【摘要】 介紹了熱管技術(shù)，并分析了其傳熱機理。熱管換熱器具有許多獨特的優(yōu)點，已經(jīng)獲得了廣泛的工業(yè)應用，應用主要集中在中低溫余熱資源回收利用方面，應完善高溫熱管，以拓寬熱管換熱器在高溫余熱資源中的應用。
　　【關(guān)鍵詞】 熱管  熱管換熱器  煙氣  余熱回收
　　一、前言
　　目前，國內(nèi)外煙氣余熱同收裝置，有回轉(zhuǎn)式換熱器、焊接板(管)式換熱器、熱管換熱器、熱媒式換熱器，同時還有有效吹灰或加裝程控吹灰裝置、加裝低壓省煤器等，其中以熱媒式和熱管式為主。熱媒式換熱器由于運轉(zhuǎn)設(shè)備多，設(shè)備維護和運轉(zhuǎn)費用高，對系統(tǒng)的要求十分苛刻，在國內(nèi)應用較少。熱管是一種新型、高效的傳熱元件，其內(nèi)部是靠工質(zhì)循環(huán)實現(xiàn)熱量傳遞，它的當量熱導率可達金屬的1o3--1o4倍。以熱管為傳熱元件的熱管換熱器較其他型式換熱器具有獨特的優(yōu)點，在利用熱能、回收廢熱、節(jié)約原料、降低成本等方面，特別適用于中低溫的余熱回收，廣泛應用于鍋爐余熱回收，取得了明屁的節(jié)能效果。
　　二、熱管的工作原理及基本特性
　　熱管是一個封閉系統(tǒng)，由管殼、吸液芯和工質(zhì)組成(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。熱管利用工質(zhì)相變的物理過程，以潛熱的形式傳遞熱量。當熱管的蒸發(fā)段被加熱時，管內(nèi)的工質(zhì)吸收潛熱被蒸發(fā)，變成蒸汽，壓力增大后沿中間通道流向另端，蒸汽在冷凝段接觸到冷的吸熱芯表面，冷凝成液體并放出潛熱；工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)時，其汽液交界面下凹，形成許多彎月形液面，產(chǎn)生毛細壓力，液態(tài)工質(zhì)在管芯毛細壓力和重力等的同流動力作用下義返同蒸發(fā)段，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)往復，工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝便把熱最不斷地從熱端傳遞到冷端。
                        
　　螺旋槽管其強化傳熱的機理為：殼程流體在非傳熱界面的區(qū)域，如管問支撐物的局部地區(qū)，形體阻力損失很小，而大部分的流體壓降町用米促進傳熱管傳熱界面上的流體湍流，能以較低的流體輸送功獲取較高的傳熱膜系數(shù)；螺旋槽管可利用粗糙的傳熱肋面來促進流體邊界層的湍流度，減薄傳熱滯流底層厚度，從而強化邊界層傳熱，螺旋槽管明顯地強化了管內(nèi)傳熱，同時，對于管外流體橫掠管束而占，螺旋槽管表面的凹槽有利于邊界層流體的分離和強化流體的擾動。因此，管外流體的換熱能力也有所提高。
    節(jié)距P和槽深e是影響螺旋槽管傳熱的主要因素。當節(jié)距一定，槽道越深或當槽深一定，節(jié)距越小時，螺旋槽管強化管外凝結(jié)換熱的效果越顯著。降低了層流熱阻，提高了液流傳熱系數(shù)，但同時也提高r液流的擾動性，使液體微團間產(chǎn)生相互混合摻混摩擦，消耗T部分能量，故而流阻高于光管。槽道深度對液膜厚度的影響非常明顯，在淺槽范圍內(nèi)，槽道越深，液膜越薄且均勻一致，強化傳熱的性能越好。
    三、熱管換熱器的結(jié)構(gòu)和基本特性
    1．熱管換熱器的結(jié)構(gòu)
    熱管換熱器是常見的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
                          
    利用熱管能夠方便地在熱源與冷源問實現(xiàn)熱傳遞，把若f支路熱管組裝成一體，中間用隔板把熱管的蒸發(fā)段和凝結(jié)段隔開，形成l『冷、熱介質(zhì)的流道，把熱源中的熱量源源不斷地傳給冷源，這種熱管元件的組裝體就是熱管換熱器。
    典型的熱管換熱器，其外形一般為長方體，主要部件為熱管管束、外殼、隔板。熱管的蒸發(fā)段和凝結(jié)段被隔板隔開。熱管管束、外殼、隔板組成了冷、熱流體的流道。隔飯對熱管管束起部分支排作用，其主要功能是密封流道，以防止兩種流體的相互滲透 熱管元件的蒸發(fā)段和凝結(jié)段外壁均加裝翅片，其目的是強化整個傳熱過程；兩側(cè)流體均為乖直橫掠流動，提高了傳熱系數(shù)。為防止煙氣秘塵堵塞，煙氣側(cè)翅片間距較大；在空氣側(cè)，氣流較清潔，為獲得較高的翅化系數(shù)，肋片間距可取小些。熱管管束一般為錯列布置，這樣可使放熱系數(shù)提高。熱管管束安裝位置有水平、傾斜和垂直三種。
    從熱管換熱器結(jié)構(gòu)型式來看，可分為整體式、分離式、凹轉(zhuǎn)式和組合式。
    2．熱管換熱器的基本特性
    熱管換熱器與其他形式的換熱器比較起來有許多的優(yōu)點，但最本質(zhì)的和最獨特的有以下幾點：
    (1)傳熱性能好 熱管換熱器優(yōu)良傳熱性能的獲得，首先是在兩流體側(cè)均方便地實現(xiàn)了翅化，增大了冷熱流體的熱交換面積，大大減小了兩側(cè)的對流熱阻，因而強化了整個傳熱過程；其次，把傳統(tǒng)的換熱器的交叉流型改為純逆流流動，在不改變冷熱流體人口溫度的條件下，增大了該傳熱過程中冷熱流體換熱的平均溫壓；再次，把一側(cè)氣體的管內(nèi)流動改為垂直外掠流動。這三方面的原因可使熱管換熱器較其他形式的換熱器，特別是常規(guī)管殼式換熱器的傳熱性能好得多。
    (2)冷、熱流體兩側(cè)的傳熱面可以自由布置熱管換熱器的傳熱元件是熱管，其蒸發(fā)段、冷凝段長度及翅化比按給定的傳熱量、流體溫度、流量以及各流體的性質(zhì)及清潔程度等各側(cè)獨立決定，兩側(cè)互不牽連。這就從結(jié)卡句卜確保熱管換熱器能適用于溫度、流量及清潔稗度相差懇琳的兩種流體I\'NJ的傳熱 這一特點，其他形式的換熱器(管殼式、板式、 轉(zhuǎn)式等)均不具有。
    (3)傳熱而 部破壞時，能確保兩流體彼此不摻混熱管換熱器杜絕流休問摻混現(xiàn)象。在這種換熱器中，當一熱管元件某一端殼壁損壞時，造成的影響僅僅足該元件火效I酊停止傳熱，兩種流體仍被元件另一端的殼壁隔開，通過元件殼壁的泄漏 會發(fā)生(除非同一元件的加熱段、冷卻段殼壁同時損壞，這種情況極其少見)，因而能確保流體的品質(zhì)不致變壞。再加上單根熱管元件損壞后更換方便，并不影響換熱器整體。兇而存流休品質(zhì)要求嚴格，冷熱流體不能相瓦污染的情況下進行熱交換時，熱管換熱器自然是理想的換熱設(shè)備。
    (4)熱管換熱器有較高的防積灰堵灰能力 熱管是煙氣在管外壁流動橫掠換熱，州氣的擾動性加強 冉加上熱管壁溫高，管擘壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，因此，也就不會結(jié)膜不易黏附煙灰，因而它就能有效地防止堵塞。
    (5)熱管換熱器有較高的抗低溫腐蝕的能力煙氣進入低溫受熱面后，其中的水蒸氣可能用于煙溫降低或在接觸溫度較低的受熱面時發(fā)牛凝結(jié)。煙氣中水蒸氣開始凝結(jié)的溫度稱為水露點。水露點一般比較低，所以一般不易在低溫受熱面發(fā)生結(jié)露，但如果凝結(jié)時可能使受熱而金屬產(chǎn)生氧腐蝕。
    當燃用含硫燃料時，硫燃燒后形成二氧化硫，其中一部分會進一步氧化成 氧化硫。 氧化硫與煙氣中水蒸氣結(jié)合成硫酸蒸氣。煙氣中硫酸蒸氣的凝結(jié)溫度稱為酸露點。它比水露點要高很多。煙氣中三氧化硫含量愈多，酸露點就愈高。 煙氣中硫酸蒸氣本身對受熱面的工作影響不大。但當它在壁溫低于酸露點的受熱面上凝結(jié)下來時，就會對受熱面金屬產(chǎn)生嚴重腐蝕作用。這種由于金屬壁低于酸露點而引起的腐蝕稱為低溫腐蝕。強烈的低溫腐蝕通常發(fā)牛在低溫級空氣預熱器中空氣和煙氣溫度最低的區(qū)域。煙氣刈受熱面低溫腐蝕常用酸露點的高低來表示。露點愈高，腐蝕范圍愈廣，腐蝕也愈嚴重。其腐蝕速度與金屬瞳面溫度有很大關(guān)系，如圖3所示．
                         
    由圖可見，隨著金屬壁斷溫度的降低，出現(xiàn)兩個嚴重腐蝕區(qū)和兩個相對安全區(qū)。對于一定的煤種及運行方式，腐蝕曲線也足一定的。對于一般的管式空氣預熱器采用諸如提高排煙溫度和熱風再循環(huán)以及暖風機提高入口溫等措施，可以避開第一個嚴露腐蝕區(qū)，但是，第一個嚴重腐蝕區(qū)腐蝕是難以避免的。而對于熱管空氣預熱器，在設(shè)計中，可根據(jù)鍋爐工況特點調(diào)整熱管加熱段和冷凝段的長度，以及調(diào)整低溫處熱臂冷、熱兩段翅片的間距、數(shù)量等辦法來調(diào)整炯氣側(cè)與空氣側(cè)的熱阻比，從而達到控制熱管壁溫的目的。使煙氣側(cè)壁溫高于運行工況酸露點溫度，而避開硫酸蒸氣的結(jié)露。
    四、熱管換熱器的評定
    換熱器性能改善的目標函數(shù)有四個。
    1)減少換熱面積F，縮小換熱器的體積。
    2)增加換熱器的傳輸熱量Q。
    3)提高校加熱流體的出口溫度，這意味替換熱器兩傳熱介質(zhì)之間平均溫度差△Tm的減少。
    4)降低流體的壓力損，火△p及減少流體輸送功率N，對于F、Q、△Tm及△p(或功率消耗N)等四項日標中．在另外三項一定時即可得出該項目標函數(shù)的性能評判準則。
             
    由于熱管內(nèi)工作液體的蒸發(fā)溫度Ts干u蒸汽凝結(jié)溫度Te基本相等，工作液體的汽化潛熱和蒸汽的凝結(jié)熱相等，因而工作液體的蒸發(fā)量和蒸汽的凝結(jié)量也相等，則工作液體吸收煙氣熱量使熵的增加和工作蒸汽凝結(jié)放熱使熵的減少相互抵消，所以△St由以下兩部分組成
    1)高溫煙氣流過熱管換熱器時，由于吸熱使熵減少
                
    冷流體水是不可壓縮流體，由于壓差流動引起的熵增為：
                 
    設(shè)熱管換熱器總的熵增率為S，也就是熱管換熱器每傳遞單位熱量所消耗的可用能
                
    熱管換熱器總的熵增率為S，其值越小，熱管換熱器的熱經(jīng)濟性越好。因此，可以把系統(tǒng)總的熵增率作為不同形式的熱管換熱器在不同情況下的經(jīng)濟性評價指標。
    五、熱管換熱器的應用
    熱管換熱器應用較多的場合是：工業(yè)鍋爐或工業(yè)窯爐用來加熱空氣的熱管式空氣預熱器及用來加熱給水的熱管熱水器；電站鍋爐中用來代替蒸汽暖風器的前置式熱管空氣預熱器及空調(diào)制冷中用來回收余熱的熱管式換熱器、熱管鍋爐、熱管蒸發(fā)器等。
    1．熱管式空氣預熱器
    熱管空氣預熱器是氣—氣換熱器的一個典型代表，它利用鍋爐、加熱爐等排煙余熱、預熱進入爐內(nèi)的助燃空氣，不僅可提高爐子的熱效率，還可以減輕對環(huán)境的污染，因此，熱管空氣預熱器在余熱回收利用中得到了非常廣泛的應用。
    熱管空氣預熱器外形一般為長方體，主要部件為熱管管束、殼體和隔板。隔板、殼體內(nèi)壁和熱管束外壁問的空間即為熱、冷流體流道，隔板對熱管束起部分支撐作用，其主要功能是密封流道，以阻止兩種流體相互摻混。
    熱管元件的蒸發(fā)段和凝結(jié)段外壁均加裝翅片，其目的是強化整個氣一氣傳熱過程；兩側(cè)氣體均為垂直橫掠流動，提高了傳熱系數(shù)。但熱管空氣預熱器的管外翅片存在積灰和增大阻力降的問題，目前熱管空氣預熱器的結(jié)構(gòu)較簡單，導致其冷熱流體問的換熱并不充分。
    2．熱管蒸發(fā)器(余熱鍋爐)
    余熱鍋爐與常規(guī)余熱鍋爐相比，前者更具有明顯的優(yōu)越性，其體積緊湊，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，更重要的是如果單根熱管破壞不影響設(shè)備運行，提高了設(shè)備長期運行的可靠性。不論是采用高溫空氣預熱器方式還是采用高溫熱管蒸汽發(fā)生器方式，煙氣溫度可將至2OO~C以下，這對大型加熱爐的熱回收率的提高有很大意義。
    國內(nèi)外許多加熱爐采用了余熱鍋爐和空氣預熱器相結(jié)合的流程來回收煙氣的高溫余熱。即首先將高溫煙氣通過余熱鍋爐降至500—600℃溫度范圍。產(chǎn)生1．9—3MPa的蒸汽，降溫后的煙氣通過空氣預熱器將空氣預熱至250℃，煙氣溫度降至300℃以下進入熱管省煤器，將105℃的脫氧水加熱至250℃左右。煙氣溫度降至300℃以下，經(jīng)引風機送至煙囪排放。這種流程的優(yōu)越性在于，余熱鍋爐可以以較少的設(shè)備投資回收煙氣高溫部分的余熱，所產(chǎn)生的蒸汽如果可以外銷則在極短的時間內(nèi)收凹投資，空氣通過預熱器可以加熱至300℃以上，一次能耗可以節(jié)約14％---18％，這是最合算的流程，如果采用蒸汽透平發(fā)電，再將背壓蒸汽外銷，也是一種經(jīng)濟效益很好的方案。熱管空氣預熱器和熱管省煤器可以在較低的條件下充分發(fā)揮其傳熱效率高和體積緊湊的特點。
    六、結(jié)束語
    針對熱管換熱器的結(jié)構(gòu)、原理、評定準則進行了分析，并總結(jié)了其在工業(yè)領(lǐng)域中的應用情況。同時熱管換熱器在煙氣余熱回收中也有廣泛的應用，主要集中在中低溫余熱資源的余熱回收利用。其發(fā)展是完善高溫熱管，降低其成本，提高其可靠性，以拓寬熱管換熱器在高溫余熱資源中的應用，提高熱管換熱器與其他形式高效熱交換器的競爭力。