低溫發電用鍋爐有三類:立式余熱鍋爐、臥式余熱鍋爐、熱管余熱鍋爐。前兩種鍋爐為常規的余熱鍋爐,這里重點介紹熱管余熱鍋爐(如圖1所示)。

圖1 熱管余熱鍋爐

1 用于我國低溫發電的熱管余熱鍋爐

　　在“八五”科技攻關“85-518-01”低溫余熱發電課題中,我們所采用的熱管余熱鍋爐與上述幾種余熱鍋爐又有所不同。為了更多地利用廢氣低溫的能量,在熱力系統中,采用了兩相流螺桿膨脹機發電(詳見圖2)。由熱管余熱鍋爐產生2.7MPa,228℃的水及水蒸汽(80%熱水,20%水蒸汽)引入螺桿膨脹機膨脹作功,推動螺桿機發電機組發電。出螺桿機的汽水壓力為0.45MPa,經擴容分離器分離出的水送回鍋爐,蒸汽引入汽輪機發電。出鍋爐煙氣溫度140℃以下。

圖2 低溫發電熱力系統流程圖

1.窯尾預熱分解系統;2.熱管余熱鍋爐;3.螺桿膨脹機; 4.擴容分離器;5.汽輪機;6.冷凝器;7、8.水泵

1.1 熱管的結構與原理

　　熱管結構如圖3所示。由管殼、封頭、吸液芯、工質等組成。管內有工質,工質被吸附在多孔的毛細吸液芯內,一般為氣、液兩相共存,并處于飽和狀態。對應于某一個環境溫度,管內有一個與之相應的飽和蒸汽壓力。熱管與外部熱源(T1)相接觸的一端,稱為蒸發段;與被加熱體(T2)相接觸的一端,稱為冷凝段。熱管從外部熱源吸熱,蒸發段吸液芯中工質蒸發,局部空間的蒸汽壓力升高,管子兩端形成壓差,蒸汽在壓差作用下被驅送到冷凝段,其熱量通過熱管表面傳輸給被熱體,熱管內工質冷凝后又返回蒸發段,形成一個閉式循環,包括三個過程:

　　蒸發段液相工質吸熱蒸發;

　　被蒸發的工質在冷凝段放熱冷凝;

　　冷凝的工質又返回蒸發段再蒸發。

圖3 熱管結構示意圖

　　因熱管的熱力循環是在一個封閉的管內實現的,對外界環境而言,熱管自高溫熱源處吸收熱量,在低溫段放出熱量。熱管僅是熱量傳輸的工具,工質則是熱量傳輸的載體,驅動工質循環的動力是管兩端的溫差。

1.2 熱管余熱鍋爐的特點

　　熱管具有很大的熱導,它具有在小溫差下傳遞很大熱流的特性。我們在低溫發電系統中采用熱管余熱鍋爐做低溫余熱發電的熱量回收裝置,正是充分利用了熱管的這一特點,在溫差較小的情況下,回收到更多的熱量。美國休斯飛機公司對熱管換熱器和其它類型的換熱器進行了比較和評定(結果見附表)。從表中看出,只有板翅式換熱器的綜合指標比較接近熱管換熱器(表中括號中的數字表示品質因素,最好是5,最差是0)。

各種換熱器的比較表

類型	壓降	傳熱系數	維修	價格	輔助動力	交叉污染	傳熱面積/面積體積	總計
蓄熱式	中(3)	高(4)	高(2)	高(2)	有(0)	有(0)	高(4)	15
管殼式	高(2)	高(4)	中(3)	中(3)	無(5)	無(5)	低(2)	24
輔助流體式	低(4)	低(2)	高(2)	高(2)	有(0)	無(5)	中(3)	18
板翅式	低(4)	中(3)	中(3)	高(2)	無(5)	無(5)	很高(5)	27
熱管式	低(4)	高(4)	很低(5)	中(3)	無(5)	無(5)	高(4)	30

　　而流體通過板翅式換熱器的壓降卻比熱管換熱器高2～4倍,顯然,如將其做為回收窯尾廢氣余熱的裝置,將大大增加風機的動力消耗。

　　常規水管鍋爐水的汽化在水管內進行,水管內水沸騰容易產生傳熱不穩定現象,熱管余熱鍋爐水的汽化是在管外汽包內沸騰。常規鍋爐只能靠水管內表面對水傳熱,而熱管可加肋片或翅片,傳熱面積則遠大于水管,熱管余熱鍋爐的換熱元件為單個的獨立熱管,其整體結構簡單,有個別熱管發生損壞,不影響整個鍋爐的運行,維修方便。

2 熱管余熱鍋爐的試驗內容

2.1 熱管余熱鍋爐產生蒸汽的試驗

　　1990年6月,我們在南京化工學院熱管中心的試驗臺上,進行了套管式熱管余熱鍋爐模擬試驗,其目的在于驗證在400～450℃條件下,熱管余熱鍋爐能否產生14kg/cm2壓力的蒸汽。通過試驗測得:

　　總傳熱系數:k=104.3±20.6

　　熱側換熱系數:h＞200W/m·℃

　　蒸汽發生量:計算值:57kg/h

　　實驗值:54kg/h

　　結果表明:煙氣在450℃左右,該鍋爐的蒸汽過熱到340℃時,能夠穩定產生14kg的蒸汽。這種結構的鍋爐具有傳熱系數大,流動阻力小等優點,證明帶翅片套管式結構的熱管余熱鍋爐在工業應用上是可行的。

2.2 熱管余熱鍋爐產生汽水兩相流的試驗

　　本試驗用鍋爐安裝于中國建材院的低溫發電試驗室,目的是驗證鍋爐的主要設計參數,換熱能力及阻力降。以使工程項目的設計更加技術先進、經濟合理、安全可靠。

2.2.1 流程簡介

　　熱模試驗工藝流程中,燃油熱風爐產生300～500℃熱煙氣。進入熱管余熱鍋爐(G=500kg/h,Pg=0.8MPa),產生干度(x=0～1)可調的汽水兩相工質,經計量后進入5kW的螺桿膨脹機中,出螺桿機的兩相工質經汽—水分離器分離后,熱水返回水箱循環使用,蒸汽進入換熱器冷凝,凝結水匯入水箱,再送回鍋爐。

2.2.2 熱管鍋爐的實驗

　　此次熱管鍋爐的汽水兩相試驗所用熱管鍋爐,由南京熱管中心設計制造。

　　(1)熱管鍋爐的傳熱計算與試驗結果

　　由于鍋爐入口煙氣溫度較低,一般350～450℃,預熱段側溫度更低,其傳熱過程與常規鍋爐的省煤器式預熱器相同。設計試驗用熱管余熱鍋爐時,對于橫向沖刷圓型肋片錯列布置管束的擴展表面的放熱系數,采用下式計算:

　　
　　　(1)

　　實際應用中,鍋爐管的傳熱系數α通過經驗式進行計算。

　　Q1=αAΔT (2)

　　式中:

　　α——經驗的傳熱系數,W/m2·℃;

　　A——換熱面積,m2;

　　ΔT——煙氣平均傳熱溫差,℃;

　　Q1——傳熱量,kJ/h。

　　Q1=G1(h″-h′)+G2(h′-h1) (3)

　　G1、G2可以通過計量表直接讀取,而h1、h′、h″可以通過測定汽包壓力及溫度后查表得到。

　　鍋爐管束的傳熱系數理論計算與試驗結果數據見圖4、圖5。

　　從圖4中可以看出,設計計算的傳熱系數與試驗結果基本吻合。

圖4 風速與傳熱系數的關系

　　α——不同風速下傳熱系數試驗值；

　　α0——不同風速下傳熱系數理論值（圖5同）

圖5 溫差與傳熱系數的關系

　　傳熱系數α可由經驗式α=kω計算而得,其中k=5.4～5.7,當風速較低時取高值,當風速較高時取低值。

　　(2)熱管余熱鍋爐的阻力計算與試驗結果

　　鍋爐煙氣阻力降的大小與煙氣的流速、鍋爐管束結構和布置方式有關,對于采用加翅片強化傳熱面積,錯列布置的管束,采用下列公式計算:

　　 從圖6中可以看出,阻力降的理論計算值與試驗結果也基本吻合。

圖6 風速與阻力的關系

Δp——理論阻力降;Δp′——試驗阻力降

2.2.3 實際結果分析

　　(1)從圖4可以看出,試驗所得傳熱系數比理論設計值大。原因之一是試驗風速為10～12m/s,而設計工況為9～11m/s;原因之二是加灰時間短,對熱交換器表面污染影響很小。

　　(2)從圖6中可以看出,試驗結果顯示鍋爐阻力降比理論計算設計值略低,而且風速越低,偏差越大。其原因為理論計算設計值考慮了余熱鍋爐實際運行工況中煙氣含有大量灰塵,長期使用不可避免會引起少量積灰,使實際斷面風速有所提高,導致了阻力增大的可能。而試驗中雖然也進行了加灰試驗,但運行時間短,無法產生“積灰”現象,故其試驗阻力要低。

　　(3)當熱管余熱鍋爐的煙氣入口溫度為350～450℃時,排煙溫度可以降至130～140℃,并能產生0.8MPa壓力的汽水兩相工質,滿足了螺桿膨脹機發電機組的要求。

　　(4)通過試驗看出,熱管余熱鍋爐在低溫運行時,其各項指標均達到設計要求,將其用作工業上低溫發電的熱能回收裝置是可靠的;換熱系數及阻力降計算公式可以用于工業設計。