王志中 吳衛(wèi)兵 胡國林

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001）

1 引言

節(jié)能減排是國家在新世紀(jì)確定的一項(xiàng)重大決策，窯爐作為高能耗設(shè)備，是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能的重點(diǎn)。除了采用新技術(shù)設(shè)計(jì)使用節(jié)能型窯外，如何充分利用和回收窯爐余熱也是節(jié)能工作的重大組成部分。

熱管是一種具有高傳熱性能的傳熱元件，它具有傳熱能力大，傳熱效率高的特點(diǎn)，由熱管構(gòu)成的換熱器已廣泛應(yīng)用于電力、冶金、紡織等行業(yè)的鍋爐煙氣余熱回收中。然而，在陶瓷工業(yè)窯上尚未見有關(guān)報(bào)導(dǎo)。本文僅就熱管在陶瓷工業(yè)窯的煙氣余熱回收上的應(yīng)用做初步的探索，期盼對陶瓷窯的節(jié)能工作提出有一些有實(shí)用價(jià)值的意見。

圖1 重力式熱管結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure and elementary diagram of gravity heat pipe

2 熱管的結(jié)構(gòu)與原理簡介

典型熱管是密閉的管內(nèi)抽成一定真空后，通入工作介質(zhì)密封而成。工作介質(zhì)應(yīng)具有足夠大的汽化潛熱和熱導(dǎo)率，粘度要小，表面張力要大，而且還應(yīng)有良好的熱穩(wěn)定性以及與管材的相容性。常用的介質(zhì)有：水、導(dǎo)熱姆、氨及氟里昂R-11和R-113。通常也可由多種無機(jī)活性金屬及其化合物混合而成。重力式熱管的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。熱管的導(dǎo)熱性能是優(yōu)良導(dǎo)熱金屬如銅、鋁等的幾十倍、幾百倍甚至上千、萬倍，具有“超導(dǎo)熱體”之稱。

熱管換熱器（蒸汽發(fā)生器、熱水發(fā)生器、空氣預(yù)熱器）由多根熱管組成，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

熱管已廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、鍛造爐、熱處理爐等工業(yè)爐窯的中低溫?zé)煔庥酂峄厥?。其利用爐窯的廢煙氣預(yù)熱爐窯燃料燃燒所需助燃空氣、煤氣或水等；利用煙氣余熱加熱水所獲得的蒸汽做燃油的霧化劑或用來預(yù)熱重油，使系統(tǒng)蒸汽可以達(dá)到完全自給；也可作為煤氣發(fā)生爐的汽化劑及生活用汽等，從而提高了爐子的熱效率和燃料的利用率。

3 熱管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

以輥道窯（或隧道窯）的煙氣余熱回收為例，若在排煙段加上熱管換熱器來預(yù)熱助燃空氣，所需熱管根數(shù)及設(shè)備尺寸等參數(shù)計(jì)算如下：

某年產(chǎn)350萬m2墻地磚輥道窯，排出煙氣量為14615 Nm3/h，煙氣的平均溫度為250℃，該窯助燃空氣用量為7190 Nm3/h，出預(yù)熱器煙氣溫度為180℃（或150℃），采用直徑為2mm的熱管（壁厚為2.5mm），熱管有效長度L=L1+L2=2m，煙氣側(cè)與空氣側(cè)分別為1m，絕熱端長度為0.1m，熱管的翅片外徑為63mm，翅片厚度為1.25mm，翅片高15.5mm，翅片間距5mm；熱管換熱器采用叉排布置，橫向中心距80mm，縱向中心距70mm。設(shè)計(jì)計(jì)算如下：（以下計(jì)算根據(jù)上述參數(shù)的不同進(jìn)行更改，可盡量簡略，只要計(jì)算出熱管根數(shù)即可）

.1煙氣放出的熱量Q

式中，c'y、c"y為進(jìn)、出預(yù)熱器煙氣平均比熱容 [kJ/（Nm3·℃）。

.2 空氣預(yù)熱溫度t"k

.3對數(shù)平均溫差△td采用逆流方案

預(yù)熱器入口處煙氣與空氣的溫差：

.4煙氣側(cè)及空氣側(cè)對流換熱系數(shù)αd

式中，R0為污垢熱阻[（m2·℃）/W]，氣體燃料的煙氣R0=0.0043；空氣R0=0.00043；β為翅化比，β=9-10；φ為翅片與管壁的接觸系數(shù)，φ=0.95。

空氣側(cè)：取空氣質(zhì)量流速Gk=4kg/（m2·℃），平均空氣溫

3.5 綜合傳熱系數(shù)K

以熱管蒸發(fā)段光管面積為基準(zhǔn)的綜合傳熱系數(shù)為：

3.6 預(yù)熱器傳熱面積A

以熱管全部光管面積為基準(zhǔn)的綜合傳熱系數(shù)為：

3.7 需要熱管根數(shù)N

3.8 熱管排列及預(yù)熱器尺寸

橫向熱管列數(shù)取n1=13，縱向熱管排數(shù)取n2=14，修正熱管總根數(shù)N=n1×n2=13×14=182根。

預(yù)熱器有效長度和有效寬度分別如下：

B=n1×S1＝13×0.08=1.04m

L=n2×S2＝14×0.07=0.98m

4 熱管在陶瓷窯上的節(jié)能效益

仍以上述實(shí)例進(jìn)行分析，該輥道窯使用兩段爐發(fā)生爐煤氣（燃料低位熱值為1450kcal/Nm3），當(dāng)助燃空氣為20℃時(shí)，煤氣消耗量為4453Nm3/h。可由熱平衡計(jì)算出當(dāng)助燃空氣預(yù)熱到100℃、150℃時(shí)，燃耗就可分別降低2.5％和4％。裝上此空氣換熱器（182根熱管）后，可將20℃的助燃空氣溫度提高到163℃，按150℃計(jì)算，即可節(jié)約能耗4％，按一年330天計(jì)，則一年可節(jié)約發(fā)生爐煤氣1410710Nm3?？梢?，應(yīng)用此換熱器可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)由于能源價(jià)格和國家政策帶來的壓力，本方案的應(yīng)用前景廣泛。

5 結(jié)語

陶瓷工業(yè)是高耗能產(chǎn)業(yè)，盡管近十幾年來陶瓷行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，單位產(chǎn)品能耗已大大下降，但與國外發(fā)達(dá)國家的水平相比仍有差距，還有一定的節(jié)能潛力。熱管換熱技術(shù)除了上面所述的回收煙氣余熱用來加熱助燃空氣外，還可用回收的余熱來加熱重油（例如燒重油的噴霧干燥塔），利用通過回收煙氣得到的熱量加熱重油以取代傳統(tǒng)的蒸汽加熱或者電加熱；還可以用窯爐回收的余熱生產(chǎn)蒸汽供給煤氣發(fā)生爐作反應(yīng)氣化劑或其他生產(chǎn)工藝用途（如日用瓷廠的干燥房）。

熱管由于具有傳熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在石油、化工、建材、紡織、冶金、電力電子、機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮了并將繼續(xù)發(fā)揮著重要的作用，盡早將熱管換熱技術(shù)應(yīng)用到陶瓷工業(yè)的余熱回收中來，一定也能對陶瓷工業(yè)的節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

1王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社（第二版），2006

2胡國林.對陶瓷工業(yè)節(jié)能減排的思考.中國陶瓷工業(yè)，2009，16（2）：24～26

3羅強(qiáng)，汪和平等.梭式窯節(jié)能技術(shù)探討.中國陶瓷工業(yè)，2009，16（3）：20～22

4劉純，劉幼紅等.“建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單位能耗定額”調(diào)研報(bào)告.陶瓷，2009，3

5汪和平，樊斌等.基于全場系統(tǒng)能量平衡的建陶企業(yè)節(jié)能技術(shù)分析.2009，16（2）