热管换热器在应用中问题分析及对策
热管换热器的核心元件是热管。热管是一种新型相变高效传热元件,其独特的传热特性引起了人们的极大兴趣,应用领域从空间扩大到地面,从工业扩展到民用。然而,在热管技术蓬勃发展的今天,其在工业应用中仍然存在一些问题,会限制热管技术的使用和深入发展。笔者对这些问题进行了研究,并提出了合理的解决办法。
一 热管相容性
早期的热管研究人员就注意到了管壳材料与工质的化学相容性问题,早期工业应用的热管一般采用铜材管壁或钢铜复合管,产品成本很高,限制了热管技术在工业上的广泛应用。钢 水热管以其成本低、强度高、制造工艺简单及适应温度范围广得到了大家的认同,在工业上得到广泛的应用,然而钢 水热管的使用寿命不足0.5ａ,无法满足工业应用的要求。通过多年的研究人们认识到,钢 水热管中存在着化学反应和电化学反应,这是一种不可避免也不可能消除的金属腐蚀过程,只能抑制或延缓,因此,钢 水热管相容性问题的对策只能是延长热管的使用寿命。
1.1 腐蚀机理
由于管材与工质的化学不相容性,使得钢 水热管内部发生腐蚀产生不凝气体氢气。氢气越多,换热效果越不好,氢气积聚到一定程度可以使热管完全丧失传热功能。
1.1.1 化学反应腐蚀
热管长时间在较高的温度下工作,钢 水会发生化学反应,在管内产生变化,其主要的化学反应过程如下：
Ｆｅ+Ｈ2Ｏ=ＦｅＯ+Ｈ2↑
2Ｆｅ+3Ｈ2Ｏ=Ｆｅ2Ｏ3+3Ｈ2↑
3Ｆｅ+4Ｈ2Ｏ=Ｆｅ3Ｏ4+4Ｈ2↑
上述反应的结果使管壁发生腐蚀,产生ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4,同时产生一定量的不凝气体氢气。
除Ｆｅ3Ｏ4外,其余两种氧化层(ＦｅＯ和Ｆｅ2Ｏ3)不能阻止水的侵入,仍要与铁继续反应生成氢气。
1.1.2 电化学反应
在钢 水热管内,铁、杂质和水构成一种原电池。其中铁为阳极,杂质为阴极。杂质一般为FｅＣ3、石墨等,为碳钢与水中所含。水的电离度虽小,但仍有少量的ＯＨ-和Ｈ+生成。管内主要的电化学反应过程如下：
2Ｈ++2ｅ=Ｈ2↑
Ｆｅ-2ｅ=Ｆｅ2+
Ｆｅ2++2ＯＨ-=Ｆｅ(ＯＨ)2↓
3Ｆｅ(ＯＨ)2=Ｆｅ3Ｏ4+2Ｈ2Ｏ+Ｈ2↑
在高温有水的条件下上述反应进行得很快,普遍认为这是导致碳钢与水不相容的主要原因。
1.2 对策
1.2.1 碳钢管材表面钝化
(1)高温蒸汽表面钝化 采用该办法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色Fe3Ｏ4氧化膜钝化层,这是一种稳定性极好的保护膜。具体的做法是将净化后的碳钢管加热至500～600℃,然后冲以水蒸气进行表面钝化,此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Fe3Ｏ4氧化层。
(2)化学液钝化 该方法也是使管壁生成Ｆｅ3Ｏ4氧化膜钝化层,所不同的是采用氧化性化学试剂的方法。目前钝化液主要采用的试剂是重铬酸钾,具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内,在一定温度下浸泡一定的时间,使管壁内生成一层致密的Fe3Ｏ4氧化膜。
1.2.2 工质内添加缓蚀剂
在工质中添加缓蚀剂是为了使管壁表面产生更为均匀与密集的Fe3Ｏ4钝化层。缓蚀剂与化学钝化一般联合使用,由于制造工艺过程中不可避免会产生对局部钝化膜的破坏,这时缓蚀剂就可以起到修补的作用。缓蚀剂品种很多,一般采用阳极型缓蚀剂,其管壁缓蚀效果较好。具体做法是在工质内添加质量分数为1%～3%的重铬酸钾。
1.2.3 排放法和渗透法
在热管冷凝端部装上排气阀,必要时打开阀将积累的氢气排放出去。也可在热管冷凝端部装上钯管,让产生的氢气随时渗透出去。
1.2.4 氧化除氢法
根据化学理论,标准电极电位为正值的元素的氧化物都能被氢还原出来。常见的铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应,只是要求的反应温度不同,反应速度不一样。氧化除氢技术在20世纪90年代初就开始了推广应用,但要求的反应温度一般超过150℃,使其在工业中的应用受到一定限制。目前,一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用,在常温下就可快速地进行除氢反应。这一技术的推广应用,必将极大地提高热管的使用寿命。
针对化学钝化膜不稳定、排放法和渗透法不易操作、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大的问题,我们认为最好的延长热管寿命的方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。
二 热管积灰
在热管余热回收设备中,热管积灰是普遍存在的问题,积灰增加了受热面热阻,降低了设备的传热能力,还可以减少流体的通道面积,增加流动阻力,降低换热表面温度,造成低温露点腐蚀。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行,甚至被迫停用,因此积灰已成为节能设备能否正常运行的一个主要问题。
2.1 形成机理
积灰按温度可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰,热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般为疏松式积灰,主要发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂,一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成。资料表明,当灰粒的当量直径小于3μｍ时,灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量,烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时,就吸附在金属表面或积灰表面上。另外,烟气流动时,因烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应,虽然受热面的材质是良导体,但当受热面积灰后,其表面就变成了绝缘体,很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒(当量直径小于10μｍ)吸附在其表面上,形成疏松式积灰。
疏松式积灰在以下条件下均可形成低温粘结性积灰:①燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物,此种聚合物极易吸附于管壁上,不容易脱落而形成粘结性积灰。②当灰垢吸收烟气中的ＳＯ3和水蒸气后转化成硫酸盐,形成粘结性积灰。
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