一、熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用的意義

  煤炭是實(shí)現(xiàn)建設(shè)必需的重要能源之一。而我國(guó)運(yùn)行的蒸汽機(jī)車的數(shù)量很大，但蒸汽機(jī)車的效率很低（一般為7%~8%），每臺(tái)蒸汽機(jī)車每年耗煤約3000 5000t，蒸汽機(jī)車每年總耗煤量是相當(dāng)大的。因此，在蒸汽機(jī)車上節(jié)煤是具有極其重要的意義的。

 現(xiàn)有"前進(jìn)型"機(jī)車的排煙損失約占15%左右，相當(dāng)于每小時(shí)損失400 ~ 500kg煤。如果應(yīng)用先進(jìn)的“熱管"技術(shù)就有可能收回排煙損失中熱量的20%~30%，如按回收排煙損失中熱量的25%計(jì)算，即每小時(shí)每臺(tái)機(jī)車可節(jié)省煤100 ~ 125kg。這樣，蒸汽機(jī)車的用煤就可以節(jié)省約5%~10%左右。

 應(yīng)用熱管空氣預(yù)熱器從排煙中回收排煙的余熱，來(lái)加熱空氣，然后通到爐膛里助燃，可以提高燃燒溫度和燃燒效率，從而提高蒸汽機(jī)機(jī)車鍋爐的出力，這樣，可以提高蒸汽機(jī)車的技術(shù)速度，解決蒸汽機(jī)車冬季運(yùn)行晚點(diǎn)的問(wèn)題。另外，由于提高了燃燒溫度還可以使燃燒得更完全，基本不冒黑煙，不冒火星、減少二氧化碳的排放，不排黑色灰渣等，不僅節(jié)省煤，還大大改善排煙污染環(huán)境。

 在試制期間每臺(tái)熱管空氣預(yù)熱裝置需用經(jīng)費(fèi)約2萬(wàn)元，若每臺(tái)機(jī)車節(jié)省煤約價(jià)值1.5萬(wàn)元，則在一年半之內(nèi)即可回收投資。上面的數(shù)字只說(shuō)明了熱管空氣預(yù)熱裝置在蒸汽機(jī)車上節(jié)煤的經(jīng)濟(jì)效果。

二、熱管在蒸汽車上的應(yīng)用

 熱管在蒸汽機(jī)車上能否應(yīng)用？這就要看熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用的不利條件和有利條件了。熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用的不利條件分析：

（1）缺乏蒸汽機(jī)車熱管空氣預(yù)熱裝置的資料。雖然熱管在外國(guó)應(yīng)用非常廣泛，生產(chǎn)已系列化，但是，沒(méi)有蒸汽機(jī)車熱管空氣預(yù)熱裝置的實(shí)例可遵循，當(dāng)然也就沒(méi)有這方面的資料可參考了。

（2）蒸汽機(jī)車是運(yùn)輸式設(shè)備，尤其蒸汽機(jī)車發(fā)展到現(xiàn)在，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)很緊湊，幾乎沒(méi)有能放下熱管裝置的空隙，又加上蒸汽機(jī)車的排煙量特別大，M-22865kg/h，這就給熱管裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常大的困難。

（3）熱管裝置是裝在蒸汽機(jī)車的排煙箱中，由于排煙箱中的煙灰特別多，這就特別容易使熱管積灰，甚至使熱管的翅片堵塞。

（4）由于在蒸汽機(jī)車的排煙中夾雜著許多未燃燒的顆粒，并且這些顆粒以高速流動(dòng)，這就容易磨損熱管，有可能將熱管上的翅片很快磨損壞。

（5）由于蒸汽機(jī)車的煙氣量和空氣量都很大及機(jī)車上空間的限制而使可選取的熱管數(shù)目很少，這使煙氣和空氣的流通面積減小，必須使煙氣和空氣的流速提高（比固定式的要高2-3倍），因而所產(chǎn)生的阻力就高，甚至?xí)绊懙綑C(jī)車的排煙等。

上述問(wèn)題都是熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，如果這些問(wèn)題不解決，熱管在蒸汽機(jī)車上的應(yīng)用是談不上的。下面分析和解決這些不利因素。

（1）熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用的目的是從排煙中回收熱量，然后去加熱進(jìn)入爐膛的空氣，是屬氣氣換熱，它屬于中溫?zé)峁軗Q熱，這種熱管空氣預(yù)熱裝置，雖然在蒸汽機(jī)車上沒(méi)有應(yīng)用的實(shí)例，但是，對(duì)固定式熱管換熱器已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，這種形式熱管的經(jīng)驗(yàn)是成熟的。因此，可以說(shuō)第一個(gè)不利的因素基本上得到解決。

（2）在蒸汽機(jī)車熱管空氣預(yù)熱裝置設(shè)計(jì)上遇到最大的困難是整臺(tái)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)多次的方案設(shè)計(jì)與探討在不改動(dòng)現(xiàn)有排煙箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，最后不得不為了縮小熱管裝置的尺寸而采取回收熱量較少的方案，即熱管數(shù)目較少的方案。

（3）關(guān)于積灰的問(wèn)題，在蒸汽機(jī)車燒型煤的情況下，采用熱管裝置在減少積灰問(wèn)題上是非常有利的，除此之外，為了減少積灰，還采取下面一些措施：

①. 加大翅片間距；②. 加大管束間距；③. 控制煙氣流速，根據(jù)鍋爐中管排設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管道中干煙灰，當(dāng)煙氣的流速是在接近8m/s以上流經(jīng)管排時(shí)是不容易因積灰而堵塞的；④. 讓煙氣首先經(jīng)過(guò)火星網(wǎng)和兩次轉(zhuǎn)90的彎，使其較大的煙灰顆粒甩掉之后再進(jìn)入熱管裝置；⑤. 現(xiàn)在正做熱管翅片積灰的試驗(yàn)，如果設(shè)計(jì)的翅片間距還小，準(zhǔn)備再加大翅片間距；⑥. 考慮到管子積灰區(qū)主要是在管后的渦流區(qū)，為了減少渦流區(qū)的積灰，采取叉排排列的管束；采取叉排管束對(duì)傳熱系數(shù)的提高也是非常有利的。

（4）關(guān)于磨損問(wèn)題，主要是對(duì)熱管加熱段翅片的磨損，解決的辦法：@加厚翅片，由原先的0.8mm加到1mm；②控制煙氣流速，根據(jù)鍋爐管排設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，如果煙氣的流速在不超過(guò)12m/s時(shí)煙氣對(duì)管子的磨損是不太嚴(yán)重的，考慮到積灰和磨損，我們控制煙氣流過(guò)熱管的速度在6~10m/s之內(nèi)；③采用加大翅片間距和加大管束間距以及把熱管裝置放到火星網(wǎng)和使煙氣轉(zhuǎn)兩個(gè)90"的彎之后，這樣做對(duì)減少熱管的磨損也都是有好處的。

（5）關(guān)于流動(dòng)阻力問(wèn)題，雖然煙氣和空氣經(jīng)過(guò)熱管的流速都很高，因而相應(yīng)的流動(dòng)阻力都較大，但經(jīng)過(guò)計(jì)算，煙氣側(cè)和空氣側(cè)的流動(dòng)阻力加起來(lái)不超過(guò)80mmH20，這樣大的阻力在裝有扁煙筒的情況下是能通過(guò)的。

 雖然熱管在蒸汽機(jī)車上應(yīng)用所存在的問(wèn)題基本上得到解決，但終究是第一次嘗試，所以，計(jì)算和探討得出來(lái)的結(jié)論都要由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

三、結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)具體計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：熱管應(yīng)用到蒸汽機(jī)車上，從排煙的廢熱中回收熱量去加熱進(jìn)入爐膛空氣的方案是可行的。由于熱風(fēng)進(jìn)入爐膛助燃，提高碳燃燒溫度，對(duì)減少二氧化碳的排放，非常顯著。

（2）為了不改動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選用熱負(fù)荷較小的方案是適合的。采用92根熱管，在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，進(jìn)入爐膛的空氣溫度可以升高60~70℃，每小時(shí)可以回收約35萬(wàn)千卡的熱量。熱量回收率為16%左右。

（3）關(guān)于積灰、清灰和磨損等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)采取一系列措施，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究均得到了滿意的結(jié)果。

（4）關(guān)于節(jié)能減排：@二氧化碳、②黑煙、③火星、④黑灰渣，其中關(guān)鍵是二氧化碳（CO₂），碳是各種燃料中最主要的可燃物質(zhì)，1kg碳完全燃燒時(shí)能放出8100kcal的熱量，但碳本身要在比較高的溫度下才能燃燒，一般是不容易燃燒的，所以在熱風(fēng)助燃下，提高燃燒溫度，二氧化碳的排放量就可以大大減少。

熱管在蒸汽機(jī)車或類似蒸汽機(jī)車的熱力設(shè)備上的應(yīng)用、推廣是一定會(huì)實(shí)現(xiàn)的，熱管技術(shù)必將在節(jié)約能源中發(fā)揮更大的作用。

熱管換熱器應(yīng)用到蒸汽機(jī)車上，經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)由鐵道部組織召開(kāi)的技術(shù)鑒定會(huì)通過(guò)鑒定。