径向热管换热器在天然气工业炉低温烟气中的应用

刘丕龙+范魁元+靳道硕+樊超

摘 要：当前我国的能源形势紧张，能源利用状况令人担忧.在一些高耗能的企业，工业生产中排放的中低温烟气余热由于回收难度高、回收成本大等问题，一直得不到合理的利用，如何合理回收成为亟待解决的难题之一.简要介绍了一种新型余热利用换热设备——径向热管换热器，提出了计算热管换热器经济性评价指标的方法，并以某工厂低温烟气余热回收工程为实例，对烟气余热的回收利用进行了技术和经济效益分析.实践应用证明，径向热管换热器在工业低温烟气余热回收中有很好的实用性和可行性.

关键词：径向热管换热器； 中低温烟气； 余热回收； 应用分析

中图分类号： TK 172.4 文献标志码： B

随着经济的发展，目前我国已成为装备制造大国，与此同时带来的是能源的巨大消耗.我国大部分企业在生产中存在大量废热、余热被忽视，甚至是随意浪费等问题.大量烟气直接排入大气的现象屡见不鲜.伴随着企业产能的提高，余热浪费也越来越多.如果企业不加以利用，便会带来高能耗、高成本的压力.如何利用这些废弃的能源，降低能耗，减少排放，降低生产成本，进行绿色制造，已成为装备制造业亟待解决的一个问题[1].

当前国内外余热利用方式主要采用冷凝锅炉、热管技术、热泵技术和除尘换热一体化设备等四类换热设备.我国工业余热利用虽然取得一定的进展，但仍处于较低水平，余热利用率低，综合利用差，中低温余热多数未被利用，余热利用设备和系统不够完善，效率低下.

工业生产中排出的中低温烟气由于回收难度高、回收成本大等问题，一直得不到合理的利用，这也是一直困扰有关工业界的问题.本文结合工业生产中的实例，提出将新型热管换热器应用于工业炉低温烟气余热回收，探讨径向热管换热器在中低温烟气余热回收中的优势.

1 热管换热器

1.1 径向热管换热器的结构和特点

径向热管换热器主要由循环气体箱体、径向热管束、进出水集箱和进出水管道组成，其结构示意图如图1所示.烟气的热量由热管外壁面传递给热管内的工质，工质吸热蒸发后沿管径向流动，在接触到内管壁的水箱给水后放热凝结成液态，液态工质在重力作用和毛细管作用下回流.径向热管换热器是通过工质的循环相变实现高温烟气与水箱给水的高效热传递.

与其他换热器相比，径向热管换热器最大的特点是[2]：① 径向热管外表面温度基本相等，具有很好的等温性；② 能够有效地控制温度，避免受到烟气中硫化物的露点腐蚀，使热管尽可能避开最大腐蚀区域；③ 设备易维护，即使换热器出现泄漏也能快速修复；④ 体积小，布置紧凑.

1.2 径向热管的工作原理及基本特性

径向热管作为径向热管换热器的核心部件，是一种具有极高热导的装置[3-5].它除了具有普通热管的一般特性外，还具有良好的等温性、良好的功率传输性能，可有效提高壁温等特性.

径向热管的工作原理如图2所示.典型的径向热管由带翅片的外管、内管、工质、吸液芯和端盖组成.通常径向热管的制作工艺是将空腔抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的负压后充入适量的工质，然后将外管、内管和端盖焊接成一个密闭的空腔.当热烟气通过外管时，吸液芯中的液态工质受热气化，在压差的作用下流向内管，气态工质遇到冷流体后释放出热量，然后在内管外壁上凝结成液态，内管中的冷流体被加热.凝结后的液态工质在重力作用和毛细管作用下回流至蒸发段，如此循环不断.热管在这一过程中实现了热量的传递和转移.

2 热管换热器的评定

评价热管换热器性能的五组目标函数[6-8]分别为：① 换热面积F、换热器体积；② 传热量Q；③ 换热器中两种传热介质之间的平均温差ΔTm；④ 流体压力损失Δp；⑤ 流体输送功率N.本文中目标函数的性能评价可在其中三组函数确定后得到.

为了简化问题，对热管换热器进行熵分析，忽略整体对外界的热损失.

由热力学第一定律可知

将热管换热器看成是一个热力系统，对式（4）进行积分得

式中：ΔST为由温差不可逆传热所引起的系统熵增；

ΔSp为由压差不可逆流动所引起的系统熵增；

ΔST1为随着烟气流过热管换热器后熵的减少；

ΔST2为随着冷却水流过热管换热器后熵的增加；

T′1、T″1分别为烟气进、出热管换热器的温度；T′2、T″2分别为冷却水进、出热管换热器的温度.

式（5）中的ΔSp也由两部分组成，即

式中：ΔSp1为随着高温烟气流过热管换热器后由压差不可逆流动所引起的熵增；

ΔSp2为随着低温水流过热管换热器后由压差不可逆流动所引起的熵增.

假设流经的烟气为理想气体，冷却水为不可压缩流体，它们由压差流动所引起的熵增分别为

式中：V1为烟气进口体积，m3；V′1为烟气出口体积，m3；p1为烟气进口压力，Pa；

p′1为烟气出口压力，Pa；

V2为冷却水进口体积；n为烟气的多变指数；

Δp2为冷却水流过热管换热器后的压降.

热管换热器流出的冷流体在得到热量Q的同时也会伴随着能量的损失.设这些能量损失为Q1.Q1主要包括摩擦所引起的压降损失和传热过程的能量损失.

式中：T0为环境温度，K；k为流体阻力损失与温差传热损失的折算系数.

则热管换热器的熵增率为

对于热管换热器，S′越小则其热经济性越好.因此，可以将S′作为不同形式热管换热器在不同情况下的经济性评价指标.

3 工程应用研究

3.1 工程概况

某工厂铸钢车间正火炉常年排放的废热烟气产生很大的热损失.经调研，工厂决定提取其中的废热资源将生活用水加热到合适的温度供工人洗浴.

工厂计划每天需加热100 m3热水，设计将生活用水从5℃加热至70℃.

通过调研发现，回收该工厂三台正火炉的烟气即可满足需要.如果车间正常工作，三台正火炉每天同时工作两班，每班工作8 h.正常工作时，烟气温度能够达到280℃，排放烟气流量为5 500 m3·h-1.

3.2 应用实施方案

在烟气余热回收系统中，径向热管换热器安装在空气预热器的下方，其高温侧与原烟道串联，低温侧与水箱的管道系统并联.通过热管中的工质循环往复的相变实现高温气体与水箱给水的高效热传递.烟气余热回收系统示意图如图3所示.

3.3 节能效益分析

每天可回收热量

Q′=Cm（T″3-T′3）

（16）

式中：m为水箱充满时水的质量，t；C为水的定压比热容，为4.18 kJ·kg-1·K-1；T′3、T″3分别为水箱中水被加热前、后的温度，K.

回收热量折算等效标准煤量

G1=Q′·HRQP·η

（17）

式中：HR为设备一年中满负荷运行的天数；QP为标准煤的发热量，kJ·t-1；η为锅炉的效率，取η=91%.

换热水泵增加的能耗

P1=DgΔh1η2

（18）

式中：D为换热水泵的流量，t·h-1；g取9.2 m·s-2；Δh1为水泵的扬程，m；η2为水泵的效率，取η2=75%.

增加能耗折算等效标煤量

G2=（P1+P2）·HR·Bf·10-6

（19）

式中：P1为换热水泵增加的能耗，kW；P2为其他设备增加的能耗，kW；Bf为企业发电标准煤耗，g·（kW·h）-1.

3.4 节能效益计算结果分析

将数据代入式（16）～（19）中，计算得到的结果如表1所示，表中节能效益计算时间为1 a.从表1中可以看出，在本项目中热管换热器获得了较好的余热回收效益.在除去各种运行成本后，该项目可以为企业每年节约标准煤达369.67 t.

4 结 论

目前，国内一些高耗能工厂已逐渐开始重视中低温烟气的余热回收，各种余热回收技术也有了很大的发展.热管换热器适用范围广、消耗能源少、效率稳定、阻力小、不易堵塞.这为中低温烟气的余热回收提供了一条新的思路.研究证明，径向热管换热器烟气余热回收技术成熟，运行安全稳定，节能效果明显，能够带来很好的社会效益和经济效益.

参考文献：

[1] 吴贵辉.我国能源形势及发展对策[J].中国工程科学，2011，13（4）：4-8.

[2] 庄骏.热管与热管换热器[M].上海：上海交通大学出版社，1989.

[3] 庄骏，张红著.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.

[4] 马同泽.热管[M].北京：科学出版社，1983.

[5] CHI S W.热管理论与实用[M].蒋章焰，译.北京：科学出版社，1981.

[6] HESSELGREAVES J E.Rationalisation of second law analysis of heat exchangers[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（22）：4186-4204.

[7] WEBB R L.Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1981，24（4）：715-726.

[8] 姚寿广，屠传经，朱德书.管内强化换热元件综合热力性能分析及评价[J].动力工程，2002，22（3）：1798-1803.