陕西北元化工集团有限公司热电分公司陕西榆林神木锦界719319
摘要:近年来，随着热管技术的逐渐成熟、生产成本的降低，热管换热器在工程上的节能应用已经成为热管技术发展的一个重要方面。尤其是在回收低温排气的余热中，气-气换热、重力式碳钢-水热管换热器表现出优异的传热特性和一系列独特的优点。本文通过一台前置式热管式空气预热器的设计，主要阐述了热管的组成、工作原理、优点。在安装热管的面积一定状况下对碳钢-水重力式热管换热器的结构进行了优化。得到了较为理想的优化结果，为热管换热器的设计提供了理论依据。说明了前置式热管式空气预热器可以有效减轻锅炉的低温腐蚀，降低排烟温度，提高锅炉效率。在降低了企业的能耗同时,也可以保护环境,取得良好的经济效益和社会效益。
关键词：热管，空气预热器，前置，结构优化
前言
碳钢-水重力式热管是众多热管形式的一种,它是通过管内工作介质的相变,依靠潜热来传递热量,因此传热效率非常高。重力式热管的基本工作原理如图1所示。典型的热管由管壳外部扩展受热面、端盖组成，将管内抽成1.3×（10-1～10－4）Pa的负压后充入适量的工作液体（如水）,然后加以密封。当热管的蒸发段受热时热管内的工质蒸发汽化，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。如此循环不已，热量就由一端传到了另一端[1]。
1.热管换热器的特点
热管换热器与其他形式的换热器比较起来有以下主要特点：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，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺杂。2）冷热流体的换热均是在热管外表面进行的，所以易于在管外表面增加外延展受热面的方法提高每根热管的换热量，从而缩小体积，提高效率。3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损堵灰问题。4）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，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。5）热管被磨损后，可翻转180°使用，使其使用寿命延长。
综上所述，热管换热器的最大优点是很容易增加管外壁受热面，而且冷热两端都可扩展二次传热面。因此，热管换热器可比常规换热器的传热系数大10～20倍[4]。
2.前置式热管式空气预热器的设计
碳钢—水热管具有热物理性能好、制作工艺简单、耐压、强度高、造价低廉等特点，因此选用碳钢—水热管。碳钢-水热管在运行过程中有自钝化现象，运行一段时间后若能及时排出内部不凝结性气体即可保证较长时间运行，也就是性能恢复。所以在烟气较高的情况下热管顶部安装排气阀进行定期排气。
2.1管长的设计
蒸发段是热管从热源吸取热量的工作段。在这一区段中工作液体由于吸热而蒸发，所以从热管内部工作过程来分析为蒸发段；从与外界热交换情况来分析为加热段。已知烟气流道的宽度、最佳迎面流速为2~4m/s、烟气的体积流量，取迎面流速为2.7m/s,B=6m,由A01=qv01／(3600*u01)=15,l1=A01／B=2.5,即可求出蒸发段长度l1为2.5m。
绝热段是热管与外界没有热交换的工作段。工质蒸汽携带汽化潜热流过这一段，从内部工作过程来分析也叫传输段。为防止冷热流体相互串通，考虑到中间隔板的厚度，设定绝热段长度为40mm。
凝结段是热管向冷源放出热量的工作段。在这一区段中工作液体蒸汽向冷源放出相变潜热而凝结成为液体，所以从热管内部工作过程来分析为凝结段，亦称冷凝段；从与外界热交换情况来分析又称放热段。已知空气流道的宽度、最佳迎面流速为2~4m/s、空气的体积流量，取迎面流速为3.53m/s,B=6m,由A02=qv02／(3600*u02)=9.6,l2=A02／B=1.6,即可求出凝结段长度l2为1.6m。
2.2肋片的设计
为改变气体与管壁的对流热阻过大而采取的扩展换热面的方法，是在工业上广泛应用且行之有效的强化传热的方法。扩展换热面即为加装肋片。
肋片管的间距、肋片长度和肋片厚度均对换热性能有较大的影响。在热段，烟气流过热管时，烟气中的灰粒会对肋片造成磨损，所以将热段肋片的厚度选取的稍大一些。另外，热段的肋节距也要稍大一些，是为了减小积灰和磨损。在冷段空气侧的磨损相对较小，肋片厚度可以小一些，再从经济收益方面综合考虑，最终设计中肋片的参数选取如下：
热段采用环肋；环肋厚度1.5mm、外径84mm、节距12mm、长度19mm；
冷段采用环肋：环肋厚度1.0mm、外径84mm、节距12mm、长度19mm。
2.3管束排列方式与管间距的选择
管束顺排时，气体绕流肋片管，在其尾部要形成涡流，与主流的混合较差。所以，在工业上常用的流速范围内其换热效果比错排差，但流动阻力较小。常采用的错排为管束正三角形排列，常采用的顺排为管束正方形排列。本次设计中选用的热管管束排列方式为等边三角形错排。
增大管间距会使气体流动的最大风速降低，使热管的对流换热热阻增大，从而使换热器的换热量减小。管间距与换热量之间近似成线性关系。管束的横向间距一般为肋片外径的1.05至1.5倍，本文选择1.25倍，即横向间距为105mm。因为正三角形错排，纵向间距为91mm。
2.4横向管根数、总管数、排数的计算
横向管根数等于烟道宽度除以热管横向节距；由于采用正三角形错排，奇数排每排热管数为57根，偶数排每排热管数为56根。热管总数等于回收的烟气热量除以单根热管平均换热量，再加10%的余量。热管总数设计为1141根。热管排数等于热管总数除以横向热管根数。热管排数设计为22排。
2.5管箱、倾角、中隔板、流动型式的设计
管箱宽度为6米，高度为4.15m，沿气流方向的深度为1.81m。因为烟风道现场条件允许，将重力热管的倾角设计为90°，热段在下，冷段在上。中隔板可保证参与换热的冷热流体不相互串通，选定中隔板长度为0.4m。
在设计过程中，流动型式采用逆流换热的换热方式。逆流换热中冷热流体反向平行流动以实现换热。逆流换热这种流型在热流体进出口温度给定的情况下，可将冷流体加热到高于热流体出口温度。在给定的冷流体进出口温度条件下，逆流时换热器的对数平均温差最高，换热器传热效果最好。
4.结论
综上所述，前置式热管式空气预热器具有一定的解决磨损、腐蚀、堵灰、漏风的能力。在一定条件下还可进一步降低排烟温度，包括消除漏风的效果在内，可降低排烟损失，从而提高锅炉运行的经济性，充分地发挥了热管换热器的优点。
优化设计是对设计问题通过数学模型应用优化方法求解，要综合各方面的因素、约束、指标等，热管直径、翅片高、翅片厚度、翅片间距、热管管即间距、热管长度等结构尺寸，对换热器的性能影响很大，它的变量是靠设计经验事先给出的。所以，包括管径、肋片、尺寸及间距、烟速和风速以及阻力等方面还有优化的可能。
热管技术业已成熟，并已在许多工业领域经过十几年的应用实践取得了成功的经验。近十年来在电厂锅炉上的应用已成功地解决了原空气预热器的难题，根据已有的经验应进一步应用到电厂的其它方面，如作为主空气预热器、电机冷却、热交换器、余热回收、空气冷却、变压器冷却等都有广泛的前景。
参考文献
[1]陈远国，热管及热管换热器，重庆大学出版社。1986
[2]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.