能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),能源的開(kāi)發(fā)和利用程度直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的提高,余熱回收是合理利用能源、節(jié)約能源、提高能源利用率等方面不可忽視的問(wèn)題。加熱爐是煉油廠關(guān)鍵設(shè)備之一,在使用過(guò)程中將產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?,排煙余熱未獲得充分利用,不但造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi),還會(huì)污染環(huán)境。因此發(fā)展有效的余熱回收裝置是能源得以合理利用的有效方式。研究發(fā)現(xiàn)熱管是一種具有高導(dǎo)熱性、高傳熱效率的傳熱元件。我國(guó)熱管研究開(kāi)始于1970年左右,1980年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)試驗(yàn)性熱管換熱器運(yùn)轉(zhuǎn)成功。近年來(lái),工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用也已經(jīng)證明了熱管換熱器的確是一種高效、緊湊、耐用的換熱設(shè)備,它在工業(yè)余熱回收方面發(fā)揮了良好的作用,并積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)。
在眾多的傳熱元件中,熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一。隨著熱管技術(shù)日趨發(fā)展成熟,熱管式換熱器在電站、鋼鐵、冶金、石油、化工、建材、輕工、制冷空調(diào)、電子等領(lǐng)域的節(jié)能應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。熱管技術(shù)的應(yīng)用將推進(jìn)我國(guó)節(jié)能工作的進(jìn)程,同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的熱污染,是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的技術(shù)。空氣預(yù)熱器是利用排煙余熱來(lái)加熱燃燒所需空氣的熱交換設(shè)備。由于它工作在煙氣溫度最低的區(qū)域,回收了煙氣的熱量,降低了排煙溫度,因而提高了加熱爐的熱效率,同時(shí)也由于空氣被預(yù)熱,強(qiáng)化了燃料的著火和燃燒的過(guò)程,減少了燃料不完全燃燒的熱損失,進(jìn)一步提高了加熱爐的熱效率。
設(shè)計(jì)一臺(tái)加熱爐煙氣余熱回收熱管空氣預(yù)熱器,利用常壓爐和減壓爐的高溫?zé)煔忸A(yù)熱空氣,使之作為燃料燃燒所需氧氣來(lái)源以達(dá)到節(jié)能之目的。內(nèi)容包括傳熱工藝計(jì)算、熱管計(jì)算選型、預(yù)熱器本體設(shè)計(jì)等,并結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀對(duì)熱管進(jìn)行改進(jìn),克服為避免低溫露點(diǎn)腐蝕而浪費(fèi)能源的現(xiàn)狀,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
我國(guó)的能源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重,節(jié)能已被提到了重要的議事日程。大量的工業(yè)鍋爐和各種窯爐、加熱爐所排放的高溫?zé)煔猓脽峁軞?氣換熱器進(jìn)行余熱回收,所得到的高溫空氣可用于助燃或干燥,因此應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)有關(guān)報(bào)道稱(chēng),我國(guó)三分之二的能源被鍋爐吞噬,而我國(guó)工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右,工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率達(dá)85%,因此,提高工業(yè)鍋爐的熱效率,節(jié)能潛力十分巨大。如果我國(guó)鍋爐的熱效率能夠提高10%,節(jié)約的能耗則相當(dāng)于三峽水庫(kù)一年的發(fā)電量,做好工業(yè)鍋爐及窯爐的節(jié)能工作對(duì)節(jié)約能源具有十分重要的意義。利用熱管氣-氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式氣-氣換熱器,一方面,能夠大大提高預(yù)熱空氣進(jìn)入爐內(nèi)的溫度,降低煙氣溫度,從而大大提高鍋爐的熱效率;另一方面,熱管氣-氣換熱器運(yùn)行壓降非常小,有時(shí)甚至不需要增加引風(fēng)機(jī)等設(shè)備,從而使得運(yùn)行費(fèi)用大大降低。
熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置,其概念首先是由美國(guó)通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gaugler于1944年提出的。熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量,通過(guò)內(nèi)部相變傳熱過(guò)程,把熱量輸送到冷卻段,從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。完成這一轉(zhuǎn)移有6個(gè)同時(shí)發(fā)生而又相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程。這6個(gè)過(guò)程是:(1)熱量從熱源通過(guò)熱管管壁和充滿(mǎn)工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面;(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-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)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié);(5)熱量從汽-液分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源; (6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。熱管的研究與開(kāi)發(fā)最主要的是熱管材料。雖然幾乎所有金屬材料、無(wú)機(jī)及有機(jī)材料均可用于制作熱管,但只有與工作流體相容的材料才可能被選用。根據(jù)不同研究者對(duì)熱管材料的研究成果已開(kāi)發(fā)的熱管材料有:銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、鎳、鈦、鎢、鉻鎳鐵合金、鉬合金、碳化硅。近些年來(lái),隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了一種相變材料換熱技術(shù)與熱管技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)的技術(shù),如氫氧化鋇加6%氯化鋇的蓄熱體系和復(fù)合中空熱管專(zhuān)利材料。這無(wú)疑是一種非常高效的新型節(jié)能技術(shù),一般的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低,將熱管作為換熱元件應(yīng)用于相變蓄熱領(lǐng)域中是改進(jìn)相變蓄熱系統(tǒng),提高其換熱效率的一個(gè)重要手段,還合理利用了排氣余熱,不僅在最大程度上節(jié)省了燃料,而且降低了污染物排放量,滿(mǎn)足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。熱管式換熱器是一種新型的換熱器,將熱管元件按一定行列間距成束裝在框架內(nèi),用中間隔板等密封元件將加熱段和散熱段隔開(kāi),構(gòu)成熱管換熱器。熱管換熱器于70年代初才開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)中作為節(jié)能設(shè)備。雖然熱管換熱器在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),但發(fā)展速度很快。由于水-碳鋼熱管的研制成功,使得氣-氣熱管和氣-氣換熱器的制造成本大幅降低,從而促進(jìn)了熱管氣-氣換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。熱管氣-氣換熱器綜合起來(lái)有如下一些特點(diǎn):(1)熱性能高。由于熱管氣-氣換熱器的加熱段和冷凝段都有帶翅片,大大擴(kuò)展了換熱表面,因此,其傳熱系數(shù)比普通光管氣-氣換熱器的要大好多倍;(2)流阻小,降低了換熱器運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)千臺(tái)熱管氣-氣換熱器先后投入使用,取得了較好的使用效果。但也暴露了不少問(wèn)題,如露點(diǎn)腐蝕、積灰。積灰對(duì)于灰塵較多的煙氣,如其在熱管氣-氣換熱器中設(shè)計(jì)流動(dòng)速度過(guò)高,雖然能夠提高熱管的換熱能力,但是會(huì)加速熱管的磨損,且增大煙氣流動(dòng)阻力;速度較小時(shí),熱管翅片上易積灰,使熱管換熱能力下降,嚴(yán)重時(shí)堵塞換熱器,使其失效。這也與目前落后的設(shè)計(jì)方法有關(guān),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以通過(guò)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)避免積灰。露點(diǎn)腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點(diǎn)腐蝕為控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算,但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算手段的限制,設(shè)計(jì)計(jì)算采用試算驗(yàn)證的方式進(jìn)行,難以做到各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化組合,從而造成熱管氣-氣換熱器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏離,導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕,導(dǎo)致熱管失效。此外還有熱管失效、漏風(fēng)等。這影響了熱管氣-氣換熱器的進(jìn)一步推廣。因此,急需對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致分析與研究,完善熱管氣-氣換熱器的設(shè)計(jì)制造方法,提高熱管氣-氣換熱器的使用效果和壽命。