~$空气预热器在动力锅炉中的应用

热管空气预热器在我厂的应用
邱明勇
关键词热管原理基本理论热管分类电厂应用
目录
⒈热管的工作原理
１－１绪言………………………………………………………………１１－２热管的工作原理…………………………………………………２１－３热管的特性………………………………………………………３１－４热管的类型………………………………………………………４⒉热管的基本理论
２－１热管的传热计算…………………………………………………６２－２热管的传热极限…………………………………………………７⒊两相闭式热虹吸管与分离式热管
３－１两相闭式热虹吸管………………………………………………８３－２分离式热管………………………………………………………９⒋热管空气预热器的应用
４－１热管的传热特性………………………………………………１０４－２热管的抗腐蚀能力……………………………………………１１
⒌热管空气预热器在贵阳发电厂的应用
⒍结论
⒈热管的工作原理
1―1 绪言
热管的原理首先在1942年由美国俄亥俄州通用发动机公司(General Motor Corpora-tion,Ohio USA)的R.S.Gaugler提出的,他当时的想法是使传热工质(液体)在某处吸收热量并蒸发成蒸汽,而蒸汽在另一处,放出热量并凝结成液体，然后这液体在不需要动力的情况下能自动在流回蒸发处，这样连续地蒸发与凝结，不断将热量从一处传输到另一处。

由于利用了相变，传输的是汽化潜热。

因而热管成为一种高效传热元件。

他在他的专利中提出了一种利用这种原理的致冷装置（见图１－１），热管将热量从致冷装置的内室传至装在下部盛有碎冰的容器内，蒸汽凝结后由热管中的烧结铁吸液芯的毛细力将凝结液抽回到上部的蒸发处，为了改进传热，热管的外部装有翅片。

这种传热的设想。

由于没有实践的支持，以及当时处于第二次世界大战的历史背景下，通用发动机公司采用了一般的方法就可以解决特殊的传热问题，这个构思被埋没了。

１９６４年美国洛斯一阿拉莫斯科学实险室（Ｌos Alamos Scientific
Laboratory)[LASL](位于新黑西哥州)，在Ｇ.M.Grover的主持下重新独立地发明了类似于Ｇaugler 的传热装置，并进行了性能测试实验，在“应用物理”（ＡＰＰＬ.Phy）杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将这种装置命名为“热管”（Ｈeat Pipe）指出它的导热率已远远超过任何一种已知金属，给出了以钠为工质，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管的试验结果。

ＬＡＳＬ对热管的研究在世界上一直处于领先地位，１９６７年他们首先将一支实验用的水热管，送到地球卫星轨道，并获得热管运行性能的遥测数据，证明了热管在无重力条件下也能成功地运行。

在传热工程中，面临两大问题:一是研究高绝热材料即低导热系数材料，作为保温材料，以防止热量的散耗，节约能源和解决低温技术的保温问题，常用的保温材料如膨胀珍珠岩，其导热系数λ＝０.０２～０.０６2（w/m℃）。

矿渣棉λ=0.058（w/m℃）（w/m℃），玻璃棉毡λ=0.043（w/m℃）。

用固体材料隔热，λ值在10-2的数量已达到了极限，于是发明了真空隔热和超级隔热。

所谓超级隔热是由其导热多层高反射材料组成，层与层之间再用隔热层隔开，这种超级隔热系数可以达到10-4的数量级。

二是要研究高导热材料，许多工程中需要很快将热量散开或从一种介质传递给另一种介质，具有良好导热性的材料是铝（λ=202w/m℃）、铜（λ=385w/m℃）和银（λ=410w/m℃）。

这些金属材料虽有较高的导热系数，但仍不能满足某些工程的需要。

如反应堆工程、半导体器件、热换器等。

而且这些材料价格昂贵，所以科学工作者就必须研究超热材料。

热管的发明就解决了这个问题，热管的相当导热系数可达105w/m℃的数量级，所以有人称之谓超导热元件（与超导电材料相比拟），因此可解决许多工程上难以用常规手段界解决的问题。

由于热管具有一系列良好性能，自1964年在美国问世以来，英国、德国、意大利、法国、荷兰、日本等国都相继发展，日本成立了全国热管协会，参加的团体会员27个，个人会员293名，由于世界各国对热管技术发展十分重视，自1973年起，每隔两至三年举办一次国际热管会议，热管技术得以快速发展。

七十年代初期我国的科研单位与高等学校也开始对热管技术进行研究。

南京化工学院于1976年开始热管技术的研究，目前已能生产氨、丙酮、甲醇、水、导热姆A、水银、钠等为工质的热管。

国内第一台热管换热器由南京化工学院与南京煤油厂共同完成。

目前热管换热器已用于全国二十多个省、市，并取得了良好的节能效果。

为此南京化工学院等获得了国家科技进步二等奖。

1983年8月在哈尔滨召开了我国全国第一次热管会议，共有70多个单位，132名代表参加，会上交流了44篇学术论文，内容涉及到热管理论，热管换热器的设计计算方法，热管在各方面的应用等。

1984年我国首次派出代表团参加了日本召开的第五届国际热管会议。

目前热管已应用到动力、治金、化工、石油、轻纺、陶瓷、交通、电机等各个领域，预期还可以在电子、电力、等领域中将获得较为广泛的应用。

继德、意、美、英、日、法、苏之后，1992年我国在北京成功召开了国际热管会议。

由于热管换热器能取得很大的经济效益和社会效益，所以，热管的研究和生产正在掀起高潮。

1―2 热管的工作原理
热管本身并不发热，也不耗热和贮热，形壮也不一定是管状，它仅仅是一种导热元件，应称之为传热管，但自Grover命名以来，世界上已普遍使用了这个名字。

⒈⒉⒈热管的组成部件
有芯热管是三个部件组成：壳体、吸液芯和工作液。

热管的壳体是一个能承受一定压力的完全密闭的容器。

它的形状没有限制，而是根据工作条件来确定的。

因为圆管最容易得到，且能承受较大的压力，所以在无特殊要求下尽量做成圆管形，热管在制作时，必须将容器内的空气排出，造成一个具有10-2~10-6mmHg的原始真空度。

所以要抽真空，是为了提高热管的传热能力，使热管便于起动，并能获得良好的等温性。

热管壳体实质是一个压力容器，在热管不工作时，承受外压，不允许外界空气渗入。

热管工作时承受内压，不允许工作液蒸汽泄漏。

所以热管上每一道焊缝均要经受得起高真空检漏和强度的考验，热管端部装有一根细管，它供抽真空、充注工作液和最后封口之用，最后封口要保证永久性密封。

吸液芯是由多孔的毛细材料构成，它紧贴在热管的内壁上，工作液贮存在吸液芯内。

由这种多孔材料所产生的毛细力是工作液体在管内产生连续循环的主要动力，它又提供冷凝液回流的通道，还可以使工作液沿圆周方向均匀分布。

工作液又称工质，是热管传热的热载体。

热管不工作时，工作液贮存在吸液芯中，热管工作时，吸液芯中仍贮有工作液，而工作液的蒸汽充满了管壳的内腔。

所以热管工作时，工质处于汽一液两相共存。

工作液蒸汽处于饱和状态。

工作液的充填量是影响热管性能的因素之一，对有芯热管一般应使吸液芯吸满工作液并略为多余为宜。

⒈⒉⒉热管的工作原理
热管的工作原理（如图1―2），热管内的工质（工作液）在吸热端吸收热量发生相变汽化为蒸汽后，在该端压力上升，蒸汽在压力差的作用下流向另一端冷凝端，在冷凝端向冷源放出热量后蒸汽凝结成液体，冷凝的液体在毛细力的作用下回流到原来的吸热端端，这样的工作过程是连续进行的，热量也就连续不断的从热源传输到冷源。

由于传输的是汽化潜热，所以热管可以在极小的温差下能传输很多热量。

一般热管根据它与外部的热交换的情况将热管分成三个区段。

⑴加热段：热源向热管传输热量的区段。

⑵绝热段：外界对热管没有热量交换的区段，但这一区段并非所有热管都必须的。

(图1―2 普通热管的工作原理)
⑶ 冷却段：热管向冷源放出热量的区段，亦即热管本身受到冷却的区段。

从热管内的工质的传热传质的状况，热管也可以分为三个区段。

⑴ 蒸发段：它对应于外部的加热段。

在蒸发段工作液体吸收潜热而蒸发成蒸汽，蒸汽进入热管内腔，并向冷却段流动。

⑵ 输送段或亦称绝热段它对应于外部的绝热段，在这一段中既没有与外部的热交换也没有液与汽之间的相变，只有蒸汽和液体的流动。

⑶ 冷凝段它对应于外部的冷却段，蒸汽在这个区段受冷凝结成液体，并把潜热传递给冷源。

必须说明热管只能在热源与冷源之间工作（传递热量），尽管这热源与冷源之间的温差很小。

若热源温度等于或低于冷源温度，这就违反了热力学第二定律。

所以热管工作时加热段与冷却段是必须具有的，而绝热段是根据具体情况决定其有无。

⒈⒉⒊ 热管的传热
热量从热源（温度T 1）传输到冷源（温度T 2），通常要经过的许多传热环节，在每个传热环节上有一定的温降和一定的热阻，其总热流量Q 与总温降△T 、总热阻R 的关系为：
R T
Q ∆= (1 －1)
热管传热的模拟电路图如图1―3所示,其中热源与热管加热段外壁之间的温降为△T 1，相应的热阻为R 1，热管加热段管外壁与内壁之间的温降为△T 2，相应的热管为R 2，热流通过加热段充满工作液的吸液芯的温降为△T 3，相应的热阻为R 3，工作液体在汽一液界面上蒸发产生的温降为△T 4，相应的热阻为R 4，饱和蒸汽在蒸汽通道内流动由于流动压降而产生的温降为△T 5，相应的热阻为R 5，冷凝段蒸汽在汽一液界面上凝结时的温降为△T 6相应的热阻为R 6热流通过冷凝段充满液体的吸液芯所产生的温降为△T 7，相应的热阻为R 7，热流通过冷凝段壁面产生的温降为△T 8，相应的热阻为R 8，热管冷凝段外壁与冷源之间的温降
为△T 9，相应的热阻为R 9。

此
(图1―3 热管热流图)
外通过管壁与吸液芯还有自加热段到冷凝段的轴向导热，其热阻分别为R 10与R 11很大，通常可以看作断路。

这样热管传热的总热阻R 通常可以看作有9个串联热阻组成，并可以写成
∑==9
1i R R ⅰ （1－2）
而从热源的总温降△T 也是9个温降的总和，可以写成
∑=∆=∆9i i T
T I （1－3）
从以上分析要使热管具有很大的传热能力，关节要降低其总热阻。

通常R 4、R 5 R 6是很小的，
其数量级为10－5－10－8℃∕W 在工程估算中常可忽略不计，而管外的热阻R 1与R 9常是各项
热阻中最大的，通常在101－10－3℃∕W 的数量级。

所以对工程中传热用的热管，强化管外
传热，降低管外传热热阻，是设计的关键问题。

从热管管内的流动情况，也可以写出热流量的计算公式
mh Q =fg (1－4 )
式中m 为工作液体的质量流量，h fg 为工质的汽化潜热。

这个公式也可以用来计算热管内部工质的质量流量。

热管各部分温降示意图如图1－4所示。

从图中看出，热阻小的环节温降也较小，热阻大的环节温降就较大
T 1
ΔT 1
T 2
ΔT 3
ΔT 4
ΔT 5
ΔT 6
ΔT 7
ΔT 8
ΔT 9
ΔT 2
热流方向
图1－4 热管各部分的温降
1―3 热管的特性
热管是一种新型的传热元件，它有自已独特的技术特性。

正是热管具有了这些技术特性才使它能在广阔的范围内得到应用。

同样只有正确地理解热管的特性，才能正确的应用热管。

热管的主要技术特性有以下几相方面:
⒈⒊⒈ 很高的导热性
热管具有很高的导热性，这是它最主要的特性，在加热段，吸收大量的热量后工作应沸腾，沸腾换热系数高，对流换热热阻小。

在冷却段，放出大量的热量后，工作液应冷凝，凝结对流换热系数高，热阻也很小。

热管所以有这样高的导热特性，这在于热管管内热阻很小，相变传热（蒸发与凝结）只需极小的温差，而传输的是潜热，一般潜热传递的热量要比显热传递的热量大几个数量级。

以水为例，1KG 水在0℃左右，降低1℃放出1kcal 热量，而由水变成饱和水蒸汽或饱和水蒸汽凝结成水则要吸收或放出597.4dcal 热量。

而一般情况下相变所需的温差是很小的。

其次蒸汽在管内流动所产生压降很小，因而其温降亦很小，而传输的热流则为mh fg ，所以热管内部的热阻R 4、R 5、 R 6、、是很小的。

我们用一根铜棒与一根水－铜热管进行传热比较，设有一紫铜棒如图1－5所示。

一端受热源加热，一端向冷源放热。

中间部分为绝热，紫铜的导热系数为386（w/m ℃），若要使输1KW 的热流，则所需温差为：
C F l Q T e b a 4222)025.0(43868
.010002
=⋅⋅=⋅=∆⎰
⎰∙λ 这显然是难以达到的。

（ 图1―5 铜棒导热示意）
若换用一根尺寸相同的水－铜热管，其他条件均保持不变，根据实验或计算，当导热量为1KW ，热管两端外壁的最大温差约为15℃左右，即ΔT a-b =15℃,热管的相当导热系数为： )/(108649)025.0(4158
.01000Q 2
c m W F t l e =⋅⋅=⋅∆⋅⎰⎰π
λ＝热管 比较这两种元件的导热系数
281300
108649＝＝紫铜热管λλ 所以在这种具体条件下热管的导热能力为铜棒的280倍左右。

热管传热还有一个特点，就是它对长度的敏感性极小，对于实心的金属棒其轴向导热热阻与长度成正比，其轴向导热热阻R 金可表示为
λ
π24d L R ＝金 （1－5） 在图1－6中可以表示为通过原点的直线，而热管的轴向热阻仅在R 5中与长度有关，即蒸汽流动阻力所产生的热阻与长度成正比，因此可以写成
R 5＝mL
其中m 为比例常数，而热管的管内总热阻R 内为
∑∑==++8642i R
i i s i R R R ＝内
＝n + mL (1-7)
其中m 、n 均可看为是常数，在图1－6中表示为一倾斜的直线，R 金与R 内两条直线有一个交点，决定了热管的最小长度L min ,从图中可以看出当导热长度小于L min 时，金属棒的热阻小于热管的热阻，这时使用热管是不合适的，但当L 大于L min 时热管的热阻就小于金属棒的热阻，且L 赿大，这种优趆性趆明显。

(图1―6 热管最短长度)
关于热管具有很高的导热性能还需说明以下的基本认识，以免产生错误的概念。

⑴ 热管虽然有很小的内热阻，但是仍然有一定的热阻，它在传热时仍然要有一定的温差，热管同样要遵循没有温差就没有传热的热力学第二定律。

⑵ 热管只是在轴向导热上十分有利。

（即沿蒸汽流动方向的传热）并不解决对流和辐射的问题，只是管内热阻小而不解决管外热阻问题，并且即使是轴向导热也只是在热管长度大于某一最小值后才显示出来，因为热管传热时热流要两次穿过管壁，若这个热阻大于短棒导热热阻F
L R λ=，则采用热管就不利了。

⑶ 要解决管外传热热阻要采取其他方法，对于管外导热热阻要增加导热接触面并采用导热脂来联接。

对于管外对流热阻要扩展传热表面或增加管外流体的流速已提高对流换热系数。

可增加热管表面的黑度和扩展传热表面。

所以根据具体情况进行分析，并不是所有条件下采用热管均有利，有时采用其他传热方式倒更为有利。

⒈⒊⒉ 良好的均温性
热管内腔的蒸汽由于处于汽－液两相共存，所以是饱和蒸汽，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降是很小的，根据热力学中Clausius-Clapeyron 方程式
dp T dT λρυυ
= （1－8）
可以看出dp 很小时，dT 也是很小的。

因而蒸汽沿流动方向产生的温降是很小的，这就是热管沿轴向有良好的均温性。

为了制作均温性良好的热管，热管应用有较高的原始真空度，使管内不凝性气体量减到最小程度。

其次还必须减小管壁和吸液芯热阻，例如采用导热性能好的材料来制作管壁和吸液芯，并且使管壁与吸液芯厚度尽可能减小。

以均温为目的热管，其传输功率Q 尽可能地要减小。

利用热管的均温性可以制成各种热管均温炉，可避免因温差膨胀损坏，在宇宙飞行器的外壳和仪器舱中均已采用热管作为均温的元件。

另外如机床的热变形也可通过热管来拉来温度场，以提高机床加工精度。

⒈⒊⒊ 热流密度的可变性
热管的蒸发段长度与冷凝段长度可根据需要来调整的，因此可以解决一些其他方法难以解决的传热难题，在热管稳定工作时，由于热管本身不发热、不耗热、不蓄热，所以在加热段吸收的热量Q e 应该等于冷却段放出的热量Q c ,即
c e Q Q = （1－9）
若加热段的传热面积为A e ,冷却段的传热面积为A c ，这两段的热流密度分别为q e 与c q ，则有
Ae Q q e e = c
c c A Q q = （1－10） 根据式（1－9）和（1－10），就可以得
c c c e A q A q = （1－11）
有些场合需要将集中的热流分散冷却，即加热段有很大的热流密度，而加热段的传热面积很小，而冷却段只能有很小的热流密度，那末采用热管来散热就可以解决，只需冷凝段传热面积加大，就可以达到目的，电子元件与半导体器件的散热，采用热管是解决这一问题的
有效途径。

另外，利用这种性质也可以把分散的热流集中起来使用，可以用较大的传热面积作为加热段以便把分散的热能以低热流密度收集起来，然后在较小传热面积的冷凝段以高热流密度提供使用，热管太阳集能器就是应用了这一原理，图1－7和1－8表示了热流密度的可变性。

e q e q
e q ＞c q c e A A < e q ＜c q c e A A >
图1－7 热流密度关系（一） 图1－8 热流密度关系（二）
⒈⒊⒋ 热流方向的可逆性
一根水平放置的有芯热管，任何一端受热，就可成为加热端，而另一端向外散热就成为冷却段。

若要改变热流的方向，无需变更热管位置，利用这种性质可以将热管用于某些需要先放热后吸热的化学反应器，也可以用于空调余热利用装置上。

图1－9所示的即为这种装置的原理图，冬天室内热空气排出，室外冷空气吸入，热管从右向左传热利用余热加热新鲜空气，节约加热新鲜空气的能量，夏天，室内冷空气排出室外，热空气吸入，热管自左向右传热，使吸入的热空气得到冷却，这样就节约了致冷所消耗的能量。

同一设备，无需变更元件与装置能在全年中自动使用。

热管 贮气室
加热段 冷凝段
图1－9 热管空调示意图 图1－10 充气热管
⒈⒊⒌ 温度的可控性
有一种可控热管或称可变热导热管，可以实现温度控制，使热源的温度或热管的管壁温度达到恒温的目的，可变热导热管中的一种最简单的是充气热管，其工作原理图1－10所示，在热管中人为地充入一定量的不凝性气体，热管工作时，不凝性气体可赶到右端的贮气室中，热管的这一部分与外界没有热交换，当Q 入＞Q 放时，热管内的蒸汽工作温度会升高相应的压
力也会升高，不凝性气体受到压缩，让出一部分冷凝段传热面积，这样就使Q出也随之增加，达到Q入＜Q放，热管的工作温度就保持恒定。

当Q入＝Q出时，热管工作温度就降低，相应的热管工作压力就降低，不凝性气体就膨胀，压缩蒸汽，使冷凝段面积减小，这样Q放就减小，与Q入在较小值上取得平衡，而使热管的工作温度恢复到原来的温度。

⒈⒊⒍热管的环境适应性
热管有很好的环境适应性，可由以下几方面看：
⑴热管的形状可以随热源、冷源、和条件而变化。

热管除做成圆周管状外，还可以做成板状、针状。

电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头和手术刀，这些器具本身就是热管。

⑵热管既可以用于地面，又可以用于空间，在失重情况下完全可以由吸液芯的毛细抽力使工作液体回流。

⑶热管可做成热二极管与热开关，热二级管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反方向流动。

美国阿拉斯加输油管道的永久冻土层热管保护系统就是这种热二级管的大规模应用实例。

当地温升高时，热管便自动地自下而上在把层内的热量传输给地面，而地面的热量不会反向传输到地层内。

从而保证了冻土支座不会因解冻而下沉，而导致输油管道的破裂。

这项工程采用了十万支重力热管，长度从9M到20M，用碳钢为管壳，用无水液氨作为工质。

热管还可以做成热开关，即当热源温度高于某一温度时热管就能工作，当热源温度低于某一温度时热管就不传热，这可以利用工质的凝固点的高低来达到。

热源温度使热管工作温度高于凝固点，工质处于汽－液两相区，热管能正常工作。

反之，热管工作温度低于凝固点，工质呈固态热管传热就停止。

⑷热管可以将加热段与冷凝段放在一根管子上，也可以将加热段与冷凝段分离开来，即作成分离式热管。

如图1－11所示。

工质在加热段蒸发后产生的蒸汽汇总在上联管内，经过蒸汽通道到达冷却段。

在冷却段蒸汽放出热量，凝结成液体，通过液体下降管回流到加热段。

对于冷热体不允许混合的情况下换热，采用这种形式是十分有利的。

蒸汽上升管
冷凝段
加热段冷凝液回流管
图1－11分离式热管示意图
此外，热管还有工质循环不需要辅助动力。

结构简单、工作可靠、维修量小、重量轻和寿命长等优点。

热管的以上各种技术特性还可以用一些曲线表示出来，图1－12至图1－16表示了上述各种技术特性。

Q Q Q
图1－12热开关特性一图1－13热开关特性二图1－14热开关特性三
T T
图1－15 导热性图1－16 热二极管
1―4 热管的类型
热管必须根据所要求的工作温度来选择工作液体，工作液体所外的温度必须在液－汽两相共存的范围内，否则就不能运行。

具体地讲工质必须处于三相点与临界点之间才能工作。

但一般不能太靠近临界点，靠近临界点时往往压力较高，管壳强度承受不了，一些热物理性质也变坏，如表面张力过小等，但也不能太靠近凝固点。

否则蒸汽压力过低，蒸汽密度过小，不利于传热。

按照工作温度和工质可以分为下列几类：
⑴极低温热管：工作温度在－273～－70℃，常用的工作流体有氦H e、氩A r、氪K r、氮N r、甲烷。

这些气体大部分为不凝性气体又称“永久性气体”，只能在极低的温度下，才能凝结为液体，在制冷工程中常需要这种类型的热管。

⑵低温热管：工作温度为－70～200℃（或277℃）。

这类热管的工质为氟里昂（Frion），氨（纯氨）、丙酮(acetione)、甲醇(methanal)、乙醇(ethanol)、庚烷(heptance)、水,其中水热管是目前在余热回收中常用的热管，因为水价格便宜，并有良好的物理性能，常用在30～250℃（用于省煤器）。

⑶中温热管：工作温度200～500℃，这类热管采用的工质有萘（nephta-line），导热姆A(DowthermA)（联苯与联苯的共溶体），硫、水银等，这一温度区的工质是最难以寻找的，有的是容易分解的，有的是有毒的，还有待于进一步开发，这一温度区是相当有用的。

⑷高温热管：工作温度500～1000℃，这类热管的工质有(Cesium)(Cs),(rubidium)(Rb),钾(Kalium)(K),钠(Natrium)(Na)等，钠、钾等金属在高温热管中使用，常用于高温换热器与等温外延炉。

⑸极高温热管：工作温度在1000℃以上，这类热管工质有锂(lithium)(Li),钙(calcium)(Ca),铅、铟(imdium)(In)和银。

目前这类热管在我国还未开展研究。

按工质液体回流原理分类：
热管最早是由于宇航事业的需要发展起来的，在宇宙空间中无重力场。

因而采用了吸液芯，利用它的毛细力使液体回流。

⑴有芯热管：管内装有吸液芯，吸液芯是一种多孔的毛细材料，如丝网、纤维材料、金属烧结材料和槽道等。

它既可以用于无重力场的空间，也可以用于地面上，在地面重力场中它可以用于水平方向的传热，也可以用于自上而下的传热，传热的距离受毛细力大小的限制。