淺談燃氣供熱鍋爐采用熱管技術(shù)回收余熱的適應(yīng)性

摘要：針對在燃氣供熱鍋爐余熱回收工作中采用直接換熱或是熱管換熱的爭論，從換熱效率、換熱裝置體積、裝置使用壽命和經(jīng)濟性等方面，論述了在現(xiàn)階段并不適合將熱管技術(shù)應(yīng)用在煙氣余熱回收換熱器中。
　　關(guān)鍵詞：節(jié)能;燃氣鍋爐效率;熱管技術(shù);余熱回收;熱效率
　　中圖分類號：TU833 文獻標識碼:B 文章編號:1008- 2271(2005)06- 0261-02
　　隨著國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，我國出現(xiàn)了全國性的能源緊缺。建筑能耗占總能耗的三分之一左右，而建筑能耗中，除了建筑物外圍護結(jié)構(gòu)能耗之外，最主要的部分就是暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗了，因此降低暖通空調(diào)能耗成為緩解我國能源緊張狀況的重要途徑。對于必須采暖的三北地區(qū)、尤其是大量使用天然氣的地區(qū)，如何提高燃氣供熱鍋爐效率以節(jié)約能源，是擺在技術(shù)人員面前的重要課題。
　　隨著國家對節(jié)能工作的日益重視，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)運而生，其中不乏節(jié)能效果非常好的技術(shù)及產(chǎn)品，但是也出現(xiàn)了一些值得注意的問題。有些產(chǎn)品打著新技術(shù)的旗號，但無法達到所標榜的節(jié)能效果。對此，必須以嚴謹?shù)膽B(tài)度加以審視和關(guān)注。
　　從節(jié)能的途徑分析，燃氣供熱鍋爐效率的提高主要包含兩方面:即提高產(chǎn)熱效率(即燃燒效率)和熱量利用效率。燃燒效率主要由燃燒器決定。目前燃燒器的燃燒效率已經(jīng)很高，提高起來有一定困難，因此，提高熱量利用效率就是提高燃氣鍋爐效率、實現(xiàn)燃氣鍋爐節(jié)能的基本途徑。燃氣鍋爐的排煙溫度一般較高，如果在煙氣出口增加余熱回收裝置，就是提高燃氣鍋爐效率的簡便易行的方法。
　　當前燃氣鍋爐余熱回收裝置通常利用溫度較低的系統(tǒng)回水吸收高溫?zé)煔庵械臒崃浚缤o鍋爐增加了一個回程，主要有兩類形式:一種是直接吸收式，煙氣中的熱量通過換熱裝置中的金屬受熱面直接傳給水;另一種是熱管余熱回收裝置，即煙氣中的熱量先傳給熱管，再通過熱管傳給水。由于熱管技術(shù)是一項較為新穎的技術(shù)，而且在某些領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)間壁式換熱技術(shù)優(yōu)越得多的性能，因此廣受關(guān)注，許多公司也開始大規(guī)模宣傳熱管式回收裝置。筆者認為，在缺乏可靠試驗數(shù)據(jù)的情況下，不宜大規(guī)模在燃氣供熱鍋爐余熱回收工作中推廣使用熱管技術(shù)。
    1 熱管工作原理
    熱管的概念首先出現(xiàn)于1944年。1963年，美國LosA lamos國家實驗室的G.M .G rover獨立發(fā)明了這種傳熱元件并將其正式命名為熱管(heat pipe)。1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論。20世紀70年代以來，我國也開展了對熱管的研究和應(yīng)用。
                
    如圖 1所 示，一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3x(10一’-10-0 )p a 的負壓后，充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，中間為絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下6個相互關(guān)聯(lián)的主要過程川,(1)熱量從熱源通過熱管管壁和吸液芯傳遞到〔液一汽)分界面;(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液一汽)分界面上蒸發(fā);(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;(4) 汽在冷凝段內(nèi)的汽一液分界面上凝結(jié);(5)熱量從(汽一液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。
    2 熱管換熱效果是否高于直接換熱
      傳熱過程實際是由導(dǎo)熱、對流、輻射三種基本傳熱方式組成的。在燃氣鍋爐余熱回收裝置中，由于溫差較小，傳熱可以簡化為導(dǎo)熱和對流兩種方式川。
                     
    普通余熱回收裝置的單位換熱面積熱阻R沿?zé)崃鞣较蚩煞譃槿糠?如圖2所示):①煙氣與金屬管壁面之間的對流熱阻(R,) ;②由金屬一側(cè)到另一側(cè)的傳導(dǎo)熱阻(R,);③水與金屬管壁面之間的對流熱阻(Rs)。即有:
           
    由此可知，熱管即使可認為其內(nèi)部熱阻為零，其總熱阻也不一定小于直接換熱器熱阻。因此在燃氣鍋爐余熱回收應(yīng)用中，換熱面積相同時，熱管換熱器的換熱效果也不一定優(yōu)于直接吸收式換熱器。
    3 熱管換熱器體積是否小于直接換熱器
    由于設(shè)計燃氣供熱鍋爐時并未考慮回收煙氣余熱，因此鍋爐房加裝余熱回收裝置時，換熱裝置的占地面積大小也是確定換熱裝置類型的關(guān)鍵因素。換熱器的占地面積往往取決于其體積，而考慮換熱器體積，必須固定換熱面積。也就是說，在比較兩種換熱器的體積時，必須選擇同樣的換熱面積。
    對于普通直接換熱器，煙氣與金屬換熱面的一側(cè)直接接觸，水與金屬換熱面的另一側(cè)直接接觸，因此其換熱面積與金屬換熱面(包括擴展表面，如翅片)面積相等。而由熱管換熱原理可知，每根熱管分為三部分:吸熱段、絕熱段和放熱段，如果忽略不計絕熱段的面積，則每根熱管與直接換熱的等效換熱面積為該熱管外表面的一半。如果再加上熱管內(nèi)部所需空間，要想達到與直接換熱等效的換熱面積，其體積上并不占優(yōu)勢。只有當熱管通過增加翅片來擴展換熱面積時，其體積才可能較小。
    4 熱管使用壽命
    直接式換熱器的壽命通常只受所使用的材質(zhì)影響。如果能有效解決金屬壁面的腐蝕問題，可認為直接式換熱器具有相當長的壽命[3]。
    而影響熱管壽命的因素很多。歸結(jié)起來，造成熱管失效的主要原因有以下三方面:
    1) 熱 管 內(nèi)部真空度被破壞。熱管內(nèi)部為1.3x(10一‘-10-4 )Pa 的負壓，以國內(nèi)現(xiàn)有的熱管加工工藝來看，其負壓幾乎不可能長時間維持，而熱管換熱器也不叮能定期進行抽真空處理，因此如果熱管的真空度被破壞，內(nèi)部工作液體沸點改變，而巨增加了其他傳熱熱阻，整個熱管的傳熱性能可能還不如一根實心金屬棒。
    2) 工作液體熱物性惡化。有機工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或者是與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能(如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象)。一般低溫滬常溫?zé)峄厥障到y(tǒng)多采用以水為介質(zhì)的熱管，更容易引起熱管內(nèi)部腐蝕和其他相容性問題。
    3) 管殼材料的腐蝕。工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。
    綜上所述，就不難看出為什么有些熱管換熱器，第1年好用，因為其所有熱管均參與傳熱;第2年就開始不好用，因為其熱管部分失效;等到第3年、第4年沒有用，是因為熱管全部無效了。
    5 經(jīng)濟性及其它
    節(jié)能產(chǎn)品的經(jīng)濟性應(yīng)當從其投資回收期人手，投資回收期又由三方面決定即:一次投資、年節(jié)省費用和可使用年限。
    1)從上面的論述觀點不難看出，如果達到同樣的有效換熱面積，熱管余熱回收裝置的體積比普通余熱回收裝置體積要大，使用的鋼材也要相應(yīng)增多，因此，如果換熱效果相近，熱管余熱回收裝置應(yīng)當比普通余熱回收裝置貴很多。
    2) 從年節(jié)省費用來看，相同換熱面積時，由于熱管余熱回收裝置單位面積熱阻與普通余熱回收裝置相當，因此其年節(jié)省費用也相當。
    3) 好的熱管，壽命也僅有3-4年，遠低于普通余熱回收裝置。
    從以上這三項指標可以看出，熱管余熱回收裝置同普通余熱回收裝置比起來，并不適合用在燃氣供熱鍋爐中。
    6 后記
    熱管技術(shù)確實為一項好技術(shù)，將其應(yīng)用在諸如遠距離輸送熱量的系統(tǒng)中以及要求“均溫”等特殊場合，就有其獨特的優(yōu)越性。但將其作為一項萬能技術(shù)，取代所有換熱裝置是不合適的。由上述種種分析不難理解，該項技術(shù)誕生至今幾十年而尚未在工業(yè)界大規(guī)模普及的原因。由于燃氣供熱鍋爐的煙氣與熱回收工作開展時間并不長，在沒有充足數(shù)據(jù)和充分論證的情況下，盲目將熱管技術(shù)應(yīng)用在燃氣供熱鍋爐余熱回收裝置中的做法并不適合，必然造成人力、物力和財力的浪費，不符合我國建設(shè)節(jié)約型社會的總目標。