浅谈燃气供热锅炉采用热管技术回收余热的适应性

摘要：针对在燃气供热锅炉余热回收工作中采用直接换热或是热管换热的争论，从换热效率、换热装置体积、装置使用寿命和经济性等方面，论述了在现阶段并不适合将热管技术应用在烟气余热回收换热器中。
　　关键词：节能;燃气锅炉效率;热管技术;余热回收;热效率
　　中图分类号：TU833 文献标识码:B 文章编号:1008- 2271(2005)06- 0261-02
　　随着国民经济迅速发展，我国出现了全国性的能源紧缺。建筑能耗占总能耗的三分之一左右，而建筑能耗中，除了建筑物外围护结构能耗之外，最主要的部分就是暖通空调系统的运行能耗了，因此降低暖通空调能耗成为缓解我国能源紧张状况的重要途径。对于必须采暖的三北地区、尤其是大量使用天然气的地区，如何提高燃气供热锅炉效率以节约能源，是摆在技术人员面前的重要课题。
　　随着国家对节能工作的日益重视，各种新技术、新产品应运而生，其中不乏节能效果非常好的技术及产品，但是也出现了一些值得注意的问题。有些产品打着新技术的旗号，但无法达到所标榜的节能效果。对此，必须以严谨的态度加以审视和关注。
　　从节能的途径分析，燃气供热锅炉效率的提高主要包含两方面:即提高产热效率(即燃烧效率)和热量利用效率。燃烧效率主要由燃烧器决定。目前燃烧器的燃烧效率已经很高，提高起来有一定困难，因此，提高热量利用效率就是提高燃气锅炉效率、实现燃气锅炉节能的基本途径。燃气锅炉的排烟温度一般较高，如果在烟气出口增加余热回收装置，就是提高燃气锅炉效率的简便易行的方法。
　　当前燃气锅炉余热回收装置通常利用温度较低的系统回水吸收高温烟气中的热量，如同给锅炉增加了一个回程，主要有两类形式:一种是直接吸收式，烟气中的热量通过换热装置中的金属受热面直接传给水;另一种是热管余热回收装置，即烟气中的热量先传给热管，再通过热管传给水。由于热管技术是一项较为新颖的技术，而且在某些领域内表现出比传统间壁式换热技术优越得多的性能，因此广受关注，许多公司也开始大规模宣传热管式回收装置。笔者认为，在缺乏可靠试验数据的情况下，不宜大规模在燃气供热锅炉余热回收工作中推广使用热管技术。
    1 热管工作原理
    热管的概念首先出现于1944年。1963年，美国LosA lamos国家实验室的G.M .G rover独立发明了这种传热元件并将其正式命名为热管(heat pipe)。1965年Cotter首次提出了较完整的热管理论。20世纪70年代以来，我国也开展了对热管的研究和应用。
                
    如图 1所 示，一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3x(10一’-10-0 )p a 的负压后，充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，中间为绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，热量就由热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下6个相互关联的主要过程川,(1)热量从热源通过热管管壁和吸液芯传递到〔液一汽)分界面;(2)液体在蒸发段内的(液一汽)分界面上蒸发;(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;(4) 汽在冷凝段内的汽一液分界面上凝结;(5)热量从(汽一液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
    2 热管换热效果是否高于直接换热
      传热过程实际是由导热、对流、辐射三种基本传热方式组成的。在燃气锅炉余热回收装置中，由于温差较小，传热可以简化为导热和对流两种方式川。
                     
    普通余热回收装置的单位换热面积热阻R沿热流方向可分为三部分(如图2所示):①烟气与金属管壁面之间的对流热阻(R,) ;②由金属一侧到另一侧的传导热阻(R,);③水与金属管壁面之间的对流热阻(Rs)。即有:
           
    由此可知，热管即使可认为其内部热阻为零，其总热阻也不一定小于直接换热器热阻。因此在燃气锅炉余热回收应用中，换热面积相同时，热管换热器的换热效果也不一定优于直接吸收式换热器。
    3 热管换热器体积是否小于直接换热器
    由于设计燃气供热锅炉时并未考虑回收烟气余热，因此锅炉房加装余热回收装置时，换热装置的占地面积大小也是确定换热装置类型的关键因素。换热器的占地面积往往取决于其体积，而考虑换热器体积，必须固定换热面积。也就是说，在比较两种换热器的体积时，必须选择同样的换热面积。
    对于普通直接换热器，烟气与金属换热面的一侧直接接触，水与金属换热面的另一侧直接接触，因此其换热面积与金属换热面(包括扩展表面，如翅片)面积相等。而由热管换热原理可知，每根热管分为三部分:吸热段、绝热段和放热段，如果忽略不计绝热段的面积，则每根热管与直接换热的等效换热面积为该热管外表面的一半。如果再加上热管内部所需空间，要想达到与直接换热等效的换热面积，其体积上并不占优势。只有当热管通过增加翅片来扩展换热面积时，其体积才可能较小。
    4 热管使用寿命
    直接式换热器的寿命通常只受所使用的材质影响。如果能有效解决金属壁面的腐蚀问题，可认为直接式换热器具有相当长的寿命[3]。
    而影响热管寿命的因素很多。归结起来，造成热管失效的主要原因有以下三方面:
    1) 热 管 内部真空度被破坏。热管内部为1.3x(10一‘-10-4 )Pa 的负压，以国内现有的热管加工工艺来看，其负压几乎不可能长时间维持，而热管换热器也不叮能定期进行抽真空处理，因此如果热管的真空度被破坏，内部工作液体沸点改变，而巨增加了其他传热热阻，整个热管的传热性能可能还不如一根实心金属棒。
    2) 工作液体热物性恶化。有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或者是与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能(如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象)。一般低温沪常温热回收系统多采用以水为介质的热管，更容易引起热管内部腐蚀和其他相容性问题。
    3) 管壳材料的腐蚀。工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。
    综上所述，就不难看出为什么有些热管换热器，第1年好用，因为其所有热管均参与传热;第2年就开始不好用，因为其热管部分失效;等到第3年、第4年没有用，是因为热管全部无效了。
    5 经济性及其它
    节能产品的经济性应当从其投资回收期人手，投资回收期又由三方面决定即:一次投资、年节省费用和可使用年限。
    1)从上面的论述观点不难看出，如果达到同样的有效换热面积，热管余热回收装置的体积比普通余热回收装置体积要大，使用的钢材也要相应增多，因此，如果换热效果相近，热管余热回收装置应当比普通余热回收装置贵很多。
    2) 从年节省费用来看，相同换热面积时，由于热管余热回收装置单位面积热阻与普通余热回收装置相当，因此其年节省费用也相当。
    3) 好的热管，寿命也仅有3-4年，远低于普通余热回收装置。
    从以上这三项指标可以看出，热管余热回收装置同普通余热回收装置比起来，并不适合用在燃气供热锅炉中。
    6 后记
    热管技术确实为一项好技术，将其应用在诸如远距离输送热量的系统中以及要求“均温”等特殊场合，就有其独特的优越性。但将其作为一项万能技术，取代所有换热装置是不合适的。由上述种种分析不难理解，该项技术诞生至今几十年而尚未在工业界大规模普及的原因。由于燃气供热锅炉的烟气与热回收工作开展时间并不长，在没有充足数据和充分论证的情况下，盲目将热管技术应用在燃气供热锅炉余热回收装置中的做法并不适合，必然造成人力、物力和财力的浪费，不符合我国建设节约型社会的总目标。