真空鍋爐現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的研究
真空鍋爐由于其安全可靠、效率高、熱媒溫度靈活可變等優(yōu)點(diǎn)目前在暖通空調(diào)和鍋爐研究領(lǐng)域飽受青睞。然而基于真空鍋爐換熱機(jī)理、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的研究甚少。本文從增強(qiáng)換熱穩(wěn)定性、強(qiáng)化凝結(jié)換熱、提高能量利用效率等方面對(duì)影響真空鍋爐整體性能的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析，提出從降低管束冷凝階段的管束效應(yīng)、改變蒸汽與冷凝液逆流的格局、增大蒸汽的干度三個(gè)方面來(lái)提高換熱過程的穩(wěn)定性，并提出將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于煙氣冷凝系統(tǒng)。
真空鍋爐最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代的日本，其基本結(jié)構(gòu)和普通鍋爐一樣，分為“爐”和“鍋”兩個(gè)部分，爐內(nèi)燃燒燃料放熱，鍋內(nèi)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(qū)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(nèi)部為真空負(fù)壓狀態(tài)，殼體內(nèi)的水只充當(dāng)傳熱媒介的作用，又稱熱媒水，熱媒水吸收爐內(nèi)熱源的熱量，沸騰蒸發(fā)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(nèi)的液體空間。
熱媒水就這樣在殼體內(nèi)反復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)-冷凝，換熱進(jìn)穩(wěn)定階段時(shí)，蒸發(fā)吸收的熱量等于末端冷水被加熱吸收的熱量。殼體內(nèi)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。殼體內(nèi)被抽成負(fù)壓無(wú)氧狀態(tài)，熱媒水也是經(jīng)過純化的水，不會(huì)在殼體內(nèi)壁發(fā)生氧化腐蝕結(jié)垢等化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，殼體內(nèi)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(yōu)勢(shì)： 負(fù)壓運(yùn)行，安全可靠；殼體內(nèi)無(wú)氧無(wú)垢，不腐蝕，壽命長(zhǎng)；節(jié)能環(huán)保；結(jié)構(gòu)緊湊；二次換熱，用水清潔，一機(jī)多用；自動(dòng)化程度高。如果用負(fù)壓下蒸發(fā)溫度大于100℃的介質(zhì)代替去離子水作為熱媒，則真空鍋爐可進(jìn)一步滿足作為工業(yè)鍋爐的條件。
圖1 真空鍋爐的工作原理示意圖
真空鍋爐的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在鍋爐領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是真空技術(shù)網(wǎng)(http：//m.genius-power.com/)認(rèn)為目前國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于真空鍋爐的研究尚不夠完善，市場(chǎng)上的真空鍋爐更是以仿制為主。機(jī)理研究的缺乏導(dǎo)致一部分使用過程中呈現(xiàn)的問題尚未得到有效的解決。例如： 真空度難以維持導(dǎo)致?lián)Q熱過程不穩(wěn)定；煙氣排放時(shí)的溫度過高等諸如此類的典型問題。本文亦是從這三個(gè)方面對(duì)真空鍋爐當(dāng)前的研究現(xiàn)狀做出總結(jié)，為真空鍋爐今后的機(jī)理研究以及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。
1、真空鍋爐內(nèi)存在的典型問題
1.1、管束效應(yīng)
管束效應(yīng)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(shù)的修正關(guān)聯(lián)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(zhì)不同，修正關(guān)聯(lián)式也會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果被做出不同的修改。但不變的是管束效應(yīng)至今依然無(wú)法避免。
1.2、真空度的維持
真空度的難以維持和管束效應(yīng)一樣，是真空鍋爐與生俱來(lái)的詬病。真空鍋爐在穩(wěn)定工作時(shí)，內(nèi)部汽空間的蒸汽一部分要用來(lái)對(duì)換熱管束放熱冷凝成液體，一部分要用來(lái)維持真空鍋爐內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境。一定的飽和蒸汽壓對(duì)應(yīng)了一定的飽和蒸汽溫度，維持飽和蒸汽溫度的穩(wěn)定有利于維持換熱過程的穩(wěn)定。為了維持壓力的穩(wěn)定，冷凝掉的蒸汽需要及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)才能維持壓力的平衡。理論上，沸騰蒸發(fā)吸收的熱量與冷水帶走的熱量最終會(huì)處于平衡狀態(tài)，實(shí)際工作過程中，真空鍋爐經(jīng)常需要外在的真空泵來(lái)維持壓力的平衡，需要控制調(diào)整燃燒熱量來(lái)維持出水溫度的穩(wěn)定。這些機(jī)械式的外在調(diào)節(jié)手段破壞了系統(tǒng)自身的平衡，不僅不能使真空鍋爐系統(tǒng)更加穩(wěn)定，反而使換熱過程的不穩(wěn)定持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)。
1.3、排煙損失
如果說以上兩點(diǎn)僅存在于真空鍋爐中，那么提高能量的利用率則是整個(gè)鍋爐研究領(lǐng)域永恒的話題。目前常用的真空鍋爐多為燃?xì)忮仩t，對(duì)于一臺(tái)保溫措施得當(dāng)?shù)娜細(xì)庹婵斟仩t，排煙損失則變成主要的能量損失。如果能對(duì)煙氣進(jìn)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(jī)理探討和研究熱點(diǎn)
2.1、真空鍋爐換熱機(jī)理的研究現(xiàn)狀
2005 年石化彪等在對(duì)真空鍋爐內(nèi)的蒸汽流動(dòng)特性進(jìn)行了理論上的分析后，提出在管束下增加托盤來(lái)改善內(nèi)部的蒸汽分布，并搭建了小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬真空鍋爐內(nèi)部的流動(dòng)與換熱情況。此次實(shí)驗(yàn)也僅僅考慮單管管外冷凝，并沒有考慮到管束效應(yīng)對(duì)整個(gè)換熱過程的影響。2013 年李俊超等開始關(guān)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(shè)計(jì)了一種正弦波管，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其能有效提高換熱系數(shù)，并且提出了添加折流擋板來(lái)改善內(nèi)部的氣流，從而改變蒸汽沖刷管束的方向，以此強(qiáng)化冷凝換熱。然而其并沒有考慮到這種正弦波形管相對(duì)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(nèi)部的換熱對(duì)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(guān)注殼體內(nèi)復(fù)雜的換熱機(jī)理。
2.2、真空鍋爐殼體內(nèi)蒸發(fā)-冷凝兩相共存狀態(tài)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(qū)別：
�、儆猛静煌� 熱管主要用來(lái)冷卻所需的物質(zhì)，真空鍋爐主要用來(lái)加熱所需物質(zhì)。熱管作為散熱器主要是維持被散熱的物質(zhì)處于低溫狀態(tài)，只需將熱管內(nèi)部蒸汽及時(shí)冷卻冷凝，可以讓吸熱端的液體及時(shí)吸熱蒸發(fā)；真空鍋爐因?yàn)橐谜羝訜崂渌畞?lái)獲得特定溫度的流體，單位時(shí)間的熱流密度穩(wěn)定性要求高，因此需要穩(wěn)定換熱過程，穩(wěn)定蒸汽的壓力與溫度。
�、趦�(nèi)部的兩相流場(chǎng)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(xì)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(fā)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(jīng)常會(huì)擾亂蒸汽流場(chǎng)，蒸汽的浮升力對(duì)冷凝液的下落也產(chǎn)生阻礙，增大冷凝換熱的不確定性，從而也影響了內(nèi)部負(fù)壓的穩(wěn)定。
對(duì)于真空鍋爐殼體內(nèi)蒸發(fā)-冷凝共存換熱現(xiàn)象的研究常見于熱管換熱器的相關(guān)文獻(xiàn)中。Seok-HoRhi在開爾文-赫姆霍茲不穩(wěn)定性理論的指導(dǎo)下，對(duì)兩相回路熱管內(nèi)工況的不穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱管內(nèi)壓力的大小、工質(zhì)的充入量、插入物的尺寸、熱通量的大小對(duì)于熱管工作過程中工況的穩(wěn)定性均有很大的影響。同時(shí)從理論上推導(dǎo)出了氣液兩相流場(chǎng)中穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)冷凝速度的狀態(tài)方程式。Guangmeng Zhang 等關(guān)于有限真空空間內(nèi)的沸騰與冷凝共存的實(shí)驗(yàn)研究顯示，真空空間內(nèi)同時(shí)存在的沸騰與冷凝換熱之間產(chǎn)生了很大的影響，導(dǎo)致原本單純的冷凝和沸騰變得更加復(fù)雜�？臻g內(nèi)壓力的波動(dòng)與傳熱過程的強(qiáng)度有關(guān)，熱流量越大，壓力波動(dòng)呈減小的趨勢(shì)。但是文章并沒有給出關(guān)于熱流量和壓力波動(dòng)相互影響的定量描述。Rahmatollah Khodabandeh、Hiroshi Honda 等通過對(duì)兩相流熱管中傳熱和流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究表明，兩相共存的冷凝換熱過程中的不穩(wěn)定性還受另外兩個(gè)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(dòng)引起。
二是蒸汽的干度不確定引起。蒸汽干度的不確定會(huì)影響干蒸汽與換熱管束的接觸面積，導(dǎo)致了熱流量的波動(dòng)，增大了殼體內(nèi)飽和蒸汽壓的波動(dòng)。
這些基于熱虹吸管的負(fù)壓空間內(nèi)蒸發(fā)-冷凝共存的實(shí)驗(yàn)研究仍處于定性研究的階段，但是對(duì)于真空鍋爐的探索依然具有指導(dǎo)意義。要將其運(yùn)用于真空鍋爐仍需要更多的基于實(shí)際真空鍋爐模型的定量實(shí)驗(yàn)研究。
由于湍流度的不均勻以及涉及到相變過程，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)沸騰-冷凝自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的模擬變得尤其復(fù)雜而不精確。一個(gè)成功的模型需要同時(shí)考慮傳熱、傳質(zhì)、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(duì)于真空鍋爐的實(shí)驗(yàn)研究就顯得更加重要。
2.3、管束效應(yīng)的研究
真空鍋爐作為管束冷凝器與熱管換熱器有效結(jié)合的復(fù)合式換熱器，需要結(jié)合兩點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行研究。靜止蒸汽水平光管外冷凝換熱系數(shù)的經(jīng)典公式第一次由Nusselt導(dǎo)出。但是Nusselt 公式只適用于計(jì)算光管單管管外靜止蒸汽的冷凝換熱系數(shù)。CHENG Shen 等研究了真空條件下不同材質(zhì)換熱管的冷凝換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)注鎳鐵管真空條件下的換熱能力明顯優(yōu)于注鎳銅管的換熱能力，隨著真空度的增大，冷凝換熱系數(shù)越大。蒸汽的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)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(nèi)的管外冷凝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離傳統(tǒng)管外冷凝。
真空鍋爐內(nèi)管外冷凝換熱需要建立較為精確的模型經(jīng)行實(shí)驗(yàn)研究，傳統(tǒng)的Nusselt 公式已經(jīng)不能用來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算真空鍋爐內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)。廣泛存在于管束外冷凝的管束效應(yīng)大大降低了冷凝換熱系數(shù)，表現(xiàn)為： 上層管子冷凝的液體在重力的作用下會(huì)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(xiàn)中給出了不同的管束外冷凝換熱系數(shù)計(jì)算的修正方法，馮健美等結(jié)合實(shí)驗(yàn)與逐層計(jì)算的方法驗(yàn)證了文獻(xiàn)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(duì)管束效應(yīng)的影響，得出了高性能管管束效應(yīng)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，但其實(shí)驗(yàn)室中的冷媒為制冷劑R134a和氨，而不同制冷劑對(duì)冷凝過程亦有區(qū)別。管束效應(yīng)雖然不可避免，但是更多的研究表明管束效應(yīng)可以通過各種方法得到弱化。Chen 等關(guān)注到冷凝液與蒸汽之間的換熱對(duì)管束效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)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(jī)理，提出了蒸汽和冷凝液之間的換熱由冷凝液的初始質(zhì)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(yīng)的研究對(duì)于真空鍋爐內(nèi)冷凝換熱機(jī)理的研究同樣具有參考意義。在對(duì)真空鍋爐做具體的研究時(shí)可以從諸如換熱管的表面、管束的排列、蒸汽的流動(dòng)方向、流動(dòng)速度以及冷凝液和蒸汽之間的換熱等方面做重點(diǎn)分析與考察。
2.4、管束效應(yīng)和蒸發(fā)-冷凝共存現(xiàn)象的相互影響
真空鍋爐內(nèi)的管束冷凝作為殼體內(nèi)蒸發(fā)-冷凝共存換熱系統(tǒng)的一部分，在對(duì)殼體內(nèi)的相變換熱做分析研究時(shí)不可分而視之，這兩者之間的相互影響亦是整個(gè)換熱系統(tǒng)中的重要組成部分。
真空鍋爐內(nèi)的管束效應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)低，密布的管束外的冷凝液還會(huì)充溢于管束間的汽空間，阻塞蒸汽通道，出現(xiàn)周期性的“間歇泉”現(xiàn)象，使蒸汽擴(kuò)散過程充滿不確定性，會(huì)影響飽和蒸汽壓的穩(wěn)定導(dǎo)致?lián)Q熱過程的不穩(wěn)定。間歇泉現(xiàn)象是由蒸汽的浮力和阻力相互作用所引起的，間歇泉現(xiàn)象廣泛存在于兩相流自然循環(huán)換熱過程中。真空鍋爐殼體內(nèi)的蒸汽的流動(dòng)截面大，給間歇泉的定性實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的不便，實(shí)驗(yàn)方法有待進(jìn)一步研究。管束外冷凝過程作為真空鍋爐殼體內(nèi)蒸發(fā)-冷凝系統(tǒng)中的一部分，對(duì)整個(gè)換熱過程的穩(wěn)定存在著很大的影響，造成壓力、溫度等多方面的不穩(wěn)定，從而影響出水溫度的穩(wěn)定，影響真空鍋爐的整體換熱性能。反過來(lái)，整體的不穩(wěn)定對(duì)局部換熱的不穩(wěn)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(wěn)定和蒸發(fā)-冷凝系統(tǒng)內(nèi)的波動(dòng)，在真空鍋爐內(nèi)都會(huì)被放大。反之，減小管束效應(yīng)對(duì)于減弱真空鍋爐換熱過程的不穩(wěn)定有著事半功倍的意義。要設(shè)計(jì)一臺(tái)性能優(yōu)良的真空鍋爐，其內(nèi)部的換熱過程必然是趨于穩(wěn)定的。對(duì)真空鍋爐殼體內(nèi)的研究不能僅僅局限于傳統(tǒng)鍋爐的視角，結(jié)合管束冷凝換熱和熱管換熱才是今后的研究趨勢(shì)。
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(jī)朗肯循環(huán)和冷凝式鍋爐。作為真空鍋爐煙氣回收系統(tǒng)，成本較高的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)并不顯得經(jīng)濟(jì)，煙氣冷凝加熱回水的冷凝式鍋爐應(yīng)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(chǎn)生的熱量，對(duì)于節(jié)能環(huán)保有著重要的意義。目前，冷凝式鍋爐在歐美國(guó)家的使用較為廣泛，國(guó)內(nèi)雖有個(gè)別企業(yè)有少量產(chǎn)品輸出，但是我國(guó)對(duì)于這方面的研究投入依然寥寥無(wú)幾。阻礙冷凝式鍋爐發(fā)展的主要原因有兩點(diǎn)： 一是煙氣中含有的腐蝕性氣體，當(dāng)煙氣被降至露點(diǎn)以下時(shí)，這些氣體會(huì)形成腐蝕性的液體，對(duì)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(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些都會(huì)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(lái)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(gè)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(shí)回水溫度不夠低這一問題。2013 年祝侃等設(shè)計(jì)出了一套吸收式熱泵，實(shí)現(xiàn)了煙氣的全部回收。由于這套系統(tǒng)復(fù)雜成本高，要大范圍推廣還需做更多研究來(lái)加以改進(jìn)。
3、結(jié)語(yǔ)
相比于熱管，真空鍋爐的工作條件更加嚴(yán)苛；相較于管殼式冷凝器，真空鍋爐的冷凝換熱過程更加復(fù)雜。要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，性能完善的真空鍋爐，必然要同時(shí)結(jié)合多個(gè)研究點(diǎn)來(lái)探究?jī)?nèi)部復(fù)雜的換熱機(jī)理。通過總結(jié)已有的研究，分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1) 真空鍋爐換熱系數(shù)無(wú)法提高以及系統(tǒng)出水溫度的不穩(wěn)定很大程度上是由于換熱過程的不穩(wěn)定所造成的。
(2) 真空環(huán)境下蒸發(fā)-冷凝共存的相變換熱過程中，蒸汽的干度并不確定。蒸汽中夾雜的液滴會(huì)減小干蒸汽與換熱管的接觸面積。蒸汽干度的不確定導(dǎo)致了換熱量的不確定，從而導(dǎo)致?lián)Q熱過程的不穩(wěn)定。增大并穩(wěn)定蒸汽的干度有利于促進(jìn)換熱過程的穩(wěn)定。
(3) 管束外冷凝常見的管束效應(yīng)會(huì)也是真空鍋爐殼體內(nèi)換熱不穩(wěn)定的主要因素之一。今后具體的研究可從換熱管的表面結(jié)構(gòu)、管束的排列、蒸汽的流動(dòng)方向流動(dòng)速度等方面做定量分析與考察。
(4) 蒸汽與冷凝液逆流導(dǎo)致的間歇泉現(xiàn)象使整個(gè)換熱過程充滿不確定性，改變蒸汽與冷凝液逆流的格局能最大程度的減弱甚至消除這種間歇泉現(xiàn)象。
(5) 煙氣冷凝系統(tǒng)可使真空鍋爐的能量利用率大于100%，但是需要價(jià)格更加親民的耐腐蝕材料才能有更廣闊的市場(chǎng)，另外要使煙氣的熱量利用的更加充分，盡可能的降低熱沉的溫度，將熱泵用于煙氣冷凝將會(huì)是冷凝式真空鍋爐一個(gè)主要發(fā)展方向。
