厂专业生产热管冷凝器 文成

热管冷凝器技术介绍(余热回收技术)   

3.1.4热管的特性

    与常规换热设备相比，热管具有如下的特点：

    （1）热管换热设备较常规换热设备更安全、可靠，可长期连续运行。常规换热设备一般都是间壁换热，冷、热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失。由热管组成的换热设备，是二次间壁换热，即热流体要通过热管的蒸发段和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性；

    （2）传热效率高，热管的冷、热侧均可根据需要采用缠绕翅片来增加传热面积；

    （3）有效地避免冷、热流体的串流，每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体均在管外流动，并由中间密封结构将冷、热流体完全隔开；

    （4）有效的防止露点腐蚀，通过调整热管根数或调整热管冷热侧的传热面积比，使热管壁温提高到露点温度以上，这种变换热流密度的方法能使热管以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之，也可以较大的面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，使单位加热和冷却传热面积上的热流量发生变化。如下图所示，图（a）为热管蒸发段长度大于冷凝段长度，并缠绕翅片，显然蒸发段的传热面积大于冷凝段的传热面积，当传热量q一定时，蒸发段的热流密度远小于冷凝段的热流密度，图（b）则为相反情况，从而达到控制与调节热管管壁温度；

（5）有效的防止积灰，换热器设计时能够采用变截面形式，保证流体通过热管换热器时等流速流动，达到自清灰的目的；

    （6）无任何转动部件，没有附加动力消耗，不需要经常更换元件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产；

    （7）单根热管的损坏不影响其它的热管，同时对整体换热效果的影响也可忽略不记。

（热管余热锅炉）              （热管冷凝器）

3.2 冷凝余热回收锅炉技术分析

3.2.1概述

一般来说，热效率以上的锅炉在常识上虽然难以理解，但如果将烟气中的水蒸汽凝结潜热利用起来，并且排烟温度降低得足够低，排烟损失很低的情况下，锅炉的热效率会提高到，甚至超过。

在热能工程领域中计算锅炉的热效率都是利用燃料的低位发热量来进行计算的，国外也是如此，如果按锅炉的高位发热量来计算锅炉的热效率，则的热效率是不可能达到的（能量守恒）。

利用高效的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，从而达到提高锅炉热效率的目的。这样可以将原来的燃气锅炉改造为冷凝余热回收锅炉。

冷凝式锅炉发轫于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于上世纪70年代，开发家用冷凝式锅炉，到80年代末期90年代初期，韩国率先将冷凝式锅炉应用在大中型工业锅炉上，冷凝式锅炉除了具有传统锅炉的共性之外，更是制热机理的大胆革命与突破。在一些能源利用率较高的欧美国家，燃气冷凝式余热回收的热水锅炉其热效率高达103%以上，此外在烟气中的co2和nox等有害成份也大大降低，这对环保来说是非常有利的。在欧美等国，由于政府鼓励使用冷凝锅炉，所以需求量不断增加，冷凝锅炉的使用率瑞士60%，荷兰50%，德国20%，奥地利（20%），英国（15%）。

冷凝式换热器是一种低温热交换器，传热面积大，并使用目前Zui为先进的热管换热技术，虽然价格较高，但这只是一次性投资，其投资回收期只需几个月，节约的燃料费很快就将投资回收。

冷凝式锅炉可以回收排烟中的水蒸汽凝结潜热，还可以降低烟气中的有害气体，所以它很快确立了其在暖通领域中的地位，欧洲国家对冷凝锅炉的认知普及及政策的倾斜，使得冷凝锅炉的应用极为广泛。而在中国，冷凝锅炉还是空白，人们对冷凝锅炉的认识不足是一重要原因，另一原因就是生产厂家对冷凝锅炉的推广和研发不力。

3.2.2冷凝余热回收锅炉热效率分析

燃料中含有大量氢元素，燃烧产生大量水蒸汽。每1nm3天然气燃烧后可以产生1.55kg水蒸汽，具有可观的汽化潜热，大约为3700kj，占天然气的低位发热量的10%左右。在排烟温度较高时，水蒸汽不能冷凝放出热量，随烟气排放，热量被浪费。同时，高温烟气也带走大量显热，一起形成较大的排烟损失。

烟气冷凝余热回收装置，利用温度较低的水或空气冷却烟气，实现烟气温度降低，靠近换热面区域，烟气中水蒸汽冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放，而换热器内的水或空气吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。

锅炉热效率提高：1nm3天燃气燃烧生产理论烟气量约10.3 nm3（大约12.5kg）。以过量空气系数1.3为例，产生烟气14 nm3（大约16.6kg）。取烟气温度200℃降低至70℃，放出物理显热约1600kj，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潜热约1850 kj，总计放热3450 kj，约是天然气低位发热量的10%。若取80%烟气进入热能回收装置，可以提高热能利用率8%以上，节省天然气燃料近10%。

传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热量的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%。而冷凝式余热回收锅炉，它把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热。

以天然气为燃料的冷凝余热回收锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为15%~19%，燃油锅炉烟气中水蒸汽含量为10%~12%，远高于燃煤锅炉产生的烟气中6%以下的水蒸汽含量。目前锅炉热效率均以低位发热量计算，尽管名义上热效率较高，但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右，实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源，降低排烟温度，回收烟气的物理热能，当换热器壁面温度低于烟气的露点温度时，烟气中的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10%的高低位发热量差就能被有效利用。

3.2.3冷凝余热回收锅炉原理

1、天然气（lng）以及其它的燃气燃料主要是碳（c）和氢（h）两元素结合而成的化合物，能保持完全燃烧，因其不含硫磺成份，所以不产生在低温条件下腐蚀金属的硫酸（h2so4）和亚硫酸（h2so3），是一种清洁的燃料。

天然气的主要成份：

　　 ch4 + c2h6 + c3h8 + c4h10 + n2

　　 甲烷 + 乙烷 + 丙烷 + 丁烷 + 氮

(%) 90 + 6.8 + 2.5 + 1 + 0.3 =100

2、含在燃气中的氢（h）在锅炉内部燃烧时与氧结合成水。生成的水从燃烧时产生的热量（高位发热量）中吸收约10%的气化热而变成水蒸汽，与排出的烟气一道排出。（冬季水蒸汽与冷空气相遇而凝结，从烟囱观察到冒白烟应是这个原因。）

　　燃气的高位发热量 -      汽化热（潜热） = 低位发热量

9450kcal/nm3 - 950kcal/nm3 = 8500kcal/nm3

3、水在高温烟气中，吸热蒸发为水蒸汽，水蒸汽遇到通过冷空气或冷水的传热面，重新凝结成水而释放潜热（汽化热539kcal/kg）。冷凝余热回收锅炉就是在燃气锅炉的排烟通道上设置通过冷水的热交换器和加热空气的空气预热器，烟气在通过热交换器的传热面时水蒸汽重新凝结为水，将其汽化热（潜热）释放出来，并加热交换器内的介质（冷水或空气）。

4、锅炉热效率的计算：

　　锅炉的正平衡效率：

η=（锅炉出力×饱和蒸汽焓－给水量×给水焓）÷（燃料消耗量×燃料的低位发热量）

3.2.4冷凝余热回收锅炉和环境保护

　　燃气与燃重油或轻油相比对环境污染相对小一些，它是一种清洁燃料。但燃烧时生成的co2、co、nox对环境产生了影响。在先进国家也为了减少这个量，开发和使用低nox燃烧器，低nox锅炉等。但co2依然被排出，而nox控制在60ppm以下排出。

　　一般情况下，天然气燃烧排烟中含co2含量约为10-12%；nox含量约为60-80ppm，这些有害气体促成酸雨产生或温室效应，诱发大气臭氧层的破环或影响臭氧生成。使用冷凝余热回收锅炉时，对这一环境污染有极大的缓解。

co2+h2o→h2co3

nox+h2o→hno2+hno3

　　在上式中可以看出：co2和nox在冷凝余热回收锅炉的尾部烟道中与冷凝结露的h2o结合生成对应的酸，并随着凝结水从排放管排出。而烟气中的有害成份co2和nox含量大大咸少,co2约减少40%，含量由原来的12%下降至6-7%;nox约减少至20ppm以下。

　　酸性的冷凝水排出时需进行中和处理：

h2co3+ca2++oh-→caco3+h2o

h2no3+ca2++oh-→cano3+h2o

　　可以设置一中和池，将冷凝水排放到中和池中，定斯检查中和池的ph值。

3.3 热管式烟气冷凝器介绍

热管烟气冷凝器是近年来采用热管技术开发的新产品之一，现已成为回收中、小型工业锅炉排烟余热的佼佼者，正在逐步取代各种老式冷凝器。因为它由热管这一“超导热体”组成，所以它具有传统冷凝器无法比拟的独特优越性。

热管是指在密封真空容器中注入适量工作液体的传热元件。其热的传递是通过工作液体的反复蒸发与冷凝来进行的。

当热量传入蒸发段，工作液体吸收汽化潜热变成蒸汽流向冷凝段，在冷凝段释放出汽化潜热后，工质冷凝变成液体，回流至蒸发段，如此反复循环，利用工质的相变及传热，以潜热的形式来传递热量。由于工质的潜热很大，如水的潜热为540千卡/公斤，因此热管具有很高的传热率。用一支铜水热管和相同外形的实心紫铜棒相比，传输热量均为1千瓦的情况下，前者的导热系数是后者的8376倍。因此，热管被称之为“超导热体”。

Zui早的“热管”构思是1942年美国通用发动机公司的高格勒提出的。直到1964年美国洛斯一阿拉莫斯科学实验室的科特对热管进行了性能实验，并在“应用物理”上发表了第一篇热管基础理论的论文，热管才开始受到重视。科特在这篇论文中指出：“在某些应用范围内热管可看成为一种组合的工程结构，它相当于导热率大大超过任何已知金属的一种物体”。从此，热管的研究及应用，发展十分惊人。自1967年，美国将第一支热管送入地球卫星轨道以来，热管技术已广泛应用于航天、电子、动力、机械、冶金、化工、轻纺、建筑等行业。

下面将具体阐述，为什么热管冷凝器会具有巨大威力，会有如此强大的竞争力？

利用冷凝器回收排烟余热，降低排烟温度可以提高锅炉效率，减少燃料消耗量。然而在中、小型工业锅炉中，冷凝器至今用得不好，未能普及，原因何在？这是由于中、小型锅炉利用排烟余热量，存在如下矛盾：

1、给水普遍没有前置加热，低温供水会导致冷凝器金属壁面的低温腐蚀。

2、当烟气含尘量较大时，极易积灰、堵灰。

3、中、小型工业锅炉排烟余热温差小，要求余热设备的传热面积大，而锅炉本身又要求体积小，重量轻，以致在锅炉设计上难以适应。

为此，利用200—300cc°°低温烟气余热，对冷凝器的要求是：

1、传热强度高，单位体积的传热面积大。

2、抗腐蚀力强，在低温给水条件下能具有较高壁温，从而避开受热面严重腐蚀的危险。

3、烟侧阻力小，风机电耗小，可以在不改变风机出力情况下装设。

而传统的冷凝器——铸铁式及钢管式则无法满足以上要求，这是因为：

1、这两种冷凝器由于水均在管内流动，换热系数不高，传热强度低，单位体积的传热面积小，而铸铁式冷凝器则由于烟侧的铸造翅片又短又厚，肋化系数低，它的传热强度更低。

2、这两种冷凝器水的进口处壁温很低，容易产生酸腐蚀，而钢管式冷凝器材料的耐腐蚀性很差，其使用寿命短。

3、两者设备结构不紧凑，金属耗电大，烟气流程长，阻力较大。

4、在这两种冷凝器中，若一处因腐蚀损坏，则气水相通，必须停炉，而且修复很困难。

上述传统冷凝器所无法解决的问题，采用热管冷凝器则迎刃而解，因为热管冷凝器具有传统冷凝器无法比拟的独特优越性。

1、热强度高，单位体积的传热面积较大，热管冷凝器中热管外表面可以很方便地实现肋化，扩大传热面积，肋化系数高达10以上。此外烟气和水的流动均为横掠管束，传热系数较管内流动高。

2、可以得到较高的壁温，能较好地解决低温腐蚀问题。

3、结构紧凑，金属耗量低，烟气流程短，阻力小，电耗小，增设热管冷凝器不需更换风机。

4、气侧与水侧双重隔离，一管损坏，设备仍能运转。

为了定量说明热管冷凝器的优越性，在此将热管冷凝器与常用的铸铁冷凝器进行比较，下表列出了在相同排烟量、相同排烟温度，相同给水温度以及相同余热收量的条件，这两种冷凝器主要结构尺寸及性能数据。

热管式和铸铁冷凝器的比较

从该表可以看出，热管冷凝器与铸铁冷凝器二者在如下方面差异较大：

1、传热系数，热管冷凝器为铸铁的7.45倍；

2、Zui低壁温，热管冷凝器为135c°，而铸铁冷凝器只有35c°；

3、烟侧压降，热管冷凝器为38pa，铸铁冷凝器为98pa。

4、单位体积的传热面积，热管冷凝器为铸铁冷凝器的2.96倍。

5、热管冷凝器的总体积为铸铁冷凝器的1/3。

6、热管冷凝器的总重量不到铸铁冷凝器的1/2。

终上所述，热管冷凝器无论在技术先进性还是在工作可靠性，使用寿命等方面都大大优于铸铁冷凝器，而在投资回收年限方面，二者相差却不大，可见热管冷凝器不仅技术先进而且价格也有很强的竞争力。