真空锅炉现状和发展趋势的研究

2015-03-21 丁亚琪浙江大学

　　真空锅炉由于其安全可靠、效率高、热媒温度灵活可变等优点目前在暖通空调和锅炉研究领域饱受青睐。然而基于真空锅炉换热机理、结构性能优化的研究甚少。本文从增强换热稳定性、强化凝结换热、提高能量利用效率等方面对影响真空锅炉整体性能的因素进行系统的分析，提出从降低管束冷凝阶段的管束效应、改变蒸汽与冷凝液逆流的格局、增大蒸汽的干度三个方面来提高换热过程的稳定性，并提出将热泵系统应用于烟气冷凝系统。

　　真空锅炉最早出现于20 世纪70 年代的日本，其基本结构和普通锅炉一样，分为“炉”和“锅”两个部分，炉内燃烧燃料放热，锅内的水吸收燃料燃烧释放的热量。然而真空锅炉的“锅”部分为一封闭的壳体，和普通锅炉的“锅”部分有所区别。真空锅炉的壳体部分主要原理与单根重力热虹吸管的工作原理相同，内部为真空负压状态，壳体内的水只充当传热媒介的作用，又称热媒水，热媒水吸收炉内热源的热量，沸腾蒸发为蒸汽，蒸汽加热终端冷水，热媒水冷凝为液体，回落至壳体内的液体空间。

　　热媒水就这样在壳体内反复进行蒸发-冷凝，换热进稳定阶段时，蒸发吸收的热量等于末端冷水被加热吸收的热量。壳体内的工作原理及基本结构如图1 所示。壳体内被抽成负压无氧状态，热媒水也是经过纯化的水，不会在壳体内壁发生氧化腐蚀结垢等化学反应现象，壳体内不凝性气体存在率也大大降低。真空热水锅炉因此拥有普通热水锅炉不具有的优势：负压运行，安全可靠；壳体内无氧无垢，不腐蚀，寿命长；节能环保；结构紧凑；二次换热，用水清洁，一机多用；自动化程度高。如果用负压下蒸发温度大于100℃的介质代替去离子水作为热媒，则真空锅炉可进一步满足作为工业锅炉的条件。

真空锅炉的工作原理示意图

图1 真空锅炉的工作原理示意图

　　真空锅炉的诸多优点使其在锅炉领域受到越来越多的关注。但是真空技术网(http：//www.jnannai.com/)认为目前国际国内对于真空锅炉的研究尚不够完善，市场上的真空锅炉更是以仿制为主。机理研究的缺乏导致一部分使用过程中呈现的问题尚未得到有效的解决。例如：真空度难以维持导致换热过程不稳定；烟气排放时的温度过高等诸如此类的典型问题。本文亦是从这三个方面对真空锅炉当前的研究现状做出总结，为真空锅炉今后的机理研究以及优化设计奠定良好的基础。

1、真空锅炉内存在的典型问题

　　1.1、管束效应

　　管束效应广泛存在于管壳式换热器中，同样，真空锅炉也不免于此。Nusselt早在1916 年就提出了管束冷凝换热系数的修正关联式。然而由于管束外冷媒( 热媒) 的饱和温度、表面张力等诸多性质不同，修正关联式也会根据实验结果被做出不同的修改。但不变的是管束效应至今依然无法避免。

　　1.2、真空度的维持

　　真空度的难以维持和管束效应一样，是真空锅炉与生俱来的诟病。真空锅炉在稳定工作时，内部汽空间的蒸汽一部分要用来对换热管束放热冷凝成液体，一部分要用来维持真空锅炉内的负压环境。一定的饱和蒸汽压对应了一定的饱和蒸汽温度，维持饱和蒸汽温度的稳定有利于维持换热过程的稳定。为了维持压力的稳定，冷凝掉的蒸汽需要及时补充进来才能维持压力的平衡。理论上，沸腾蒸发吸收的热量与冷水带走的热量最终会处于平衡状态，实际工作过程中，真空锅炉经常需要外在的真空泵来维持压力的平衡，需要控制调整燃烧热量来维持出水温度的稳定。这些机械式的外在调节手段破坏了系统自身的平衡，不仅不能使真空锅炉系统更加稳定，反而使换热过程的不稳定持续的时间更长。

　　1.3、排烟损失

　　如果说以上两点仅存在于真空锅炉中，那么提高能量的利用率则是整个锅炉研究领域永恒的话题。目前常用的真空锅炉多为燃气锅炉，对于一台保温措施得当的燃气真空锅炉，排烟损失则变成主要的能量损失。如果能对烟气进行冷凝，回收烟气中的显热和潜热，热效率能提高15% 左右，烟气温度最低也能降至30℃左右。

2、真空锅炉典型问题的机理探讨和研究热点

　　2.1、真空锅炉换热机理的研究现状

　　2005 年石化彪等在对真空锅炉内的蒸汽流动特性进行了理论上的分析后，提出在管束下增加托盘来改善内部的蒸汽分布，并搭建了小型实验台来模拟真空锅炉内部的流动与换热情况。此次实验也仅仅考虑单管管外冷凝，并没有考虑到管束效应对整个换热过程的影响。2013 年李俊超等开始关注密布的管束外冷凝液体的下降阻碍蒸汽通道这一新的问题，设计了一种正弦波管，用实验验证了其能有效提高换热系数，并且提出了添加折流挡板来改善内部的气流，从而改变蒸汽冲刷管束的方向，以此强化冷凝换热。然而其并没有考虑到这种正弦波形管相对于直管换热面积也有所增加。这些研究都表明了真空锅炉壳体内部的换热对其整体性能的提高有着举足轻重的影响，更多研究者开始关注壳体内复杂的换热机理。

　　2.2、真空锅炉壳体内蒸发-冷凝两相共存状态的研究

　　真空锅炉虽然利用热管相变高效换热的原理工作，然而其与普通热管换热器存在以下区别：

　　①用途不同：热管主要用来冷却所需的物质，真空锅炉主要用来加热所需物质。热管作为散热器主要是维持被散热的物质处于低温状态，只需将热管内部蒸汽及时冷却冷凝，可以让吸热端的液体及时吸热蒸发；真空锅炉因为要用蒸汽加热冷水来获得特定温度的流体，单位时间的热流密度稳定性要求高，因此需要稳定换热过程，稳定蒸汽的压力与温度。

　　②内部的两相流场不同：单根热管的蒸汽在壁面冷凝，冷凝回流液体在壁面的毛细力作用下，基本沿着壁面吸液芯回流，蒸汽则在中间没有液体的部分蒸发上升，液体与气体有明显的分界面，互相干扰性不大；真空锅炉冷凝回流的液体与蒸汽没有明确的分界面，因此冷凝的液体经常会扰乱蒸汽流场，蒸汽的浮升力对冷凝液的下落也产生阻碍，增大冷凝换热的不确定性，从而也影响了内部负压的稳定。

　　对于真空锅炉壳体内蒸发-冷凝共存换热现象的研究常见于热管换热器的相关文献中。Seok-HoRhi在开尔文-赫姆霍兹不稳定性理论的指导下，对两相回路热管内工况的不稳定性进行实验研究，实验发现热管内压力的大小、工质的充入量、插入物的尺寸、热通量的大小对于热管工作过程中工况的稳定性均有很大的影响。同时从理论上推导出了气液两相流场中稳定状态时冷凝速度的状态方程式。Guangmeng Zhang 等关于有限真空空间内的沸腾与冷凝共存的实验研究显示，真空空间内同时存在的沸腾与冷凝换热之间产生了很大的影响，导致原本单纯的冷凝和沸腾变得更加复杂。空间内压力的波动与传热过程的强度有关，热流量越大，压力波动呈减小的趋势。但是文章并没有给出关于热流量和压力波动相互影响的定量描述。Rahmatollah Khodabandeh、Hiroshi Honda 等通过对两相流热管中传热和流动不稳定性的研究表明，两相共存的冷凝换热过程中的不稳定性还受另外两个因素的影响：

　　一是上升的蒸汽与回流的液体形成的逆向流动引起。

　　二是蒸汽的干度不确定引起。蒸汽干度的不确定会影响干蒸汽与换热管束的接触面积，导致了热流量的波动，增大了壳体内饱和蒸汽压的波动。

　　这些基于热虹吸管的负压空间内蒸发-冷凝共存的实验研究仍处于定性研究的阶段，但是对于真空锅炉的探索依然具有指导意义。要将其运用于真空锅炉仍需要更多的基于实际真空锅炉模型的定量实验研究。

　　由于湍流度的不均匀以及涉及到相变过程，计算流体动力学对沸腾-冷凝自然对流换热现象的模拟变得尤其复杂而不精确。一个成功的模型需要同时考虑传热、传质、壁面摩擦损失、相变、浮力、冷凝液下落以及湍流度的离散等各种变化，正因如此，对于真空锅炉的实验研究就显得更加重要。

　　2.3、管束效应的研究

　　真空锅炉作为管束冷凝器与热管换热器有效结合的复合式换热器，需要结合两点同时进行研究。静止蒸汽水平光管外冷凝换热系数的经典公式第一次由Nusselt导出。但是Nusselt 公式只适用于计算光管单管管外静止蒸汽的冷凝换热系数。CHENG Shen 等研究了真空条件下不同材质换热管的冷凝换热系数，发现注镍铁管真空条件下的换热能力明显优于注镍铜管的换热能力，随着真空度的增大，冷凝换热系数越大。蒸汽的运动方向、运动速度、材料的选择、换热管的形状以及不同的真空度等使真空锅炉内的管外冷凝已经远远偏离传统管外冷凝。

　　真空锅炉内管外冷凝换热需要建立较为精确的模型经行实验研究，传统的Nusselt 公式已经不能用来准确计算真空锅炉内的冷凝换热系数。广泛存在于管束外冷凝的管束效应大大降低了冷凝换热系数，表现为：上层管子冷凝的液体在重力的作用下会脱离原本附着的表面，滴落到下层管子的表面，在下层管子的表面形成一道液膜，液膜的存在增大了下层管子换热过程中的热阻。文献中给出了不同的管束外冷凝换热系数计算的修正方法，冯健美等结合实验与逐层计算的方法验证了文献中介绍的修正方法更为合理。Thomas Gebauer 等比较了光管，翅片管和高性能管对管束效应的影响，得出了高性能管管束效应表现最为强烈，但其实验室中的冷媒为制冷剂R134a和氨，而不同制冷剂对冷凝过程亦有区别。管束效应虽然不可避免，但是更多的研究表明管束效应可以通过各种方法得到弱化。Chen 等关注到冷凝液与蒸汽之间的换热对管束效应也会产生很大的影响。Briggs 等从理论上分析了冷凝管束和蒸汽之间的换热机理，提出了蒸汽和冷凝液之间的换热由冷凝液的初始质量流量、冷凝液和蒸汽的温差以及管束之间的距离所决定。这些基于管壳式冷凝器的管束效应的研究对于真空锅炉内冷凝换热机理的研究同样具有参考意义。在对真空锅炉做具体的研究时可以从诸如换热管的表面、管束的排列、蒸汽的流动方向、流动速度以及冷凝液和蒸汽之间的换热等方面做重点分析与考察。

　　2.4、管束效应和蒸发-冷凝共存现象的相互影响

　　真空锅炉内的管束冷凝作为壳体内蒸发-冷凝共存换热系统的一部分，在对壳体内的相变换热做分析研究时不可分而视之，这两者之间的相互影响亦是整个换热系统中的重要组成部分。

　　真空锅炉内的管束效应不仅会导致换热系数低，密布的管束外的冷凝液还会充溢于管束间的汽空间，阻塞蒸汽通道，出现周期性的“间歇泉”现象，使蒸汽扩散过程充满不确定性，会影响饱和蒸汽压的稳定导致换热过程的不稳定。间歇泉现象是由蒸汽的浮力和阻力相互作用所引起的，间歇泉现象广泛存在于两相流自然循环换热过程中。真空锅炉壳体内的蒸汽的流动截面大，给间歇泉的定性实验带来很大的不便，实验方法有待进一步研究。管束外冷凝过程作为真空锅炉壳体内蒸发-冷凝系统中的一部分，对整个换热过程的稳定存在着很大的影响，造成压力、温度等多方面的不稳定，从而影响出水温度的稳定，影响真空锅炉的整体换热性能。反过来，整体的不稳定对局部换热的不稳定同样也有很大的影响。因此，任何存在于冷凝换热部分的不稳定和蒸发-冷凝系统内的波动，在真空锅炉内都会被放大。反之，减小管束效应对于减弱真空锅炉换热过程的不稳定有着事半功倍的意义。要设计一台性能优良的真空锅炉，其内部的换热过程必然是趋于稳定的。对真空锅炉壳体内的研究不能仅仅局限于传统锅炉的视角，结合管束冷凝换热和热管换热才是今后的研究趋势。

　　2.5、冷凝式真空锅炉的研究

　　余热回收利用的方式有很多，如常见的有机朗肯循环和冷凝式锅炉。作为真空锅炉烟气回收系统，成本较高的有机朗肯循环发电系统并不显得经济，烟气冷凝加热回水的冷凝式锅炉应用更为广泛。

　　冷凝式锅炉中带有的烟气冷凝器能有效吸收烟气中的显热和烟气中水蒸汽的潜热，降低锅炉所排放烟气的温度，充分利用燃料燃烧产生的热量，对于节能环保有着重要的意义。目前，冷凝式锅炉在欧美国家的使用较为广泛，国内虽有个别企业有少量产品输出，但是我国对于这方面的研究投入依然寥寥无几。阻碍冷凝式锅炉发展的主要原因有两点：一是烟气中含有的腐蚀性气体，当烟气被降至露点以下时，这些气体会形成腐蚀性的液体，对冷凝器造成破坏。为了防止腐蚀，冷凝器需要选用抗腐蚀性的材料、精心的安装以及复杂的控制系统，这些都会提高冷凝式锅炉的制造成本。二是作为冷凝器冷源的回水的温度不够低，民用供暖锅炉的烟气冷凝器的热沉通常由供暖回水来代替，而通常情况下回水温度还不够低以至于烟气不能充分的得到冷凝，降低冷凝器的效率。

　　冷凝式锅炉今后的研究需要注重于解决以上两个问题。如果能将热泵用于烟气的冷凝能大大降低热沉的温度，或许能很好的解决烟气冷凝时回水温度不够低这一问题。2013 年祝侃等设计出了一套吸收式热泵，实现了烟气的全部回收。由于这套系统复杂成本高，要大范围推广还需做更多研究来加以改进。