热管技术在工业炉群中的应用

赵立功，张德奎

（1.北京天海低温设备有限公司，北京101112；2.中国汽车工业工程有限公司，天津300190）

热管起源于二十世纪六十年代的美国，1967 年一根不锈钢－水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功。热管理论一经提出就得到了各国科学家的高度重视，并展开了大量的研究工作，使得热管技术得以快速发展。热管技术开始主要用于航天航空领域，我国自二十世纪70 年代开始对其进行研究，自80 年代以来相继开发了热管气－气换热器、 热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产品。由于碳钢－水两相重力式热管结构简单、价格低廉、制造方便、碳钢－水相容性的基本解决，使得此类热管在动力、化工、干燥、建材等领域内得以广泛应用。

1 热管的组成及特性

1.1 热管的组成

热管是一种传热性极好的人工组件，典型热管主要由三部分组成：封闭的金属管为主体，也称管壳；管壳内部为毛细结构，也称管芯；管壳内部空腔的工作介质，也称工作液。管内为真空处理，无空气和其他杂物。从传热状态看，沿轴线方向分别为蒸发段、绝热段、冷凝段（见图1）。

图1 热管组成示意图

管壳为受压件，要使用高导热率、耐压、耐热应力材料，多选择铜、不锈钢、铝、镍等材质。

管芯的毛细结构多用金属网或纤维紧贴管壳内壁，减少热阻。

热管工作液要求有较高的气化潜热和导热系数，合适的饱和系数及沸点，较低的黏性及良好的稳定性，不能溶解毛细结构和管壁。

1.2 热管分类

按工作液回流动力分为有芯热管、重力热管、旋转热管、渗透热管等。

按管内温度分为低温、常温、中温、高温热管。

按管壳和工作液组合分为碳钢-水热管、 铜-水热管、不锈钢-钠热管等。

1.3 热管的工作原理（以重力热管为例）

当热管的蒸发段受热时，热管内的工作液蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段，放出热量凝结成液体，在重力的作用下流回蒸发段（见图2）。如此循环不已，热量就由一端传到了另一端。

图2 重力式热管工作原理示意图

热量转移过程中的关联过程： 热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液-气分界面；液体在液-气分界面上蒸发；蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段；蒸汽在冷凝段内的液-气分界面上凝结；热量从液-气分界面通过吸液芯、液体、管壁传给冷源；在吸液芯内冷凝后的工作液在重力作用下回到蒸发段。

1.4 热管的基本特性

（1）很高的轴向导热性。热管内部主要靠工作液的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可以传递几个数量级的能量。

（2）优良的等温性。热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段所产生的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。

（3）热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段和冷却段的面积，可以改变热流密度。

（4）热流方向的可逆性。水平放置的有芯热管，其内部循环动力为毛细力，因此任何一端受热都可作为蒸发段，另一端为冷凝段进行放热。

（5）环境适应性。热管的形状可随热源和冷源的条件变化，可做成各种形式，如电机转轴、叶轮的叶片，可以用在地面（重力场），也可用在空中（无重力场）。

1.5 热管换热器的优点

利用热管导热能力强、传热量大的特点，以多根热管作为中间传热元件，实现冷热流体之间换热的设备叫热管换热器（见图3）。有气-气式、液-气式、汽-气式等形式。

图3 热管换热器示意图

（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中即使单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生泄漏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的混杂。所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性等流体的换热场合具有很高的可靠性。

（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易地实现冷、热流体的完全逆流换热，获得较大的对数温差。同时冷热流体均在管外流动，由于管子对流体扰动的作用使得管外流动所具有的换热系数远高于管内流动所具有的换热系数，并且管外流动两侧受热面均可获得充分的扩展。这样换热器可以做得非常紧凑，用于品位较低的热能的回收非常经济。

（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以在设计时对热管的排布尺寸较容易地进行调整，解决换热器的磨损问题。

（4）热管换热器用于腐蚀性烟气的余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整冷、热两侧的热阻，从而达到调整热管管壁温度的目的，使热管能避开最大的腐蚀区域。

2 热管换热器在工业炉群中的应用实例

2.1 项目概况

某大型重工集团公司生产车间热处理炉工段共有13 台台车式热处理炉，周期式生产，炉温分别为1 000 ℃和1 150 ℃，所有热处理炉均为炉后地下烟道排烟，汇总后由车间外烟囱集中排放。见图4。

2.2 原始参数及设计计算

图4 车间热处理炉布置简图

（1）烟气排放温度：每台设备均安装了助燃热风换热器，换热后的烟气温度400～450 ℃，实测安装热管换热器位置的烟气温度约350 ℃，热烟气通过换热器放热后，温度降至120 ℃左右。

（2）烟气排放量：正常生产时单台设备平均排烟量约为4 000 m3/h，设备同时生产台数为8 台，即总排烟量为32 000 m3/h，热烟气提供的热量：32 000×（350-120）×1.29=9 494 400 kJ/h。

（3）供热需求：车间采暖面积14 000 m2；浴室(早上36 人，中午27 人，晚上112 人，大夜30 人，每天共有205 人次洗澡）；车间供暖14 000×100（北方车间供暖标准）/1 000=1 400 kW； 每人每天用水50 kg，水从20 ℃加热到60 ℃，50×205×（60-20）×4.2=1 722 000 kJ。

根据对当前供暖设施情况的掌握，结合厂内生产工艺中存在的余热资源情况，经分析研究，烟气余热可以满足车间冬季供暖和员工洗浴需求，可通过利用热烟气的余热回收替代锅炉房供暖。

2.3 建设方案

（1）分别在宽度为2 436 mm 和2 204 mm 的烟道内靠近烟囱位置安装热管换热器两台，换热器安装于烟道旁路后，其主烟道及换热器进、出口管道上均安装电动烟道蝶阀。热烟气温度约350 ℃，作为换热器热端介质，加热冷端的采暖循环水，热烟气通过换热器放热后，温度降至120 ℃左右，直接由烟囱排放。两台热管换热器并联使用，提供车间供暖用循环水及员工浴室热水。

（2）热管换热器根据烟气温度、烟气量、循环水温度、车间热负荷等参数进行非标准设计、制造。

（3）车间外换热站内安装两台循环水泵（一用一备）。水泵扬程H=50 m，流量Q=100 m3/h，功率N=22 kW。采暖热水（80 ℃/60 ℃）通过换热站内供回水管路直接引入车间的采暖热网系统中。

（4）在浴室外部安装20 m3热水储存罐及配套的补水系统、水温控制系统、流量控制系统，使罐内水温保持在55～60 ℃范围内。

2.4 效益分析

（1）设备投资：包含热管换热器两台，相关循环水泵，管路阀门，电气控制及设备安装等，总投资49.6 万元。

（2）年工作基时为300d，三班；员工消耗为1722000/4.18/860=479 kW，折合每年消耗标煤479×300×0.86/5 000=24.7 t，采暖周期120 d，消耗折合标煤为1 400×120×24×0.86/5 000=693.5 t，年节约 （24.7+693.5）×500=359 100 元，即年能源消耗节约35.91万元。

（3）设备投资回收期：49.6/35.91×12≈16.6 个月。

（4）设备使用寿命：10 a。

3 结语

利用炉群烟道内烟气余热替代供暖锅炉房作为供暖热源，技术上合理可靠，经济上可行，设备使用寿命长。工程改造投资较小，回收期短，取消了燃煤锅炉房，减少了污染物排放，降低环境污染，收到了非常好的节能效益和社会效益。