管回到加热段管束内继续蒸发。如此循环往复进行,从而完成热量由加热段到冷凝段的输送。其独特之处在于:
     (a) 热管加热段和冷凝段可视现场情况而分开布置,可实现远距离传热,这就给工艺设计带来了较大的灵活性,也给装置的大型化、热能的综合利用以及热能利用系统的优化创造了良好条件;
     (b) 工作介质的循环是依靠冷凝液的位差和重力作用,不需要外加动力,无机械运行部件,增加了设备的可靠性,也极大地减少了运营费用;
     (c) 热管加热段箱体和冷凝段箱体彼此独立,易于实现流体分隔、密封。
     (d) 受热段与放热段管束可根据冷、热流体的性能及工艺要求选择不同的结构参数和材质,从而可有效地解决设备的露点腐蚀和积灰问题;
     (e) 根据工艺要求,可以将流体顺、逆流混合布置,以适应较宽的温度范围;
     (f) 系统换热元件由多片热管管束组成,各片之间相互独立,因此,其中一片甚至几片损坏或失效不会影响整个系统的安全运行;
                             


 3.3结构特点
     与常规换热设备相比,热管具有如下的特点:
    (1)热管换热设备较常规换热设备更安全、可靠,可长期连续运行。常规换热设备一般都是间壁换热,冷、热流体分别在器壁的两侧流过,如管壁或器壁有泄漏,则将造成停产损失。由热管组成的换热设备,是二次间壁换热,即热流体要通过热管的蒸发段和冷凝段管壁才能传到冷流体,而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏,所以大大增强了设备运行的可靠性;
    (2)传热效率高,热管的冷、热侧均可根据需要采用缠绕翅片来增加传热面积;
    (3)有效地避免冷、热流体的串流,每根热管都是相对独立的密闭单元,冷、热流体均在管外流动,并由中间密封结构将冷、热流体完全隔开;
    (4)有效的防止露点腐蚀,通过调整热管根数或调整热管冷热侧的传热面积比,使热管壁温提高到露点温度以上,这种变换热流密度的方法能使热管以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之,也可以较大的面积输入热量,而以较小的冷却面积输出热量,使单位加热和冷却传热面积上的热流量发生变化。如图6所示,图(a)为热管蒸发段长度大于冷凝段长度,并缠绕翅片,显然蒸发段的传热面积大于冷凝段的传热面积,当传热量Q一定时,蒸发段的热流密度远小于冷凝段的热流密度,图(b)则为相反情况,从而达到控制与调节热管管壁温度;
    (5)有效的防止积灰,换热器设计时能够采用变截面形式,保证流体通过热管换热器时等流速流动,达到自清灰的目的;
    (6)无任何转动部件,没有附加动力消耗,不需要经常更换元件,即使有部分元件损坏,也不影响正常生产;
    (7)单根热管的损坏不影响其它的热管,同时对整体换热效果的影响也可忽略不记。
                                    

4 热管技术的应用领域
 4.1 化工和石油化工
 4.1.1 热管技术在合成氨工业中的应用
     合成氨工业在化学工业中占有重要地位,也是能耗大户,合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程,合理利用和控制合成氨生产放出的热量,不仅可以节约生产中的能耗,降低成本,还可以提高CO变换率及氨的合成率。热管技术在合成氨工业生产中,不仅可以回收低温余热预热助燃空气或产生低压蒸汽作为生产原料汽,还可以回收高温余热产生中压蒸汽作为原料蒸汽的补充,而且可以控制固定床催化反应器的化学反应温度,使其走向最佳反应,从而提高CO变换率和氨的合成率。我国小化肥厂遍布全国各县共有1700余个,蒸汽是小化肥生产的原料之一,历来都是锅炉房供给的,另一方面小化肥生产又有大量的余热白白放空。回收小化肥厂放空的余热将其变为蒸汽不仅可以满足自身工艺生产的需要,而且可以有多余外供。小化肥生产的余热回收具有相当的难度,其工艺气体中含有大量粉尘及CO、CO2、CH4、H2等多种气体,且具有低温腐蚀性,因此一般常规设备回收很难达到目的。实践证明,利用热管本身的特点通过正确的设计,完全可以在这样的恶劣条件下完成余热回收任务,以下列举一个小化肥余热回收的流程:图7为工艺过程中吹风气燃烧气余热回收的系统装置,回收吹风气燃烧热的流程,由煤气炉放出的吹风气中含有CO和H2可燃性气体,与助燃空气在燃烧炉中燃烧,生产900℃左右的高温烟气通过高温热管蒸汽发生器降至400℃依次进入二级热管空气预热器,加热来自一级热管空气预热器的空气,将空气从140℃加热到320℃去燃烧室作为吹风气的助燃空气。出二级热管空气预热器的烟气温度约280℃进入热管省煤器,将脱氧水加热至130℃,送入汽包,此时烟气温度降至140℃左右再进入一级热管空气预热器,将25℃常温空气预热到130℃进入二级热管空气预热器,最后烟气温度降至120℃左右排入烟囱,这一流程可以产生1.6~2.5MPa的中压蒸汽,直接供变换或其它工段使用。做到了能量的逐级回收,余热的充分利用。
                    


 4.1.2 热管技术在硫酸工业中的应用
     硫酸生产工艺过程有大量的高品位余热产生,理论估计以硫铁矿为原料采用沸腾炉熔烧时,以余热锅炉回收其余热可获得4.0MPa(表压)400℃的过热蒸汽l.0 ~ l.2吨/吨硫酸,一个年产10万吨硫酸的厂每年可自产电力约2440万度,除本厂使用一部分外,可有大量多余电力外输。如果把回收的电费计算在硫酸生产的成本核算中,硫酸的生产成本将降低15 ~ 20%。硫酸厂的余热来自以下几部分:①沸腾床的移出热;②高温SO2炉气的冷却热;③赤热炉渣排出热;④ SO3气体的冷却热。其中①②两部分是最主要的热量。虽然我国大部分硫酸厂对这两部分热量都已作了回收利用,但后两部分的热量大多没有利用。热管技术给这些热量的回收和利用提供了方便和可能。图8是用热管蒸汽发生器回收SO3余热的系统流程,来自转化器的SO3气体温度为310℃左右,经过热管蒸汽发生器的加热段冷却到150℃左右,进入SO3吸收塔,一个年产12万吨硫酸的工厂可回收千吨以上的蒸汽,并可节省一台鼓风机的电耗。
                                   

  
     由于硫酸生产的条件相当恶劣,高温、高含尘量、强腐蚀性等因素常使设备受到危害,致使整个生产停顿造成损失。热管设备的个别管件损坏不会影响整体设备效能,因此也不需要停工检修,所以热管技术在硫酸生产中具有其广阔的开发远景。相继在硫铁矿制酸、硫磺制酸和冶炼烟气制酸的过程中开发了硫酸行业专用的热管式蒸汽发生器、热管省煤器、过热器等系列装置。
 4.1.3 热管技术在石油化工中的应用
     在石油化工生产中的各类加热炉面广量大,提高加热炉的热效率意义重大。回收加热炉排烟余热,用来预热加热炉的助燃空气,提高加热炉热效率。加热炉的排烟温度一般在260~350℃左右,通过热管换热器将烟气温度降低到160℃,可将助燃空气从常温提高到120℃以上,加热炉的效率可以提高6%~8%。热管换热器体积紧凑,压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀,因而特别适用。同时还相继开发了热管裂解炉、热管氧化反应器、环己醇脱氢反应器、催化裂化再生取热器等装置,取得了显著的效果。
 4.2 热管技术在建材和轻纺工业中的应用
     高岭土喷雾干燥热管式高温热风炉:高温、高浓度喷雾干燥的关键是要有较高温度的热风,希望热风的温度能达到500℃以上,同时对干燥物高岭土的白度要求严格,所以在干燥过程中要求避免污染物混入料粉中,用燃烧烟道气为热源的高温热管换热器(也称:燃煤热风炉)非常适合这种工艺要求。煤燃烧出口温度达900℃以上,该高温烟气流经热管换热器的加热段,常温空气通过鼓风机进入换热器的冷凝段,且成逆流布置形式,经换热,空气被加热达500℃以上排出,进入喷雾塔作为干燥热风,而烟气温度则降至200℃以下排放。在此换热器中不同的温度段采用不同的热管,以满足温度、传热、材料强度等不同的要求,形成组合式的热管换热器,如图9所示。
     其次,热管换热器在玻璃窑炉、水泥窑炉、陶瓷窑炉、隧道窑等的余热利用以及纺织工业中浆纱机的余热回收中得到了应用。
                                      


 4.3 热管技术在冶金工业中的应用
     冶金工业是耗能大户,每年有大量的热能排入大气,既浪费了资源也污染了环境,回收余热合理利用是冶金工业的一项繁重任务。热管技术在冶金工业中有着广阔的应用前景,当前国内成功的应用体现在以下两方面,即高炉热风炉余热回收和烧结机的余热回收。
     (a)高炉热风炉余热回收
     炼铁高炉的热风炉是蓄热式炉型,在蓄热过程中排放出的烟气温度有时可高达400℃,用这部分烟气去加热燃烧所需的助燃空气,不仅可以节省燃料,更重要的是可提高蓄热炉的炉顶温度,从而可使入炼铁炉的热风温度升高,热风温度升高可使炼铁焦比下降,一般情况下,温度在1000℃以上的热风每提高100℃,每吨铁所耗焦炭可节约15公斤。
     我国第一台高炉热风炉热管空气预热器于1982年在马鞍山第一炼铁厂正式投用。使用后效果显著,燃料煤气耗量减少了4%,另由于使用热管空气预热器后入炉热风温度升高,结果使每吨铁的焦炭耗量减少了10公斤,当年即可收回全部投资。该设备主要参数如表1。
          


     经过近10年的发展,至20世纪90年代,此技术已趋于完善,目前国内许多大型钢铁企业都采用了这一技术,最大换热量已达20000kW,由于容量大,且多为双预热(同时预热空气和煤气),因之都采用分离式的热管空气预热器。图10为某钢铁公司高炉热风炉余热回收的流程及其参数。从热风炉排出的烟气(250℃)通过分离式热管换热器的加热段降至145℃,由烟囱排入大气。分离式热管换热器的冷却段由两部分组成,一部分加热助燃空气,另一部分则加热燃料煤气,这种双预热系统使燃料煤气和助燃空气同时被加热到130℃以上入炉燃烧,大大提高了燃烧效率。运行表明:该炉的热风温度比过去不采用此项技术前的热风温度提高了42.4℃,这样使每吨铁的焦炭耗量节约了6.36公斤。1993年6月份,该高炉产铁184787吨,共节约焦炭1175吨。约合人民币43万元/月,同时煤气的消耗量也有所下降,按热值计节约8648.3公斤/月,约合人民币10.2万元/月。
     (b) 烧结机的余热回收
     冶金烧结工序能耗较高,约占钢铁冶金总能耗的10%~12%,根据冶金行业对部分烧结厂的热平衡测定,一般烧结厂的总能耗达250 ~ 300GJ/t,烧结热效率仅50%左右,余热量很大。如何合理有效地开发和利用烧结矿余热,一直是国内外烧结工作者所关注的课题。经过十多年的不断研制与推广,从24 ~ 360m2的烧结机回收的余热可产生0.5 ~1.6MPa的蒸汽3 ~ 20T/hr,所产生的蒸汽可直接用于拌料,使给料温度大大提高,从而提高产率4% ~ 5%,并使每吨的动力消耗下降0.5kWh。经测定计算一台75m2的烧结机回收此项余热的经济效果可达70万元/年。一般情况下设备投资在八个月可以回收,系统全部投资回收不超过14个月。
 


 4.4 热管技术在动力工程中的应用
     图11为一台130T/hr的电站锅炉应用热管空气预热器的流程图及其设计参数,在一般情况下,电站锅炉热管空气预热器的成本可在l.l ~1.2年内回收,热管安全运行的时间应达到五年。其优点是可以通过设计使壁温维持在露点温度以上,防止低温结露,既可避免由结露引起的低温腐蚀,也可避免了灰份在酸露的作用下形成粘结。由于烟气侧和空气侧的隔板有良好的密封结构,因而也使空气漏入烟气量减少(2%以下)。这些优点使热管空气预热器在电站锅炉中的应用具有很大吸引力。
 


 4.5 热管技术在环保烟气脱硫过程中的应用
     国内外目前普遍采用的脱硫方法为湿式石灰石—石膏法烟气脱硫技术,90%以上的国内外火电厂脱硫技术均采用此种方法,在该工艺中,选择既经济又高效可靠的烟气换热装置是脱硫工艺中的关键环节,利用未脱硫的高温烟气通过换热器去加热脱硫后的净烟气,使净烟气从40℃被加热到80℃以上排放, 提升烟气的抬升高度,如图12所示。利用脱硫换热器既可以回收高温烟气的热量、节省能源,又可以保证脱硫塔的正常工作、减少水消耗,同时提高脱硫塔的脱硫效率、降低对大气的二次污染。
                             


 4.6 热管在稳定冻土路基上的应用
     青藏铁路多年冻土区内,如何避免路基的融沉和冻胀,引发了热管稳定路基的工程课题研究。前苏联在公路路基、水库工程地基中使用低温热管,加拿大也使用热管整治铁路路基冻土病害防止路基的融沉变形。我国在青藏公路的涵洞以及东北输变电设备的地基进行了试验。我集团公司自主开发的低温热管已成功用于青藏铁路冻土路基的固化。同时正在开展寒区公路、桥梁、输送管线的基础稳固和路面积雪融化等技术的应用推广。
 4.7 其它应用
     应用热管技术在电子电器工程中的散热,如密闭壳体中电子器件的散热、CPU的散热、大功率电子元器件的冷却等;
     航天飞行技术上、太阳能应用、核电工程中的应用等;
     热管在空调新风换热中的应用,可利用排出的浊空气预热(或预冷)进入的新风,达到有效地节省电力。
 5 热管换热器的设计与选用
     热管换热器的设计主要包含二大部分,换热器的热力计算和热管的极限校核。设计计算的主要任务在于求取总传热系数,然后根据平均温差及热负荷求得总传热面积,从而确定热管的 根数。其设计和常规换热器设计有相似之处,但设计中还应考虑:
     (1) 选择适当的标准迎面风速,风速过高会导致压力降过大和动力消耗增加,风速过低会导致管外膜传热系数降低,热管的传热能力得不到充分发挥;
     (2) 选定合适的热管参数,根据设计条件,对不同类型、应用在不同场合的换热器选择其合适的参数,对含尘量较高的、有腐蚀性的气体则选择间距较大、热管外缠绕的翅片螺距较大、翅片较厚而翅片高度较低的翅片管,对较清洁的气体则可以选择较密的翅片间距;
     (3)  重视原始参数的核实和计算公式的验证。热管换热器的设计应特别重视原始参数,一般的余热回收设备大都在已运行的系统中作为附加设备设计的,因此对系统中相关联的设备的影响要求较严格,现场的原始参数需要精确测定,同时根据场地情况、系统的要求选择合适的结构;
     (4) 对重要的工程和缺少经验的情况下,一些重要的设计参数公式应进行必要的试验和验证;
     (5)热管根据其工作温度的不同,可分为高、中、低温热管,作为热管换热器,在沿气流方向上,各排热管的工作温度是不一样的,因而热管内部根据温度的不同选用不同的工质;
     (6)热管的工质选定之后,根据工质与管材的相容性与经济性等因素来选择热管管材。
 6 结语
     随着热管技术产品的开发成功和大面积的推广与应用,使各企业获得了巨大的经济效益和社会效益。同时,热管技术的发展与应用还需要各行业的工程技术人员与我们共同努力,开拓新的应用领域。
 
 参考文献
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