蓄熱器

在工業鍋爐供汽系統中如果用汽量經常發生大幅度的波動，不僅會引起鍋爐汽壓、水位上下波動，使鍋爐運行操作困難，還會導致鍋爐燃燒效率降低。

在這種情況下應用蓄熱器能有效地穩定鍋爐負荷，改善鍋爐運行條件，不使鍋爐效率降低。鍋爐蓄熱器有變壓式和定壓式兩類，變壓式蓄熱器的工作壓力隨所儲熱量的增減而變化，其中最典型的是蒸汽蓄熱器。定壓式蓄熱器的工作壓力恆定，其中以給水蓄熱器最為常用。

蓄熱器的發展漫長而又曲折。蒸汽的儲存和利用最早是德國的拉特教授提出的。到1873年，美國的麥克·馬洪將蒸汽以高温熱水的形式來儲存，為現代蓄熱器奠定了基礎。1880年，裴裏希·列任斯和布洛爾·夏洛斯基博士共同在德國獲得了有關蓄熱器的專利，但沒有在實踐中應用。1893年，道留脱·哈羅賓設計的蓄熱器，就是最早的給水蓄熱器，於1903年建成，也沒在實踐中應用。但他對高温熱水的循環方法及自動調節方面做了許多工作。

這樣，以水為介質間接儲蓄熱能的方法有了進步。另一方面，直接儲存蒸汽的方法也有改進，1921年愛斯脱爾拔就製造了1000米³的大容量汽罐。1916年，瑞典工程師魯茨博士發明了著名的魯茨蓄熱器(蒸汽蓄熱器)，為蓄熱器的廣泛應用打開了局面。魯茨蓄熱器廣泛用於蓄熱始於1921年，到1935年為止，全世界共有幾百台蓄熱器，其中魯茨蓄熱器就佔500多台。 魯茨博士最初設置的蓄熱器，效果是驚人的，可以節能12~37%，生產率增長7~45%，鍋爐容量減少一半。因為魯茨博士功績卓著，被譽為蓄熱器之父。

蓄熱器從二十年代起，一直被廣泛地應用於各工業企業，用來平衡高峯負荷，穩定鍋爐工況。在火電站也有不少典型的應用。例如，1920年，在瑞典的馬爾摩，魯茨設計的蓄熱器用於一座3750千瓦的電站中，首次配合汽輪機聯合運行。1927年6月，在基爾召開的德國電氣工程師協會會議中，專門討論了利用魯茨蓄熱器來供應火電站在高峯負荷時所需的超額蒸汽問題。1929年，柏林最大的火電站安裝了16個容量為300米³的蓄熱器，為兩台2.5萬千瓦的汽輪機供汽，可在高峯負荷下持續供汽3小時。 ^[1] 

由於電站設計朝着大容量高參數方向發展非常迅速，致使蓄熱器在電站中的應用進展緩慢。其原因為：第一，由於壓力增加，容器所需壁厚幾乎成比例地增加，因此，儘管單位蓄熱能力增加，仍需較高的費用。第二，大容量的電站需配置相當容量的蓄熱器，而當時大型容器在製造工藝和運輸上都存在很大困難，就需要設置多個蓄熱器。據此，電站中採用蓄熱器組與採用高峯備用鍋爐或燃氣輪機等高峯設備相比，無論在投資還是在運行費用上都不經濟。第三，在 電站甚至國家之間擴展的電網也具有平衡高峯負荷的作用。此外，在鍋爐設計方面也有很大進步，從而改善了鍋爐的適應性，提高了熱效率。凡此種種，長期以來，阻礙了蓄熱器在電站中的應用。然而，有關蓄熱器的兩個重要發展的密切結合，將會改變這種狀況。

首先，吉利教授早已證明在較高壓力下蒸汽蓄熱器的經濟性反而不佳的結論，並不適用於最高壓力超過50巴的蒸汽蓄熱器。這就為使用高壓蒸汽蓄熱器提供了依據。1937年，吉利教授在維也納電站安裝了一台120巴的蒸汽蓄熱器。它能在很短的時間內對工作壓力為30巴的汽輪機供給15噸蒸汽。這種高壓蒸汽蓄熱器作為瞬時蓄能設備能在幾秒鐘內供應蒸汽，於是就避免了電壓降低。用它代替備用鍋爐來平衡瞬時的高峯負荷是經濟合理 的。

第二，預應力鑄鐵壓力容器的研製成功，大大地改善了蓄熱器在電站中的應用。直到現在，幾乎所有的蓄熱器都是鋼製的壓力容器。隨着壓力和容量的增加，壁厚和尺寸也要增加，而大型的厚壁容器又受到熱處理的限制。因此，電站需要的巨大蓄熱器只能由很多單元設備提供。這樣就使系統複雜，佔地面積大，相對的熱損失也要增加。雖然目前歐洲與日本已能用多層鋼板製造大型蓄熱器，但製造工藝相當複雜，成本也高。預應力鑄鐵壓力容器的應用完全可以避免多個單元設備和大型多層鋼製容器的缺點。這種壓力容器是由很多幾乎能以任何尺寸在工地裝配在一起的鑄鐵塊組成。 ^[1] 

蓄熱器技術的起源可追溯到十九世紀末葉。當時主要是為了改善鍋爐運行工況、平衡用汽負荷波動，由德國的阿·拉特奧 (A Ratean) 提出。而這項技術傳到我國卻是在二十世紀三十年代，那時在日偽統治下的東北開山屯和石硯造紙廠有幾台蓄熱器。四十年代末，鐵道部首次在陝西機務段將蓄熱器用於蒸汽機車洗爐後的無火啓動工藝中，蒸汽壓力為8公斤/釐米² 。 從三十年代到四十年代期間，由於國內戰爭多端、工業基礎落後、科研水平低，因此蓄熱器的應用和研究一直沒有得到重視，近似於停滯狀態。 ^[2] 

五十年代初，山西省太原鋼鐵廠從奧地利引進了兩台80米³的蓄熱器，與50噸的轉爐配套使用。1958年，東北友好木材廠從瑞典引進兩套熱水蓄熱器(直徑2.5米，高10米，壓力22公斤/釐米²)，用於大型熱壓機的熱水循環系統。1959年，第六機械工業部第九設計院與上海漁輪修造廠合作為該廠5 噸的蒸汽錘設計、安裝了一台容積為22米³、壓力為10公斤/釐米²的蓄熱器。該蓄熱器投運後效果很好，穩定了鍋爐壓力，避免了高峯用汽時的“吊水”現象，積累了一些設計和運行經驗，開創了我國自行設計、製造、安裝蓄熱器的新局面。在此基礎上，上海 市 機 械 工 程 學 會熱工學 組 就蓄 熱器的有關技術問題進行了一系列的學術活動，促進了蓄熱器的 應用和研究工作在全國範圍內的開展。1963年，上海機械學院陳之航教授和顧景賢副教授對給水蓄熱器在電站中的應用及其內部傳熱過程進行了研究，通過試驗得出了給水蓄熱器設計的半經驗公式。原上海汽輪機鍋爐研究所王孟浩工程師創議了一種“小型鍋爐簡易蓄熱器”。同年，在北京召開的全國熱化會議指出，按當時工業鍋爐擁有量一萬台、總容量 七萬噸/時、全國耗煤量一億噸、蓄熱器可節煤10%計算的話，每年可節約原煤約一千萬噸。1964年，鐵道部在甘肅省蘭州市召開了“利用蓄熱器實現機車無火啓動工藝交流大會”。而上海機械學院龔洪年和顧景賢兩位副教授對蓄熱器在紡織工業中的應用進行了探討困。同濟大學奚士光副教授對典型的給水蓄熱器進行了比較。1969年，上海造船廠安裝了一台容量為22米³、壓力為10公斤/釐米2的蓄熱器，配合鍋爐供汽給鍛錘使用。在1970年至1972年間，四川省攀枝花鋼鐵廠、上海第五鋼鐵廠和遼寧省鞍山鋼鐵廠為了配合轉爐汽化冷卻，分別安裝了兩台容量為42米³和一台容量為22米³的蓄熱器，獲得了很好的效果，節省了運行費用。到七十年代中期，我國自行設計、製造，安裝的蓄熱器先後在機械、造紙、船舶、鋼鐵、煤氣、化工等工業企業中得到應用。 ^[2] 

七十年代末發生能源危機後，人們從節能、省力、保護環境等角度出發，開始了多種目的的蓄熱器的應用和研究。我國巨大的鋼鐵基地上海寶山鋼鐵廠在引進技術設備的同時，也進口了日本的蓄熱器，以最大限度地利用能源。1981年3月，我國動力工程技術人員與前來我國訪問的日本光輝蓄熱器公司社長前田利春進行了蓄熱器技術交流，並在上海、北京、哈爾濱、無錫等地舉辦了學術講座。同年10月，前田利春先生陪同日本大倉商事株式會社重機部長原口政士先生再次來我國進行技術座談，大大促進了我國蓄熱器的發展。為了探討蓄熱器的壓降自蒸發機理和放汽過程中的蒸汽帶濕規律，1982年，筆者在上海機械學院院長陳之航教授的指導下進行了蓄熱器放熱過程的試驗研究，與此同時，哈爾濱鍋爐廠為了取得蓄熱器充汽噴嘴的設計數據而建立了試驗枱。1982年底，上海松江紙漿廠100米³的蓄熱器和福州第二造紙廠20米³的蓄熱器分別通過了技術鑑定，與會的專家和代表們對蓄熱器的節能作用和經濟效益作了高度的評價，一致認為很有必要在用汽負荷波動較大的工業企業中推廣使用。1983年5月，哈爾濱糖廠首次在我國熱電聯營的熱力系統中應用蓄熱器獲得成功，經運行試驗鑑定，證明已取得了明顯的技術經濟效益。從1980年到1983年短短的三年中，僅上海就發展了29台蓄熱器，而具有佔地面積小等優點的立式蓄熱器也正在研製中。 ^[2] 

釀酒、橡膠、製糖、造紙、紡織、鋼鐵等工業企業，用汽負荷波動很大。設置蓄熱器就能平衡波動負荷，穩定鍋爐運行工況，提高鍋爐熱效率。

當用汽壓力低於鍋爐壓力時，通常採用並聯蒸汽蓄熱器系統。由於飽和水在低壓階段降低1公斤/釐米²壓力時的產汽量比高壓階段時的產汽量大得多因 此，蒸汽蓄熱器的放熱壓力在保證供汽的條件下，選擇得越低越經濟。若用汽壓力為鍋爐額定壓力時，通常採用給水蓄熱器。由於幹汽包蓄熱量小，體積大，不宜採用。在日本，幹汽包蓄熱已經淘汰。如果工廠有背壓汽輪機發電機組，廠發電量要求不變，而汽輪機前或後，用汽負荷又有較大的波動，在這種情況下，裝設蒸汽蓄熱器，則用汽負荷的波動由蓄熱器來調節，既能保證發電量不變，又能消除有時蒸汽要排空的熱能損失。 ^[1] 

(1)餘熱利用

在焚化爐裏，蒸汽的發生量取決於廢品或城市垃圾的燃燒，而這些物質的發熱量卻變化很大。所以，產生的蒸汽是波動的。只能用蓄熱器來維持正常的蒸汽供應。工廠餘熱利用產生的蒸汽是波動的。為了用來發電或採暖就需裝設蓄熱器。

(2)太陽能發電

太陽能是一種理想的乾淨能源，但其缺點是下雨或雲層遮擋時就不能產生高温蒸汽來推動汽輪機。然而，汽輪發電機是不能緊急中斷或緊急起動的，所以就要求連續供應蒸汽。因此，蓄熱器對於太陽能發電來説已是一種不可缺少的裝置。

日本第一台1000千瓦太陽能電站正在香川縣進行建設。系統中採用容量為73米3的蓄熱器四台，最高使用壓力為42公斤/釐米2，可蓄熱3小時。據介紹美國太陽能電站蓄熱器蓄熱能力達6小時。

(3)核能發電

現代核電站的發電成本比火電站低，應使核電站保持額定功率運行，才能充分發揮核電站的優越性。從技術經濟的觀點，運行中的反應堆功率變化是不合理的。因此，為了應付外界電力負荷的波動，就必須裝設蓄熱器。當外界電力負荷降低時，將多餘的蒸汽儲存在蓄熱器中，在高峯時再釋放出來，使汽輪發電機發出更多的電能來滿足高峯用電的需要。例如，某核電站的額定功率為90萬千瓦，裝設蓄熱器以後，12小時可得到33萬千瓦的附加峯值功率。原子能熱電站中裝設蓄熱器，不僅能在切斷供暖的汽機抽汽提高電站功率時保證供熱，而且能平衡高峯熱負荷。 ^[1] 

在宇航、衞星技術工程中，要在地面模擬一個真空環境，需設立高空性能試驗室。其方法是利用蒸汽噴射泵抽真空。例如，某高空性能試驗裝置，蒸汽噴射泵的耗汽量高達576噸/時，而工作時間不過3分鐘。顯然，要裝設這樣大容量的鍋爐是不合理的，在運行上也是十分困難的。如用一台6噸/時鍋爐配置二台106米³的蒸汽蓄熱器，鍋爐只需向蓄熱器充汽2~3天就能達到試驗目的。 ^[1] 

一種應用最廣泛的變壓式蓄熱器（見圖）。當鍋爐蒸發量大於用汽量時,多餘的蒸汽進入蓄熱器加熱其中的儲水(飽和水),蒸汽本身也凝結於其中，蓄熱器中的壓力隨之上升。當用汽量大於鍋爐的蒸發量時,蓄熱器中的儲水（飽和水）因降壓而沸騰，提供蒸汽以保持鍋爐負荷不變。

整個工作過程由一組自動調節閥門自行控制。閥V1用以保持鍋爐壓力不變,閥V2用以保持用汽壓力不變，而蓄熱器壓力則在二者之間變化。鍋爐壓力與用汽壓力之間的壓差越大，蓄熱器可儲蓄的熱量也越大，並可按不同的情況來選擇其容積。蒸汽蓄熱器特別適用於工業鍋爐系統。

一種定壓式蓄熱器。蓄熱器壓力、鍋爐壓力與用汽壓力都基本相同。當用汽量低於鍋爐蒸發量時,多餘的蒸汽(或熱量)用以加熱給水,使給水成為飽和水並儲存於蓄熱器中。當用汽量增大時則用蓄熱器中温度較高的飽和水代替温度較低的給水送入鍋爐，使鍋爐的蒸發量增大以滿足需要。

給水蓄熱器工作壓力恆定，故也適於小型蒸汽動力裝置，但其儲蓄熱量不大。鍋爐給水温度越高，其蓄熱能力越低。