1、前言

　　現有工業(yè)鍋爐均使用生產(chǎn)廠(chǎng)家原配的鋼管空氣預熱器，運行中發(fā)現在管子下部出口及四角煙氣流速較小的管子中都存在嚴重的堵灰現象，積灰較硬，極難清除，而且具有腐蝕性，鍋爐出現正壓燃燒現象，排煙溫度上升，導致鍋爐效率下降。這給空預器的維護、管理工作帶來(lái)了很多問(wèn)題，為解決這一問(wèn)題，我們采用了當今先進(jìn)的熱管技術(shù)對空預器進(jìn)行了改造，徹底解決了這一問(wèn)題。

　　2、常規管式空預器的問(wèn)題

　　管式空預器中的煙氣和空氣的換熱是由煙氣在管內，空氣在管外通過(guò)一個(gè)壁面直接進(jìn)行的。就傳熱機理而言，煙氣以強制對流方式把熱量傳給間壁內表面，再通過(guò)管壁以導熱方式把熱量傳至外表面，接著(zhù)有空氣流對管外壁的強制對流換熱使空氣得到熱量。在該傳熱過(guò)程中管壁導熱熱阻與其它環(huán)節熱阻相比很小，可以忽略不計。根據熱路分析方法，在空氣預熱器正常運行（穩定工況）時(shí)，該過(guò)程傳遞的熱量可由下式表達：

　　Q=（Tg-Tw）/Rg=（Tw-Ta）/Ra （1）

　　由（1）式解得：

　　Tw=（Tg Ra+ Ta Rg）/（Ra+ Rg）（2）

　　式中Tw、Tg、Ta—分別為管壁、煙氣、空氣的平均溫度，℃；Rg、Ra—分別為煙氣、空氣對管壁的對流換熱熱阻，℃/W.

　　對于（2）式，當Rg= Ra時(shí)，可得：

　　Tw=1/2（Tg+ Ta） （3）

　�。�3）式表明，若管式空預器煙氣側與空氣側的對流換熱熱阻相待（或相近），則空預器壁溫將為煙氣流與空氣流溫度的平均值（或相近值），這是設計所希望的情況，只有新設計的空預器或許有可能辦到。當空預器投運后，煙側壁面將積灰垢，并且不斷增厚�；夜笇拥膫鳠嵝阅軜O差，將使煙側換熱阻力急劇增大，使之達到：

　　>> Ra （4）

　　此時(shí)，傳熱總熱阻（+ Ra）增大，（2）式中Tg[Ra/（+ Ra）]份額將減至最小，使壁溫接近于空氣溫度，即：

　　Tw≈ Ta （5）

　　空預器空氣的入口溫度一般都很低（約為20℃左右），將使壁溫低于煙氣的水露點(diǎn)（一般為25～60℃），此時(shí)，煙氣中的水蒸汽將附于受熱面壁面結露，即受熱面被水潤濕，煙氣中的硫酸蒸汽結露附于壁上，其它腐蝕性氣體也均溶于水構成腐蝕性酸附于壁上，導致受熱面的腐蝕速度劇增。煙氣中的灰塵也沾于壁上結成灰垢。此種灰垢干后變硬難以除掉，不僅影響受熱面的傳熱效果，而且堵塞煙氣流道，使煙側流阻劇增。再加上流道堵塞是無(wú)規律的，某些部分堵塞程度較輕，某些較重，煙氣流量不變，將使堵塞較輕受熱面的流速增大，這就加劇了該部分受熱面的磨損、腐蝕、堵塞三大問(wèn)題相伴出現，使鍋爐的尾部受熱面遭受損害，嚴重影響設備安全及鍋爐出力。

　　此外，管式空預器的煙側阻力設計值較低，但由于結露腐蝕的同時(shí)發(fā)生積灰，且由于煙氣在管內縱向流動(dòng)，擾動(dòng)性不強，故實(shí)際運行阻力大幅度上升，而設計值只有350Pa.如某廠(chǎng)鍋爐改造前測得煙側阻力高達700 Pa，因此，一旦積灰嚴重，加上空氣經(jīng)由破損的管子進(jìn)入煙道，鍋爐即出現正壓燃燒且日趨嚴重，導致鍋爐出力越來(lái)越低。

　　從以上分析可知，如果采取措施，能使最低金屬壁溫顯著(zhù)提高，就可基本避免以上問(wèn)題的發(fā)生，從傳熱原理分析，管式空預器主要包含了煙氣、空氣兩個(gè)對流換熱過(guò)程，對于對流換熱熱阻，其中包含了兩個(gè)方面的影響因素，即換熱系數α，換熱面積F，其關(guān)系為：

　　R=1/αF （6）

　　Rg=1/Fi；=1/；Ra=1/ （7）

　　=ξ （8）

　　=nπDiL；= nπDoL （9）

　　以上式中：、—分別為煙氣側未結灰垢和已結灰垢時(shí)的對流換熱系數，W/（㎡℃）；—空氣側對流換熱系數，W/（㎡℃）；ξ—煙側換熱面的灰垢系數；n—管式換熱器換熱管數；i、Do—換熱管內外直徑，m；L—換熱管長(cháng)度，m

　　從（7）式可以看出，對流換熱系數α受流體流動(dòng)、物性、壁面幾何狀況等多種因素影響，在鍋爐運行條件確定后一般變化不大，是煙氣對流換熱面積，煙氣走管內，即為換熱管束的管內側表面，管內空間狹小，加工不便，不可能采用人工方法（例如增加翅片）來(lái)使內表面積擴展，即不能用增大換熱表面來(lái)減小換熱阻力以增高受熱面壁溫Tw，因此，這種列管式空預器不能從設計上調節，提高壁溫，即從其結構原理上便不能妥善處理低溫煙氣的腐蝕、堵灰和磨損問(wèn)題，所以其使用壽命短。

　　3、熱管空預器的壁溫調節技術(shù)

　　熱管空預器的結構原理與列管式空預器完全不同，它是熱管元件的組裝體，利用熱管元件的特性把列管式空預器傳統的煙氣管內流動(dòng)轉化為管外橫掠換熱，煙氣在管外，空氣也在管外通過(guò)一個(gè)壁面分別經(jīng)上、下兩段間接進(jìn)行換熱，其下段的煙氣鍘放熱和上段的空氣側吸熱均為管內介質(zhì)利用相變（沸騰、冷凝）完成的。它的最低金屬壁溫可設計成趨近于熱側流體的溫度，且熱管兩端具有優(yōu)良的等溫性能，測試資料表明，熱管冷熱兩端的壁溫之差運行時(shí)不超過(guò)5℃。

　　據熱管傳熱計算可知，其內阻份額僅在總熱阻10%的范圍內，因此，在以下分析中忽略熱管內阻不會(huì )引起大的誤差。

　　當熱管元件正常工作時(shí)，其加熱段、冷卻段有如下的熱量平衡式：

　　Q=（Th-Tp）/Rh=（ Tp-To）/Rc （10）

　　則 Tp=（Th Rc+Tc Rh）/（Rh+ Rc） （11）

　　式中　Th、Tc—熱源（煙氣）及冷源（空氣）的溫度，℃；Tp—熱管元件管壁平均溫度，℃；Rh、Rc—加熱段、冷卻段的熱阻，℃/W.

　　由式（11）可知，熱管壁溫除與熱、冷源溫度相關(guān)外，還與加熱段、冷卻段的外阻緊密相關(guān)，若：

　　Rc< Rh，Tp<1/2（Th+ Tc）； （12）

　　Rc=Rh，Tp=1/2（Th+ Tc）； （13）

　　Rc>Rh，Tp>1/2（Th+ Tc）； （14）

　　即當熱管加熱、冷卻兩段熱阻相等時(shí)，熱管工作在熱、冷源的平均溫度上；當冷卻段熱阻大于加熱段熱阻時(shí)，熱管平均壁溫將高于熱、冷源的平均溫度。

　　對于熱管空預器，煙氣與空氣對熱管元件的換熱均為管外橫掠強制對流換熱，為了彌補煙氣、空氣換熱強度小的弱點(diǎn)，熱管元件的加熱、冷卻兩段均加裝翅片以增大換熱面積，減小對流熱阻，按對流熱阻的定義，熱管加熱段熱阻Rh、冷卻段熱阻Rc的表達式為：

　　=1/=1/hπ （15）

　　=1/=1/Cπ （16）

　　式中， 、—熱管元件與熱源（煙氣）、冷源（空氣）的對流換熱系數；W/（㎡℃）；、—加熱、冷卻段的灰垢系數，若空氣清潔可取=1；、—加熱、冷卻兩段換熱壁面的翅化面總效率；、—加熱段、冷卻段長(cháng)度，m；—熱管元件基管外直徑，m.

　　在設計熱管空預器時(shí)，我們可以按需要調節煙氣側熱阻和空氣側熱阻的相對大小，以使熱管元件具有較高的壁溫，根據（15）、（16）式來(lái)調節熱阻，由于煙氣、空氣的熱物性相近，在流速差異不大時(shí)，換熱系數、的數量級接近，不可能產(chǎn)生較大變化，欲調兩段熱阻一般從換熱面積入手。在此，與換熱面積相關(guān)的因素有β、L、，其中最關(guān)鍵的因素為β、L，在設計時(shí)可用這種手段，從而獲得較高壁溫，使之高于煙氣的水露點(diǎn)，甚至酸露點(diǎn)，使受熱面免于或減小含硫煙氣的酸腐蝕。當煙塵落于具較高溫度的壁面時(shí)，不結硬灰垢，呈疏松狀態(tài)，可隨煙氣流進(jìn)入除塵器，也可用其它簡(jiǎn)單方式除去。

　　4、實(shí)例設計時(shí)經(jīng)過(guò)多方案比較計算，選出最佳方案實(shí)施。

　　如某廠(chǎng)一臺SHL20-1.25/350-AⅢ鍋爐進(jìn)行改造，經(jīng)計算。

　　根據以上計算可知，熱管空預器的最低壁溫可以高達126℃，大大高于煙氣水露點(diǎn)的最高溫度60℃，同時(shí)也高于該煤種的酸露點(diǎn)（約120℃），這樣就可以有效防止空預器低溫段結露腐蝕、堵灰和磨損。