超导热管换热器在锅炉节能中的应用

王洪亮 郎丰海

山东省特种设备检验研究院潍坊分院，山东潍坊 261041

超导热管换热器在锅炉节能中的应用

王洪亮 郎丰海

山东省特种设备检验研究院潍坊分院，山东潍坊 261041

本文所介绍的 “超导热管换热器余热回收技术”在锅炉上是一项具有国内先进水平的节能环保技术，热量传送快，传导热效率高。该超导余热回收技术的利用，减少了能源的浪费，达到了节能、环保的双重目的。

超导热管技术；换热器；余热回收；节能减排

我们对超导热管换热器技术在锅炉节能上应用的研究、开发以及生产新型节能减排产品的目的是为了节约能源、减少污染物排放和保护环境。通过对普通热管换热器的技术进行革新、开发和研制，从而生产出传热效果更佳、使用寿命更长、温度适应范围更广的新型热管换热器。该类产品的应用，使锅炉等设备的余热得到充分的回收利用，从而达到节约燃料、减少污染、保护环境、降低成本的目标。

1 锅炉应用超导热管换热器的价值分析

煤作为目前最主要的传统燃料，它的燃烧会对环境造成严重的污染。据有关资料统计，每节约1吨煤，可减少CO2排放量约2.6吨；减少二氧化硫排放量约8.5Kg；减少氮氧化合物排放量约7.4Kg；减少一氧化碳（CO）排放约0.5Kg（CO按国际排放标准计算）。

传统壳管式省煤器由于结露而引起硫酸腐蚀，甚至穿孔现象时常发生，严重影响锅炉的运行安全。目前的锅炉都是通过提高排烟温度来缓解结露和腐蚀现象的产生，烟气温度居高不下。我们开展“超导热管换热器锅炉余热回收中的应用”研究，正是通过开发新型、高效的超导热管换热器，代替传统省煤器、空气预热器和普通热管换热器，充分回收各类锅炉烟气以及其他余热，从而提高锅炉等设备的热效率，达到节能、减排和保护环境的目的。

2 热管换热器结构特点及工作原理

热管是一种传热性极佳的导热构件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管，内部空腔内有少量工作介质和毛细结构。管内抽真空，使其在非工作状态时保持真空。热管一般由管壳和内部工作液体组成。管壳是钢制的、抽成真空的密闭管壳；工质是经过与管壳相容性选择的液体。

热管换热器由两端密封的翅片管，将热管元件按一定行列布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段分隔开，构成热管换热器。中隔板采用了有效的密封装置，做到不渗漏，热管原件便于组装、拆卸、清洗和更换。

超导热管的工作原理是热管一端受热时管内工质汽化，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借重力作用回流，继续受热往复循环将大量热量从加热区传递到散热区，热管内热量的传递是通过工质的相变以潜热的方式进行的。

3 超导热管换热技术的优越性

超导热管技术的优越性体现在以下几个方面：

3.1 适用范围广。超导介质适用温度范围为60～1000℃。

3.2 节省钢材，优化传热。设计上可不考虑耐压强度，只考虑传热性能、耐腐蚀和稳定性即可。

3.3 可消除导热死区。水及其他液体工质在高温相变过程中和母管金属有不同形式的化学反应，如水热管内就易产生氢气等不凝气体，从而在热管上部形成导热死区，影响传热效果，而超导介质热管不存在此问题。

3.4 超导热管安装方便，不受安装位置限制。一般热管必须依靠重力实现液体的循环。超导热管可任意安装，只要有温差就可传热。

3.5 良好的导热性。导热速度快，强度大，效率高，超导热管热量的传递随着温差增加而增加，一般液体工质其汽相速度不能超过音速，一旦达到音速，即出现“阻塞”现象（附图：热管热传递速率）。

图1 热管热传递速率

3.6 具有良好的等温性。试验证明，一根长2m的超导热管，其一端置于80℃的热水中，另一端置于无风的大气中，热、冷两端温差不大于1℃；而同样条件下的一般液体（如水）工质热管，热、冷两端温差高达4℃。这说明超导热管具有良好的等温性，传热阻力小。

4 超导热管换热器运行特点

由热管组成的热管换热器具有以下特点:

4.1 热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易实现冷、热流体的完全逆流换热：同时冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，且两侧受热面均可采用扩展受热面，所以，用于品位较低的热能的回收非常经济。

4.2 对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过调整热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损、堵灰等问题。

4.3 热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时,可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开腐蚀性最严重的区域。

我们根据不同温差、工艺参数和管壳材质，试验、研究、优化工质的选用，达到提高传热效率和延长换热器使用寿命之目的。

通过使用新材料、碳钢热管内壁涂涂料、选用新型工质，使我们新开发的新型热管换热器，在保持高效传热的基础上具备了新的优势。超导热管的工作介质具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活，并以分子震荡形式来传递热量，它超强导热性能使其导热系数是一般金属的一万倍左右，是水热管的十倍左右，在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以极快的速度传递(超音速传递)。

5 超导热管换热器的应用范围

该设备可广泛应用于燃气、燃油锅炉和立式、卧式燃煤锅炉，以及其他利用余热回收的装置。

只要是有温差存在，需要传导或交换热量的领域，都可以运用超导余热回收技术解决，而且比传统方式大幅节约能源和资源。新型超导热管换热器也可用于蒸汽冷凝水、锅炉排污水等低热液体的热量回收，应用范围广泛。目前，我们的研究已经取得良好效果，新型热管换热器HCRG-XA、HCRGXB型等已经在山东得到广泛认可。

6 超导热管换热器在锅炉节能中的应用效果分析

超导热管换热器对工业锅炉的余热回收主要是针对锅炉的烟气余热、蒸汽冷凝水余热等回收利用。

我们的研究开发的超导热管换热器已经取得良好效果，新型超导热管换热器HCRG-XA、HCRG-XB型等已经在山东各地锅炉尾部烟道安装并投入使用，在节能方面取得了理想的效果。北京节能环保中心对山东日照昌华公司蒸汽锅炉（型号为SZL4-1.25-AⅢ）使用近半年的超导热管换热器HCRG-4B的应用效果进行了全面的检测。经过测算，得出如下结论：经检测SZL4-1.25-AⅢ型SZ4302号蒸汽锅炉安装HCRG-4B型余热回收器前，平均热效率为72.01%，安装后平均热效率为78.21%，锅炉热效率提高了6.2%，节约燃料率达9%以上。再如山东潍坊美林公司于2010年6月在6t/h蒸汽锅炉的尾部安装了超导热管换热器HCRG—6B后经过调试、检测证明，该设备使用后，可使锅炉的热效率提高6%，节约煤约8.7%。该项目于2010年5月份国家质检总局组织专家鉴定，该超导热管换热器技术的传热、节能效果达到国内先进水平。

7 结束语

超导热管换热器余热回收技术是一项具有国内先进水平的环保节能技术，热量超导传送，节能效果显著，运行安全可靠，故障率低，传热效率高，热回收率高等优点。超导热管换热器在锅炉余热回收方面具有国内领先水平和广阔的应用前景。该超导余热回收技术的在锅炉上加以利用，将有效避免能源的浪费和减少废气的排放，达到了节能、环保的双重目的。节能效果显著，热效率提高约6%，节能效果达到节煤约10%以上，为社会节约了大量的能源。另外，超导热管技术余热回收的具体应用有很多，只要是有热量、温差存在，需要传导或交换热量的领域，都可以运用超导余热回收技术解决，而且比传统方式大幅节约能源和资源。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.012

王洪亮 山东省特种设备检验研究院潍坊分院，高级工程师。