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无相变热管在换热器上的应用点击：1853 日期：[ 2014-04-26 22:45:03 ] |
| 纪凤羽 吴笳笛 朱丽珍 王维宪 摘要 阐明了无相变热管的结构、工作原理与钢- 水型热管不同之处, 并作了简要经济分析。 关键词 无相变热管 钢- 水型热管 换热器 1 前言 热管是一种内部充填一定工质(水和丙酮、乙醇等有机化合物及无机物钾、钠等碱金属) 的真空封闭金属管。其工作原理是加热端吸收热能使管内工质蒸发, 蒸汽快速移到冷端放热后凝成液体再回到加热端继续吸收热能、蒸发、传热, 这种靠相变传热循环不止的金属管件, 称作热管。所谓钢—水型热管是一种比较经济、普通和产量大的常用热管。热管多用在节能工程上,是由传热技术需要而发展起来的一种高效传热元件。 2 热管的发展 热管40 年代起源于美国, 60 年代用于传热技术, 70 年代以后广泛用于节能工程上。我国70 年代有译文报导并进行探索研究, 80 年代作为节能产品逐步得到应用。现在南京、四川、河南、辽宁等地均有小规模热管换热器厂家。 (1) 热管传热特点 ①传热能力大。热管是靠相变以潜热方式进行传热的, 比显热的传导方式传热能力要大许多数量级。 ②温均性好。饱和蒸汽决定于温度, 由相变保持一定温度。 ③传热方向可逆, 热密流度不变。热管水平放置或失重状态下任何一端受热另一端则为放热。在热管内部传热方向是可逆的, 热管的形状、传热面积根据需要可随意设计。 ④对环境适应能力强。根据工作环境可制成形状相适应、传热面积又能满足的热管。又因热管是一种传热元件, 因此, 安装、维修、更换都非常方便。 但是, 作为钢—水型热管致命的弱点是不能在高温环境中长期工作(使用温度范围0～200℃) , 特别是冷端环境温度高于管内工作介质冷凝温度时, 介质的蒸汽就不能冷凝成液体回到加热端去, 因而失去了靠相变进行传热的特性, 此时只能以过热蒸汽的方式传热; 热管长期处于这种高温工作环境, 管内还会产生一种不凝汽, 直接影响传热效果降低传热效率; 同时管内产生的高压还会降低热管的使用寿命, 甚至爆管。为此, 人们又研究出无相变热管, 要取而代之。 (2) 无相变热管的产生 被称为世界热导尖端—无机工质高效热管技术及元件于1989 年问世[ 1 ]。这是我国物理学家渠玉芝教授经过多年潜心研究发明的。这种无相变热管具有以下的独到之处。 ①适应温度范围宽。可在- 100～ 1300℃范围内工作, 传热速度快, 热载能力大, 传热效率大于100% [ 2 ] , 也就是说热阻为“零”。这种特点在当今热管技术中是空前的。 ②无相变热管结构与工作原理。无相变热管在外型结构上与钢—水型普通热管一样, 都是真空的。所不同的只是内部充填的无机工质为无机物, 是无相变传热。其工作原理是在加热端无机工质粒子受热激发产生动能而运动、振动, 并伴随有化学、物理变化, 从而使粒子运动加速、振动甚至振荡、摩擦, 吸收到一定能量之后则有以高速运动的粒子流载着大量的热能,传到冷端放热、冷却后又恢复常态回到加热端继续吸热而传导, 以此往复不止, 这种无相变传热效率大于100% , 迄今为止还没有权威者作出解释。但须应用在360℃以上工作环境中, 证明传热效率高, 不爆管。 3 无相变热管在空气预热器上的应用 盘锦乙烯工业公司有一台燃油、气型70t/h 锅炉, 根据节能要求由某节能设备厂配套一台热管空气预热器, 热管为钢—水型, 共用1680 支热管如图1 所示, 传热面积为2635m 2,设计能力为1957×104kJ/h。1996 年初开始运行, 开始未发现问题, 在350℃左右中运转一年多, 发现有部分热管失效, 于1997 年5 月大修,再次运转至9 月又发现热管失效, 预热器换热能力迅速下降, 空气预热温度与烟道气排放远远落后于设计指标, 锅炉只能在50%～ 70% 蒸汽负荷下运行。为了维持正常生产和冬季取暖的需要, 乙烯工业公司采纳了我院的建议, 用我院与大连熵立得传热技术有限公司共同开发的无相变热管再次对该炉空气预热器进行大修改造, 选用三种传热面积不等的631 支无相变热管代替钢—水型631 支热管, 安装在高温区内,占热管总数的37% , 占总传热面积的29% , 改造工程完毕后于10 月13 日开始运行。 大修改造更换的631 支无相变热管, 经4周运行后, 决定在11 月11～ 14 日进行为期3天72h 满负荷运行, 对其考核的各项指标如表1 所示。 空气经过仅占热管总数37% 的无相变热管吸收的能量是2290×104kJ/h , 比原设计能力提高17% , 如果无相变热管占50% 或更多一些将会有更可观的效果。到目前为止又运行50多天, 运转稳定, 受到该公司的欢迎与好评。 运行实践表明: (1) 无相变热管解决了钢—水热管在高温区的爆管问题(所谓爆管是在真空封口处, 由于焊接质量差成为热管强度的薄弱环节, 热管内不凝气、水蒸气在300℃以上的工作状态下产生高压而冲破焊口)。 (2) 无相变热管换热能力大, 传热效率高,因为在空气预热器1680 支热管中, 仅更换631支, 占热管总数37% , 即得到2290×104kJ/h的能量, 超过原设计能力17% , 而且烟道气基本达到或接近排放标准。这一点是钢—水型热管远不可比的。 4 经济分析 仅从直接经济效益和使用寿命方面简要分析。 (1) 直接经济效益 钢—水型热管空气预热器原设计能力为1957×104kJ/h , 开车后没有达到设计指标, 更换了631 支无相变热管后却达到了2290 ×104kJ/h , 比原设计能力提高333×104kJ/h。 已知燃料渣油燃烧值40592kJ/h , 渣油市场价1500 元/t。 每小时节约渣油 333×104÷40592= 82kg 每天可节约渣油 82×24= 1968kg 每年可节约渣油 1968×365= 718320= 718. 32t 折合成人民币为1500×18. 32= 1077480元, 假如造一台全新的无相变热管换热器用在烟道气余热回收工程中, 运行一年的节能收入可全部收回投资。 (2) 使用寿命 钢—水型热管在盘锦乙烯工业公司锅炉空气预热器上的应用不理想。在360℃环境中运行的热管内将产生18. 9M Pa 工作压力, 失去了热管相变换热的特性; 又因为真空封口处焊接质量差, 强度低, 故有被高压汽体冲破爆管现象产生, 此时管外壁呈淡黄色; 还有热管失效现象, 是因热管在高温情况下内部产生不凝气体降低传热效率所致, 同时又使管内压力, 增高,增加爆管的可能性。从工作现场上看钢—水型热管在360℃温度中运行使用寿命可为1～ 2年。 无相变热管在360℃温度环境中内部压力只有0. 3M Pa, 根本不会出现爆管问题。在制作工艺上也不存在质量问题, 使用寿命当然要长。这里影响寿命主要是烟道气体、灰渣冲刷的机械磨损, 管内介质不存在消极因素。因此, 使用寿命的延长其经济效益是相当可观的。由此看来无相变热管用在换热器上具有广阔的前途。 |
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