热管换热器在电站锅炉中的应用研究
摘要：电站锅炉排烟通常带有较高的温度，从而导致锅炉热损失偏大，造成能源浪费，提高电站锅炉能量利用效率的研究重点是对烟气所含有热量的回收与利用。本文介绍了热管换热器的结构及工作原理，分析了其传热特性。并针对其在电站中实际应用的经济性进行了分析，结果表明，热管式换热器具有传热效率高，较高的抗低温腐蚀和防积灰堵灰的能力，并且针对于200℃以下烟气的能量具有较好的回收效率以及较好的经济性等特点，实现了能量的梯度利用。因此热管换热器在中低温烟气余热资源回收利用方面具有广阔的应用空间。
0·引言
目前，电站锅炉较高的排烟温度所造成的能源浪费现象已日益引起关注。电站锅炉的正常排烟温度在120℃～150℃之间，煤质不稳时排烟温度则通常会高于160℃。因此，为建设节约型社会，我们不断寻求能量回收的途径和办法。我国目前的锅炉烟气能量回收大多是利用省煤器来回收200℃以上的烟气，而对于中、低温度烟气的回收，由于受到省煤器结露腐蚀的影响还有一定的困难。文中介绍的热管换热器是一种将传统换热器改造后节能效果明显的新型换热器。它对节约能源、减少成本，锅炉余热回收等方面具有突出优势，很好地实现了能量的梯级利用。
1·热管换热器的结构及工作原理
1.1热管换热器的结构
热管是由管壳、吸液芯和工质组成一个封闭系统（如图1所示）。热管为全密封状态，管壳在最外端其两侧附有金属端盖，管壳的选择需满足两个要求，即保证在长时间工作后不会有不凝结气体的产生影响到传热的效果，且还要能够承受一定的内压。管壳内壁装的吸液芯呈多空状特性，可将冷凝液从冷端吸到热端，备蒸发传热用。管内环境为真空状态，装有传热的工质。热管就是利用工质相变的物理过程，以潜热形式来实现热量传递的[1]。
1.2热管换热器的工作原理
图2所示为热管换热器的工作原理，即在热管换热器内，经过潜热换热过程，烟气的热量从蒸发段传递到冷凝段，并连续不断往复进行，从而完成热量的传递[2]。具体来说，烟气进入热管后将热量传递给蒸发段，热管内载热工质的传热过程包括：在热管的受热段，由于管内工作介质吸收了烟气的热量从而获得蒸发潜热而汽化，蒸汽被存在于冷凝段和蒸发段的压力差推动着，由蒸发段移动向冷凝段，然后蒸汽在冷凝段放出的冷凝潜热被外界低温介质带走，蒸汽凝结，换热过程结束。同时，由于重力作用使载热介质返回蒸发段，新的传热过程又重新开始，循环进行。如果冷凝液凭借重力作用自然返回加热段，管芯可省去。这种热管叫做“重力辅助式热管”或“热虹吸管”。
热管内部所装的工质是热管进行潜热换热的介质，因此其必须具备良好的热物理特性，且工质的临界点必须高于所确定的工作温度。
2·热管换热器的特性
2.1热管换热器的基本特性
热管换热器的特性可分为以下几点：
1）热管换热器的导热过程是依靠工质的相变过程中，借助工质气化、凝结等潜热变化来实现热量传递的；
2）由于热管换热器内部的饱和蒸汽压力梯度不大，内部的工质呈现汽、液两相共存状态，同时蒸汽在流动方向温度变化非常小，使得在轴向方向热管有较好等温性；
3）热管换热器中传热量和管壁温度的调控是由加热段和冷却段传热面积比的变化来调整的；
4）热管换热器的热量传递是自发由加热段到冷却段，无需外力推动，为单向导热；
5）热管换热器的冷、热端可分离，且两端均可加鳍 片。因此热管换热器具有较好的传热性和方便操作、安装的特点，不仅可用于余热回收利用，还可应用于其他领域的传热等方面。
2.2热管换热器的传热特性
与传统换热器相比，热管换热器具有以下传热特性：
1）针对不同的换热情况，热管换热器均表现出一定的传热优势：在气—气换热的场合，热管换热器可在两端装翅片，从而强化冷热两端给热并提高总传热速率。在液—液换热情况下，若换热介质温差很小，可在热管换热器两端同时翅片化，不仅增加了传热速率还避免了设备过于庞大的问题。在气—液换热的情况下，可以通过调整气侧与液侧传热面积的比值来解决气、液给热系数相差大的问题，使总传热能力提高。
2）热管换热器布置方便且有很强的防积灰堵灰能力。由于热管是独立管件，热管换热器中冷、热流体两侧的传热面还具有布置灵活的特点，使得冷、热两侧独立分开、无关联影响，从而为热管换热器在应用于两种温度、流量相差悬殊的流体时，能保证良好的传热条件提供了基础[3]。同时，由于热管外壁的烟气横掠换热和管壁高温呈现的干燥状态两者共同的结果，导致热管外壁不会结膜而且不容易黏灰，具有良好的防积灰堵灰能力。
3）热管换热器具有较好的抗低温腐蚀的能力。热管换热器不用于传统型式的换热器，传统的省煤器由于受到烟气中硫酸蒸汽含量对烟气露点的影响，即烟气中存在极少量的硫酸蒸汽，则烟气露点便会急剧升高，导致省煤器受到结露腐蚀现象的限制，对烟气的热量利用率较低，致使大量热量的浪费[3]。
而热管换热器可在锅炉工况变化时，调整加热段和冷凝段的长度比，调整低温处冷、热段鳍片的数量和间距等方法改变烟气侧和空气侧的热阻比，这样可以很好地避免硫酸蒸汽结露的发生，实现调节热管壁温和防止低温腐蚀的效果。
3·热管换热器的应用
我国研究热管技术的时间较早，目前将其应用于锅炉技术中最常见的形式应当是对空气预热器和省煤器的改造应用。尤其是近几年，为了使锅炉保持长期平稳运行，更好地解决低温受热面的腐蚀、堵灰、磨损等问题，有相当数量的电站锅炉安装了热管式空气预热器加以改进。这种热管式空气预热器不仅能有效地防止漏风，还减少了排烟热损失，对节能、提高电厂的经济效益效果十分显著。如某发电厂的改造实例，该厂将3号锅炉低温段下级空气预热器改造成热管式空气预热器，经过测试、计算和比较，改造前后在电耗、防止漏风、减少排烟热损失等方面均有明显效果，改造前后的参数值参见表1。假若上网电价为0.43元/（kW·h）、锅炉每年运行6 800h计算，则3号锅炉年节电为2.32GW·h，节省约98.25万元。具体来说，在电耗方面，改造前后的引、送风机电流均有明显降低；在防止漏风方面效果显著，漏风率由之前20.52%降为5.18%。
省煤器的主要作用是降低排烟温度，提高锅炉热效率。热管式省煤器较传统省煤器具有使用寿命更长、传热效率更高等优点，而且热管式省煤器几乎不受烟气携带灰尘的磨损，即使发生磨损也仅限于热管的加热段内。同时，由于每个热管之间是独立的，单根热管的损坏不会关联到其他管的传热，更加提高了省煤器工作的稳定性，且便于检修[4]。近几年，我国很多电站均将热管技术应用于省煤器的改造，其收到效果显著。随着热管技术的日益成熟和学者们更深层次的探索，很多新兴的应用方式也逐渐涌现，如：热管凝汽器的应用；在电站锅炉烟气脱硫系统中将排放出的烟气用热管换热器加热，以达到减少污染的效果等等。
4·结论
热管换热器具有明显的抗低温腐蚀、传热性能好以及防积灰堵灰的优势，其在电站锅炉中应用到空气预热器及省煤器的改造上，不仅提高了热循环效率，具有较好的经济性，还实现了能量的梯度利用，节约了相当的燃料并减少了对 环境的污染。同时，我们也不断探索热管换热器在更广阔技术领域方面的应用，其发展前景良好。
参考文献
[1]方彬，白文彬.锅炉和窑炉节能热管换热器[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1985.
[2]吴东根，李宝岩，杨金社.热管空气预热器的应用[J].中国能源，2000(6)：40-42.
[3]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.
[4]张清蕴.热管空气预热器设计、运行中的几个问题[J].中外能源，2006，11(4)：85-87.
