1熱管及熱管式換熱器的發(fā)展

　　1.1熱管工作原理及特點(diǎn)

　　河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的元件，一般由管殼、吸液芯、工質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

　　管殼通常由金屬制成，兩端焊有端蓋，管殼內(nèi)壁裝有一層由多孔性物質(zhì)構(gòu)成的管芯（若為重力式熱管則無管芯），管內(nèi)抽真空后注入某種工質(zhì)，然后密封。熱管可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三個部分，當(dāng)熱源在蒸發(fā)段對其供熱時，工質(zhì)自熱源吸熱汽化變?yōu)檎羝?，蒸汽在壓差的作用下沿中間通道高速流向另一端，蒸汽在冷凝段向冷源放出潛熱后冷凝成液體;工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)時，其氣液交界面下凹，形成許多彎月形液面，產(chǎn)生毛細(xì)壓力，液態(tài)工質(zhì)在管芯毛細(xì)壓力和重力等的回流動力作用下又返回蒸發(fā)段，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)，工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝便把熱量不斷地從熱端傳遞到冷端。

　　由于河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管是利用工質(zhì)的相變換熱來傳遞熱量，因此熱管具有很大的傳熱能力和傳熱效率。另外，熱管還具有優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、熱二極管與熱開關(guān)性、恒溫特性以及對環(huán)境的廣泛適應(yīng)性等一系列優(yōu)點(diǎn)。

　　1.2熱管分類

　　河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管按其工作溫度可分為：低溫、中溫及高溫?zé)峁?，選用熱管時須根據(jù)熱管的工作溫度來選用管內(nèi)的工質(zhì)。低溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)有丙酮、氨、氟里昂等;中溫?zé)峁艿某Ｓ霉べ|(zhì)有：水、萘等，水的工作溫度為90～250oC，萘的工作溫度為280～400℃;高溫?zé)峁艿某Ｓ霉べ|(zhì)有：鈉、鉀等液態(tài)金屬，工作溫度一般在450℃以上。熱管按工質(zhì)回流的動力可分為：吸液芯熱管、重力熱管或兩相閉式熱虹吸管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)式熱管、分離型熱管、電流體動力學(xué)熱管、電滲透熱管等。根據(jù)熱管翅片與管殼的連接方式可分為：穿片式熱管、鎳鉻合金釬焊熱管、高頻繞焊熱管3種形式。

　　1.3河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器結(jié)構(gòu)及分類

　　由于單根熱管傳熱量有限，于是把單根熱管集中起來，形成一束置于冷、熱源之間，使熱源中的熱量通過熱管束源源不斷地傳至冷源，這_是熱管式換熱器。熱管式換熱器中的熱管元件可以呈錯列三角形排列，也可以呈順列矩形排列。熱管式換熱器由熱管、箱體和中間隔板組成，隔板將箱體分為兩部分，形成冷、熱介質(zhì)的流道，隔板_兩側(cè)流體互不混淆，熱管橫穿隔板，一端與熱流體接觸，一端與冷流體接觸，冷熱兩端可按需加裝翅片以增大傳熱面積。熱管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　熱管式換熱器按照流體的不同種類可分為：氣一氣型熱管式換熱器，氣一液型熱管式換熱器，液一液型熱管式換熱器;按照熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)型式可分為：整體式、分離式、回轉(zhuǎn)式和組合式。

　　1.4河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器的特性

　　河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器本身是依靠內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的，而且可以在兩流體側(cè)實(shí)現(xiàn)翅化，增大了換熱面積，減小了兩側(cè)的對流熱阻，動力消耗小。另外，熱管式換熱器可以實(shí)現(xiàn)流體管外垂直外掠流動和冷熱流體的純逆流流動，在不改變冷熱流體入口溫度的條件下，增大了冷熱流體換熱的平均溫壓;因此熱管式換熱器的傳熱性能好于常規(guī)管殼式換熱器。

　　熱管式換熱器中熱管元件的蒸發(fā)段和冷凝段的長度形式可以按實(shí)際工況需要合理布置，根據(jù)兩側(cè)冷熱流體的溫度、流量、性質(zhì)、傳熱量等因素獨(dú)立確定，兩種流體被隔板隔開，彼此互不摻混。熱管式換熱器的這種特點(diǎn)可以適用于溫度、流量及清潔程度相差懸殊的兩種流體間的換熱。

　　在熱管式換熱器中，當(dāng)熱管元件的某一端局部損壞時，僅僅是該熱管元件失效而停止傳熱，并且單根熱管元件損壞后_換方便，不會影響換熱器整體。因此，熱管式換熱器結(jié)構(gòu)形式好于常規(guī)管殼式換熱器。

　　2河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管技術(shù)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用

　　20世紀(jì)60～70年代世界上爆發(fā)的能源危機(jī)，導(dǎo)致燃料短缺、燃料費(fèi)用上漲，嚴(yán)重地威協(xié)著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活的需要，于是迫切要求人們開發(fā)新能源和節(jié)約現(xiàn)有能源。在工業(yè)生產(chǎn)的各個部門中，有大量的加熱爐、窯爐、工業(yè)鍋爐等，其排煙溫度在200～500℃之間，排煙余熱未獲得充分利用，造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，因此，發(fā)展有效的余熱回收裝置是能源得以合理利用的有效方式。

　　由于余熱的低品位性及存在的普遍性，要求余熱回收裝置能在小傳熱溫壓下傳遞大熱流量，熱回收率高，阻力小，還要求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、經(jīng)濟(jì)，并能妥善處理低溫腐蝕問題。常規(guī)形式的換熱器由于傳熱溫壓小、體積龐大、投資費(fèi)用昂貴，或是由于換熱流程長、阻力大，驅(qū)動功耗劇增，運(yùn)行費(fèi)用高，或是由于制造復(fù)雜、難以維護(hù)，或是由于腐蝕、結(jié)垢、危急設(shè)備壽命等原因，其在余熱回收中的應(yīng)用受到限制。而熱管式換熱器以其優(yōu)良的性能可較好地解決上述問題，滿足余熱回收的要求。目前余熱回收系統(tǒng)中的熱管式換熱器主要有以下三種形式：熱管式空氣預(yù)熱器、熱管式省煤器和熱管式余熱鍋爐。

　　熱管式空氣預(yù)熱器是常見的氣一氣型熱管式換熱器，它是利用排煙余熱，預(yù)熱進(jìn)入爐子的助燃空氣，不僅可以節(jié)約燃料，提高燃料的利用率，還可以減輕對環(huán)境的污染。熱管式省煤器屬于氣一液型熱管式換熱器，在工業(yè)鍋爐或工業(yè)窯爐中，采用熱管式省煤器利用煙氣的熱量預(yù)熱鍋爐給水或是提供生活用熱水。熱管式余熱鍋爐通常稱為熱管蒸汽發(fā)生器，熱管式余熱鍋爐在熱管冷側(cè)外表面通過的流體是由進(jìn)入的給水產(chǎn)生蒸汽，可以說是氣一氣型熱管式換熱器，也可以說是氣一液型熱管式換熱器。以下簡要介紹一下熱管式換熱器在我國幾種主要行業(yè)中的應(yīng)用。

　　2.1河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在電站鍋爐中的應(yīng)用

　　福建省永安發(fā)電廠2130t/h型燃用加福無煙煤鍋爐，1987年加裝前置式熱管空氣預(yù)熱器，低溫段空氣預(yù)熱器人口風(fēng)溫由30～40℃升高到85～90℃，排煙溫度由151℃降低到133℃，鍋爐效率提高了2.68%。四川成都熱電廠5煤粉爐，1987年利用熱管式空氣預(yù)熱器代替臥式玻璃管空氣預(yù)熱器，排煙溫度降低了21.5℃。灤河發(fā)電廠2煤粉爐，1991年利用熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，年經(jīng)濟(jì)效益250萬元。由于熱管式換熱器具有小溫差下傳遞大熱量的特點(diǎn)，在一般電站鍋爐中作為前置式的空氣預(yù)熱器，將會回收利用大量能源。

　　2.2河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

　　上海第八鋼鐵廠在四車問軋鋼加熱爐上采用氣-氣型熱管式換熱器，將助燃空氣從20℃預(yù)熱到80～90℃，廢氣從280℃下降到190℃，每小時回收廢氣余熱為419MJ。另外在其三車間軋鋼加熱爐上安裝了一臺氣-液型熱管式換熱器作余熱鍋爐用，軋鋼加熱爐廢氣由350℃下降到300℃以下，每小時回收熱量為47.7MJ，年回收熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤11.59t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。馬鋼、寶鋼二期工程采用熱管式余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)300～400℃排風(fēng)廢熱，產(chǎn)生蒸汽用于預(yù)熱燒結(jié)混合料或生活取暖等。馬鋼_煉鐵廠7高爐投人運(yùn)行熱管式空氣預(yù)熱器，使廢氣由290～370℃降至150℃，助燃空氣溫度由常溫預(yù)熱到200℃，裝置每小時回收熱量3.39GJ，節(jié)約燃燒煤氣40%。

　　2.3河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在氮肥工業(yè)中的應(yīng)用

　　化肥廠造氣工段的余熱回收是合成氨降耗的主要環(huán)節(jié)，造氣工段的工藝余熱包括：上行煤氣顯熱、下行煤氣顯熱、吹風(fēng)氣顯熱、以及燃燒熱，占合成氨工藝余熱的40%以上，這部分工藝余熱熱位較高，利用價(jià)值較大。

　　中、小型氮肥廠利用熱管式換熱器對半水煤氣和吹風(fēng)氣進(jìn)行余熱回收，半水煤氣通過熱管蒸發(fā)器放出熱量，降溫后送至洗氣塔，吹風(fēng)氣降溫后放空，同時產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽由蒸汽管道送至除氧器或進(jìn)人蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行下一步利用。大型化肥廠一段轉(zhuǎn)化爐的排煙溫度一般在250～300℃之間，利用熱管式換熱器回收這部分煙氣的余熱，用于加熱助燃空氣，每小時回收熱量折合燃料輕柴油約1.027t。

　　2.4河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在硫酸工業(yè)中的應(yīng)用

　　在硫酸生產(chǎn)工藝中，SO：通過接觸器氧化為SO時放出大量熱，使SO干氣體的溫度高達(dá)200～300℃，此時氣體需冷卻后再進(jìn)人吸收工段，這部分熱量往往被浪費(fèi)，此時采用氣-液型熱管式換熱器將SO氣體的熱量回收加熱熱水供化堿工藝用，每小時余熱回收量為892MJ，設(shè)備每年按7000工作小時算，余熱回收節(jié)約的燃料折合標(biāo)準(zhǔn)煤214.5t。另外硫酸工業(yè)中硫鐵礦沸騰爐與工藝靜電除塵之間和硫磺焚燒爐與轉(zhuǎn)化工段之間，可以利用熱管式余熱鍋爐回收950℃以上的工藝氣的高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽用于發(fā)電或工藝過程。

　　2.河北耀一_設(shè)備制造有限公司熱管式換熱器在石油化工企業(yè)中的應(yīng)用

　　煉油廠減壓爐于1995年運(yùn)用熱管式空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱，煙氣從365℃降至165℃，空氣從進(jìn)口溫度20℃升至220℃，每小時回收熱量8.82GJ，此熱管式空氣預(yù)熱器的成功運(yùn)用說明熱管式換熱器可以用于石化行業(yè)中一些燃用高含硫燃料的惡劣工況。石油化工企業(yè)中的許多加熱爐和裂解爐，例如制造乙烯用的石腦油裂解爐，排煙溫度一般在200～400℃之問，并且燃燒后的廢氣往往不利于排空，采用熱管式空氣預(yù)熱器利用這部分廢氣預(yù)熱助燃空氣，可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。

　　國內(nèi)外許多加熱爐采用了兩種或三種熱管式換熱器相結(jié)合的流程來回收煙氣的高溫佘熱。即首先將高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐降至500～600℃，產(chǎn)生1.9～3MPa的蒸汽，降溫后的煙氣通過空氣預(yù)熱器將空氣預(yù)熱至250℃，煙氣溫度降至300℃以下進(jìn)人熱管省煤器，將105℃的脫氧水加熱至250℃左右，煙氣溫度降至300℃以下，經(jīng)引風(fēng)機(jī)送至煙囪排放。這種流程具有很大的經(jīng)濟(jì)_性。

　　3積灰和低溫腐蝕問題

　　熱管式換熱器與管殼式換熱器相比具有傳熱效率高、壓力損失小、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、冷熱流體不混雜、應(yīng)用范圍廣、維修費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著酸露點(diǎn)的低溫腐蝕、水側(cè)除垢、氣側(cè)清灰等實(shí)際問題。各類煙氣不論是燃用固體燃料、液體或氣體燃料，都不同程度地存在飛灰和煙塵。含塵煙氣流經(jīng)換熱面造成的積灰問題，輕則增加受熱面的熱阻，降低換熱器的性能和效率，使煙道通流截面積減小，流動阻力增加，增加引風(fēng)機(jī)的電耗;重則導(dǎo)致煙道阻塞，換熱器失效，被迫停爐撤出運(yùn)行，嚴(yán)重影響了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

　　當(dāng)燃料中含有硫時，硫燃燒后形成二氧化硫，其中一部分會進(jìn)一步氧化成三氧化硫，三氧化硫與煙氣中水蒸汽結(jié)合成硫酸蒸汽，煙氣中硫酸蒸汽的凝結(jié)溫度稱為酸露點(diǎn)，它比水露點(diǎn)要高很多。煙氣中三氧化硫含量愈多，酸露點(diǎn)_愈高。煙氣中硫酸蒸汽本身對受熱面的工作影響不大，但當(dāng)它在壁溫低于酸露點(diǎn)的受熱面上凝結(jié)下來時，_會對受熱面金屬產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕作用，這種由于金屬壁低于酸露點(diǎn)而引起的腐蝕稱為低溫腐蝕“。積灰與低溫腐蝕相互影響，嚴(yán)重時將造成換熱器的爆管損壞，以至報(bào)廢，因此積灰和腐蝕問題曾一度成為熱管式換熱器正常運(yùn)行的一大威脅和隱患。

　　3.1解決積灰問題的措施

　　影響熱管式換熱器應(yīng)用的因素主要有：熱管工質(zhì)選擇和熱管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。熱管工質(zhì)的選擇，須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度來選擇工質(zhì)，現(xiàn)在還沒有一種適合各種工作溫度的工質(zhì)。在對熱管式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候，應(yīng)該根據(jù)使用場合和具體條件，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，合理選擇熱管直徑、熱管長度、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（間距、翅片長度、翅片厚度）和翅化比，根據(jù)煙氣的含塵情況采用合適的翅片間距和管間距等。在進(jìn)行熱管式換熱器的設(shè)計(jì)時，對于高粉塵流體需采用較大的翅片間距，翅片間距可以取到12～20mm，另外需選擇合適的翅片形式，熱管式換熱器大多選用穿片或螺旋型纏繞片，對于高灰分的情況可以采用軸對稱單列縱向直肋翅片和釘頭管。目前熱管換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)多采用等質(zhì)量流速法，這種方法的不足_是隨著設(shè)備內(nèi)溫度的下降，出口處的密度、動力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)有明顯變化，從而引起出口處流體的速度大幅下降，其結(jié)果是換熱系數(shù)和自清灰能力下降，造成換熱設(shè)備積灰。解決該問題可采用變截面設(shè)計(jì)法，以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法，如要維持體積流速不變，只有改變換熱面積來抵消密度的變化，隨著煙氣溫度的降低，將換熱設(shè)備的流通面積減小，以_進(jìn)出口具有相同的自清灰能力“除了通過改變熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式來減小熱管式換熱器的積灰問題外，在防止或減少積灰問題時可以采取以下措施：（1）在煙氣風(fēng)道允許的阻力降范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)奶岣邿煔饬魉伲鰪?qiáng)煙氣橫掠熱管元件外壁時的擾動性，使氣流產(chǎn)生自清灰作用;（2）適當(dāng)提高管壁溫度，管壁壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，因此，也_不會結(jié)焦不易粘附煙灰，減少灰分凝聚;（3）將熱管式換熱器采取_的傾斜度放置，減少翅片表面的積灰能力;（4）選擇合適的吹灰裝置定期吹灰，防止堵灰“。另外，近年來研制的回轉(zhuǎn)式熱管換熱器，_了傳熱送風(fēng)性能，有效解決了積灰問題。

　　3.2解決低溫腐蝕問題的措施

　　在抗低溫腐蝕方面可以通過調(diào)整熱管式換熱器冷、熱段熱管面積來提高熱管式換熱器的壁溫，控制管壁溫度在露點(diǎn)以上;或在低溫區(qū)通過改變熱管管材，采用_鋼如ND鋼制造等;另外，需要控制排煙溫度，使排煙溫度高于露點(diǎn)溫度2O～3O℃，_熱管長期安全運(yùn)行。對于熱管式空氣預(yù)熱器可以采用空氣旁路技術(shù)，即在空氣預(yù)熱器空氣進(jìn)口和出口間設(shè)置一根冷風(fēng)管道，管道中設(shè)置調(diào)節(jié)閥門，通過控制閥門開度_可以控制旁路的空氣量，從而控制排煙溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。該技術(shù)不增加動力消耗，旁路控制閥門為常溫閥門，技術(shù)要求低，操作簡單，使用效果_理想。

　　隨著熱管式換熱器的進(jìn)一步研究和發(fā)展，熱管式換熱器用于工業(yè)余熱回收系統(tǒng)中將會有較高的防積灰堵灰和抗低溫腐蝕能力，從而在滿足節(jié)能降耗的前提下，_地發(fā)揮其節(jié)能作用。

　　4總結(jié)

　　隨著熱管技術(shù)日趨發(fā)展成熟，熱管式換熱器在電站、鋼鐵、冶金、石油、化工、建材、輕工、制冷空調(diào)、電子等領(lǐng)域的節(jié)能應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。熱管技術(shù)的應(yīng)用將推進(jìn)我國節(jié)能工作的進(jìn)程，同時降低對環(huán)境的熱污染，是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的技術(shù)。