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無相變熱管在換熱器上的應用

點擊:1277 日期:[ 2014-04-20 00:59:05 ]

  熱管是一種內部充填一定工質(水和丙酮、乙醇等有機化合物及無機物鉀、鈉等堿金屬)的真空封閉金屬管。其工作原理是加熱端吸收熱能使管內工質蒸發,蒸汽快速移到冷端放熱后凝成液體再回到加熱端繼續吸收熱能、蒸發、傳熱,這種靠相變傳熱循環不止的金屬管件,稱作熱管。所謂鋼—水型熱管是一種比較經濟、普通和產量大的常用熱管。熱管多用在節能工程上,是由傳熱技術需要而發展起來的一種高效傳熱元件。2熱管的發展

  熱管40年代起源于美國, 60年代用于傳熱技術, 70年代以后廣泛用于節能工程上。我國70年代有譯文報導并進行探索研究, 80年代作為節能產品逐步得到應用。現在南京、四川、河南、遼寧等地均有小規模熱管換熱器廠家。(1)熱管傳熱特點①傳熱能力大。熱管是靠相變以潛熱方式進行傳熱的,比顯熱的傳導方式傳熱能力要大許多數量級。②溫均性好。飽和蒸汽決定于溫度,由相變保持一定溫度。③傳熱方向可逆,熱密流度不變。熱管水平放置或失重狀態下任何一端受熱另一端則為放熱。在熱管內部傳熱方向是可逆的,熱管的形狀、傳熱面積根據需要可隨意設計。④對環境適應能力強。根據工作環境可制成形狀相適應、傳熱面積又能滿足的熱管。又因熱管是一種傳熱元件,因此,安裝、維修、更換都非常方便。

  但是,作為鋼—水型熱管致命的弱點是不能在高溫環境中長期工作(使用溫度范圍0~200℃) ,特別是冷端環境溫度高于管內工作介質冷凝溫度時,介質的蒸汽就不能冷凝成液體回到加熱端去,因而失去了靠相變進行傳熱的特性,此時只能以過熱蒸汽的方式傳熱;熱管長期處于這種高溫工作環境,管內還會產生一種不凝汽,直接影響傳熱效果降低傳熱效率;同時管內產生的高壓還會降低熱管的使用壽命,甚至爆管。為此,人們又研究出無相變熱管,要取而代之。(2)無相變熱管的產生

  被稱為世界熱導尖端—無機工質高效熱管技術及元件于1989年問世[ 1 ]。這是我國物理學家渠玉芝教授經過多年潛心研究發明的。這種無相變熱管具有以下的獨到之處。①適應溫度范圍寬。可在- 100~1300℃范圍內工作,傳熱速度快,熱載能力大,傳熱效率大于100% [ 2 ] ,也就是說熱阻為“零”。這種特點在當今熱管技術中是空前的。②無相變熱管結構與工作原理。無相變熱管在外型結構上與鋼—水型普通熱管一樣,都是真空的。所不同的只是內部充填的無機工質為無機物,是無相變傳熱。其工作原理是在加熱端無機工質粒子受熱激發產生動能而運動、振動,并伴隨有化學、物理變化,從而使粒子運動加速、振動甚至振蕩、摩擦,吸收到一定能量之后則有以高速運動的粒子流載著大量的熱能,傳到冷端放熱、冷卻后又恢復常態回到加熱端繼續吸熱而傳導,以此往復不止,這種無相變傳熱效率大于100% ,迄今為止還沒有權威者作出解釋。但須應用在360℃以上工作環境中,證明傳熱效率高,不爆管。3無相變熱管在空氣預熱器上的應用

  盤錦乙烯工業公司有一臺燃油、氣型70t/h鍋爐,根據節能要求由某節能設備廠配套一臺熱管空氣預熱器,熱管為鋼—水型,共用1680支熱管如圖1所示,傳熱面積為2635m 2,設計能力為1957×104kJ/h。1996年初開始運行,開始未發現問題,在350℃左右中運轉一年多,發現有部分熱管失效,于1997年5月大修,再次運轉至9月又發現熱管失效,預熱器換熱能力迅速下降,空氣預熱溫度與煙道氣排放遠遠落后于設計指標,鍋爐只能在50%~70%蒸汽負荷下運行。為了維持正常生產和冬季取暖的需要,乙烯工業公司采納了我院的建議,用我院與大連熵立得傳熱技術有限公司共同開發的無相變熱管再次對該爐空氣預熱器進行大修改造,選用三種傳熱面積不等的631支無相變熱管代替鋼—水型631支熱管,安裝在高溫區內,占熱管總數的37% ,占總傳熱面積的29% ,改造工程完畢后于10月13日開始運行。

  大修改造更換的631支無相變熱管,經4周運行后,決定在11月11~14日進行為期3天72h滿負荷運行,對其考核的各項指標如表1所示。

  空氣經過僅占熱管總數37%的無相變熱管吸收的能量是2290×104kJ/h ,比原設計能力提高17% ,如果無相變熱管占50%或更多一些將會有更可觀的效果。到目前為止又運行50多天,運轉穩定,受到該公司的歡迎與好評。

  運行實踐表明:(1)無相變熱管解決了鋼—水熱管在高溫區的爆管問題(所謂爆管是在真空封口處,由于焊接質量差成為熱管強度的薄弱環節,熱管內不凝氣、水蒸氣在300℃以上的工作狀態下產生高壓而沖破焊口)。(2)無相變熱管換熱能力大,傳熱效率高,因為在空氣預熱器1680支熱管中,僅更換631支,占熱管總數37% ,即得到2290×104kJ/h的能量,超過原設計能力17% ,而且煙道氣基本達到或接近排放標準。這一點是鋼—水型熱管遠不可比的。4經濟分析

  僅從直接經濟效益和使用壽命方面簡要分析。(1)直接經濟效益

  鋼—水型熱管空氣預熱器原設計能力為1957×104kJ/h ,開車后沒有達到設計指標,更換了631支無相變熱管后卻達到了2290×104kJ/h ,比原設計能力提高333×104kJ/h。已知燃料渣油燃燒值40592kJ/h ,渣油市場價1500元/t。每小時節約渣油333×104÷40592= 82kg每天可節約渣油82×24= 1968kg每年可節約渣油1968×365= 718320= 718. 32t折合成人民幣為1500×18. 32= 1077480元,假如造一臺全新的無相變熱管換熱器用在煙道氣余熱回收工程中,運行一年的節能收入可全部收回投資。(2)使用壽命

  鋼—水型熱管在盤錦乙烯工業公司鍋爐空氣預熱器上的應用不理想。在360℃環境中運行的熱管內將產生18. 9M Pa工作壓力,失去了熱管相變換熱的特性;又因為真空封口處焊接質量差,強度低,故有被高壓汽體沖破爆管現象產生,此時管外壁呈淡黃色;還有熱管失效現象,是因熱管在高溫情況下內部產生不凝氣體降低傳熱效率所致,同時又使管內壓力,增高,增加爆管的可能性。從工作現場上看鋼—水型熱管在360℃溫度中運行使用壽命可為1~2年。

  無相變熱管在360℃溫度環境中內部壓力只有0. 3M Pa,根本不會出現爆管問題。在制作工藝上也不存在質量問題,使用壽命當然要長。這里影響壽命主要是煙道氣體、灰渣沖刷的機械磨損,管內介質不存在消極因素。因此,使用壽命的延長其經濟效益是相當可觀的。由此看來無相變熱管用在換熱器上具有廣闊的前途。


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