热管技术及热管换热器在烟气余热回收中的应用

Alexandria2020

热管技术及热管换热器在烟气余热回收中的应用

1、热管在热能工程中的关键技术

1.1均温技术

主要是利用热管的等温性，将一个温度各处不相等的温度场变为一个温度各处都均匀的温度场。

1.2汇源分隔技术

通过使用热管将热源和冷源完全分隔开，从而完成热交换，并且分割距离的长短可以根据现场需要以及热管的性能进行决定，短则几十厘米，长则100m不等。在进行连续生产的项目中利用汇源分割技术意义非凡。

1.3交变热流密度

通过使用热管既可以实现在小面积输入热量，大面积输出热量，还可以实现大面积内输入热量，小面积输出热量。这样能够有效进行单位加热传热面积与单位冷却传热面积进行热流量的变换。交变热流密度在工程项目中有着非常重要的用途，如通过控制管壁温度预防露点腐蚀。

1.4热控制技术

通过使用热阻能够变化的可变导热管进行传热控制，这样可以有效控制温度。通常情况下，利用热控制技术可以有效控制热源与冷源的温度。

1.5单向导热技术

在重力热管的理论下，可以实现热管的单向导热，此时的热管就是一个单项导热的零部件。单项导热技术通常可以使用在太阳能工程和冻土永冻工程等工程项目上。

1.6旋流传热技术

通过转动产生的离心力可以实现热管内的工作液体从冷凝段回流到蒸发段，或者依靠工作液体的位差实现回流。通常情况下，旋转传热技术可以用在高速钻头、电机轴等高速回转轴件等工程项目上。

1.7微型热管技术

微型热管与普通热管最大的不同在于微型热管的毛细力是存在于蒸汽通道旁边液缝弯月面供给的，而不是吸液芯产生的。微型热管技术通常在半导体芯片、手提电脑的CPU散热、集成电路等工程项目。

1.8高温热管技术

高温热管内部的工作液体主要是液态金属，在工作状态下，金属造成的饱和蒸汽压相对较低，从而不会给高温下的热管制造高压。高温热管通常应用在核工程、高温热风炉、赤热体取热、太阳能电站等工程项目。

2、热管技术在余热利用工程中的应用

2.1 热管技术在航空航天上的应用

在航空航天工业中，各类航天器都面临着一个共同的难题，那就是航天器正对着太阳的部位温度特别高，而背对太阳的一侧温度又特别低，由于无法通过空气的对流完成气温的调节，因此这就导致两部分的温差高达300多摄氏度。在这样的情况下，利用热管技术可以快速实现两部分温差的平衡。将热管安装到航天器中，面对太阳的一侧是蒸发段一侧，背对太阳的一侧是凝结段一侧。热管的蒸发段在面对太阳的一侧吸收了大量热量，其内部的工作介质蒸发后将热量传递到冷凝段，并在冷凝段释放热量再次形成液态工作介质流回蒸发段，然后再次进行循环。这样往复不停的循环就可以实现航天器两侧温度的平衡，从而避免因温差过大导致内部系统故障。

2.2 热管技术在铁路冻土路基上的应用

在我国北方的某些地区，土壤常年处于冻土状态，每到初夏，温度升高，冻土层自下而上融化，这样就会形成翻涌导致铁路路基松懈，从而引发列车脱轨等严重交通事故。在这种情况下，使用低温热管就可以有效解决这个难题。在使用低温热管的过程中，首先要将低温热管埋进冻土层。在寒冷的季节里，冻土的温度远高于空气的温度，此时热管内的液氨工质因吸收了冻土中的热而蒸发，氨蒸汽在压力差的作用下，不断流到管腔的上部，并在上部释放出汽化潜热，然后冷凝成液体后流回蒸发段，然后再在蒸发段蒸发成气体再次进行循环，这样，通过低温热管就可以将冻土中的热输送到大气中。在温暖的季节，空气的温度远高于冻土的温度，此时液氨蒸汽到达冷凝段后，由于外部温度较高，氨蒸汽不再冷凝，此时便会达到汽相和液相之间的平衡，液氨便不再蒸发，热管也就停止了工作，空气中的热量也不能传递到冻土之中。这样一来，冻土的温度一直保持着上面温度高，下面温度低的状态，从而有效避免了翻涌现象的出现。

2.3 热管技术在煤矸石堆场自燃防治中的应用

煤矸石是采煤和洗煤过程中的排弃物，通常占采煤量的15% ～ 20%。煤矸石山对环境最大的危害除占地外就是自燃。自燃时释放出大量、、 等有害气体，严重污染周围大气环境，危害人们身体健康。在人们环保意识不断提高、环保问题备受关注的今天，如何防治煤矸石自燃，就显得尤其重要。

针对煤矸石堆放过程中易发生氧化放热反应，导致煤矸石山自燃，浪费资源、污染环境等问题，在煤矸石堆场内部插入超导热管，利用超导热管相变的高效导热性，及时将热量传到空气中，防止煤矸石堆场自燃。超导热管具有传热系数高，传递热量大，等温性能好，温度范围广等优点，因而被视为煤矸石堆场散热的理想元件。热管技术结构简单，加工容易，成本低廉，经济效益好，易于推广。

2.4 热管技术在炼焦炉余热回收工程中的应用

通常情况下，炼焦炉排放出来的烟气温度较高，如果不能进行回收利用，将会造成极大的浪费。将热管安装到炼焦炉的烟囱内便可以有效吸收大量余热。首先，热管内的工作介质吸收烟囱内的热量后蒸发成气体后进入凝结段，在凝结段内完成热量释放后再次形成液态工作介质流回蒸发段，然后再次进行循环。通过凝结段释放出来的热量可以加热除盐水，由于热管传递的热量相当多，因此，除盐水被加热后可以产生大量的汽水混合物，汽水混合物在上升管集箱内进行汇合，然后进入汽包并在汽包内完成汽水分离，然后饱和蒸汽流进主蒸汽管道，饱和水沿下降管流进下降管集箱，并最终进入热管内的凝结段，再次进行循环。

2.5 热管技术在纺织行业余热回收工程中的应用

通常情况下，热管技术在纺织行业进行余热回收时主要进行定型机的废气余热的回收。在这个过程中，热管将定型机内排出的废气中进行热能回收，然后再将回收的热能重新输送到定型机烘箱内。热管主要安装在废气排放口处，这样当含有大量热的废气一排出就可以进行余热回收，这样可以达到回收热能的最佳效果。在工作过程中，鲜风在定型机内负压的作用下流入热管的蒸发段，在蒸发段吸收大量的热量后被传递到高效传热热管的新风端，然后吸收了大量热量的新风就可以流到定型机烘箱散热器附近，这样就完成了余热的回收。

2.6 热管换热器在火电厂锅炉上的应用

复合相变换热器基本结构如下：它有很多的排成管束的热管组成，中间有一隔板，烟气和空气分别在热管外部两侧流过；热量主要通过热管内部的蒸发--冷凝来传热。这种换热器的主要特点：

1）它是个典型的逆流换热，又因热管本身接近于等温工作，这就使热管换热器具有较高的换热效率；

2）冷、热流体用隔板严密隔开，可以消除两种流体互相泄漏的现象。即使热管有一端破裂，也不会使冷热流体相互串通；

3）每根热管都是独立的，并可拆卸，易于检修和更换。

热管换热器应用火电厂锅炉空气预热器，有利于解决以往空气预热器的磨损、腐蚀、堵灰、漏风等难题。这是因为：

1）热管在烟气侧的管壁温度是均匀的。可以通过调节热管的冷热段大小来调节管壁温度，使之高于烟气的酸露点和水蒸气露点，避免腐蚀的发生；

2）如果管壁温度高于酸露点和水蒸气露点，则附着于管外表面的烟气呈干燥而疏松状态。设计一定的烟速可使烟气有自吹灰作用，避免了灰的堆积和堵塞；

3）热管式空气预热器的结构本身保证了漏风系数为零。即使个别热管被腐蚀或磨穿，由于热管两端密封，也不可能产生漏风；

4）热管式空气预热器可以减小磨损。目前热管空气预热器在大型机组上成功的应用已证明了它是一个非常理想的换热装置。

2.7 热管换热器在玻璃窑炉烟气余热回收工程中的应用

玻璃窑炉余热蒸汽锅炉，通过热管余热蒸汽锅炉降低高温烟气温度，有效的利用烟气的热量为生产或者生活所用。  

玻璃生产过程中，从池窑蓄热室、换热室（或换热器）出来的烟气一般在300℃以上。这些烟气可以通过炫风节能生产的热管式余热锅炉来产生热水或蒸汽。再将其用于加热和雾化重油、管道保温，以及生活取暖等生产工艺。

对于排烟量较大，温度较高的烟气，可通过上海炫风节能生产的热管式余热锅炉产生较高压力的蒸汽（3.5MPa）用于蒸汽来发电，或者直接驱动空压机、风机、水泵等机械。

对于从工作池和供料道等处排出的烟气，气量少而温度高，可以采用热管式余热空预器（工作温度＞650℃）来预热空气，当离炉烟气温度为1000～1200℃，空气预热温度可达400～500℃，节油效果可达20%。在退火炉烟气的烟道中，以及退火炉缓冷带以后的部位都可以安装热管式余热空预器以回收烟气的余热和玻璃制品的散热量来预热空气，作为助燃空气、干燥热源或车间取暖等的热源，都可以获得很好的节能效果。

当前国内玻璃窑炉所使用的燃料大多为重油和渣油，对于这种燃料的烟气余热回收应该特别注意热管蒸发段管外的积灰堵塞问题。上海炫风节能经过若干年工业应用的实践，已经积累了保证热管换热器能长期运行的方法，重要的一条设计原则是防止和避免一切可能引起灰堵的因素，以及在结构上确保清洗方便。

来自蓄热室的烟气进入热管式余热蒸汽锅炉，从高温300℃以上降到220℃左右进入热管式余热热水（或热风）炉继续降温至180℃左右排入烟囱。

2.8热管换热器在瓦斯发电机组尾气余热回收工程中的应用

煤矿瓦斯发电，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。

对于瓦斯发电机组，燃气燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，30%—35%随高温烟气排出（排烟温度达550℃），20%—25%被发电机冷却水带走，通过机身散热等其他损失占10%，排气余热和冷却水损失的能量比有用能量还多。占燃气发电机燃料近35%热能的烟气余热资源基本上被白白浪费掉。我公司针对这一工况，充分利用瓦斯发电机组烟气余热，安装炫风节能RGZFQ-X-X瓦斯发电机组配套的余热锅炉，产生的蒸汽带动汽轮机组二次发电。使矿井资源得到了充分利用，矿山环境得到有效保护，实现了企业的节约发展、清洁发展和可持续发展，创造了良好的经济、环保和社会综合效益。

2.9 热管换热器在熔铝炉烟气余热回收工程中的应用

熔炼炉排烟温度一般在500℃-800℃以上，烟气带走的热损失约占30%-35%，铝熔炼炉温度也超过350℃-500℃，可利用烟气余热加热助燃空气，或得到蒸汽、热水做生产和生活用。

2.10 热管换热器在钢材加热炉烟气余热回收工程中的应用

钢材加工行业生产车间里的钢材加热炉炉膛温度800～1300℃，经空气预热器后仍有400℃以上高温烟气直接从烟囱排出。红热钢材出炉产生的辐射热不仅造成巨大浪费，也严重恶化车间工作环境。可在烟气或钢材出口端安装余热回收装置，产生热水或者蒸汽供酸洗皂化等生产及供暖使用。

3、结语

随着人类对资源的开发和利用，传统能源逐渐减少，将热管技术应用于热能工程，不但可以实现热能的有效流动，而且还可以节约大量的能量，从而实现节约能源的目的。尽管这样，大力推行热管技术还存在着技术上的难题，这就需要科研人员继续加大科学研究的力度，解决热管技术的难题，不断推动热管技术的快速发展。