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燃气锅炉热管式换热器概述

文章作者:艺能锅炉   发布时间:2017-09-15
对燃气锅炉安装冷凝式换热器进行余热回收时,可能会遇到单一低温热源的吸热能力不足以使烟气温度降至足够低温度因而无法充分回收烟气中汽化潜热的问题。

一、工作原理
  热管是一种具有   导热性能的传热元件,一般由管壳、吸液芯和端盖三部分组成。热管管腔制成真空,   压力大小仅为0.000013~0.13Pa。在管腔内充有适量的保证吸液芯内可以充满的工作液体。其两端分别称为蒸发段和冷凝段,为减少传热过程的热损失,两端之间可以保温绝热。
  热管靠工作介质的汽化和液化完成吸热放热。燃气锅炉高温热源设在蒸发段,吸液芯中的工作介质吸热汽化;蒸汽靠自身产生的微小压差流向冷凝段;在冷凝段低温热源吸热,工作介质被冷却冷凝放出潜热;液态工质在吸液芯毛细力或重力等其他力的作用下流回蒸发段,继续蒸发吸热。如此不断循环,把热量从蒸发段传递到冷凝段。
  热管完成热量传递可分为下述几个过程:
  (1)热量从高温热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯以热传导的方式传递到汽一液界面,管壁热阻和液膜热阻是传热过程的热阻;(2)液体在汽一液界面上吸热汽化,吸热量主要是介质在工作压力下的汽化潜热量;(3)蒸汽携带着热量从蒸发段流至冷凝段;(4)气态工质在汽一液界面处冷凝,放出汽化潜热;(5)热量通过热管管壁传递给低温热源,冷凝下来的工作介质在毛细作用下返回蒸发段。
  二、热管的特点
  热管的传热主要依赖管内工作介质的相变来实现,因而传热效果很好,同其他类型换热元件相比,具有以下特点:
  (1)导热性好——热管靠工作介质的相变换热,热阻很小,导热性能好,相同重量下,其单位时间内传递的热量与Ag、Cu、Al等导热性能良好的金属相比可以高出很多倍。
  (2)等温性好——一般来说,热管内的工作蒸汽是饱和的,其压力至于温度有关,蒸汽在管腔内流动过程中压降很小,因此根据克拉伯龙方程可知,在此过程中温降也很小,因而热管等温性能良好。
  (3)换热器设计灵活——热管可以较灵活地设置两端的传热面积。也就是说蒸发段和冷凝段的传热面积大小可以不一样,即两段的热流密度大小可变,这可以解决其他换热器难以处理的传热问题。
  (4)热流方向可逆——对于水平的热管,其汽、液态工质循环的推动力是吸液芯毛细力,蒸发段、冷凝段结构相同,因此两端均可作为蒸发段和冷凝段。热管的这个特点可用于使航天设备在太空的温度均匀或用于蓄热装置等。
  (5)可做成热开关——将热管做成热开关后,热管仅在热源温度高于设定温度时工作,低于设定温度,热管停止传热。
  (6)恒温性——一般来说,热管的热阻不会随传热量而变,传热量增加,热管的温度会随之增加。同时,存在热阻随传热量而变,热管温度保持恒定的热管,这种热管可以对温度进行   控制,保持恒温。
  (7)适应性好——热管可以根据热源或冷源的需求做成各种形状,如电动机的转轴、燃气轮机的叶片等。
  三、热管分类
  根据热管的不同特点,可满足各种场合的条件的各种形式的热管元件和热管换热器被设计制造出来。
  热管管腔内冷凝段的液态工作介质返回蒸发段时所依靠的推动力除吸液芯的毛细力,还有重力、重力加毛细力、离心力、渗透压力等,根据推动力的不同,将热管分为如下几类:
  (1)吸液芯热管:在毛细力作用下使液态工质返回蒸发段,它在无重力状态下或需要水平放置时应用。
  (2)重力热管:液态工质因处于重力场中,在自身重力推动下返回蒸发段,为保证其正常工作,重力热管不能水平放置。由于重力热管价格便宜,工作稳定,在工程中,一般优先考虑重力热管。重力热管,又称两相虹吸热管,这种热管不需要其他动力而依靠自身处于重力场实现气液循环。由于重力是这种类型热管工作液体循环的推动力,因此重力热管的工作具有明显的方向性,蒸发段工作在冷凝段下方,才能保证冷凝液靠自身重力得以返回,完成循环。重力热管和其他有芯热管相比,具有结构简单、制造方便、成本低廉的优点,因而其应用广泛,已在各领域中发挥了巨大的作用。
  (3)重力辅助热管:同时有毛细力和介质自身重力作为回流推动力,同重力热管一样也不能够水平放置。
  (4)旋转热管:这种热管的液态工质在圆周运动产生的离心力的作用下返回蒸发段,在设备正常转动时工作。
  另外还有在特殊场合下才会用到的热管,如依靠极化电流体动力学力、渗透压力等回流冷凝液的热管。
  四、热管的工作   
  热管的传热能力虽然很大,但也受到很多条件的限制,如热管大小、工作介质、吸液芯、热管形状等因素。
  (1)热管的粘性   表示其传热受到热管中汽态工质的粘滞阻力的影响而不能再扩展:(2)声速   是由于汽态工质速度达到了管腔温度压力下的声速后,无法进一步加速而达到的热量传递   :(3)携带   是指由于热管腔液态工质速度过大导致返回蒸发段的液态工质被蒸汽吹至冷凝段,热管无法正常吸热放热从而其无法传递   多的热量达到的   ;(4)热管的毛细   是指工作介质流动压力损失大小达到了热管液态工质回流的动力   大值后传热量不可再增加的   ;(5)由于传热量过大,蒸发段的液态工质剧烈沸腾甚至产生膜态沸腾而影响了液态工质返回蒸发段,使其无法正常,这种   称为沸腾   。
  五、 燃气锅炉应用热管换热器
  以热管为传热单元的热管换热器同其他换热器相比,具有传热性能好、适应性强、结构简单、安装灵活、   可靠、阻力小、维修量小、可避免露点腐蚀等优点。因而热管换热器越来越受到人们的重视,使用范围越来越大。燃气锅炉热管换热器从冷热流体状态角度可分为气-气、气-液、液-液、液-气式热管换热器,而从其整体的结构形式角度看,可将其分为整体、分离、回转和组合式热管换热器。
  (1)整体式热管换热器
  这种热管换热器是由比较普通的,多根热管组成作为其传热元件,冷热流体被管板隔开,分别在冷凝段、蒸发段吸热放热。换热器中热管数量的由换热量和每根热管换热能力共同决定。
  (2)分离式热管换热器
  这种换热器的蒸发段与冷凝段可以灵活地设置在不同的地方,用管道将连接成一个完整的循环回路。这种换热器的依靠下降管系统与上升管系统中汽、液介质的密度差产生的动力循环。
  分离式热管换热器具有如下特性:
  ①   先是蒸发段与冷凝段可不受位置限制,布置方式灵活;
  ②可实现多种冷热流体同时传热;
  (3)回转式热管换热器
  回转式热管换热器借助圆周运动产生的离心力将液态工质返回蒸发段,同时换热器的转动可加强汽态工质扰动,有利于传热。但是回转式热管换热器由于本身增添了转动机构使得换热器变得复杂,换热器的稳定性需要保证,而且动力消耗也会增加。
  (4)组合式热管换热器
  组合式热管换热器可以将换热器中不同温度段设置充有不同工作介质的热管,或是根据不同的高温流体或低温流体将换热器分割成不同的几个部分。组合式换热器可以克服高低温热源热负荷不同的困难,使用另一种流体对其进行平衡。
  对燃气锅炉安装冷凝式换热器进行余热回收时,可能会遇到单一低温热源的吸热能力不足以使烟气温度降至足够低温度因而无法充分回收烟气中汽化潜热的问题。而利用组合式热管换热器可以使用两种或两种以上的低温热源以实现烟气的充分冷却,保证较高的燃气锅炉烟气余热回收效率,有效地解决此问题。

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