能量回收系统结构 能量的高效率回收技术

热管能量回收技术在上世纪60年代得到了市场的广泛接受。早期系统的性能和使用寿命都不是问题，但工业应用热管的成本明显高于其他技术。不过，热管制造工艺在后来取得了多方面的进展，使它们在工业应用中变得效率更高而成本更低。

交叉流式换热器 – 每根管都是一个独立的换热器

这些进展之一是推出了热虹吸管。从那以后，制造技术的发展一方面提高了热管的性能，另一方面降低了热管的制造成本。这些技术进步使热虹吸管成为了传统热回收技术的一个经济可行的替代方案。

那么，为什么人们很少讨论这项技术？既然官方的估算指出工业能量输入的20 – 50%都以废热的形式损失掉，包括高温废气的热量、冷却水的热量以及高温设备和被加热产品表面的热损失等等，为什么各个行业都不积极考虑这种新的热回收方案呢？

简短而直接的回答是，许多行业对于热回收技术的了解还停留在过去。在传统上，热交换技术主要局限于板框式、壳管式、热轮式和辐射式系统，它们各自占有一席之地，但也存在着不同的问题，会在特定应用中降低热回收技术的有效性。

这些问题通常包括：热膨胀差异造成热应力开裂，冷区凝结引起腐蚀，为改善传热效果而使用的薄壁金属表面出现点蚀，等等。所有这些因素都使换热器内的金属容易产生疲劳、侵蚀和腐蚀等问题。

另外，许多人还将新上热回收项目视为经济压力。如果在安装生产设备时没有指定能量回收系统，增加这样的系统往往会被认为是一项高成本和低回报的投资。而且，一旦换热器出现故障，它造成的停产会让企业付出昂贵的代价。

想一想我们在传统的热回收系统上遇到的那些问题，以上这些担心就都可以理解了。就连美国能源部都在2007年的一篇关于铝熔炼炉间壁式换热器的文章中指出，“间壁式换热器虽然已被成功地用来预热空气，但在许多情况下，金属换热管的使用寿命相对有限，只有6 – 9个月。”

不过，由于能量损失依然存在，市场仍然需要一种切实可行的方法以有效地回收利用这部分能量。对于大量消耗能源的工业工艺来说，性能出色的换热器是一个重要的组成部分。

如果这些系统运行良好，极少出现问题，就能帮助用户显著降低能源成本。作为一种简单、有效和安全的能量回收技术，新的热虹吸管技术能够为业界带来这些优点。

对于燃气-空气型热管式换热器，热虹吸管在使用中不会膨胀和收缩，因而不会对外壳施加任何应力。这就大幅度降低了换热器表面和装置外壳之间的膨胀差异引起热应力开裂的可能性。

在热管式热交换系统中，每根管都相当于一个独立的换热器，因而提供了足够的冗余能力，并且显著降低了系统发生严重的单点故障的可能性。如果某一根热管出现了问题，系统将继续保持运转，而性能仅略有降低，降低幅度为1/n(n是系统中热管的总根数)。

热虹吸管在运行时保持恒温。比如，当热管一端置于高温废气流中而另一端与其他传热介质(空气、水或油)接触时，热管整个长度方向上的工作温度将保持不变，整根热管的温度保持均匀分布。因此，换热器内部没有冷区，不存在凝结点和可能的腐蚀点。

热虹吸管的传热能力不受壁厚的影响，因而可以增加壁厚——通常为2.5或3.5毫米——以提高耐受高含尘气氛磨蚀的能力。由E有限责任公司制造，并由M创新系统公司在北美销售的热虹吸管能够有效地用在100°C – 1,000°C的废气流中。

安装完毕的热管式交叉流换热器

随着制造工艺的进步和热管性能的改善，使用同样数量的热虹吸管能够从废气流中回收更多的能量。这意味着，在运行参数(废气的温度和质量流量)相同时，热虹吸管的效率高于以前的热管技术。

安装前的热管式交叉流换热器

系统设计

热虹吸管式换热器的设计十分灵活，能够根据生产设备周围的可用空间来确定换热器外壳的占地面积，这是许多其他能量回收技术所不具备的优点。

系统的规格和能力通常取决于生产设备的运行参数和对能量回收效率的要求，在此基础上通过计算而确定达到能量回收要求所需要的热管的外露表面积。

举例来说，对于一定的外露表面积计算值，换热器几乎可以采用任何“热管长度 x 热管根数”的组合，只要结果等于满足能量回收要求应达到的数值即可。随着能源价格不断上涨，这一独特的设计能力对于现有生产设备加装新式能量回收系统的项目极其有用。

在近期完成的一次项目调查中，检查了为一家铝铸造厂安装的一台热虹吸管式换热器。结果表明，它达到了很长的使用寿命，取得了出色的投资回报。

效率

铝熔炼炉的工作温度约为1,093°C，通入5%的过量空气。在向废气流中添加稀释空气后，废气以480°C的温度进入热管式换热器。室温助燃空气进入换热器时的温度为27°C，从换热器排出时的温度为371°C。在工艺温度1,093°C，过量空气5%，助燃空气预热温度371°C的条件下，熔炼炉的能量需求减少了23.37%。

维护

一旦热管式能量回收系统安装完毕和生产参数得以确定，系统就很少需要操作人员介入。本项目就是如此。高温废气从加热炉烟囱排出后被送入热管式换热器。由于熔剂的使用，在生产期间排出的废气含有腐蚀性成分。

该系统的热管采用了重力定位方式，而废气流和通入的助燃空气之间的压差保证了两种气体不会相互掺杂。这样的方式使得热管在需要时很容易拆卸(图5)。

性能

然后对从换热器中拆下的热管进行了性能测试。同这些热管刚刚完成制造时的指标相比，它们的性能水平达到了97%以上。

连续运行8年后，换热器中的每根热虹吸管都依然保持着几乎是最佳的状态。

结论

这次调查的结果表明，铸造业使用的传统能量回收方法所存在的许多问题和隐忧在热虹吸管新技术上并不存在，尤其是使用寿命短的问题。这些新式换热器为制造业带来了一种对原本被浪费掉的能量进行回收利用的高效率方法。

现在，无论废气是清洁的，多尘的，含有颗粒物的，腐蚀性的，低温的，还是温度极高的，其中所含的能量都能以更高的效率得到回收，而系统将肯定以更稳定的性能长期保持运行。