热管及热管式换热器的研究

热管及热管式换热器的研究

天津裕能环保科技有限公司李兴

能源是发展国民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件，能源的开发和利用程度直接影响着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的提高，余热回收是合理利用能源、节约能源、提高能源利用率等方面不可忽视的问题。热管是一种具有高效传热性能的元件，它可利用很小的截面积远距离传输大量热量而无需外加动力。热管式换热器具有输热能力大、均温性能优良、传热方向可逆、热流密度可变、适应环境能力较强、阻力损失较小等优点，所以热管式换热器能较大限度的回收利用低品位余热。

1热管及热管式换热器的发展

1．1热管工作原理及特点

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的元件，一般由管壳、吸液芯、工质组成，管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由多孔性物质构成的管芯(若为重力式热管则无管芯)，管内抽真空后注入某种工质，然后密封。热管可分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分，当热源在蒸发段对其供热时，工质自热源吸热汽化变为蒸汽，蒸汽在压差的作用下沿中间通道高速流向另一端，蒸汽在冷凝段向冷源放出潜热后冷凝成液体；工质在蒸发段蒸发时，其气液交界面下凹，形成许多弯月形液面，产生毛细压力，液态工质在管芯毛细压力和重力等的回流动力作用下又返回蒸发段，继续吸热蒸发，如此循环往复，工质的蒸发和冷凝便把热量不断地从热端传递到冷端。

由于热管是利用工质的相变换热来传递热量，因此热管具有很大的传热能力和传热效率。另外，热管还具有优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性、恒温特性以及对环境的广泛适应性等一

系列优点。

1．2热管分类

热管按其工作温度可分为：低温、中温及高温热管，选用热管时必须根据热管的工作温度来选用管内的工质。低温热管的工质有丙酮、氨、氟里昂等；中温热管的常用工质有：水、萘等，水的工作温度为90～250oC，萘的工作温度为280～400℃；高温热管的常用工质有：钠、钾等液态金属，工作温度一般在450℃以上。热管按工质回流的动力可分为：吸液芯热管、重力热管或两相闭式热虹吸管、重力辅助热管、旋转式热管、分离型热管、电流体动力学热管、电渗透热管等。根据热管翅片与管壳的连接方式可分为：串片式热管、镍铬合金钎焊热管、高频绕焊热管

3种形式

1．3热管式换热器结构及分类

由于单根热管传热量有限，于是把单根热管集中起来，形成一束置于冷、热源之间，使热源中的热量通过热管束源源不断地传至冷源，这就是热管式换热器。热管式换热器中的热管元件可以呈错列三角形排列，也可以呈顺列矩形排列。热管式换热器由热管、箱体和中间隔板组成，隔板将箱体分为两部分，形成冷、热介质的流道，隔板保证两侧流体互不混淆，热管横穿隔板，一端与热流体接触，一端与冷流体接触，冷热两端可按需加装翅片以增大传热面积。热管式换热器的基本结构。

热管式换热器按照流体的不同种类可分为：气一气型热管式换热器，气一液型热管式换热器，液一液型热管式换热器；按照热管式换热器的结构型式可分为：整体式、分离式、回转式和组合式。

1．4热管式换热器的特性

热管式换热器本身是依靠内部工作液体相变来实现传热的，而且可以在两流体侧实现翅化，增大了换热面积，减小了两侧的对流热阻，动力消耗小。另外，热管式换热器可以实现流体管外垂直外掠流动和冷热流体的纯逆流流动，在不改变冷热流体入口温度的条件下，增大了冷热流体换热的平均温压；因此热管式换热器的传热性能好于常规管壳式换热器。

热管式换热器中热管元件的蒸发段和冷凝段的长度形式可以按实际工况需要合理布置，根据两侧冷热流体的温度、流量、性质、传热量等因素独立确定，两种流体被隔板隔开，彼此互不掺混。热管式换热器的这种特点可以适用于温度、流量及清洁程度相差悬殊的两种流体间的换热。

在热管式换热器中，当热管元件的某一端局部损坏时，仅仅是该热管元件失效而停止传热，并且单根热管元件损坏后更换方便，不会影响换热器整体。因此，热管式换热器结构形式好于常规管壳式换热器。

2热管技术在工业余热回收中的应用

能源危机导致燃料短缺、燃料费用上涨，严重地威协着生产的发展和人民生活的需要，于是迫切要求人们开发新能源和节约现有能源。在工业生产的各个部门中，有大量的加热炉、窑炉、工业锅炉等，其排烟温度在200～500℃之间，排烟余热未获得充分利用，造成能源的严重浪费，因此，发展有效的余热回收装置是能源得以合理利用的有效方式。

由于余热的低品位性及存在的普遍性，要求余热回收装置能在小传热温压下传递大热流量，热回收率高，阻力小，还要求结构简单、紧凑、经济，并能妥善处理低温腐蚀问题。常规形式的换热器由于传热温压小、体积庞大、投资费用昂贵，或是由于换热流程长、阻力大，驱动功耗剧增，运行费用高，或是由于制造复杂、难以维护，或是由于腐蚀、结垢、危急设备寿命等原因，其在

余热回收中的应用受到限制。而热管式换热器以其优良的性能可较好地解决上述问题，满足余热回收的要求。目前余热回收系统中的热管式换热器主要有以下三种形式：热管式空气预热器、热管式省煤器和热管式余热锅炉。

热管式空气预热器是常见的气一气型热管式换热器，它是利用排烟余热，预热进入炉子的助燃空气，不仅可以节约燃料，提高燃料的利用率，还可以减轻对环境的污染。热管式省煤器属于气一液型热管式换热器，在工业锅炉或工业窑炉中，采用热管式省煤器利用烟气的热量预热锅炉给水或是提供生活用热水。热管式余热锅炉通常称为热管蒸汽发生器，热管式余热锅炉在热管冷侧外表面通过的流体是由进入的给水产生蒸汽，可以说是气一气型热管式换热器，也可以说是气一液型热管式换热器。

3积灰和低温腐蚀问题

热管式换热器与管壳式换热器相比具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、冷热流体不混杂、应用范围广、维修费用少等优点，但是也存在着酸露点的低温腐蚀、水侧除垢、气侧清灰等实际问题。各类烟气不论是燃用固体燃料、液体或气体燃料，都不同程度地存在飞灰和烟尘。含尘烟气流经换热面造成的积灰问题，轻则增加受热面的热阻，降低换热器的性能和效率，使烟道通流截面积减小，流动阻力增加，增加引风机的电耗；重则导致烟道阻塞，换热器失效，被迫停炉撤出运行，严重影响了锅炉运行的安全性和经济性。

当燃料中含有硫时，硫燃烧后形成二氧化硫，其中一部分会进一步氧化成三氧化硫，三氧化硫与烟气中水蒸汽结合成硫酸蒸汽，烟气中硫酸蒸汽的凝结温度称为酸露点，它比水露点要高很多。烟气中三氧化硫含量愈多，酸露点就愈高。烟气中硫酸蒸汽本身对受热面的工作影响不大，但当它在壁温低于酸露点的受热面上凝结下来时，就会对受热面金属产生严重腐蚀作用，这种由于金