热管换热器在应用中问题分析及对策
热管换热器的核心元件是热管。热管是一种新型相变高效传热元件,其独特的传热特性引起了人们的极大兴趣,应用领域从空间扩大到地面,从工业扩展到民用。然而,在热管技术蓬勃发展的今天,其在工业应用中仍然存在一些问题,会限制热管技术的使用和深入发展。笔者对这些问题进行了研究,并提出了合理的解决办法。
一 热管相容性
早期的热管研究人员就注意到了管壳材料与工质的化学相容性问题,早期工业应用的热管一般采用铜材管壁或钢铜复合管,产品成本很高,限制了热管技术在工业上的广泛应用。钢水热管以其成本低、强度高、制造工艺简单及适应温度范围广得到了大家的认同,在工业上得到广泛的应用,然而钢水热管的使用寿命不足0.5ａ,无法满足工业应用的要求。通过多年的研究人们认识到,钢水热管中存在着化学反应和电化学反应,这是一种不可避免也不可能消除的金属腐蚀过程,只能抑制或延缓,因此,钢水热管相容性问题的对策只能是延长热管的使用寿命。
1.1腐蚀机理
由于管材与工质的化学不相容性,使得钢水热管内部发生腐蚀产生不凝气体氢气。氢气越多,换热效果越不好,氢气积聚到一定程度可以使热管完全丧失传热功能。
1.1.1化学反应腐蚀
热管长时间在较高的温度下工作,钢水会发生化学反应,在管内产生变化,其主要的化学反应过程如下：
Ｆｅ+Ｈ2Ｏ=ＦｅＯ+Ｈ2↑
2Ｆｅ+3Ｈ2Ｏ=Ｆｅ2Ｏ3+3Ｈ2↑
3Ｆｅ+4Ｈ2Ｏ=Ｆｅ3Ｏ4+4Ｈ2↑
上述反应的结果使管壁发生腐蚀,产生ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4,同时产生一定量的不凝气体氢气。
除Ｆｅ3Ｏ4外,其余两种氧化层(ＦｅＯ和Ｆｅ2Ｏ3)不能阻止水的侵入,仍要与铁继续反应生成氢气。
1.1.2电化学反应
在钢水热管内,铁、杂质和水构成一种原电池。其中铁为阳极,杂质为阴极。杂质一般为FｅＣ3、石墨等,为碳钢与水中所含。水的电离度虽小,但仍有少量的ＯＨ-和Ｈ+生成。管内主要的电化学反应过程如下：
2Ｈ++2ｅ=Ｈ2↑
Ｆｅ-2ｅ=Ｆｅ2+
Ｆｅ2++2ＯＨ-=Ｆｅ(ＯＨ)2↓
3Ｆｅ(ＯＨ)2=Ｆｅ3Ｏ4+2Ｈ2Ｏ+Ｈ2↑
在高温有水的条件下上述反应进行得很快,普遍认为这是导致碳钢与水不相容的主要原因。
1.2对策
1.2.1碳钢管材表面钝化
(1)高温蒸汽表面钝化采用该办法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色Fe3Ｏ4氧化膜钝化层,这是一种稳定性极好的保护膜。具体的做法是将净化后的碳钢管加热至500～600℃,然后冲以水蒸气进行表面钝化,此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Fe3Ｏ4氧化层。
(2)化学液钝化该方法也是使管壁生成Ｆｅ3Ｏ4氧化膜钝化层,所不同的是采用氧化性化学试剂的方法。目前钝化液主要采用的试剂是重铬酸钾,具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内,在一定温度下浸泡一定的时间,使管壁内生成一层致密的Fe3Ｏ4氧化膜。
1.2.2工质内添加缓蚀剂
在工质中添加缓蚀剂是为了使管壁表面产生更为均匀与密集的Fe3Ｏ4钝化层。缓蚀剂与化学钝化一般联合使用,由于制造工艺过程中不可避免会产生对局部钝化膜的破坏,这时缓蚀剂就可以起到修补的作用。缓蚀剂品种很多,一般采用阳极型缓蚀剂,其管壁缓蚀效果较好。具体做法是在工质内添加质量分数为1%～3%的重铬酸钾。
1.2.3排放法和渗透法
在热管冷凝端部装上排气阀,必要时打开阀将积累的氢气排放出去。也可在热管冷凝端部装上钯管,让产生的氢气随时渗透出去。
1.2.4氧化除氢法
根据化学理论,标准电极电位为正值的元素的氧化物都能被氢还原出来。常见的铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应,只是要求的反应温度不同,反应速度不一样。氧化除氢技术在20世纪90年代初就开始了推广应用,但要求的反应温度一般超过150℃,使其在工业中的应用受到一定限制。目前,一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用,在常温下就可快速地进行除氢反应。这一技术的推广应用,必将极大地提高热管的使用寿命。
针对化学钝化膜不稳定、排放法和渗透法不易操作、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大的问题,我们认为最好的延长热管寿命的方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。
二 热管积灰
在热管余热回收设备中,热管积灰是普遍存在的问题,积灰增
加了受热面热阻,降低了设备的传热能力,还可以减少流体的通道面积,增加流动阻力,降低换热表面温度,造成低温露点腐蚀。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行,甚至被迫停用,因此积灰已成为节能设备能否正常运行的一个主要问题。
2.1形成机理
积灰按温度可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰,热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般为疏松式积灰,主要发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂,一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成。资料表明,当灰粒的当量直径小于3μｍ时,灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量,烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时,就吸附在金属表面或积灰表面上。另外,烟气流动时,因烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应,虽然受热面的材质是良导体,但当受热面积灰后,其表面就变成了绝缘体,很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒(当量直径小于10μｍ)吸附在其表面上,形成疏松式积灰。
疏松式积灰在以下条件下均可形成低温粘结性积灰:①燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物,此种聚合物极易吸附于管壁上,不容易脱落而形成粘结性积灰。②当灰垢吸收烟气中的ＳＯ3和水蒸气后转化成硫酸盐,形成粘结性积灰。
2.2对策
2.2.1热管管外翅片结构选择
气相换热的热管换热器热管外都采用加肋强化传热,翅片形式多选用穿片或螺旋形缠绕片,这些翅片结构紧凑,肋化比高,效果明显,但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体,即使翅片间距取12～20ｍｍ,在某些情况下也会出现严重积灰。对于高含尘流体,目前趋向于选择以下2种结构。
(1)轴对称单列纵向直肋翅片该翅片结构简单,制作方便,相对肋化比低,不易积灰。如果将翅片做成不等高,即降低背后翅片高度,可进一步减少积灰。目前此结构的热管换热器已投入工业应用效果较好。
(2)钉头管钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位。例如,在燃油加热炉的对流室中,为了减少热管换热器的积灰堵塞,将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中,投用多年无积灰堵塞现象。
2.2.2流体速度及结构选择
换热设备内流体速度是一个重要的设计参数,它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前设计热管换热设备时多采用等质量流速法,这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降,进出口处的密度、动力粘度和导热系数明显变化,从而引起出口处流体的速度大幅下降,其结果是传热系数和自清灰能力下降,造成换热设备后排的积灰。可采用变截面设计法解决该问题,以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备,质量流量是一个常数,如要维持体积流速不变,只有改变换热面积来抵消密度的变化。随着烟气温度的降低,密度将增大,要维持流速一定,换热设备的流通面积将减小,所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。
变截面换热设备的进、出口具有相同的自清灰能力,一般认为,换热设备内介质的实际流速达到8ｍ/ｓ便可起到自清灰的作用,设计时可取流体流速为8～12ｍ/ｓ。对于可能引起严重磨损的部位,流体流速可取6～8ｍ/ｓ,以免引起管子快速磨损而导致穿孔。
2.2.3清灰
采用化学清灰剂清灰或采用吹扫和用机械方法清除管子表面积灰。这两种方法是在积灰生成以后才进行,有滞后性。
三 热管露点腐蚀
3.1产生机理
当热管换热器在低温烟气中使用时,换热器热管常会产生低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下,烟气出口侧(在没有前置预热器的情况下)最后几排热管也存在低温露点腐蚀。根据传热学可知,烟气侧壁温主要与冷、热流体的温度,传热系数及换热面积有关,它与热流体的温度、传热系数、面积及冷流体的温度成正比,而与冷流体的传热系数和面积成反比。在冷、热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下,当冷流温度较低时,烟气侧壁温就有可能在露点温度以下而发生露点腐蚀。
3.2对策
3.2.1控制排烟温度
根据烟气的露点温度合理确定排烟温度,一般排烟温度应高于露点温度20～30℃。另外,在冬、夏季环境温度相差较大的情况下,应控制不同的排烟温度,冬季排烟温度应适当提高。
3.2.2增设前置预热器
增设前置预热器可提高空气入预热器的温度,从而有效防止露点腐蚀。
3.2.3设置旁路空气通道
当烟气温度或环境温度较低时,可设置相应的旁路通道,将部分换热后空气混合到冷空气中,以提高空气的入口温度。
3.2.4调节结构参数
通过调节冷、热端的结构参数,可提高热管最低壁温,防止低温腐蚀。结构参数中,冷、热端长度的变化对壁温的变化最敏感,但热端的长度不能增加太多,否则会造成出口烟气的温度升高,单支热管传热能力下降,空气侧流动阻力增大,目前应用最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中,建议同时改变冷、热侧某一参数,这样壁温变化较快,且单排热管的传热量基本不变,不用增加管排即可保证原有的传热性能。当壁温与露点温度相差不大时,优先选择翅片高度或间距作为调温参数;当壁温与露点温度相差较大时,应选择冷端长度作为调温参数或同时调节多个参数。
采用这种办法逐排改变壁温低于烟气露点的最后几排热管结构,就可有效防止热管的低温腐蚀。
四 结论
(1)要延长热管的寿命,采用管内钝化、工质中添加缓蚀剂和氧化除氢技术三者协同作用的方法效果最好。
(2)减少热管积灰,采用等流速法效果较好。在高含尘介质中使用热管时,可考虑采用纵向直肋翅片管和钉头管。
(3)要解决热管的露点腐蚀问题,在合理控制排烟温度的同时,通过调整翅片高度,翅片间距和冷、热端长度等结构参数,可将热管壁温提高到露点温度以上,从而有效解决露点腐蚀问题。
