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热管应用过程中存在的几个关键的技术问题
 

 

    热管换热器的核心元件是热管。热管是一种新型相变高效传热元件,从它一问世,就以它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。不论从理论上,还是从应用上,这一新的学科分支,以它独有的生命力,在极短的时间内其研究成果和专利便层出不穷,应用领域也从空间扩大到地面,从工业扩展到民用。 


 然而,在热管技术蓬勃发展的今天,在工业应用中仍然存在一些问题,这些问题得不到很好的解决,将极大的限制热管技术的使用和深入发展。因此,有必要对这些问题去研究、去探索,以求找到合理的解决办法。 


    2   热管应用过程中存在的几个关键的技术问题


    2.1  热管的相容性问题及对策


    热管发展的早期科研人员就注意到了管壳材料与工质的化学相容性问题,早期工业应用的热管一般采用铜材管壁或钢铜复合管,这样使得产品的成本很高,限制了热管技术在工业上的广泛应用。为此,钢-水热管以其低成本、高强度、制造工艺简单、适应温度范围广得到了大家的认同,在工业上得到广泛的应用。然而,早期的钢-水热管使用寿命不足半年,无法满足工业应用的要求,为此,国内外的科研人员不断探究一种较好的解决办法。从这么多年的研究人们认识到,钢-水热管中存在着化学反应和电化学反应,这是一种不可避免的金属腐蚀过程,只能抑制或延缓,而不可能消除,因此,钢-水热管相容性问题所采用的对策也只能是延寿,而不能根治。


    2.1.1腐蚀机理


    由于管材与工质的化学不相容性,使得钢-水热管内部发生腐蚀产生不凝气体氢气。氢气越多,换热效果越不好,积聚到一定程度可以使热管完全失效,丧失传热功能。热管中管壁发生腐蚀产生氢气的原因有以下两方面:

 
   (1)化学反应腐蚀


    热管长时间在较高温度下工作,钢-水会发生化学反应,管内产生变化,其主要的化学反应过程下:


            Fe + H2O ==== FeO + H2 
                        2 Fe + 3 H2O ==== Fe2O3 + 3 H2 
                        3Fe + 4 H2O ==== Fe3O4 + 4 H2   
    反应的结果使管壁发生腐蚀,产生FeO、Fe2O3和Fe3O4,同时产生一定量的不凝气体氢气(H2)。上述氧化膜除Fe3O4外,其余两种氧化层不能阻止水的侵入,仍要与铁继续反应,生成氢气。


   (2)电化学反应


    在钢-水热管内,铁、杂质和水构成一种原电池。其中,铁为阳极,杂质为阴极。杂质一般为FeC3、石墨等,为碳钢与水中所含。水的电离度虽小,但仍有少量的OH-和H+离子生成。管内主要的电化学反应过程如下:

       H+ + 2e === H2  
                Fe - 2e === Fe2+
                Fe2++ OH- === Fe(OH)2 
 3 Fe(OH)2 ==== Fe3O4 +2 H2O+ H2  (在高温和有水存在的状态下)
 可见H+得到二个电子的产物是H2,Fe(OH)2分解后得到的也有H2。在高温有水的条件下这种反应进行得很快,所以,普遍认为这是导致碳钢与水不相容的主要原因。


    2.1.2采取的对策


    知道了水对碳钢的腐蚀机理,能帮助我们找到相应的解决办法,尽可能的延长热管的使用寿命,目前主要的方法有:


   (1) 碳钢管材的高温蒸汽表面钝化 


    采用该办法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色的Fe3O4氧化膜钝化层,这是一种稳定性极好的保护膜。具体的做法是将净化后的碳钢管加热至500~600℃后,冲以水蒸气加以表面钝化,此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Fe3O4氧化层。 


   (2) 碳钢管材的化学液钝化 


    该方法也是使管壁生成Fe3O4氧化膜钝化层,所不同的采用的是氧化性化学试剂的方法。目前钝化液配方主要采用的试剂是重铬酸钾,具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内,在一定温度下浸泡一定的时间,让管壁内生成一层致密的Fe3O4氧化膜。


   (3)工质内添加缓蚀剂


    缓蚀剂在工质中添加是为了使管壁表面产生更为均匀与密集的Fe3O4钝化层。缓蚀剂与化学钝化一般是联合使用,由于制造工艺过程不可避免的对局部钝化膜的破坏,这时缓蚀剂就可以起到修补的作用。缓蚀剂品种很多,一般采用阳极型缓蚀剂,其管壁缓蚀效果较好。具体做法是在工质内添加1~3%的重铬酸钾,就可取得一定效果。


   (4)排放法和渗透法 


    在热管冷凝端部装上排气阀,必要时打开阀将积累的氢气排放出去;后者则是在热管冷凝端部装上钯管,让所产生的氢气随时渗透出去。


   (5) 氧化除氢法 


    根据化学理论可知,标准电极电位为正值的元素的氧化物都拿被氢还原出来。常见的有铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应,只是要求的反应的温度不同,反应的速度不一样。氧化除氢技术90年代初就开始了推广应用,但要求的反应温度一般都在150℃以上,在工业中的应用受到一定的限制。目前,一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用,在常温下就可快速地进行除氢反应,这一技术的推广应用,将极大的提高热管的使用寿命。


    针对化学钝化膜不稳定、排放法和渗透法不易操作、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大,我们认为最好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。


    2.2热管的积灰问题及对策 


    在热管余热回收设备中,热管积灰是普遍存在的问题,积灰增加了受热面热阻,降低设备的传热能力。积灰还可以减少流体的通道面积,增加流动阻力,降低换热表面温度,造成低温[wiki]露点[/wiki]腐蚀。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行,甚至被迫停用,因此积灰已成为了节能设备是否能够正常运行的一个主要问题,应给予高度重视。


    2.2.1 积灰形成机理


    积灰按温度分可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰,热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般都为疏松式积灰,主要是发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂,一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成的。资料表明:一方面,当灰粒的当量直径小于3μm时,灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量,烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时,就吸附在金属表面或积灰表面上;另一方面,烟气流动时,因为烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应,虽然受热面的材质是良导体,但当受热面积灰后,其表面就变成了绝缘体,很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒(当量直径小于10μm)吸附在其表面上,形成疏松式积灰。


    疏松式积灰在以下两方面条件下均可形成低温粘结性积灰。其一,燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物,此种聚合物极容易吸附于管壁上,不容易脱落而形成粘结性积灰。其二,当灰垢吸收烟气中的SO3和水蒸汽后转化成硫酸盐,形成粘结性积灰。


    2.2.2 防止和减少积灰的对策


    防止和减少积灰的方法归纳起来有下述几种:


   (1)根据流体含尘的状况,合理选择换热设备及其传热元件的结构和形式,以达到不积灰或少积灰的目的。


   (2)改变换热设备内流体的流速,以减少或清除积灰。

 
   (3)采用化学清灰剂清灰。


   (4)吹扫和用机械方法清除管子表面积灰。


    以上几种方法中最有效的是(1)和(2)两种,(3)和(4)两种方法是在积灰生成以后再去清除,有滞后性。


    2.2.2.1合理选择热管管外翅片结构


    气相换热的热管换热器,管外都采用加肋强化传热,翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片,这些翅片的结果紧凑,肋化比高,效果明显,但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到12~20mm,在某些情况下也会出现严重积灰,因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构:

 
   (1)轴对称单列纵向直肋翅片


 轴对称单列纵向直肋翅片结构简单,制作方便,相对肋化比低,不易积灰。如果将翅片做成不等高,即降低背后翅片高度,可进一步减少积灰。目前此种结构的热管换热器投入工业应用的已见报道,效果不错。


   (2)钉头管


    钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位,如燃油加热炉的对流室中,为了减少热管换热器的积灰堵塞,已有将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中,投入使用多年,一直无积灰堵塞现象。


    以上两种结构的共同点就是简单、易制做,但肋化比较低。


    2.2.2.2合理选择换热设备内流体速度及结构形式


    换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数,它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法,这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降,近出口处的密度、动力粘度、导热系数有明显变化,从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力的下降将带来的负面影响,造成换热设备后排的积灰。


    解决该问题可采用变截面设计法,以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备,质量流量是一个常数,如要维持体积流速不变,只有改变换热面积来抵消密度的变化,随着烟气温度的降低,密度将增大,要维持流速一定,换热设备的流通面积将减小,所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。


    变截面换热设备能保证其进出口具有相同的自清灰能力,一般认为换热设备内实际流体流速达到8m/s便可起到自清灰的作用,设计时可取8~12m/s,对于可能引起严重磨损的部位流体流速可取6~8m/s,以免引起管子快速磨损而损坏穿孔。


    2.3  热管的露点腐蚀及对策


    当热管换热器在低温烟气中使用,换热器热管常常会遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下,在烟气出口侧(在没有前置预热器的情况下)最后几排热管也存在低温露点腐蚀。根据传热学我们可知道,烟气侧壁温主要与冷、热流体的温度、传热系数及换热面积有关,它与热流体的温度、换热系数、面积及冷流体的温度从正比,而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷、热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下,在冷流温度较低时,烟气侧壁温就有可能在露点温度以下,而发生露点腐蚀。解决露点腐蚀问题我们可以从以下及方面做工作:


    (1)合理的控制排烟温度


     根据烟气的露点温度合理确定排烟温度,一般而言,排烟温度应高于露点温度20~30℃。另外,在冬、夏季节环境温度相差较大的情况下,应控制不同的排烟温度,在冬季排烟温度应适当提高。


    (2)增设前置预热器,提高空气入预热器的温度,可有效的防止露点腐蚀。


    (3)对空气风道进行傍路设计,当烟气温度较低或环境温度较低时,可将部分换热后空


     气混合到冷空气中,以提高空气的入口温度。


    (4)进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数,提高热管换热器的最低壁温,防止


     低温腐蚀。结构参数中,冷热端长度的变化对壁温的变化最敏感,但热端的长度不能增加太多,这样出口烟气的温度升高,单支热管传热能力下降,空气侧流动阻力增大,目前应用得最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中,一般建议冷热侧同时改变某一参数,这样壁温变化较快,且单排热管的传热量基本不变,不用增加管排即可保证原有的传热性能。在壁温与露点温度相差不大时,优先选择翅片高度或间距作为调温参数;当壁温与露点温度相差较大时,应选择冷端长度作为调温参数或同时调节多个参数。


     采用这种办法逐排改变壁温低于烟气露点的最后几排热管结构,就可有效的防止低温腐蚀。


     3         结论


    (1)延长热管的寿命,采用管内钝化、工质添加缓蚀剂和氧化除氢技术三者协同作用,效果最好。


    (2)减少热管积灰,采用等流速法效果较好,在高含尘介质中使用热管时,可考虑采用纵向直肋翅片管和钉头管。


    (3)解决热管的露点腐蚀,在合理控制排烟温度的同时,通过调整翅片高度、翅片间距和冷热端长度等结构参数及调整空气入口温度,可将热管壁温提高到露点温度以上,露点腐蚀问题可得到有效解决。


     4     结束语


     工业热管作为一种新型的高效相变元件,已在各个领域有了广泛的应用。

 

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