热管技术及其在火电厂中的应用

热管技术及其在火电厂中的应用
摘要
热管是一种在小的温度梯度下就能把热量从一处传到另一处的高效传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

该技术问世于1963年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，由于其独特的传热特性，得到了各领域学者的广泛关注及研究，目前已在许多方面得到广泛应用，其中不乏在火电厂领域的研究与应用。

关键词：热管，火电厂，应用，节能
一、热管结构及其工作原理：
热管内部设有传输液体的吸液芯的金属管，在抽除其中不凝性气体并充以某种工作液体后封闭而成。

其根据热力学第二定律，热量可以自发由高温热源传给低温热源，因此，只要有温差在，就会有热量传递。

热管元件即是通过蒸发吸热作用，使两侧温度差得以加大，进而致使热量迅速传输。

在一支密封的金属管内注入适量的液态工质后抽成真空，便成了热管。

当热管的一端加热后，液体受热蒸发，蒸汽在压差作用下流向放热端，向冷源放出热量而凝结，凝结后的液体借助于重力、毛细力或离心力回流，形成循环，将大量的热量从加热区传递到散热区。

二、热管特性及优点
（1）传热性能强。

热管传热是依靠内部介质的两相变化而实
现的，其自身热阻很小，导热性能较高。

（2）具备良好的等温特性。

热管内空间充满饱和蒸汽，内部处于平衡状态。

蒸汽借助于压差流动，二端的压差很小，近似等温。

（3）热流方向的可逆性。

由于热管内部流动运动的动力是毛细力，对一根处于水平方向上的普通热管而言，其任意一端均可受热后作为吸热段，而另一端由内向外输出热量便作为排热段。

（4）热管壁温的可调性。

由于蒸发段和冷凝段可以调整，以改变热流密度，在实际使用上，通过调整管理温度使其避开低温腐蚀区。

（5）恒温特性。

对于可控热管而言，随着输入热量的增加其冷凝段的热阻会随之降低，反之则会增加，那么当输入热量有较大变化时，气体温度的波动也不会很大，即温度得到了控制，实现恒温功能。

三、热管工作具体过程
在热管内部热量传递的整个过程中，其工作步骤可分为以下几点：
（1）以充满工作介质的吸液芯及管壁为流动轨道，热量从热端传递到分界面；
（2）在吸热段一侧的分界面上，液体受热蒸发；
（3）相变而得的蒸汽从吸热段流到排热段；
（4）在排热段一侧的分界面上，气体冷凝放出热量，形成液体；
（5）以工作介质、管壁及吸液芯为传输通道，热量从分界面传给
冷端；
（6）冷凝后的内部工作介质在毛细力作用下又流回了吸热段。

四、热管在电厂中的应用
1.热管式空气预热器
热管空气预热器是是利用锅炉出口烟气所带热能，通过热管的超导传热，用来预热锅炉助燃空气或其他烘干用途。

将锅炉烟气余热回收用于余热空气属于气-气换热，若采用传统换热技术，很难使内、外壁同时肋化，从而会使传热面积很大，设备不够紧凑，送风能耗也大。

采用热管换热方式则有可能使设备更加紧凑，能耗大幅下降，同时，传热的强化也使与烟气接触的热管壁温上升，从而有可能减少露点腐蚀，提高设备使用寿命。

热管空气预热器具有以下几个优点：
1）明显地提高了金属壁温，减轻了低温腐蚀，有效地防止了漏风；
2）减少了送风机和引风机的电耗；
3）增强了换热能力，提高了锅炉的热效率；
4）明显地减轻受热面积积灰、堵灰等问题。

2.热管式冷油器
冷油器是火力发电厂汽轮机在工作中的重要组成部分。

主要用于冷却汽轮机透平油等，实现汽轮机轴瓦在规定温度下持续安全地运行，充分保证汽轮机的正常工作效率。

热管式冷油器有效地解决了冷油器在汽轮机中应用所存在的一些顽固性问题，比如油污染问题。

同时提高了冷却效率，并能偶节约水资源利用，而
且更易于检修。

虽然在投资比方面热管式冷油器稍微高于列管式冷油器，但是从性价比和发展角度来考虑，热管式冷油器在整体效益上更优于列管式冷油器，具有广阔的发展前景。

热管式冷油器的工作原理：温度较高的透平油从油入口进入油室流经热管的加热段，由于热管具有极高的传热性能，它将吸收的能量传到热管的冷却段，然后被冷却水带走。

由于热管内的工质液体是靠重力作用回流工作的，因此，冷却水室必然在上部。

这一点与常规的列管式冷油器不同。

这样，原来管内与外表面的换热就变成了在热管的两部分外表面的换热，为油、水彻底分开创造了条件。

换热表面的污垢热阻对传热影响很大，而热管外表面的清洁工作要远比内表面容易，这也将减少冷油器设备的日常维护工作量。

其结构为：将数百根热管焊接在位于热管的中间部分并相距100mm的两个圆形多孔板上，一个多孔板外侧为热管的蒸发段（透平油段，也称加热段），另一个多孔板的外侧为热管的冷凝段（冷却水段，也称冷却段）。

两段分别装在两个独立的圆形壳体内，壳体的法兰盘分别用螺栓组装在多孔板上。

3.半开式自调节重力热管
自调节重力热管技术，利用锅炉排烟余热集中供冷和采暖，其可大幅度降低排烟温度，具有显著的节能效果。

半开式自调节重力热管工作原理为：热管蒸发段吸收外部热量，使部分液体蒸发沸腾，蒸汽通过绝热段进入冷凝段，凝结后
的液体在重力作用下流入热井，再回流到热管蒸发段重新循环。

为保证热管在稍高于大气压下工作，专门设计有稳压机构，即在蒸汽出口管道上接一U形管,U形管口有小孔与密封槽相通。

正常工作时，密封层和U形管中的液柱差即为热管工作压力（表压）。

当热管压力升高时，蒸汽会通过U形管排到密封槽泄压；低负荷压力减小时，液柱会沿U形管上行，直至压力平衡。

只要U形管有足够高度，就可以防止液体倒灌到热管中。

为保证负荷波动时热管液位稳定，基于两相流原理设计了液位自调节机构。

两相流传感器与热管构成连通器，两相流调节器直接用蒸汽作用力控制回流液体的流通面积，从而调节回流量。

与普通热管相比，半开式自调节重力热管具有以下突出特点：
1）工作液体靠重力回流，不需要毛细芯和虹吸机构，没有严格传热极限限制，结构简单、加工方便、造价低廉。

2）热管不需要真空，在稍高于大气压力下工作，属常压容器，使用安全可靠。

3）采用新型压力自调节机构，保证高负荷时不超压，低负荷时不倒灌。

4）具有液位自调节功能，可有效防止负荷波动时因液位失稳造成的满液、干涸现象。

5）采用的半开式结构，充夜与启动方便。

不凝结气体可自动排出，还可定期排污，保证合格的工质品质。

五、结语：
近年来，我国的经济建设加快了对资源的开发及利用，对电能的需求也在逐年上升，把热管技术成功的运用在火力发电当中，不仅仅可以提高能源的利用效率，同时还减少了大量的能量损失，有效实现了节能的目的并符合社会发展的需求。

但是，推行热管技术也面临着很多的技术上的难题，这也需要科研人员去努力攻克。

个人觉得热管技术具有很大的改进潜力和竞争力，在火力发电厂上推广应用的前景乐观。

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