热管换热器在高炉上的应用

1 概述
现在，在与传热有关的技术领域中，“热管”正在被越来越多的人们所认识，所熟知。热管，这一被称之为超导热体的高效传热元件，从它刚刚问世，就以它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。
热管，较精确的定义，称之谓“封闭两相传热系统”，即在一个封闭的体系内，依靠流体的相态变化（液相变为汽相和气相变为液相）来传递热量的装置。热管的这种传热原理，首先于1944年由美国人高格勒（R•S•Gaugler）所发现，并以“热传递装置”（Heat Transter Device）为名取得专利。到六十年代初期，由于宇航事业的发展，要求为宇航飞行器提供高效传热元件，促使美国洛斯—阿拉莫斯科学实验室的格罗费（G•M•Grover）于1964年在独立工作的基础上，再次发现这种传热装置的原理，并命名为热管（Heat Pipe）。
航天科工哈尔滨风华有限公司是我国最早从事工业热管研究和开发的专业厂家之一，早在上世纪八十年代就把航天热管技术应用到民用产品，是国内目前重要的工业热管研发基地之一，技术力量雄厚，有扎实的理论基础和长期从事热管产品开发的实践经验。多年以来，先后研制开发热管式换热器、热管式空气预热器、热管式省煤器、热管式余热锅炉、吹风气余热回收系统、大型钢厂的余热回收系统、带冷机、环冷机余热回收系统、高炉余热回收系统等产品。自1989年开始低温热棒的试验研究，2002年开始与中铁西北科学院合作开展了青藏铁路冻土热管的研制和试验工作，并参与起草的《青藏铁路公司热棒技术规格和验收标准（暂行稿）》。我公司的冻土用低温热棒已获得国家专利，在青藏铁路的建设过程中低温热棒得到广泛的应用，并取得良好的效果。
2 热管原理
热管是依靠流体的相变（液相变为汽相和汽相变为液相）来传递热量的装置。如果将热管的一端加热，另一段冷却，中间一段用材料进行绝热处理，这时，热管内部将开始两相传热过程。加热段的工质将沸腾或蒸发，吸收汽化潜热，由液相变为汽相，产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流动到冷却段，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，通过管壁传给外面的冷源，冷凝下来的液体靠管内壁的多孔物质所产生的毛细管力（或重力）再回流到加热段，重新开始蒸发吸热过程，这样，通过管内工质的连续相变，完成了热量的连续转移。
当热管在地面上应用时，可以让重力来帮助凝液回流，这时，只要将热管倾斜放置，加热段在下，冷却段在上就可以了，这样的热管叫重力辅助热管。由于重力可以帮助回流，对吸液芯的要求大大降低。如果将热管垂直放置，管内不加吸液芯，完全靠重力回流液体，这样的热管又叫热虹吸管。

图1.  热管典型结构    

由此可见，热虹吸管结构简单，制造容易，成本低廉，因而广泛地应用于节能工程中。
热管由于靠工质的相变传热，因而具有优异的传热特性，如果将一支热管与外表尺寸完全相同的一支铜棒进行比较，将它们的一端同时插入热源中，当二者传递相同的功率时，热管具有良好的同向等温性，而铜棒却有明显的温度降落，如图2所示，因此，热管的传热特性可以这样来描写：它可以很小的温差下传输大量的热量。热管的相当导热系数比导热性能良好的铜可高出数百倍，因而有超导热体之称。  

图2.   热管与铜棒的传热比较 

                 
3 钢厂高炉热风炉的余热回收利用
热管式双预热回收装置是热管换热器的其中一种应用形式。高炉热风炉是生产热风的设备，热风炉废气烟温一般在300～350℃，用热管式双预热装置同时预热助燃空气和煤气，可将空气预热至180～200℃，煤气预热至140～150℃。这样改善了蓄热炉内的燃烧状况，提高了拱顶温度，降低了焦化比，减少了燃烧的煤气用量。余热回收除了回收热量外，还能减少散失于环境中的热量，起到节能环保作用。

技术特点：
a) 旁通烟道上烟气一分为二，其一用来加热煤气，其二用来加热空气。采用分别布置，因而不会产生空气、煤气、烟气之间的泄露和掺混问题，可以保证安全运行。
b) 预热器的传热面积可分别设计，安装位置也可随意，给管道布置带来方便。
4 热管换热器的结构特点
    由热管元件组成的换热设备叫热管换热器。在余热回收系统中，热管往往不是以单支元件的形式，而是由若干支、甚至几十支，几百支热管组合起来应用的。也就是说，热管换热器是其主要应用形式。
5 热管换热器的优点及性能比较
 热管换热器与传统的换热设备比较，有下列几方面优点：
a) 传热系数高。例如，气—气型热管换热的传热系数比列管式换热器可高出5～10倍。
 b) 传热温差大。因为热管换热器可以实现纯粹的逆流换热，因而具有很大的传热温差。
 c) 由于上述优点，在传递相同热量的情况下，热管热换器需要较少的传热面积，因而具有良好的紧凑性，占地面积和金属消耗量大为减小。
 d) 热管元件具有良好的可拆换性，便于维护和检修。因为热管元件彼此是独立的，是按一定的排列架在一起的，不象一般列管式换热器那样，管子之间和管箱是互相联在一起的，是一个整体，因而不便于拆卸。有的热管换热器甚至在工作状况下，不用停机就能进行热管元件的更换和检修。
 e) 热管换热器加热段和冷却段的面积可以人为地调节，管壁温度也可相应的得到调节，因而具有较强的抗露点腐蚀的能力。此外既使一支或几支热管腐蚀漏了，也不会造成冷热两种流体的掺混。
 f) 传热面积和管排数容易增减，因而具有较大的伸缩性。
 g) 冷热两流体的换热，全部为热管外部换热，表面上的积灰比较容易清洗。
综上所述，热管换热器与其他节能设备比较，表现出较明显的优点和竞争力，这正是得以迅速发展和应用的原因。
6 应用实例
我公司设计的双预热回收系统达到设计标准，现运行良好，得到各用户的好评。例如：
某公司350m³高炉，其热风炉采用我公司双预热回收系统，其参数及运行参数如下：（附图）
 流量 进换热器温度 出换热器温度
烟气 42000~62000Nm3/h 350—400℃ 160℃
空气 20000~27000Nm3/h 15℃ 180—200℃
煤气 25000~28000Nm3/h 15℃ 140—150℃

 

山东球墨铸铁有限公司350m³高炉热风炉双预热系统图

回顾热管技术在我国钢铁行业的应用过程，大量的实践证明，这种技术已经成熟，并受到越来越多企业的重视。我公司为阿成钢厂生产的双预热回收系统也在正常运行多年。利用热管换热器，经济效益可观，其投资回收期在1～2年。当今时期，原燃料紧缺，价格不断提高，各钢铁冶金企业都在努力降低成本，在此情况下，热管换热器应用就更具有现实意义。我公司有信心，有能力应用热管技术为各钢铁企业竭诚服务。
 

上一页：干式切削及其刀具技术
下一页：莱钢750m3高炉热风炉系统测试