真空鍋爐現狀和發展趨勢的研究

2015-03-21 丁亞琪浙江大學

　　真空鍋爐由于其安全可靠、效率高、熱媒溫度靈活可變等優點目前在暖通空調和鍋爐研究領域飽受青睞。然而基于真空鍋爐換熱機理、結構性能優化的研究甚少。本文從增強換熱穩定性、強化凝結換熱、提高能量利用效率等方面對影響真空鍋爐整體性能的因素進行系統的分析，提出從降低管束冷凝階段的管束效應、改變蒸汽與冷凝液逆流的格局、增大蒸汽的干度三個方面來提高換熱過程的穩定性，并提出將熱泵系統應用于煙氣冷凝系統。

　　真空鍋爐最早出現于20 世紀70 年代的日本，其基本結構和普通鍋爐一樣，分為“爐”和“鍋”兩個部分，爐內燃燒燃料放熱，鍋內的水吸收燃料燃燒釋放的熱量。然而真空鍋爐的“鍋”部分為一封閉的殼體，和普通鍋爐的“鍋”部分有所區別。真空鍋爐的殼體部分主要原理與單根重力熱虹吸管的工作原理相同，內部為真空負壓狀態，殼體內的水只充當傳熱媒介的作用，又稱熱媒水，熱媒水吸收爐內熱源的熱量，沸騰蒸發為蒸汽，蒸汽加熱終端冷水，熱媒水冷凝為液體，回落至殼體內的液體空間。

　　熱媒水就這樣在殼體內反復進行蒸發-冷凝，換熱進穩定階段時，蒸發吸收的熱量等于末端冷水被加熱吸收的熱量。殼體內的工作原理及基本結構如圖1 所示。殼體內被抽成負壓無氧狀態，熱媒水也是經過純化的水，不會在殼體內壁發生氧化腐蝕結垢等化學反應現象，殼體內不凝性氣體存在率也大大降低。真空熱水鍋爐因此擁有普通熱水鍋爐不具有的優勢：負壓運行，安全可靠；殼體內無氧無垢，不腐蝕，壽命長；節能環保；結構緊湊；二次換熱，用水清潔，一機多用；自動化程度高。如果用負壓下蒸發溫度大于100℃的介質代替去離子水作為熱媒，則真空鍋爐可進一步滿足作為工業鍋爐的條件。

真空鍋爐的工作原理示意圖

圖1 真空鍋爐的工作原理示意圖

　　真空鍋爐的諸多優點使其在鍋爐領域受到越來越多的關注。但是真空技術網(http：//shengya888.com/)認為目前國際國內對于真空鍋爐的研究尚不夠完善，市場上的真空鍋爐更是以仿制為主。機理研究的缺乏導致一部分使用過程中呈現的問題尚未得到有效的解決。例如：真空度難以維持導致換熱過程不穩定；煙氣排放時的溫度過高等諸如此類的典型問題。本文亦是從這三個方面對真空鍋爐當前的研究現狀做出總結，為真空鍋爐今后的機理研究以及優化設計奠定良好的基礎。

1、真空鍋爐內存在的典型問題

　　1.1、管束效應

　　管束效應廣泛存在于管殼式換熱器中，同樣，真空鍋爐也不免于此。Nusselt早在1916 年就提出了管束冷凝換熱系數的修正關聯式。然而由于管束外冷媒( 熱媒) 的飽和溫度、表面張力等諸多性質不同，修正關聯式也會根據實驗結果被做出不同的修改。但不變的是管束效應至今依然無法避免。

　　1.2、真空度的維持

　　真空度的難以維持和管束效應一樣，是真空鍋爐與生俱來的詬病。真空鍋爐在穩定工作時，內部汽空間的蒸汽一部分要用來對換熱管束放熱冷凝成液體，一部分要用來維持真空鍋爐內的負壓環境。一定的飽和蒸汽壓對應了一定的飽和蒸汽溫度，維持飽和蒸汽溫度的穩定有利于維持換熱過程的穩定。為了維持壓力的穩定，冷凝掉的蒸汽需要及時補充進來才能維持壓力的平衡。理論上，沸騰蒸發吸收的熱量與冷水帶走的熱量最終會處于平衡狀態，實際工作過程中，真空鍋爐經常需要外在的真空泵來維持壓力的平衡，需要控制調整燃燒熱量來維持出水溫度的穩定。這些機械式的外在調節手段破壞了系統自身的平衡，不僅不能使真空鍋爐系統更加穩定，反而使換熱過程的不穩定持續的時間更長。

　　1.3、排煙損失

　　如果說以上兩點僅存在于真空鍋爐中，那么提高能量的利用率則是整個鍋爐研究領域永恒的話題。目前常用的真空鍋爐多為燃氣鍋爐，對于一臺保溫措施得當的燃氣真空鍋爐，排煙損失則變成主要的能量損失。如果能對煙氣進行冷凝，回收煙氣中的顯熱和潛熱，熱效率能提高15% 左右，煙氣溫度最低也能降至30℃左右。

2、真空鍋爐典型問題的機理探討和研究熱點

　　2.1、真空鍋爐換熱機理的研究現狀

　　2005 年石化彪等在對真空鍋爐內的蒸汽流動特性進行了理論上的分析后，提出在管束下增加托盤來改善內部的蒸汽分布，并搭建了小型實驗臺來模擬真空鍋爐內部的流動與換熱情況。此次實驗也僅僅考慮單管管外冷凝，并沒有考慮到管束效應對整個換熱過程的影響。2013 年李俊超等開始關注密布的管束外冷凝液體的下降阻礙蒸汽通道這一新的問題，設計了一種正弦波管，用實驗驗證了其能有效提高換熱系數，并且提出了添加折流擋板來改善內部的氣流，從而改變蒸汽沖刷管束的方向，以此強化冷凝換熱。然而其并沒有考慮到這種正弦波形管相對于直管換熱面積也有所增加。這些研究都表明了真空鍋爐殼體內部的換熱對其整體性能的提高有著舉足輕重的影響，更多研究者開始關注殼體內復雜的換熱機理。

　　2.2、真空鍋爐殼體內蒸發-冷凝兩相共存狀態的研究

　　真空鍋爐雖然利用熱管相變高效換熱的原理工作，然而其與普通熱管換熱器存在以下區別：

　　①用途不同：熱管主要用來冷卻所需的物質，真空鍋爐主要用來加熱所需物質。熱管作為散熱器主要是維持被散熱的物質處于低溫狀態，只需將熱管內部蒸汽及時冷卻冷凝，可以讓吸熱端的液體及時吸熱蒸發；真空鍋爐因為要用蒸汽加熱冷水來獲得特定溫度的流體，單位時間的熱流密度穩定性要求高，因此需要穩定換熱過程，穩定蒸汽的壓力與溫度。

　　②內部的兩相流場不同：單根熱管的蒸汽在壁面冷凝，冷凝回流液體在壁面的毛細力作用下，基本沿著壁面吸液芯回流，蒸汽則在中間沒有液體的部分蒸發上升，液體與氣體有明顯的分界面，互相干擾性不大；真空鍋爐冷凝回流的液體與蒸汽沒有明確的分界面，因此冷凝的液體經常會擾亂蒸汽流場，蒸汽的浮升力對冷凝液的下落也產生阻礙，增大冷凝換熱的不確定性，從而也影響了內部負壓的穩定。

　　對于真空鍋爐殼體內蒸發-冷凝共存換熱現象的研究常見于熱管換熱器的相關文獻中。Seok-HoRhi在開爾文-赫姆霍茲不穩定性理論的指導下，對兩相回路熱管內工況的不穩定性進行實驗研究，實驗發現熱管內壓力的大小、工質的充入量、插入物的尺寸、熱通量的大小對于熱管工作過程中工況的穩定性均有很大的影響。同時從理論上推導出了氣液兩相流場中穩定狀態時冷凝速度的狀態方程式。Guangmeng Zhang 等關于有限真空空間內的沸騰與冷凝共存的實驗研究顯示，真空空間內同時存在的沸騰與冷凝換熱之間產生了很大的影響，導致原本單純的冷凝和沸騰變得更加復雜。空間內壓力的波動與傳熱過程的強度有關，熱流量越大，壓力波動呈減小的趨勢。但是文章并沒有給出關于熱流量和壓力波動相互影響的定量描述。Rahmatollah Khodabandeh、Hiroshi Honda 等通過對兩相流熱管中傳熱和流動不穩定性的研究表明，兩相共存的冷凝換熱過程中的不穩定性還受另外兩個因素的影響：

　　一是上升的蒸汽與回流的液體形成的逆向流動引起。

　　二是蒸汽的干度不確定引起。蒸汽干度的不確定會影響干蒸汽與換熱管束的接觸面積，導致了熱流量的波動，增大了殼體內飽和蒸汽壓的波動。

　　這些基于熱虹吸管的負壓空間內蒸發-冷凝共存的實驗研究仍處于定性研究的階段，但是對于真空鍋爐的探索依然具有指導意義。要將其運用于真空鍋爐仍需要更多的基于實際真空鍋爐模型的定量實驗研究。

　　由于湍流度的不均勻以及涉及到相變過程，計算流體動力學對沸騰-冷凝自然對流換熱現象的模擬變得尤其復雜而不精確。一個成功的模型需要同時考慮傳熱、傳質、壁面摩擦損失、相變、浮力、冷凝液下落以及湍流度的離散等各種變化，正因如此，對于真空鍋爐的實驗研究就顯得更加重要。

　　2.3、管束效應的研究

　　真空鍋爐作為管束冷凝器與熱管換熱器有效結合的復合式換熱器，需要結合兩點同時進行研究。靜止蒸汽水平光管外冷凝換熱系數的經典公式第一次由Nusselt導出。但是Nusselt 公式只適用于計算光管單管管外靜止蒸汽的冷凝換熱系數。CHENG Shen 等研究了真空條件下不同材質換熱管的冷凝換熱系數，發現注鎳鐵管真空條件下的換熱能力明顯優于注鎳銅管的換熱能力，隨著真空度的增大，冷凝換熱系數越大。蒸汽的運動方向、運動速度、材料的選擇、換熱管的形狀以及不同的真空度等使真空鍋爐內的管外冷凝已經遠遠偏離傳統管外冷凝。

　　真空鍋爐內管外冷凝換熱需要建立較為精確的模型經行實驗研究，傳統的Nusselt 公式已經不能用來準確計算真空鍋爐內的冷凝換熱系數。廣泛存在于管束外冷凝的管束效應大大降低了冷凝換熱系數，表現為：上層管子冷凝的液體在重力的作用下會脫離原本附著的表面，滴落到下層管子的表面，在下層管子的表面形成一道液膜，液膜的存在增大了下層管子換熱過程中的熱阻。文獻中給出了不同的管束外冷凝換熱系數計算的修正方法，馮健美等結合實驗與逐層計算的方法驗證了文獻中介紹的修正方法更為合理。Thomas Gebauer 等比較了光管，翅片管和高性能管對管束效應的影響，得出了高性能管管束效應表現最為強烈，但其實驗室中的冷媒為制冷劑R134a和氨，而不同制冷劑對冷凝過程亦有區別。管束效應雖然不可避免，但是更多的研究表明管束效應可以通過各種方法得到弱化。Chen 等關注到冷凝液與蒸汽之間的換熱對管束效應也會產生很大的影響。Briggs 等從理論上分析了冷凝管束和蒸汽之間的換熱機理，提出了蒸汽和冷凝液之間的換熱由冷凝液的初始質量流量、冷凝液和蒸汽的溫差以及管束之間的距離所決定。這些基于管殼式冷凝器的管束效應的研究對于真空鍋爐內冷凝換熱機理的研究同樣具有參考意義。在對真空鍋爐做具體的研究時可以從諸如換熱管的表面、管束的排列、蒸汽的流動方向、流動速度以及冷凝液和蒸汽之間的換熱等方面做重點分析與考察。

　　2.4、管束效應和蒸發-冷凝共存現象的相互影響

　　真空鍋爐內的管束冷凝作為殼體內蒸發-冷凝共存換熱系統的一部分，在對殼體內的相變換熱做分析研究時不可分而視之，這兩者之間的相互影響亦是整個換熱系統中的重要組成部分。

　　真空鍋爐內的管束效應不僅會導致換熱系數低，密布的管束外的冷凝液還會充溢于管束間的汽空間，阻塞蒸汽通道，出現周期性的“間歇泉”現象，使蒸汽擴散過程充滿不確定性，會影響飽和蒸汽壓的穩定導致換熱過程的不穩定。間歇泉現象是由蒸汽的浮力和阻力相互作用所引起的，間歇泉現象廣泛存在于兩相流自然循環換熱過程中。真空鍋爐殼體內的蒸汽的流動截面大，給間歇泉的定性實驗帶來很大的不便，實驗方法有待進一步研究。管束外冷凝過程作為真空鍋爐殼體內蒸發-冷凝系統中的一部分，對整個換熱過程的穩定存在著很大的影響，造成壓力、溫度等多方面的不穩定，從而影響出水溫度的穩定，影響真空鍋爐的整體換熱性能。反過來，整體的不穩定對局部換熱的不穩定同樣也有很大的影響。因此，任何存在于冷凝換熱部分的不穩定和蒸發-冷凝系統內的波動，在真空鍋爐內都會被放大。反之，減小管束效應對于減弱真空鍋爐換熱過程的不穩定有著事半功倍的意義。要設計一臺性能優良的真空鍋爐，其內部的換熱過程必然是趨于穩定的。對真空鍋爐殼體內的研究不能僅僅局限于傳統鍋爐的視角，結合管束冷凝換熱和熱管換熱才是今后的研究趨勢。

　　2.5、冷凝式真空鍋爐的研究

　　余熱回收利用的方式有很多，如常見的有機朗肯循環和冷凝式鍋爐。作為真空鍋爐煙氣回收系統，成本較高的有機朗肯循環發電系統并不顯得經濟，煙氣冷凝加熱回水的冷凝式鍋爐應用更為廣泛。

　　冷凝式鍋爐中帶有的煙氣冷凝器能有效吸收煙氣中的顯熱和煙氣中水蒸汽的潛熱，降低鍋爐所排放煙氣的溫度，充分利用燃料燃燒產生的熱量，對于節能環保有著重要的意義。目前，冷凝式鍋爐在歐美國家的使用較為廣泛，國內雖有個別企業有少量產品輸出，但是我國對于這方面的研究投入依然寥寥無幾。阻礙冷凝式鍋爐發展的主要原因有兩點：一是煙氣中含有的腐蝕性氣體，當煙氣被降至露點以下時，這些氣體會形成腐蝕性的液體，對冷凝器造成破壞。為了防止腐蝕，冷凝器需要選用抗腐蝕性的材料、精心的安裝以及復雜的控制系統，這些都會提高冷凝式鍋爐的制造成本。二是作為冷凝器冷源的回水的溫度不夠低，民用供暖鍋爐的煙氣冷凝器的熱沉通常由供暖回水來代替，而通常情況下回水溫度還不夠低以至于煙氣不能充分的得到冷凝，降低冷凝器的效率。

　　冷凝式鍋爐今后的研究需要注重于解決以上兩個問題。如果能將熱泵用于煙氣的冷凝能大大降低熱沉的溫度，或許能很好的解決煙氣冷凝時回水溫度不夠低這一問題。2013 年祝侃等設計出了一套吸收式熱泵，實現了煙氣的全部回收。由于這套系統復雜成本高，要大范圍推廣還需做更多研究來加以改進。