利用碳钢―水热管回收烟气余热

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摘 要：重力热管（热虹吸管）具有广阔的应用前景和发展潜力。本设计应用重力热管对锅炉排放到大气中的烟气所带走的热量进行回收，利用回收的这部分热量加热助燃空气，这种换热器即重力热管式空气预热换热器。

关键词：重力热管 热管式空气预热器 锅炉烟气 余热回收

一、概况

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的传输而无需外加动力。近年来热管技术飞快发展，特别是热管换热器在余热回收方面取得了良好的效果。

我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，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、高温热管热风炉等各类热管产品。由于碳钢―水两相闭式热管的结构简单、价格低廉、制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢―水相容性的基本解决，使得此类热管得以广泛的应用。我区煤炭储量丰富，能源的综合利用水平较低，因此我区热管研究及开发的重点为节能及能源的合理利用，在煤化工及煤转油行业应用较多。

某炼油厂欲利用热管换热器回收烟气中的余热用以预热助燃空气，本课题针对这一设想拟选用气-气整体重力式热管换热器，管材选用碳钢，介质选用水。

二、重力热管及其换热器简介

2.1 重力热管的工作原理

两相闭式热虹吸管（Two―PHase CLosedTHermosypHon）又称重力热管，简称热虹吸管，与普通热管一样，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力而工质自行循环。但与普通热管所不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此热虹吸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，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。

2.2 重力热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特征。

很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽―液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量。

（2）热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即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，或者热管可以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

（3）热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力。因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。

（4）环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件变化而做成各种形状，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热。热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。

三、环肋管的传热计算

中温热管换热技术是热管应用技术比较成熟的领域，有广阔的发展前景。中温热管换热器设计时要考虑多方面的影响，比较复杂。但中温热管换热器的设计主要集中在对热管的选择，并要求设计计算出换热器需要的热管总数，本章以具体工程实际为背景进行换热器的设计，最后给出了换热器的结构形式。

3.1烟气及空气参数的确定

某炼油厂欲利用热管换热器回收烟气中的余热用以预热空气，拟用气-气整体重力式热管换热器

烟气流量：VH=7000 m3/H （标况） 排烟温度：t1H=160～250 ℃

空气流量：Vc=6500 m3/H （标况）

选定烟气出口温度为t2H=120℃，主要是为了充分利用热量，应尽量降低烟气出口温度，但过低的温度不利于排灰，另外，还要考虑到低于120℃时硫的腐蚀性较强。选定入口空气温度为t1c=20 ℃，是根据一般情况下的环境温度决定的。

3.1.1烟气侧热管外表面采用加大节距的环形翅片的方案设计

已知参数：

烟气流量7000m3/H（标准状况），排烟温度160～250℃；

助燃空气流量6500m3/H（标准状况），空气进热管换热器温度20℃。

根据换热器运行的温度范围和技术要求，采用热管换热器，热管为重力热管，并选用水为热管工质，管壳材料为碳钢，翅片与管壳连接方式为高频焊接。

四、结论

本设计通过理论计算确定了在特定条件下中温重力热管的最佳结构形式。

增加热管换热器以后，不影响锅炉正常运行，不需要改动锅炉辅助设备，如（鼓风机、引风机、除尘器等），而且降低排烟温度（仍高于烟气酸露点，不会腐蚀设备），减少排烟热损失，提高锅炉燃烧所需的空气温度，对锅炉燃烧的稳定性及经济性都大有益处。设备初投资的回收期短（1.32年）。

提高节能效率是当前社会共同关注的大事，而作为耗能大户的工厂企业对于烟气废热回收利用的要求非常迫切，目前废热的回收再利用在我国才刚刚开始开展起来，采用热管技术，将烟气废热回收再利用于热水加热、采暖、制冷空调等方面，进一步提高节能效率。由此可得，热管换热器将会具有广泛的应用前景和发展潜力，同时会获得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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[2] 庄骏，徐通明，石寿春. 热管与热管换热器. 上海.上海交通大学出版社. 1989：1～150

[3] 李亭寒，华诚生. 热管设计与应用. 北京. 化学工业出版社. 1990：18～111

[4] 吴存真，刘光辉. 热管在热能工程中的应用. 北京. 水利电力出版社.1993：9～137