1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究背景

作为典型的煤炭污染型国家之一，火力发电是我国的电力工业产业的领导主力军，其年平均发电量约占全国总年平均发电量的80%^[1]。即使在国内大部分省份频繁被雾霾天气笼罩，人民群众深受PM2.5爆表的危害而大力提倡节能减排的今天，电力产业仍是我国重要的能源支柱产业和煤炭消耗的大户，在全国煤炭总产量中，火力发电年消耗的煤炭量约占其60%^[2]。与此同时，我国这类火力发电厂的热能利用效率较低，循环冷取水可以携带50%以上的热量，经过冷却塔冷却后剩下的热量散入大气^[3]。由于循环冷却水温度较低（夏季25~45℃，冬季20~35℃），属于热源温度lt;50℃的低品位热源，使用常规技术手段对该部分低品位热源的回收利用效率较低^[4]。国内大多数热力发电厂长期以来就该低品位热量的余热回收利用问题并未引起足够重视，这不但浪费了大量的能量资源，还加剧了环境污染等一系列问题。因此，探索先进的技术手段来对这部分能量加以回收利用是十分必要的。

同样，各地火力发电厂大量消耗煤炭对环境的危害也是极大的。所以有效回收废热，使燃料更高效燃烧的问题迫在眉睫。据相关数据统计，我国大大小小的锅炉排烟温度均在180℃以上，普通工业锅炉更是高达250℃以上，尽管经余热回收，电站锅炉的排烟温度也多居于130~180℃，并且这部分热量随烟气直接排出，并未得到相应的回收和有效的利用^[5]。直接排放的高温的烟气不仅对环境有严重破坏，同时也对我国能源造成了极大浪费。查阅相关资料得，每降低15~20℃的排烟温度，锅炉的热效率约可提高1%，并且锅炉排烟热损失约在5%~8%之间，是工业热损失中最大的一种^[6]。

火力发电厂中的煤炭往往是在炉膛内直接燃烧，产生热量用以加热水冷壁中的水来产生过热蒸汽，进而推动汽轮机旋转并带动发电机做功，从而将热能转变为机械能再转变为电能加以利用。但在炉内烟气排放的过程中，出口烟气余温仍高于外界环境温度，因而可以采用高效率的热管式导热油加热器回收燃煤锅炉的排烟余热，减少能量耗损，提高燃煤锅炉的工作效率以节约能源^[7]。

节能减排作为我国工业可持续性发展的基本国策，在国家政策与市场需求的双重作用下，烟气余热回收利用的研究具有很大的市场空间，而作为目前高效解决这一问题的气-液热管换热器，其所带来的经济效益也是巨大的，因此，充分回收余热对促进”十二五”规划中节能减排任务的实现具有非常重要的意义^[8]。

二、研究进展

2.1 烟气余热回收的技术发展现状

工程上目前多利用的余热回收方式有：①将烟气余热回收至锅炉热力系统内（如预热炉内空气、加热炉内补水等）；②将烟气余热回收至系统外热用户（如提供生活热水等），如图1所示^[9]。

图1 烟气余热回收示意图

2.2 烟气余热回收装置研究现状

换热器在冷、热流体间起热量交换的作用，其工作性能和余热回收的效率关系紧密，因此余热回收的工程应用研究中换热器的研究具有非常重要的意义。

目前国内外的烟气余热回收装置主要有焊接板（管）式换热器、回转式换热器、热媒式换热器、热管式换热器、加装低压省煤器和有效吹灰或加装程控吹灰装置，使用最多的是热管式换热器和热媒式换热器^[10]。其中热媒式换热器由于其运转过程中所需要的设备较多，维护和运转所花费的费用较高，在国内的应用远不如国外多。相比而言，热管作为一种高效的传热元件，用以其做成的热管式换热器在余热的回收利用，废热的合理回收和燃煤的节约和成本的降低等方面体现出了明显的优势，因而热管换热器广泛应用于燃煤锅炉，在节约能源以及高效利用资源等方面成果丰硕。

热管换热器可以看做间壁式换热器，并且它具有结构简单紧凑、传热能力强、冷热流体互不干扰等特点，在低温烟气余热回收领域应用广泛。

由冷热流体的类型，热管换热器可分为：①气-气式热管换热器；②气-液式热管换热器；③气-汽式热管换热器

受科学、技术水平影响，早期热管领域的研究多采用集中参数法进行理论计算，90年代以来，在国外相关学者研究的基础上，国内也逐渐开展了热管换热器的数值模拟研究。

南京工业大学的孙世梅、张红、庄俊等人对热管换热器数值模拟方面进行了大量研究^[11~13]。孙世梅引入Darcy-Bricnkman-forchheimer提出的多孔介质模型^[14]，把热管看做多孔介质并带入研究，所得结果与实验结果可以良好吻合，证明了Darcy-Bricnkman-forchheime的多孔介质模型在热管数值模拟中的可行性，简化了其计算过程；庄俊等人在高温热管换热器的传统计算容易造成换热器过大的问题上提出了有效度-传热单元数（#400;-NTU）方法，以迭代多次的方式实现了计算的精确性，简化了传统高温热管换热器的数值模拟，成功优化了其结构制造使得成本大大降低。

庄新蓓基于Nusselt纯净饱和蒸气层流膜状凝结理论， 气液界面蒸气密度、剪切应力等各项因素，建立了重力式热管单管数学模型，分析了工作蒸气的压强等因素对热管内部液膜厚度与其温度分布的影响，对重力热管的设计具有指导意义^[15]。

张双、马国远等建立了热管换热器离散型计算模型，运用有效度-传热单元数（#400;-NTU）方法对热管进行逐排计算，研究了倾角、管排数等因素对热管传热性能的影响，提出了推荐设计参数与热管中工质选择的原则^[16]。

孙志坚选用Mixture模型，利用UDF函数定义烟气的物理特性，由数值模拟方法总结得到回路重力热管蒸发段沸腾换热系数的参数关联式 ,为回路重力热管的设计提供理论依据^[17]。

三、热管换热器的研究介绍

热管换热器作为换热装置之一，是在锅炉烟道部分的壁面处安装以导热油作为工作介质的热管式换热器。这种换热器中的热管是种具有高传热性能的传热元件，它通过密闭真空管壳内工作介质的相变潜热来传递热量，具有传热能力强，传热效率高的特点。作为回收烟气余热的气-液热管式换热器，它的热管吸热段植入烟道，放热段植入热管换热器，并且各热管放热端外表面均布置有首、尾相连的套管，延伸直至导热油换热器外端头处的各组套管，两端端头处均有集合管横向贯通,在热管换热器烟道与烟道之间存在隔板用以将两者相密封隔断^[18]。

3.1 主要结构

热管式导热油加热器是一种气-液翅片管式热管换热器，其主要由封头、上管箱、下管箱、翅片管、接管、折流板、挡板、隔板、底座和螺栓垫片等元件装置连接组成，如图2所示 ^[19]。

图2 热管换热器结构示意图

3.2 工作原理

3.2.1 热管工作的原理及特性

热管是一种利用热传导的原理与相变介质的快速热传递性质，将发热物体的热量迅速传递到热源外的具有高导热性能的传热元件其导热能力超过任何目前已知金属的导热能力^[20]，定义内容包括：①两端密封②带有空腔③充入介质④形成密封。它的概念首先是由美国通用汽车公司的高格博（R.S.Gaugler）于1942年提出的^[20]。应用最广的热管原理图如图3所示^[21]。加热热管的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发并带走热量，该热量作为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力的作用下，液体再回流到蒸发段，这样就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热段^[22]。

图3 典型热管的工作原理图

热管的基本特性表现为^[23]：

1）导热性高：热管内部主要靠工作液体的相变传热，热阻小，具有很高的导热能力，且与铜、银、铝等金属相比，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量；

2）热流密度（Q/A）可变：热管便于改变蒸发段或者冷却段的加热面积，改变热流密度，解决露点腐蚀等的传统方法难以解决的传热难题；

3）热流方向可逆：对于有芯热管，由于其毛细力作用，热管的任意一段均可作为蒸发段，对应的另一端即可散热作为冷凝段；

4）环境适应性强：当热源与冷源存在条件限制时，热管的形状可以发生变化；

5）具有恒温特性：对于可变异热管，随热量的增加冷凝段的热阻降低，反之增加，这样可使热管在热量发生大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制；

6）具有热二极管和热开关特性：热管只允许热流向一个方向流动称为其热二极管特性；当热源温度高于某一特定温度时热管开始工作，反之低于该温度时热管不发生传热的特性称为热开关性

3.2.2 热管式气-液加热器的主要工作原理及特性

本文设计的热管式导热油加热器为错列布置，呈三角形。在矩形壳体内部的中央通过一块隔板将其分为两个部分，分别为高温流体通道和低温流体通道，其中气体为高温流体，液体（即导热油）为低温液体^[24]。当温流体通道和低温流体通道中的高、低温流体同时流动时，热量就由高温流体传到低温流体，实现了两种不同温度液体间的热量交换^[25]。

热管式气-液加热器的工作特性^[26]：

1）加热器中的热管的表面装有翅片用以强化传热，使得气体一侧换热系数增大，进而使加热器结构紧凑，减小了加热器的体积和重量。

2）由于热管是通过相变过程来进行传热，并且热管中的工质较为纯净，因而热管式气-液加热器中的温度较为恒定，避免了管内工质（如导热油等）因局部过热而结焦且，与其他换热器相比等温保温性能较好。

3)利用热管式加热器可以回收烟气余热，降低排烟温度，从而提高燃煤锅炉的工作效率和能源的利用率。

4）由于工质在热管中有独立通道，并且热管换热器中的2种换热介质由挡板分隔，因而即使运行中个别热管出现故障，也不会造成冷、热介质混合而影响其整体工作。所以热管换热器具有维修次数少、运行时间长的特点。

5）热管式气-液加热器中的热管拆卸方便，从而维修较为简易，只需要将故障的热管更换。

3.3 主要结构设计

主要的结构设计包括翅片管、端盖、隔板、隔板密封结构、管箱、其它结构等^[27]。

1） 翅片管

翅片管是一种可以提高换热效率的换热管，通常安装在换热管表面以加翅片的方式增大换热管表面积（包括内、外表面积）。热管换热器所采用的翅片换热管一般是标准尺寸的无缝钢管，外径大多20-50mm，长度一般在1-6m的范围内，由具体情况决定。其结构如图4所示^{[ 28]}。

图4 翅片管结构示意图

2） 端盖

对于热管换热器，它的端盖形式多种多样，因此其连接方式也各有不同，设计应考虑防止缝隙中残存的液体在做完热管后对其内部产生污染。

3） 隔板

隔板是放置在管箱中的将冷热流体分开，防止其在蒸发段与冷凝段混合，同时也可以固定管束。

4 ）隔板密封结构

隔板密封结构是气体流经冷、热通道时的密封装置，是保证冷、热介质相互隔绝的关键技术。

5） 管箱

管箱的尺寸结构需依据换热器的换热量进行设计计算，也就是说管箱的大小是由换热器中所含热管的根数与尺寸来决定的，并且管箱的壁厚也应该根据热管式换热器安全性来进行设计。

3.4设计方法

为简化计算过程，热管元件的设计流程一般如图5所示^[29]。由于热管的性能不能用数学求解得到的结果来进行表达，目前其主要性能还得依靠实验研究来获取。现有的设计方法分为两大类，即图算法和计算法。

开始

图5 热管设计流程图

1）图算法

图算法又称校核设计法，是在化工生产基础上的一种选型法。它根据多次实验结果所得数据绘制出一系列图线，设计时用户根据已知参数和约束条件，根据图线查出相关尺寸，进行必要计算后便可较完成简单的选型设计任务。图算法分为三个步骤：①由已知冷、热气体流量和最佳风速初选接近设计值的设备，获得热管换热器中长、高和迎风面积的粗略参数；②由约束条件确定热管排数和单位长翅片数，通过查图和相应计算得出热管换热器介质的出口温度，算出热管换热器的回收热量；③由在压降图中根据迎面风速查出通过换热器的气体压降，核算经济效益。

2）计算法

计算法又称为设计计算法，是依据对象的具体要求进行单独的设计计算。目前的计算模型有两种，分别为整体设计法和逐排设计法。

四、结语

总的来说，本文所设计的热管式导热油加热器作为一种气-液翅片管式热管换热器，是一种高效能的换热器，它对于热力发电厂运作过程中的余热回收和热力发电厂整体工作效率的提高具有非常重要的现实意义。本文对其研究背景进行了阐述，总结了国内外关于烟气余热回收项目与其装置的研究进展与热管式加热器的应用，详细地指出了气-液热管式加热器主要元件的基本工作原理与特性，并对其主要的结构部件（包括翅片管、端盖、隔板、隔板密封结构、管箱等）做出了详细的说明，为后文对热管式导热油加热器的热力计算和结构设计做准备。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

﹙1﹚课题内容

20t/h热管式导热油加热器的设计

﹙2﹚设计要求