1、-1-哈尔滨工业大学 热编号：3014科学研究报告应用热管提高小型锅炉效率热工教研室 方彬 赵北万哈铁科研所 金益相 富金钢 栾尚俊哈尔滨工业大学学术情报科一九八二年八月-2-应用热管提高小型锅炉效率热工教研室 方彬 赵北万哈铁科研所 金益相 富金钢 栾尚俊 前 言我国目前小型锅炉数量大，排烟温度高、效率低、消耗燃料多。因此，提高其效率，降低燃料耗量，节省能源的潜力大。热管是在我国刚开始应用于工业节能的一门新技术。热管是一种新型的高效率传热元件，由热管组成的换热器具有体积小，结构紧凑拆装方便等特点，因此，特别适用于小型锅炉余热回收。实践证明小型锅炉应用热管技术提高锅炉效率 5%是没有问题的。本
2、文对应用热管提高小型锅炉效率进行论证。一、热管及热管换热器热管就是普通的管子抽成真空，注入工作液体（工质） ，然后封住口的管子。热管是一种高效能的传热元件，热管的传热能力比良导体能力要高几百倍甚至上千倍。这是由于热管的传热是利用了沸腾吸热和凝结放热这两个最强的传热机理。所以，热管可以在很小-3-的温差下，传递很大的热负荷。图 1 热管工作原理热管的工作原理，如图 1 所示。热管的工作时一般分为三段，即吸热段、绝热段和放热段。一般热管的工作位置是吸热段在放热段的下面。当热管的吸热段被加热时，管内的工作液体就沸腾，并吸收汽化潜热，产生的蒸汽在工作液体和蒸汽之间所形成的压差作用下运动到放热段，并向外
3、界放出汽化潜热，凝结下来的工作液体靠管内壁上的毛细作用返回到吸热段。然后再汽化吸热、再到放热段凝结放热，凝结下来的液体再返回到吸热段，这样循环下去，便完成了热量的连续传递过程。管内有吸液芯的热管，其工作液体回流是靠吸液芯的毛细作用。它的工作位置不受限制，即热管水平放置也能很好的工作。管内无芯热管，其工作液体回流是靠重力回流，其工作位置要受到限制，即这种热管处于水平位置是不能工作的，必须垂直或水平成一较大的夹角才行。热管主要由管壳、吸液芯和工质组成。对气气换热的热管，为了强化传热过程，在热管的加热段和放热段都装有翅片。以热管为元件组成的换热器称为热管换热器，它可以作为锅炉的空气预热器或省煤器。热
4、管换热器的示意图，如图 2 所示。热管换热器管束的排列有顺排和叉排，一般有 6-10 排，每排有数根至十余根。每台换热器可有数十至数百根热管，管长目前工业上用的为2 米左右。光管外径为 25，翅片外径为 50，每根传递的功率为-4-1.5 千瓦左右。图 2 热管换热器图热管换热器与一般空气预热器和省煤器等相比较有如下一些特点：1、体积小，重量轻在气气换热的情况下，由于热管换热器的传热系数比翅片管的高 6 倍，比光管的高 10 倍（如表 1 所示） 。因此，传递热量大。若是我们使它们传递的热负荷相同时，则很明显，以热管换热器的尺寸为最小，翅片管和光管的尺寸要大许多倍。表 1 气气换热器传热系数的
5、比较传 热 元 件 传热系数 K（大卡/米 2时度）光 管翅 片 管热 管2037268在重量方面与光管式相比，由于光管式换热面积是由管壁组成，而热管式则是由较管壁薄得多的翅片组成。因此，热管式换热器较管壳式的轻 12 倍。2、流程短，流阻低由于在热管换热器中空气是在管外流动的，这就大大缩短了气体的流程，比气流在管内流动的局部阻力要小得多。因此，热管换热器的流阻比管壳式和板翅式都小。3、结构简单，拆装方便4、热管换热器中的热管都是一个独立的换热元件，因此，拆装方便，如有部分热管更换时，不会影响整台换热器的工作。除此之外，还有运行安全可靠等优点。-5-二、热管空气换热器应用于小型锅炉上的方案小型
6、锅炉加热管空气换热器的方案如图 3 所示。采用热管空气换热器从排烟的废热中回收热量，然后加以利用的方案是很多的：（1）可用回收热量去加热空气，然后引入锅炉的炉膛参加燃烧，起空气加热器的作用。 （2）可用回收的热量去加热水，这时热管换热器起相当于省煤器的作用， （3）可以把由热管换热器得到的热风和热水用于工业生产和生活等用气、水等。不管回收的热量怎样利用都可以使锅炉的排烟温度降低，从而降低排烟损失，提高锅炉的热效率。图 3 小型锅炉带热管空气换热器装置示图三、应用热管换热器提高小型锅炉热效率的实例我们已经设计、实验了一台 DK1 型蒸汽机车锅炉热管换热器。利用热管换热器从排烟的废热中回收热量加热
7、空气，然后引入炉膛参加燃烧。从而达到提高锅炉效率的目的。1、DK 1 型蒸汽机车锅炉的主要参数及热管换热器的热力计算结果。已知参数：-6-锅炉压力：P K=13 公斤 /厘米 2炉床面积：F=4.73 米 2锅炉蒸发传热面积=224.88 米 2锅炉蒸发量：D=3776 公斤/时燃烧率：Y P=123 公斤/ 米 2时蒸发率：Z K=16.8 公斤/米 2时烟气流量：G g=7500 公斤/时空气流量：G a=6650 公斤/时空气进口温度：t 1=10烟气入口温度：t 1g=330烟气出口温度：t 2g=270热力计算结果：烟气余热（以 0 为基准）：Q 0=64 万大卡 /时回收热负荷：Q
8、 g=11.7 万大卡/时余热回收率：Q g /Q0=18.2%空气预热 i 后温度：t 2a=83烟气侧风速：v g=4.8 米/秒空气侧风速：v a=4.3 米/秒烟气侧放热系数： g=485 大卡/米 2时度空气侧放热系数： a=703 大卡/米 2时度烟气侧放热系数： Kg=234 大卡/米 2时度空气侧放热系数： Ka=316 大卡/米 2时度第一排热管内饱和蒸汽温度：T v1=207第末排热管内饱和蒸汽温度：T vf=140烟气侧阻力：P g=20.8mm 水柱空气侧阻力：P a=28.6mm 水柱-7-由热管换热器到锅炉膛管道（单侧）阻力P g=20.8mm 水柱2、热管及热管换
9、热器的结构单管采用钢铜复合管及低碳钢无缝钢管两种。复合管内表面开64 个 0.40.4mm 纵向槽道，起毛细作用以利工质回流。钢管外径d=25mm，外装翅片，翅片外径 df=50mm，翅片间距，空气侧为 4mm，烟气侧为 6mm。考虑到耐磨性，选择翅片厚为 0.8-1.0mm。热管加热段为 945mm，冷凝段长为 620mm。热管绝热段中有铸造密封锌环，起密封作用。热管两端还有封头护帽。热管总长为 1697mm。热管用扩散泵或排空法获得真空，然后注入 1520%的二次蒸馏水，封住口。热管换热器为整体箱式结构，便于整体吊装。顶部设有端盖便于单管的拆装。空气与烟气靠隔板与锌环密封。64 根热管分装
10、在两个箱体之内，按叉排排列，管间距为 65mm。与辅助轴流通风机及后部空气通道连接。热管换热器总重 300 公斤。3、热管换热器性能测试热管换热器性能的集中测试是从 1982 年 3 月 15 日到 27 日，共测试了 11 个工况，测试结果取平均值表示如下。锅炉工作压力： PK=12.8 公斤/厘米 2锅炉蒸发量：D=4537 公斤/时耗煤量：687 公斤/时蒸发系数：6.6 公斤汽/公斤煤锅炉热效率：=66.86%烟气入口温度：t 1g=337烟气出口温度：t 2g=217.3烟气温度降：t g=65.7热空气的流速： va=6 米/秒热空气流量：G a=5268 公斤/时-8-冷空气进口
11、温度：t 1a=5.7热空气进入灰箱温度：t 1a=108回收总热量：Q=13.0755 大卡/时总的效果为：锅炉热效率提高：7%（绝对值）节煤率：12%节省煤：92 公斤/时4、经济收益每套热管换热器的试制成本费：热管成本：水钢热管每根 66 元，水铜钢复合热管每根 170 元。热管联箱成本：二只 1120 元空气通道成本：1000 元烟箱改造费：2000 元灰箱改造费：1000 元如使用水钢热管整套热管换热器试制成本费计：66 元64+1120 元+1000 元+2000 元+1000=9344 元如使用水铜钢热管换热器，试制成本费计：170 元64+1120 元+1000 元+2000
12、元+1000=16000 元年节能价值，如本锅炉按每日 10 小时运行，每年 300 工作日，其节煤 为：92 公斤10300=27600 公斤/年。年节煤，如按每公斤煤 0.04 元计算，其价值为：2760000.04=11040=11040 元辅助风机年耗电量，每台风机功率 0.55 千瓦，计两台，工业用电每千瓦时 0.07 计算为：0.070.552300=231=231 元-9-每年日常维修费用，如用每根热管 20 元修理费用基数，年修理费为：20 元64=1280 元则年节能价值为：110040-231-1280=9529 元投资偿还时间：如本装置全部使用水钢热管其偿还期为：9344
13、9529=0.98=1 年如本装置全部使用水铜钢复合热管其偿还期为：160009525=1.68 年以上所述成本为现阶段试验研究成本，如定型推广，可大幅度下降，大约下降 1/3 左右。该热管换热器已于 1982 年 7 月 28 日经铁道部哈局鉴定通过。四、与同类型热管换热器比较把我们设计实验的蒸汽机车锅炉热管换热器与日本东芝公司（A 、B、C 工厂）设计实验的小型锅炉热管换热管进行比较，其性能比较列入表中。表 2 热管换热器性能测试结果项 目 单 位 A 工厂 B 工厂 C 工厂 DK1 型烟气入口温度 250 247 230 337烟气出口温度 170 137 164 271.3空气入口温
14、 25 20 30 5.7-10-度空气出口温度 120 136 87 108烟气流量 标米 3/时 10000 8900 6800 7500 公斤 /时空气流量 标米 3/时 9500 8300 6400 5268 公斤 /时回收热量 大卡/时 280000 304000 134000 130000锅炉蒸发量 吨/时 12 10 10 4.5提高锅炉效率% 35 35 35 57蒸汽压力 公斤/厘米 2 7 8 7 12燃烧燃料 煤油、瓦斯 煤油、瓦斯 重油 煤通风方式 机械送风 机械送风 机械送风 机械送风换热器尺寸高长宽米1.7720.261.462.850.41.271.60.271.
15、60.450.35节约燃料率 % 12从表 2 中可以看出，D K1 型换热器与日本东芝公司 A 工厂、B工厂、C 工厂比较，体积为最小，而锅炉效率提高的百分数为最高。在重理指标方面，D K1 型换热器为 300 公斤，日本东芝公司几家工厂的换热器的重量指标没有发表，但从尺寸上来看来要重得多。省煤率，D K1 型换热器为 12%，日本东芝公司几家工厂换热器的数字也没有发表，但从锅炉效率提高的百分数来看，D K1 型的要高得多。五、热管低温腐蚀与积灰-11-对一般的换热器特别是与烧重油的烟气接触时，腐蚀问题比较严重。腐蚀严重否取决于酸露点的高低。酸露点的高低随燃料含硫量（% ）以及含湿量（%）的
16、情况而异。一般来说，如果烧重油，常要求管壁温度在 100以上。但是，对蒸汽机车锅炉换热器接触的是燃煤的烟气，而且排烟温度高达 270。热管内部温度都在140200，因此，热管的壁温是比较高的。所以，设备投入运行七个月末，经过数次的全部抽管检查，热管的光管表面、翅片表面以及焊缝均无发现有腐蚀现象。蒸汽机车锅炉热管加热器的积灰问题是很严重的。由于加热段的翅片较厚和较密，再加上蒸汽机车锅炉排烟的含灰量大，因此，积灰很严重，运行数十天就将翅片堵满，特别是处于流速低处的热管堵得更为严重。但是，蒸汽车车锅炉排烟灰为干灰，虽然积灰很多，但一碰就掉。我们在每组热管换热器上装了一个吹灰器，用锅炉蒸汽机吹扫。隔
17、23 日清扫一次灰，空气出口温度上升 1015。蒸汽机车锅炉热管加热段的积灰的情况与热管所处速度场中位置有关。如在主流区的热管积灰不多，中是在管子后面涡流区里有一点积灰。但是，处于低速区，特别是涡流区里的热管积灰最为严重。投入运行三周取出的热管，其翅片间隙几乎全部被积灰堵满。但是轻轻地摔几下，所有的积灰全部离开热管。根本不需用什么工具去敲打。全是干灰一碰就掉。如用压力蒸汽可空气清扫很容易清掉。用水冲洗，也很容易。现在采用的翅片间距为 5mm。看来 5mm 的间距小些。应加大10mm。间距加大，积灰情况会有改善。如再改善一下速度分布还会更好些。-12-六、热管的安全问题安全问题是设备应用的关键之
18、一。热管的运行是安全的。热管运行的安全性，是在热管的热管换热器的设计时加以考虑、控制以及在运行中采取措施来保证的。以水为工质的热管为例。热管内的充水量经世界各国工程技术人员的研究认为为管内体积的 1520%适宜。这样，热管在处于工作状态时，管内工质就处于饱和状态，管内工质的流动为双相流动。这时，管内工质的温度为饱和温度，其压力为饱和压力，二者之间的经验关系式为P 饱 =（t 饱 /100） 4可见，随着 t 饱 的增加，P 饱 增加是非常迅速，如表 3 所示。我们目前应用的水铜钢复合热管和水钢热管在设计时，控制管内饱和蒸汽温度一般不超过 250，则相应的饱和蒸汽压力为不超过 40.56公斤/
19、厘米 2，对上述两种热管做过破坏性实验，当管内温度升高到300以上时，才发生破裂，即管内压力达到 87.61 公斤/厘米 2 以上热管才破裂，管子破裂处都发生在端帽焊接和抽空咀的焊接处，管子中间从未发和过破裂。因此，管子即使破裂了，也没有多大的危险。热管是个压力容器。热管的安全运行，除了热工计算之外，还要在热管强度计算时，通过管材、管壁厚、端帽结构设计计算来保证的。通过端帽的结构方案设计来提高热管的强度，大有文章可作。在热管热流体和冷流体的温度确定之后，管内的饱和蒸汽温度就已经确定了。这可以通过热管加热段与冷凝段的热平衡来计算确定。如果，管内工质温度高了，在允许的情况下改变热流体或冷流体温度或
20、者改变热管加热段与冷却段的比例，都可以使管内工质温-13-度降下来，使热管工作时是安全的。一旦送风机出了故障，马上把烟气从旁通烟道切除到主烟道，以保证装置的安全。七、结束语应用热管换热器来降低小型锅炉的排烟损失，改善锅炉炉膛内的燃烧状况。提高锅炉热效率 5%，是不成问题的。总之，这台空气预热器是目前我国首次在小型锅炉上应用性能较好的，已经通过鉴定的气气热管换热器。它将在小型锅炉的余热回收中起积极的作用。参考文献（1）哈工大锅炉教研室编小型锅炉 1978 年（2）锅炉设备 罗姆等著 1965 年（3）热管在蒸汽机车上应用 方彬 赵北万等 1981 年（4）工业锅炉，西安交大锅炉教研室 1973 年（5）热管设计研究与工程应用 重庆大学 1981 年（6）D K1 型蒸汽机车锅炉热管换热器技术鉴定资料 金益相、方彬、富金刚、赵北万、栾尚俊等 1982 年（7）热管热交换器在锅炉空气预热器上的应用 日本东芝公司 1981 年（8）热管省煤器在锅炉空气预热器上应用日 阿波村 齐 1981 年（9）传热学 杨世铭主编 1980 年（10）工程热力学 沈维道主编 1979 年
