浅谈热管技术在热能工程中的应用

浅谈热管技术在热能工程中的应用

杨志光

杨志光

（哈尔滨市南岗房产经营公司，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：本文根据热管工作的基本原理，阐述了热管技术在热能工程中的一些应用。

关键词：热管；结构；工作原理；热能工程中的应用

1热管的基本结构

热管是由管壳、管芯（或称吸液管）和工作液体三部分组成。管壳是由碳钢、不锈钢、铜等金属材料制造的能承受一定压力的完全密闭的管状容器内部空腔具有较高的原始真空度。管芯是紧贴管壁的由毛细多孔结构材料制成它一般为金属丝网或烧结的金属粉末。工业用热管也有采用槽道吸液结构或丝网与槽道复合结构。工作液体是热管工作时传递热量的工作介质一般有水、氨、甲醇、丙酮、R-21、R-113等，其中水的工作范围为45~210℃。工作液在热管内呈气态和液态两种工作状态它是在热管处于真空状态下被充入并填满毛细材料中的微孔然后予以密封的。

2热管的工作原理

热管一端为蒸发段中间一段为绝热段（即与外界无热交换），另一端为冷凝段。当蒸发段受热时毛细材料中的液体蒸发产生蒸汽流向另一端冷凝段。冷凝端由于放热冷却使蒸汽又凝结成液体，液体再沿毛细多孔材料流回蒸发段，如此不断循环将热量从一端传到另一端。从热管内部的工作过程来看也对应分成三个工作段即汽化段、输运段和放热凝结段。利用这种原理工作的热管称为毛细管式热管。

另有一种重力式热管又称为两相热虹吸管，重力热管是热能工程中应用最广泛的一种热管。它可以不用管芯，而是利用凝结段液态工质自身重力沿热管内壁下流到蒸发段（汽化段）。

3热管技术在热能工程的应用

3.1用高温热管蒸汽发生器取代余热锅炉在小氮肥生产中余热回收利用。

3.1.1小氮肥厂生产中用高温热管蒸汽发生器能克服常规余热锅炉的缺点。氮肥厂造气工艺均以焦炭为原料在煤气发生炉中以富氧空气加水蒸气为气化剂，连续产生750~950℃的高温半水煤气，经过热交换器使半水煤气的温度降至250℃以下，进入后续工艺。如何利用煤气工段高温半水煤气的余热是节约能源、降低氮肥成本的关键。常规的方法是采用余热锅炉，煤气走管程，水、汽走壳程，只能产生0.3MPa以下的低压蒸汽，无法满足后续工艺中使用的蒸汽，同时，由于半水煤气成份复杂，含有大量的水蒸气、CO、CO2、N2、H2、O2、CH4及少量的H2S且温度高、含尘量大、飞灰粒度大，易造成换热器的磨损、腐蚀，再加上热应力也容易引起管板和管子的损坏，这些都将严重影响生产和安全。用高温热管蒸汽发生器取代常规的余热锅炉，能克服上述缺点，取得较好的经济效益。

3.1.2高温热管传热机理及蒸汽发生器的结构。高温热管以液态金属（钠、钾等）为工质、不锈钢或其它耐热钢为管壳和吸液芯、能在1000℃以上高温烟气中工作的热管。由于液态金属具有良好的热稳定性和很低的饱和蒸气压力，如钠在800℃时，饱和蒸气压力仅为0.47MPa，所以在高温条件下，液态金属高温热管几乎不承受内压，使其能在高温的条件下安全地工作。同时，液态金属在高温条件下具有较高的气化潜热，如钠在800℃时气化潜热3977kJ/kg。因而液态金属高温热管能传递大量的热量。

热流体为从煤气发生炉出来的高温半水煤气，热管蒸发段外带翅片，热管冷凝段采用光管形式，光管外为套管。通过热管内部工质连续不断的蒸发、冷凝将高温炉气的热量传递给套管中的饱和水，使水在套管内沸腾蒸发，产生饱和蒸汽。套管的上、下均为联箱结构，上、下联箱通过上升管和下降管与汽包连接。套管中的蒸汽经上联箱通过上升管输送到汽包进行汽水分离，产生蒸汽，而饱和水则由下降管经下联箱输送到套管中，这样就构成了一个循环产汽系统。整个蒸发器分高温、中温、低温三段，高温段采用液态金属钾高温热管，中温段采用萘工质热管，低温段采用水工质热管，相应的热管在其工作温度范围内饱和蒸汽压力较低，热管几乎不受内压，安全可靠。

3.1.3热管在实际应用中要解决的安全问题。在实际应用中，由于半水煤气含尘量相当高、飞灰颗粒度大、对热管的安全运行会造成积灰，增大流动阻力，产生腐蚀飞灰对热管壁的撞击与冲刷引起严重的磨损。采取的措施有：（1）翅片间距拉大、高度降低；（2）热管与热气流呈75°倾角安装，顺列布置减少积灰、撞击频率和冲刷磨损；（3）控制半水煤气气流在热管管束中的流速为10~12m/s；（4）在第一排热管前加装挡灰铁。

3.2热管应用于煤粉锅炉空气预热器。空气预热器是燃用煤粉的水管锅炉的尾部受热面，是锅炉的重要部件，运行中普遍存在积灰、磨损、低温腐蚀、漏风、风机负荷大等现象，严重影响锅炉的安全性和经济性。用热管作为传热元件组成的空气预热器，是利用毛细管式热管的工作原理。这种空预器其结构和管式空预器类似，由热管、隔板和壳体组成，大多呈矩形。中间隔板把热管管束分成两部分，一部分为烟气通道，是蒸发放热段。另一部分为空气通道，为吸热冷凝段。这两部分的外表面都设计制造有翅片，以增大吸、放热面积，与水平成15°，冷空气热烟气体逆向流动。

3.3热管空气预热器应用于大型燃油锅炉和燃油工业炉上。巴陵石化公司洞庭氮肥厂采用热管空气预热器替代美国回转蓄热式空气预热器安装在日本制造的燃油锅炉和美国大型燃油工业炉上，确保了燃油锅炉，尤其是大型燃油工业炉的燃烧条件，空气量供应显著增加，燃烧完全，工业炉工作稳定，回收余热增加（这一台工业炉每年可节约燃料柴油8000t以上），且减少了对环境的污染。

热管以相变传热的方式进行热交换，其换热效率很高。热管两侧都参与和气体的热交换，两侧都加了翅片以增大传热面积强化传热。热管空预器由上、下箱体，中间隔板（中花板）及穿过中间隔板（中花板）的翅片热管组成。为了清除烟气侧热管外表面的积灰与结垢，安装了全方位吹灰装置。空预器的上箱体流通空气，下箱体流通烟气空气与烟气作逆向流动。热管空气预热器有以下优点：（1）热管元件超导传热，换热效率高；（2）运行阻力较小，动力消耗少；（3）一般无空气泄漏能用吹灰装置吹灰；（4）运行稳定可靠，周期较长；（5）即使单根热管失效也不影响整体运行；（6）烟气侧管壁温度较高，不易腐蚀；（7）检修较少，运行10年来从未因其造成全厂停车。

热管空气预热器的缺点是：（1）运行中单根热管等温性能检查较复杂；（2）热管空预器必须有较好的吹灰装置相配套才能充分发挥其作用。

3.4热管常压热水锅炉。热管常压热水锅炉采用的是重力式热管元件来传递热量，与一般锅炉的差别在于它不是由锅炉辐射和对流受热面直接将高温烟气的热量传递给载热介质（锅炉中的水、汽）。热管是一种具有很高传热性能的元件，它是应用沸腾吸热和凝结放热的相变传热机理，间接地将高温烟气的热量传递给锅炉工质（水、汽）。热管常压热水锅炉的吸热端位于炉膛高温热烟气一侧，它的放热端在被加热工质（水）侧。热管常压热水锅炉具有以下优点：（1）启动温度低，启动速度快，升温速度是同类锅炉的1.5~2倍；（2）热管吸、放热过程无水垢，无腐蚀，能保持良好的传热效率；（3）可用多种燃料，如柴、煤、草、锯末、稻壳、蔗渣等均可，也可燃油、气；（4）热效率高，立式锅炉用煤作燃料，热效率η>72%；（5）常压运行安全，操作简单。

总之热管元件目前已是成熟产品，使用寿命长，其应用于常压热水锅炉前景很好。