熱管在陶瓷工業窯余熱回收工程中的應用初探

王志中 吳衛兵 胡國林

（景德鎮陶瓷學院，景德鎮：333001）

1 引言

節能減排是國家在新世紀確定的一項重大決策，窯爐作為高能耗設備，是陶瓷工業生產中節能的重點。除了采用新技術設計使用節能型窯外，如何充分利用和回收窯爐余熱也是節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，由熱管構成的換熱器已廣泛應用于電力、冶金、紡織等行業的鍋爐煙氣余熱回收中。然而，在陶瓷工業窯上尚未見有關報導。本文僅就熱管在陶瓷工業窯的煙氣余熱回收上的應用做初步的探索，期盼對陶瓷窯的節能工作提出有一些有實用價值的意見。

圖1 重力式熱管結構原理圖Fig.1 Structure and elementary diagram of gravity heat pipe

2 熱管的結構與原理簡介

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

熱管換熱器（蒸汽發生器、熱水發生器、空氣預熱器）由多根熱管組成，具有傳熱效率高、結構緊湊、重量輕、維護簡單等優點，其結構如圖2所示。

熱管已廣泛應用于工業鍋爐、鍛造爐、熱處理爐等工業爐窯的中低溫煙氣余熱回收。其利用爐窯的廢煙氣預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熱重油，使系統蒸汽可以達到完全自給；也可作為煤氣發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 熱管換熱器的設計計算

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熱助燃空氣，所需熱管根數及設備尺寸等參數計算如下：

某年產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，煙氣側與空氣側分別為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。設計計算如下：（以下計算根據上述參數的不同進行更改，可盡量簡略，只要計算出熱管根數即可）

.1煙氣放出的熱量Q

式中，c'y、c"y為進、出預熱器煙氣平均比熱容 [kJ/（Nm3·℃）。

.2 空氣預熱溫度t"k

.3對數平均溫差△td采用逆流方案

預熱器入口處煙氣與空氣的溫差：

.4煙氣側及空氣側對流換熱系數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，φ=0.95。

空氣側：取空氣質量流速Gk=4kg/（m2·℃），平均空氣溫

3.5 綜合傳熱系數K

以熱管蒸發段光管面積為基準的綜合傳熱系數為：

3.6 預熱器傳熱面積A

以熱管全部光管面積為基準的綜合傳熱系數為：

3.7 需要熱管根數N

3.8 熱管排列及預熱器尺寸

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

預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能效益

仍以上述實例進行分析，該輥道窯使用兩段爐發生爐煤氣（燃料低位熱值為1450kcal/Nm3），當助燃空氣為20℃時，煤氣消耗量為4453Nm3/h。可由熱平衡計算出當助燃空氣預熱到100℃、150℃時，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℃計算，即可節約能耗4％，按一年330天計，則一年可節約發生爐煤氣1410710Nm3。可見，應用此換熱器可以帶來可觀的經濟效益，同時由于能源價格和國家政策帶來的壓力，本方案的應用前景廣泛。

5 結語

陶瓷工業是高耗能產業，盡管近十幾年來陶瓷行業生產技術水平不斷提高，單位產品能耗已大大下降，但與國外發達國家的水平相比仍有差距，還有一定的節能潛力。熱管換熱技術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的蒸汽加熱或者電加熱；還可以用窯爐回收的余熱生產蒸汽供給煤氣發生爐作反應氣化劑或其他生產工藝用途（如日用瓷廠的干燥房）。

熱管由于具有傳熱性能好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等優點，已經在石油、化工、建材、紡織、冶金、電力電子、機械等領域發揮了并將繼續發揮著重要的作用，盡早將熱管換熱技術應用到陶瓷工業的余熱回收中來，一定也能對陶瓷工業的節能做出貢獻。

1王秉銓.工業爐設計手冊.北京：機械工業出版社（第二版），2006

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

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

4劉純，劉幼紅等.“建筑衛生陶瓷產品單位能耗定額”調研報告.陶瓷，2009，3

5汪和平，樊斌等.基于全場系統能量平衡的建陶企業節能技術分析.2009，16（2）