陳慶山 李建華 孫曉偉 王維超 曹曉濤 孫永軍

摘要?基于現(xiàn)有密集烤房列管式熱風(fēng)爐換熱效率普遍較低問題，有針對性的設(shè)計研發(fā)、制備了以熱管為傳熱元件的熱管式熱風(fēng)爐，通過煙葉烘烤試驗，對熱管式熱風(fēng)爐在密集烤房應(yīng)用中存在的高溫?zé)煔馀c空氣的換熱問題以及積灰、結(jié)露和腐蝕等進(jìn)行探索，并提出相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞?密集烤房;熱管熱風(fēng)爐;高溫?fù)Q熱;積灰;結(jié)露

中圖分類號?S26+3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號?0517-6611（2018）35-0183-05

密集烤房的推廣應(yīng)用在烤煙生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，較好地促進(jìn)了我國烤煙適度規(guī)?；陌l(fā)展。但是，目前密集烤房中應(yīng)用的列管式熱風(fēng)爐普遍存在熱效率低的問題，煙葉烘烤所需熱量僅占現(xiàn)有燃燒爐燃料發(fā)熱量的30%左右[1]，無效能耗過高，存在很大的節(jié)能潛力。

熱管作為一種高效傳熱元件，換熱效率高，節(jié)能效果顯著，近年來在鍋爐、冶金、化工等眾多領(lǐng)域的余熱回收、節(jié)能方面獲得成功，取得了顯著效果。而在煙葉烘烤加工領(lǐng)域的研究和應(yīng)用甚少，目前還未見到成功應(yīng)用案例和相關(guān)的試驗研究報告。

熱管的傳熱效率很高，但在實際工程應(yīng)用中也會受到自身特性和具體應(yīng)用條件的限制，以燃煤作燃料的熱管熱風(fēng)爐而論，高溫?zé)煔馀c空氣的換熱問題以及積灰、結(jié)露和腐蝕等都是熱風(fēng)爐設(shè)計和應(yīng)用中普遍存在的問題。筆者結(jié)合現(xiàn)有密集烤房實際應(yīng)用工況，以碳鋼-水熱管熱風(fēng)爐為研究對象，有針對性地設(shè)計研發(fā)、制備熱管熱風(fēng)爐供熱系統(tǒng)，通過煙葉烘烤應(yīng)用試驗，對這些問題進(jìn)行研究探索，并提出相應(yīng)的解決方法。

1?材料與方法

1.1?材料

試驗用熱管熱風(fēng)爐由河南新諾熱管技術(shù)有限公司組織設(shè)計和生產(chǎn)。熱管熱風(fēng)爐由燃燒爐和熱管換熱器組成;熱管換熱器由熱管和管箱構(gòu)成;熱管材質(zhì)為低碳鋼無縫管;熱管在換熱器上的設(shè)置方位采用的是橫向傾斜設(shè)置方式;熱管冷凝段（散熱段）設(shè)置有螺旋翅片，熱管冷凝段為開放型散熱結(jié)構(gòu);熱管蒸發(fā)段（受熱端）為光管;熱管換熱器煙氣進(jìn)口高溫區(qū)域熱管的蒸發(fā)段為變長度階梯形配置[2]，熱管換熱器空氣側(cè)熱管的冷凝段為等長度配置;熱管熱風(fēng)爐為燃燒和散熱一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，燃燒爐的混合煙氣可以直接進(jìn)入換熱器，流經(jīng)熱管蒸發(fā)段后從換熱器頂部進(jìn)入排煙出口。熱管工質(zhì)為注入有高濃度緩蝕劑的復(fù)合型水工質(zhì)。

熱管熱風(fēng)爐熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)Ⅰ如下：熱管總數(shù)72支，熱管直徑32 mm，橫向管間距105 mm，縱向管間距90 mm，空氣側(cè)翹片高13 mm，空氣側(cè)翹片厚1.5 mm，空氣側(cè)翹片節(jié)距5 mm。

熱管熱風(fēng)爐熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)Ⅱ如下：冷凝段長度400 mm，蒸發(fā)段長度：第1排130 mm，第2排190 mm，第3排250 mm，第4排320 mm，第5排380 mm，第6～8排400 mm。

1.2?方法?2017年7月20日—9月20日在襄城縣汾陳鄉(xiāng)大路村煙葉烘烤工場955號烤房開展研究。以內(nèi)蒙古產(chǎn)原煤為燃料。

將試驗設(shè)置熱管熱風(fēng)爐安裝固定于試驗烤房供熱室循環(huán)風(fēng)機(jī)的下方。

配套設(shè)施中烤房溫、濕度控制系統(tǒng)采用遼寧海帝升公司生產(chǎn)的HD-6型控制器;熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)采用福建華達(dá)公司生產(chǎn)的1.5～2.2 kW變速循環(huán)風(fēng)機(jī);供風(fēng)機(jī)采用貴陽九州公司生產(chǎn)的ZY-150型鼓風(fēng)機(jī);試驗過程不改變現(xiàn)有煙葉烘烤模式，按照三段式煙葉烘烤工藝操作運行。

試驗對熱管熱風(fēng)爐在密集烤房應(yīng)用中高溫?zé)煔馀c空氣換熱的安全可靠性以及熱風(fēng)爐在應(yīng)用中的積灰、結(jié)露和腐蝕等進(jìn)行監(jiān)測考察，目的是探索熱管熱風(fēng)爐在密集烤房特定條件下的應(yīng)用，驗證該研究提出的熱管熱風(fēng)爐燃燒與散熱一體化結(jié)構(gòu)在密集烤房中應(yīng)用的可行性和適用性。

2?結(jié)果與分析

在本年度煙葉烘烤期間，熱管熱風(fēng)爐共進(jìn)行煙葉烘烤試驗7炕次，累計運行1 000 h以上，在每炕次煙葉烘烤停火以后均對熱管換熱器進(jìn)行打開檢查，跟蹤監(jiān)測結(jié)果顯示：熱管換熱器所有熱管元件工作性能完好，傳熱正常，熱管換熱器中熱管單元均未出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。熱管蒸發(fā)段（煙氣側(cè)）沒有形成大量的嚴(yán)重積灰。換熱器管箱壁面和熱管蒸發(fā)段外殼表面均未出現(xiàn)粘性“結(jié)灰”層，表明熱管換熱器不存在酸露腐蝕問題。由于熱管為橫向傾斜設(shè)置方位，熱管蒸發(fā)段迎風(fēng)面及側(cè)面無積灰現(xiàn)象，只有熱管蒸發(fā)段背風(fēng)面渦流區(qū)的脊背上形成有尖劈狀流線型積灰，但積灰的量很小。設(shè)備不存在因大量積灰堵塞而造成的局部磨損腐蝕問題。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析，即使隔炕不能及時清理，少量灰塵對設(shè)備的整體換熱性能也不會造成明顯影響，且熱管蒸發(fā)段脊背上的少量積灰都是疏松灰，經(jīng)氣泵吹掃或敲打很容易清除。

根據(jù)本年度煙葉烘烤試驗統(tǒng)計結(jié)果對比分析，與現(xiàn)有熱風(fēng)爐相比，熱管熱風(fēng)爐烘烤上、中、下3個部位煙葉的千克干煙耗煤量分別節(jié)省燃煤0.66、0.59和0.45 kg/kg;節(jié)能效率分別為30.60%、33.70%和34.6%;平均節(jié)能效率達(dá)到32.97%[3]。

由于目前沒有成功的應(yīng)用案例可以借鑒，熱管熱風(fēng)爐在密集烤房中的應(yīng)用還處于探索性試驗研究階段。熱管的換熱效率雖然很高，但根據(jù)現(xiàn)有密集烤房基礎(chǔ)條件和三段式煙葉烘烤工藝條件分析，熱管熱風(fēng)爐在密集烤房中的應(yīng)用仍然會存在一些問題，我們通過煙葉烘烤試驗應(yīng)用對這些問題進(jìn)行研究探索，提出相應(yīng)的解決辦法，以供探討。

2.1?熱管熱風(fēng)爐選型設(shè)計問題

2.1.1?熱管熱風(fēng)爐選型設(shè)計問題分析。

就煙葉密集烤房而言，其現(xiàn)有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和配套設(shè)施已經(jīng)過國家主管部門規(guī)范和定型，新設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用方式和工作性能必須與現(xiàn)有密集烤房具備高度的適用性，必須滿足既定的煙葉烘烤工藝條件的要求，所以在具體工況條件確定以后，新設(shè)備的結(jié)構(gòu)選型設(shè)計非常關(guān)鍵，如果選型設(shè)計不到位，就會出現(xiàn)事倍功半的結(jié)果。與普通烤房相比，密集烤房具有較多方面的優(yōu)勢，但密集烤房普及應(yīng)用已有多年的歷史，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的實施，現(xiàn)有熱風(fēng)爐已經(jīng)顯現(xiàn)出落后于時代發(fā)展的技術(shù)特征，換熱器結(jié)構(gòu)長期存在積灰、結(jié)露和“結(jié)垢”現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備熱能轉(zhuǎn)換效率較低，提高設(shè)備熱效率是選型設(shè)計中重點解決的問題。同時，民用產(chǎn)品不能不惜一切代價的只求結(jié)果，必須考慮其經(jīng)濟(jì)性，在保證產(chǎn)品的技術(shù)性能能夠滿足生產(chǎn)要求的條件下，盡量采用工藝簡單、取材方便和成本較低的結(jié)構(gòu)和材料。

2.1.2?解決方法。

采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的碳鋼—水重力熱管，控制設(shè)備成本;合理調(diào)整熱管冷、熱兩段長度的合理比值，高溫區(qū)熱管蒸發(fā)段采用變長度階梯形配置，盡可能減少高溫區(qū)熱管蒸發(fā)段長度，控制熱流密度輸入，降低熱管工作溫度，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行;改進(jìn)熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用燃燒和散熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提高熱管蒸發(fā)段環(huán)境溫度，防止或避免熱管低溫結(jié)露和灰塵結(jié)垢;熱管蒸發(fā)段采用滑璧光管形式，解決或緩解設(shè)備大量積灰問題;熱管冷凝段設(shè)置螺旋翅片，擴(kuò)展散熱面積，實現(xiàn)強化換熱，提高設(shè)備換熱能力;熱管采用橫向傾斜設(shè)置方式，螺旋翅片迎合密集烤房的熱風(fēng)工藝流程，增大換熱系數(shù)，提高設(shè)備的換熱效率。

2.2?碳鋼-水熱管在熱風(fēng)爐高溫區(qū)段的換熱問題

2.2.1?碳鋼-水熱管在高溫區(qū)段換熱問題分析。

熱管是一種高效的傳熱元件，已在眾多領(lǐng)域余熱回收方面獲得成功，取得了顯著效果，而在熱風(fēng)上的應(yīng)用比較少[9]，尤其是在現(xiàn)有密集烤房條件下應(yīng)用的熱管熱風(fēng)爐，具有特定的使用環(huán)境和工藝條件要求，燃燒與散熱一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高熱管蒸發(fā)段環(huán)境溫度，避免熱風(fēng)爐使用中存在的結(jié)露和灰塵結(jié)垢等問題。但是，燃燒與散熱一體化結(jié)構(gòu)帶來的換熱問題成為一個突出的矛盾。在熱管熱風(fēng)爐運行過程中，熱管換熱器中的熱管單元分別處在不同的工作溫度區(qū)域，換熱器煙氣進(jìn)口區(qū)域溫度較高，與換熱器中部和上部區(qū)域存在明顯的溫度梯度，每個熱管單元的負(fù)荷不均勻，有的熱管可能達(dá)到或超過臨界負(fù)荷（最大熱流），同時也有可能有的熱管負(fù)荷很小。雖然有些廠家在設(shè)計熱風(fēng)爐時將熱管作為傳熱元件，但由于溫度區(qū)域的不同，他們只能在高溫區(qū)采用高溫?zé)峁埽üべ|(zhì)為鉀或鈉），中溫區(qū)和常溫區(qū)采用中溫?zé)峁埽üべ|(zhì)為萘或汞）和碳鋼—水熱管[4]。由于高溫?zé)峁苤圃觳牧习嘿F，制造工藝復(fù)雜，造價較高，產(chǎn)品成本難以控制，會影響熱管在熱風(fēng)爐中普及應(yīng)用。碳鋼—水熱管具有熱傳輸能力大、均溫性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、價格較低等特點。如果在熱風(fēng)爐的高溫區(qū)亦能采用成本較低的碳鋼—水熱管，則是拓寬熱管應(yīng)用領(lǐng)域的很大促進(jìn)，對熱管技術(shù)在煙葉烘烤加工領(lǐng)域普及應(yīng)用帶來一定的優(yōu)勢。但是，碳鋼—水熱管是以注入有復(fù)合添加劑的清潔水為工質(zhì)的一種常溫?zé)峁埽纻鹘?jīng)等[5]研究表明，目前國內(nèi)的允許溫度可達(dá)300 ℃左右，以供熱量167.5 J/h熱風(fēng)爐為例，高溫區(qū)理論計算煙氣入口溫度為815 ℃左右，在這種工藝條件下，換熱器全部采用碳鋼—水熱管，常因煙氣溫度過高而產(chǎn)生爆管問題。熱管在高溫流體中的傳熱和成本控制問題是熱管熱風(fēng)爐設(shè)計和應(yīng)用遇到的一個較大的難題。

2.2.2?解決辦法。

碳鋼—水熱管在熱管熱風(fēng)爐高溫區(qū)應(yīng)用，關(guān)鍵問題在于如何控制熱管內(nèi)部的工作溫度[6]，使其不超過熱管的允許工作溫度，這是防止熱管爆裂問題的核心。熱管工作溫度是指熱管工作時熱管內(nèi)部的工作溫度。根據(jù)熱管傳熱特性，熱管工作溫度取決于蒸發(fā)段和冷凝段的溫度和它們長度之間的合理比值，熱管冷、熱兩端的長度比以及換熱面積的大小對熱管內(nèi)部工作溫度及管內(nèi)壓力有很大影響[7]。由于熱管中蒸發(fā)和凝結(jié)的空間是分開的，熱管冷、熱兩段的各種參數(shù)都可以靈活地做出調(diào)整，可通過改變冷、熱兩側(cè)換熱面積的方式實現(xiàn)熱流密度變換，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，變換比例可以在較大范圍內(nèi)變化[8]。能夠?qū)崿F(xiàn)對熱量輸入的控制和內(nèi)部工作溫度的調(diào)控，從而解決一些其他熱風(fēng)爐難以解決的換熱難題。采用熱流密度變換法，調(diào)整熱管加熱段和冷卻段的傳熱面積，在高溫區(qū)盡可能減少熱管受熱段的傳熱面積，增大熱管吸熱端與熱流體之間的熱阻，降低熱流密度輸入，控制單根熱管的傳輸功率，可以有效控制熱管內(nèi)部的蒸汽溫度，從而實現(xiàn)降低熱管工作溫度的目的。

我們的具體做法是：將熱管換熱器高溫區(qū)熱管蒸發(fā)段不設(shè)置換熱翅片，采用滑璧光管結(jié)構(gòu)，減少熱管蒸發(fā)段傳熱面積，控制熱流密度輸入，再根據(jù)熱管冷、熱兩段長度的合理比值對蒸發(fā)段傳熱面積做出進(jìn)一步調(diào)整，煙氣進(jìn)口高溫區(qū)域熱管蒸發(fā)段（加熱段）采用變長度階梯形配置，逐步縮短高溫區(qū)熱管蒸發(fā)段長度;中排和后排熱管蒸發(fā)段采取不增加或少增加翅片的措施;同時，熱管冷凝段（散熱段）設(shè)置螺旋翅片，擴(kuò)展散熱面積，強化換熱能力，實現(xiàn)高溫區(qū)熱管的傳輸功率減少、低溫區(qū)熱管的傳輸功率適度上調(diào)，調(diào)控?zé)峁軆?nèi)部蒸汽溫度，使熱管內(nèi)部工作溫度降低至300 ℃以下。

根據(jù)現(xiàn)有密集烤房工藝條件分析，在熱風(fēng)爐運行期間，現(xiàn)有密集烤房的循環(huán)風(fēng)機(jī)全壓在200～250 Pa下，以15 000 m3/h流量全天候運行，通過調(diào)整熱風(fēng)爐高溫區(qū)熱管蒸發(fā)段傳熱面積，熱流密度輸入受到控制，而熱管冷凝段的散熱翅片面積具備足夠的換熱能力，熱管蒸發(fā)段和冷凝段之間存在較大溫差，在此工況條件下，熱管的工作溫度在熱流體和冷流體之間總是偏向熱阻較小的一側(cè)而取決于換熱系數(shù)大的一側(cè)的流體溫度[9]，在冷流體暢通運行的工況下，熱管元件在工作過程中不存在熱積累條件，外部的工作環(huán)境條件為熱管安全運行提供了有利保證。試驗結(jié)果表明，按照這種方法通過設(shè)計計算完全是可行的，通過這種方法設(shè)計計算的熱管換熱器在密集烤房熱風(fēng)爐中應(yīng)用已獲得成功，在本年度煙葉烘烤試驗過程中，熱風(fēng)爐累計運行1 000 h以上，熱管換熱器一直工作正常，熱管元件沒有出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

2.3?積灰問題

2.3.1?積灰的危害與分析。

熱風(fēng)爐中熱管積灰是普遍存在的問題，含塵煙氣流經(jīng)熱管換熱器的受熱面，熱管蒸發(fā)段會逐漸形成積灰，輕則增加受熱面熱阻，影響受熱面熱量的傳遞，并使煙道流通截面減小，流動阻力增大，降低換熱器的性能和效率;重則導(dǎo)致?lián)Q熱器堵塞，換熱失效，嚴(yán)重影響設(shè)備運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性;換熱器大量積灰堵塞還造成設(shè)備局部磨損腐蝕，使換熱器早期損毀，甚至報廢。積灰問題已成為換熱器能否正常運行的一大隱患。

在熱管余熱回收設(shè)備當(dāng)中，通常是在煙氣風(fēng)道壓力降允許的范圍內(nèi)，采用適當(dāng)提高煙氣流速的方法，增強煙氣橫掠熱管時的擾動性，使氣流產(chǎn)生自清灰作用[10]。而熱風(fēng)爐不同于一般的換熱器，供熱量是熱風(fēng)爐設(shè)計中的一個重要參數(shù)，特別是密集烤房中應(yīng)用的小型熱風(fēng)爐，通過增大供風(fēng)量調(diào)整煙氣流速得不償失，不適當(dāng)增加冷風(fēng)量必然會降低爐膛溫度;增大供風(fēng)量會造成換熱阻力急劇增加，因為阻力與速度的平方成正比;爐膛內(nèi)風(fēng)壓升高會造成爐膛向外噴火增加熱損失;增大煙氣流速會加快熱量排放，對設(shè)備的熱效率產(chǎn)生極大影響。

實際上，燃燒爐是一個“蓄熱式”保溫容器，由于爐膛容積不大，在煙葉烘烤過程中，即使在鼓風(fēng)機(jī)間斷運行的情況下，短時間內(nèi)燃料的燃燒并沒有完全停止，爐膛燃料的明火（包括輻射熱）形成的環(huán)境溫度大大高于臨界結(jié)露溫度（120～130 ℃），在這種工況環(huán)境條件下，熱管蒸發(fā)段的壁面會一直呈現(xiàn)干燥狀態(tài)，換熱器就不會出現(xiàn)酸露腐蝕和形成灰塵結(jié)垢層。而排煙溫度是由熱管換熱器所決定的，由于熱管換熱器的工作特點，使它在抗低溫腐蝕方面較其他換熱器處于更有利的地位，在防止低溫結(jié)露問題上具有獨到的優(yōu)勢。熱管具有熱流密度可變換能力，而換熱器中熱管的蒸發(fā)段和冷凝段的空間是分開的，可以通過熱管冷、熱兩段參數(shù)的改變對管璧溫度做出調(diào)整。在換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)中，熱管冷、熱兩段長度的變化對溫度的變化最敏感，在熱管蒸發(fā)段璧溫低于露點溫度情況下，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整熱管冷、熱兩側(cè)的長度和換熱面積，提高蒸發(fā)段最低璧溫，低溫結(jié)露問題即可避免。試驗結(jié)果顯示，在本年度煙葉烘烤應(yīng)用過程中，經(jīng)多次對熱管換熱器進(jìn)行打開檢查，設(shè)備一直表現(xiàn)正常，沒有發(fā)生結(jié)露和灰塵結(jié)垢現(xiàn)象，表明燃燒與散熱一體化的設(shè)計思路是可行的，是切合實際的。

2.5?腐蝕問題

這里所述的“腐蝕”問題包涵2個概念，一是以上討論的低溫結(jié)露形成的酸露腐蝕，二是熱風(fēng)爐因產(chǎn)生大量嚴(yán)重積灰造成的局部磨損腐蝕，根據(jù)設(shè)備積灰嚴(yán)重程度的不同，熱風(fēng)爐形成的磨損腐蝕的程度也不盡相同。在熱風(fēng)爐工作過程中，只有在換熱器出現(xiàn)大量嚴(yán)重積灰時，才會造成熱管煙氣側(cè)灰塵棚架堵塞現(xiàn)象，最小阻力法則表明，混合煙氣在換熱器內(nèi)流動時，熱流總是會沿?zé)嶙枇ψ钚〉耐ǖ肋\行對設(shè)備造成局部磨損腐蝕。在一般情況下，嚴(yán)重積灰造成的局部磨損腐蝕是設(shè)備正常磨損腐蝕的幾十倍甚至上百倍[12]，造成設(shè)備提前損壞，給設(shè)備壽命和生產(chǎn)安全帶來威脅。但是，只要采取積極應(yīng)對措施，能夠有效避免熱管熱風(fēng)爐產(chǎn)生大量嚴(yán)重積灰現(xiàn)象，有效緩解或消除煙氣流動運行中因灰堵而形成磨損腐蝕的機(jī)會和條件，局部磨損腐蝕問題就會得到緩解或解決。

3?結(jié)論

在現(xiàn)有密集烤房條件下，碳鋼—水熱管在熱風(fēng)爐高溫區(qū)段應(yīng)用是完全可行的;降低熱管工作溫度是解決碳鋼—水熱管適應(yīng)高溫條件下應(yīng)用的關(guān)鍵;在高含塵介質(zhì)中使用熱管時，蒸發(fā)段采用光管結(jié)構(gòu)設(shè)計解決熱管積灰問題效果較好;熱管熱風(fēng)爐燃燒和散熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計切合密集烤房工藝條件，可以有效防止酸露腐蝕和灰塵結(jié)垢問題;熱管熱風(fēng)爐換熱效率高，節(jié)能效果顯著，比現(xiàn)有熱風(fēng)爐要優(yōu)越得多。

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