熱管是一種新型高效的傳熱元件。熱管技術(shù)近年來在工程中的應(yīng)用日益普及，不僅在余熱回收、節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)設(shè)備更新及電子元器件冷卻等方面顯示出了強(qiáng)大的生命力。

余能是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。熱管作為高效傳熱技術(shù)之一，在節(jié)能降耗、余熱回收中發(fā)揮了重要作用。

本文在對熱管的發(fā)展及其原理進(jìn)行簡要闡述后，將就熱管技術(shù)在工業(yè)和生活余熱回收中的應(yīng)用進(jìn)行深一步的討論。

1.熱管技術(shù)概述

1.1熱管技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展

熱管的原理首先是由美國俄亥俄州通用發(fā)動機(jī)公司的R.S.Gaugler于1944年發(fā)表的專利中提出的。由于沒有實(shí)踐效果的支持，以及當(dāng)時(shí)處于戰(zhàn)爭歷史背景下，這個(gè)設(shè)計(jì)并沒有被通用發(fā)動機(jī)公司所采納應(yīng)用。

到六十年代初，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，向傳熱傳質(zhì)學(xué)提出了新的要求，熱管又應(yīng)時(shí)而生。1964年，美國Los Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover等人重新獨(dú)立發(fā)明了類似于Gaugler所提出的傳熱裝置，并進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)，正式將此傳熱元件命名為“HeatPipe”。熱管技術(shù)從此開始得到快速發(fā)展。

1965年，Cotter首次提出了較完整的熱管理論，為以后的熱管理論的研究工作奠定了基礎(chǔ)。1967年，一根不銹鋼-水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運(yùn)行成功。1984年，Cotter較完整的提出了微型熱管的理論及展望，為微型熱管的研究與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

七十年代初我國一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)開始對熱管技術(shù)進(jìn)行探索和研究。至八十年代，我國的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)交流活動也十分活躍。

2006年，我國將該技術(shù)成功應(yīng)用于青藏鐵路凍土路基的加固并取得了良好的效果。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓展。

1.2熱管技術(shù)的傳熱方式和機(jī)理

熱管的基本工作原理和結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。


典型的熱管由管殼、吸液芯、和端蓋組成。將管內(nèi)抽成高真空后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸熱芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段，也稱作加熱段，另一端為冷凝段，也稱作冷卻段，根據(jù)應(yīng)用需要在兩端中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一段受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過程：

①熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；②液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；③蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；⑤熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；⑥在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

因此，如果工質(zhì)不能回流，將會引起蒸發(fā)段燒干，熱管即停止工作。

管殼形狀一般為圓形，但也不一定必須是圓管，其斷面可為任意形狀。充入的工質(zhì)用單一介質(zhì)，液體靠毛細(xì)力回流，稱此為標(biāo)準(zhǔn)熱管。但是，熱管這個(gè)詞也可用于液體回流不靠毛細(xì)力，而利用其他力（例如重力、離心力等）的結(jié)構(gòu)。

1.3熱管自身的基本優(yōu)點(diǎn)

熱管依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，它具有以下特性：

1.3.1很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。但是其高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限。1.3.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。1.3.3熱流密度可變性熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段和冷凝段的加熱面積，這樣就可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。1.3.4熱流方向的可逆性水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細(xì)力，因此其任意一端受熱就可以作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。1.3.5熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可以做成二極管或熱開關(guān)，實(shí)現(xiàn)傳熱的有向性和傳熱過程隨溫度的可控性。1.3.6恒溫特性（可控?zé)峁埽┰谳斎霟崃看蠓茸兓那闆r下，熱管內(nèi)蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。1.3.7極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性熱管的形狀可隨熱源冷源的條件而改變，并且它既可以用于地面（重力場），也可以用于空間（無重力場）。

1.4熱管技術(shù)特性

根據(jù)熱管的工作原理和基本特性，熱管技術(shù)具有以下特性。

1.4.1溫度展平就是利用熱管本身的等溫性，把一個(gè)溫度不均勻的溫度場展平成為一個(gè)均勻的溫度場。均溫技術(shù)在航天飛行器及電子設(shè)備儀器儀表板方面都有重要的應(yīng)用。1.4.2匯源分離就是指利用熱管將熱源和熱匯（冷源）分隔在兩個(gè)場所進(jìn)行熱交換，使得源、匯兩種流體不再有互混的可能。1.4.3變換熱流密度即通過改變熱管的加熱面積和冷卻面積，使單位面積加熱和冷卻傳熱面積上的熱流量發(fā)生改變。1.4.4熱控制（可變導(dǎo)熱管）可變導(dǎo)熱管為熱阻可以改變的熱管，可用來控制溫度，使得熱管的工作溫度保持基本不變。在工程上可變導(dǎo)熱管技術(shù)可以用來控制熱源或熱源的溫度。1.4.5單向?qū)幔岫O管）利用重力熱管的傳熱原理，可將熱管看作為單向?qū)嵩?。熱二極管原理在太陽能及凍土永凍工程中有很重要的應(yīng)用。1.4.6旋轉(zhuǎn)元件的傳熱（旋轉(zhuǎn)熱管）旋轉(zhuǎn)熱管是在回轉(zhuǎn)運(yùn)動中傳熱的元件，其原理是熱管內(nèi)部液體依靠轉(zhuǎn)動中的離心力從冷凝段向蒸發(fā)段回流，或是靠液體位差產(chǎn)生的重力。旋轉(zhuǎn)熱管在工程中可用作高速回轉(zhuǎn)軸件的傳熱元件。1.4.7微型熱管技術(shù)微型熱管的毛細(xì)力是由蒸汽通道周邊的液縫的彎月面提供的。微型熱管在半導(dǎo)體芯片、集成電路板、筆記本電腦CPU的散熱方面有很重要的應(yīng)用。1.4.8高溫?zé)峁芗夹g(shù)高溫?zé)峁艿墓ぷ饕后w是液態(tài)金屬，其特點(diǎn)是飽和蒸汽壓力很低，所以在高溫條件下工作的熱管只承受高溫而不承受管內(nèi)高壓。高溫?zé)峁芗夹g(shù)在核工程、太陽能電站等方面有著重要的用途。

2.熱管技術(shù)的應(yīng)用

熱管本身不會發(fā)熱、冷卻或者蓄熱，也不能像熱泵那樣，將低溫?zé)崃孔優(yōu)楦邷責(zé)崃?。但是，根?jù)前述的工作原理，熱管是利用管內(nèi)工質(zhì)的相變進(jìn)行傳熱的。和普通金屬傳熱元件相比較，其傳熱特性高出幾個(gè)數(shù)量級。從它的工作原理可以得知，熱管從凝固點(diǎn)到臨界溫度，在能夠產(chǎn)生相變傳熱的很大溫度范圍內(nèi)均可使用。

從宇航事業(yè)到廚房設(shè)備，熱管在加熱、恒溫、冷卻、均熱、熱交換及熱控制等方面，其應(yīng)用范圍十分廣泛。圖2-1所示概括了熱管在當(dāng)前的應(yīng)用情況。


余能是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓等七種。其中最主要的是余熱。根據(jù)調(diào)查，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。下面將就熱管在余熱回收領(lǐng)域的利用作簡要闡述。

2.1熱管技術(shù)在工業(yè)余熱回收中的利用

熱管及熱管換熱器近年來在石油化工中的應(yīng)用已愈來愈受到人們的重視。它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點(diǎn)腐蝕、一端破壞不會引起兩種換熱流體互混等優(yōu)點(diǎn)。不僅提高了設(shè)備的熱效率而其可靠性也大為增加，減少了停車次數(shù)。這些特點(diǎn)使得熱管換熱器在余熱回收利用方面具有廣闊的前景，然而作為熱管本身的其他方面的特點(diǎn)如均溫性、熱流密度可變性、可變導(dǎo)性、可異性化等特點(diǎn)更加引人注意。早在70年代，國外一些研究者就已經(jīng)開始注意到熱管的這些特點(diǎn)可以在化學(xué)反應(yīng)設(shè)備和原子反應(yīng)堆工程中發(fā)揮重要作用，并設(shè)計(jì)出一系列的熱管式反應(yīng)器，這些設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：利用熱管的等溫性均化床層溫度得到較高的轉(zhuǎn)化率和收率，利用熱管的可變熱導(dǎo)特性控制反應(yīng)床溫度不使超溫或過冷，利用熱管的源匯分隔特性提高設(shè)備使用的可靠性，利用熱管熱流體密度可調(diào)的特點(diǎn)改善和強(qiáng)化反應(yīng)設(shè)備的傳熱條件。應(yīng)當(dāng)指出的是，熱管化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)研究遠(yuǎn)比熱管換熱器的研究困難的多，因?yàn)樯婕霸系慕M成、催化劑活性、停留時(shí)間等一系列因素，這就使得開發(fā)速度進(jìn)展緩慢。但由于這種開發(fā)前景誘人，廣大研究者始終埋頭于這方面的研究并取得了良好的進(jìn)展。

2.1.1石油化工中加熱爐余熱回收

石油化工生產(chǎn)中的各種類型加熱爐面廣量大，提高這些加熱爐的熱效率意義重大。回收加熱爐排煙余熱，用以加熱加熱爐的助燃空氣，是提高加熱爐加熱效率的重要手段。加熱爐的排煙溫度一般在260℃～350℃左右。如將煙氣溫度降低到160℃，則可將助燃空氣從常溫提高到120℃以上，加熱爐的效率可以提高6%～10%。熱管換熱器體積緊湊、壓力降小、布置靈活、可控制露點(diǎn)腐蝕，因此特別適合于加熱爐的余熱回收。早在二十世紀(jì)七十年代我國就有研究人員開始進(jìn)行了用熱管回收煉油廠加熱爐余熱工作的研究開發(fā)。

1980年我國第一臺小型工業(yè)試驗(yàn)氣-氣熱管換熱器在南京某廠加熱爐的煙氣余熱回收試驗(yàn)中試運(yùn)轉(zhuǎn)成功。該熱管換熱器的試運(yùn)轉(zhuǎn)成功，為大型工業(yè)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

目前我國石油化工的大型加熱爐煙氣余熱回收絕大部分都采用了熱管換熱器，并取得了很好的效果。值得注意的是，近年來許多加熱爐的燃料改用重油或渣油，由于油品的含硫量不一，對熱管換熱器的設(shè)計(jì)帶來了困難。此外，不同地區(qū)的氣候條件也是設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。目前工業(yè)上加熱爐煙氣余熱回收使用的熱管空氣預(yù)熱器主要有兩種布置方式：一種是將熱管換熱器置于加熱爐頂稱為置頂式，其優(yōu)點(diǎn)是只用一臺空氣鼓風(fēng)機(jī)，煙氣憑煙囪抽力通過熱管換熱器，可以省去一臺引風(fēng)機(jī)。缺點(diǎn)是熱管換熱器的阻力必須設(shè)計(jì)在煙囪抽力允許的范圍以內(nèi)。另一方面熱管換熱器放置在爐頂增加了爐體支架的荷載。這兩點(diǎn)限制了熱管換熱器的管排數(shù)和重量，可能影響回收的熱量。另一種形式是將熱管換熱器布置在地面上成為落地式。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是熱管換熱器的體積、重量、煙氣側(cè)的阻力限制都不十分嚴(yán)格。地面的維修也方便。缺點(diǎn)是需要增加一臺引風(fēng)機(jī)，增加了動力消耗。此外，其管線也比置頂式復(fù)雜一些。從換熱效果來看，落地式布置有利于充分回收熱量，但是主要取決于現(xiàn)成改造的條件。將置頂式安放類型的一例熱管換熱器在相同原始參數(shù)條件下改為落地式，由于增加了引風(fēng)機(jī)，因此可使煙氣流速大大提高，這不僅提高了煙氣側(cè)傳熱系數(shù)，而且對消除熱管束的積灰有利。實(shí)踐證明引風(fēng)機(jī)的電耗在整個(gè)效益的平衡中所占份額是非常有限的。

下面舉出一個(gè)在石油化工生產(chǎn)中使用熱管技術(shù)節(jié)能的典型實(shí)例如下。

某廠針對某石化企業(yè)的原蒸餾常減壓爐空氣預(yù)熱器系統(tǒng)存在設(shè)備老化、泄露點(diǎn)多、檢修困難、熱效率低等問題，特別是目前加工進(jìn)口高含硫原油需要進(jìn)行配套改造，采用了分離式熱管油-氣換熱器。其結(jié)構(gòu)布置如圖2-2所示。


不同管線、不同溫度和壓力的常二線、常三線油分別流經(jīng)分離式熱管換熱器的加熱段，其加熱段結(jié)構(gòu)形式類似于固定管板式換熱器熱流體油走殼程，管程為熱管工質(zhì)，分離式熱管換熱器的冷凝段為翅片管束換熱器，需要加熱的空氣流經(jīng)管外，管內(nèi)通過上升管與下降管與下部換熱器的管程相連，形成工質(zhì)循環(huán)回路。當(dāng)管內(nèi)具有一定真空度后，在位差的作用下，熱管內(nèi)部的工質(zhì)不斷吸收熱流體油所放出的熱量，通過蒸發(fā)至冷凝段冷凝，源源不斷的把熱量傳至冷凝段加熱翅片管外的空氣。其最大的特點(diǎn)是加熱段與冷凝段可以相互獨(dú)立。這樣在運(yùn)行過程中，即使某一單元發(fā)生意外泄漏，也只是這一小單元作為熱管傳熱失效，不影響其他單元的換熱，一般情況下也無需停車檢修。以往大部分的分離式熱管換熱器都是采用一種熱流體同時(shí)加熱兩種或兩種以上的冷流體，冷、熱流體間多為氣-氣換熱形式，然而，將兩種或兩種以上的不同熱流體（液體）來加熱冷流體（氣體），目前尚不多見。迄今為止該裝置已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十余年，目前仍在運(yùn)行中。

近年來，隨著對能源利用率的要求不斷提高，要求加熱爐的排煙溫度進(jìn)一步降低，將以往設(shè)定的160℃排煙溫度降低到120℃，加熱爐的熱效率可提高到90%以上。

利用常規(guī)熱管換熱器將排煙溫度降低到160℃，是比較容易實(shí)現(xiàn)的，但要求將排煙溫度再由160℃降低到120℃以下，回首這部分熱量的主要問題在于解決設(shè)備和熱管的露點(diǎn)腐蝕問題。對于熱管換熱器的殼體防腐可以采用內(nèi)襯耐酸澆注防護(hù)；對于熱管要合理的回收熱量，顯然，基管采用耐酸合金鋼是不經(jīng)濟(jì)的，既要保證熱管傳熱性能又要經(jīng)濟(jì)合理的回收熱量，由此，開發(fā)出了耐腐蝕搪瓷熱管，搪瓷熱管是在普通碳鋼（翅片管）外涂一層耐酸搪瓷。由于搪瓷層很薄，一般厚度為0.2mm，且與碳鋼結(jié)合緊密，對傳熱效果影響很小，與碳鋼管相比，相對降低約6%~10%；且搪瓷表面光滑，不易結(jié)垢和積灰，又耐磨損、抗腐蝕；投資費(fèi)用較選用耐酸不銹鋼有明顯的降低。

搪瓷熱管作為抗腐蝕傳熱元件以其防腐和價(jià)格優(yōu)勢可用于許多領(lǐng)域，特別對抗硫酸露點(diǎn)腐蝕有很大的優(yōu)越性。在碳鋼上涂敷燒鍍搪瓷制造熱管其制造成本較不銹鋼低，抗腐蝕性能比不銹鋼高得多，特別是在纏繞翅片的碳鋼管上成功燒鍍搪瓷，為熱管在低溫腐蝕性環(huán)境中的熱量回收提供了有利的保障。

2.1.2鹽酸工業(yè)中鹽酸合成爐余熱回收

鹽酸合成爐是用作氯氣和氫氣混合燃燒反應(yīng)的設(shè)備，氯氣和氫氣經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐浔仍跔t內(nèi)燃燒反應(yīng)得到HCl氣體。燃燒的溫度可達(dá)1000℃以上，高溫HCl氣體有強(qiáng)烈的腐蝕性。工業(yè)實(shí)踐表明，高溫HCl氣體對設(shè)備的腐蝕主要來自游離氯，游離氯越多，腐蝕性越強(qiáng)。試驗(yàn)表明，干燥氯氣240℃時(shí)，對碳鋼的腐蝕速度為零。當(dāng)達(dá)到285℃時(shí)，對碳鋼的腐蝕速度陡增至10195g/(m3?h)，理論上如果使HCl中游離氯含量為零，并保持設(shè)備表面溫度為240℃，則既可回收熱量，又可延長設(shè)備使用壽命，但實(shí)際上工業(yè)操作條件經(jīng)常受到各種外界影響，不可能絕對保證這種最佳條件。然而熱管組成的設(shè)備卻可相當(dāng)程度地接近這種條件。圖2-3示出一種熱管鹽酸合成爐的設(shè)計(jì)方案。


該設(shè)備外殼為直筒形，避免火焰對錐體的沖刷及高溫腐蝕，根據(jù)國內(nèi)操作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為這種爐型是最好的爐型。在直管的內(nèi)壁布有40根獨(dú)立的熱管，每根熱管上有180°軸向翅片兩片，熱管及翅片表面均鍍有搪瓷以防氯氣腐蝕。熱管和翅片構(gòu)成了一個(gè)受熱管筒，它接受來自燃燒氣體的輻射熱，將熱量通過熱管的蒸發(fā)段傳至上部汽化器內(nèi)熱管的冷凝段。由汽包來的飽和水進(jìn)入汽化室接受熱管冷凝段放出的熱量產(chǎn)生蒸汽。氯氣和氫氣分別由爐底兩側(cè)進(jìn)入爐體。燃燒后的爐氣自爐體上方側(cè)面去吸收塔。爐體的頂部為防爆膜片。其特點(diǎn)是：

①利用熱管內(nèi)部工作液體蒸汽溫度的可控性，通過設(shè)計(jì)調(diào)整盡可能接近240℃；②每根熱管是獨(dú)立的，個(gè)別熱管損壞不影響設(shè)備運(yùn)行，可在大修中更換。

2.1.3合成氨工業(yè)中上、下行煤氣的余熱回收

合成氨是一項(xiàng)基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)，在化學(xué)工業(yè)中占有很重要的地位。合成氨生產(chǎn)從造氣開始直到氨的合成都伴隨著熱的過程。合理的利用和控制合成氨生產(chǎn)過程中放出的熱量，不僅可以節(jié)約生產(chǎn)中的能源消耗，降低生產(chǎn)成本，而且可以提高CO變換率及氨的合成率，前者屬于余熱利用，而后者屬于化學(xué)反應(yīng)的熱控制，熱管技術(shù)在這兩方面都存在很大的開發(fā)潛力。

根據(jù)我國工業(yè)發(fā)展的特殊情況，我國的合成氨工業(yè)從生產(chǎn)規(guī)模上可分為小合成氨、中合成氨和大合成氨生產(chǎn)。生產(chǎn)的原料路線有煤、油及天然氣。由于原料路線不同因而生產(chǎn)工藝路線及采用的設(shè)備也不盡相同。針對不同工藝路線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，熱管技術(shù)在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中有以下幾種應(yīng)用類型。

①回收低溫余熱預(yù)熱助燃空氣，或生產(chǎn)低壓蒸汽作為生產(chǎn)原料；②回收高溫余熱生產(chǎn)中壓蒸汽作為原料蒸汽的補(bǔ)充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動力源；③控制固定床催化反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)溫度，使其向最佳反應(yīng)溫度曲線無限逼近，從而提高CO變換反應(yīng)器的CO變換率及合成氨塔內(nèi)氨的合成率。

以上三種類型在不同的生產(chǎn)規(guī)模及不同的原料工藝路線中應(yīng)用的方式及設(shè)計(jì)思路均不同，必須針對不同的實(shí)際條件采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能收到良好的效果。

上、下行煤氣是指以煤或煤球?yàn)樵系纳a(chǎn)路線中煤造氣爐所產(chǎn)生的上吹半水煤氣及下吹半水煤氣。由于生產(chǎn)原料不同，上、下行煤氣氣體中所含塵粒及溫度也不相同。

2.1.3.1小合成氨上、下行煤氣余熱回收

小合成氨生產(chǎn)大都使用煤球?yàn)樵显鞖狻Ｆ涮攸c(diǎn)是出煤造氣爐的上、下行煤氣的溫度較低，氣體成分復(fù)雜含有大量粉塵及水蒸氣，容易引起低溫腐蝕及灰塵堵塞等一系列問題。在設(shè)計(jì)此類設(shè)備中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下重點(diǎn)問題：

①由于氣體溫度低，可利用的傳熱溫差很小，要回收一定熱量必須要有很大的傳熱面積，傳熱面積過大不僅占地大、金屬耗量大，成本也高；②上、下行煤氣含有大量粉塵和水蒸氣特別是下行煤氣含塵量更多，每標(biāo)準(zhǔn)立方米氣體的含塵量估算在30g以上；③這種成分的氣體溫度不宜降得過低，否則容易達(dá)到露點(diǎn)，一旦達(dá)到露點(diǎn)不僅產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，而且灰塵會堵死氣體通路使設(shè)備不能使用；④對于以碳化煤球?yàn)樵系拿簹庵兴蹓m既細(xì)又黏，要使設(shè)備能長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，除能保證自清灰外，設(shè)備結(jié)構(gòu)必須能定期清灰以清除附著于管壁以及翅片上的灰塵。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)出的熱管換熱設(shè)備首先應(yīng)保證長期可靠運(yùn)行，不堵塞、體積緊湊、占地面積小，設(shè)備氣體出口熱管的管壁溫度應(yīng)高于氣體露點(diǎn)溫度（約120℃），以防氣體中的有害成分結(jié)露。根據(jù)以上原則，有人設(shè)計(jì)出并成功運(yùn)行了適用于煤氣造氣上、下行煤氣余熱回收的熱管蒸汽發(fā)生器，如圖2-4所示。該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：


①氣體流動方向?yàn)閺纳系较拢瑴p少灰塵附著于管壁的可能性；②熱管的蒸發(fā)段全部采用軸向直翅片。一方面可以擴(kuò)展傳熱表面，另一方面可消除熱管背部的渦流區(qū)，從而不使灰塵在此停聚。同時(shí)也減少了流動阻力損耗。③從煤氣爐出來的上行煤氣先經(jīng)過旋風(fēng)除塵器，然后從蒸汽發(fā)生器的上部向下流過熱管管束，溫度從進(jìn)口的360℃左右降到出口的140℃左右進(jìn)入下一工段的洗氣塔，然后去煤氣柜。下行煤氣從煤氣爐的底部出來經(jīng)過旋風(fēng)除塵器仍然從蒸汽發(fā)生器的頂部進(jìn)入，溫度從300℃以上降至140℃進(jìn)入洗氣塔，然后去煤氣柜。

2.1.3.2中合成氨上行、下行煤氣余熱回收

中合成氨與小合成氨生產(chǎn)除在產(chǎn)量規(guī)模不同外，主要的區(qū)別在于中型合成氨廠的煤造氣是以塊煤為原料。因此其上行煤氣出煤造氣的溫度遠(yuǎn)較小化肥高，大約在600℃左右。與小合成氨不同之處在于煤造氣爐后有一吹風(fēng)氣燃燒室。上行煤氣經(jīng)過燃燒室后再進(jìn)入列管式廢熱鍋爐。上行煤氣與吹風(fēng)燃燒氣合用一個(gè)廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽（0.4～1.8MPa）或中壓蒸汽（1.9～2.5 MPa）供工藝使用。由于中合成氨煤造氣爐的下行煤氣溫度較低（200℃左右），因而一般不經(jīng)過廢熱鍋爐而直接去洗氣塔。

在上述生產(chǎn)流程中存在著以下幾方面的問題。

①列管式廢熱鍋爐容易損壞損壞的原因大都由于以下兩方面：一是氣體流速過高，氣體中含有大量煤的灰渣或細(xì)煤粒極易將管子磨穿；而是在生產(chǎn)低壓蒸汽時(shí)，下管板水進(jìn)口處的水溫過低，造成局部管壁低溫過冷，形成露點(diǎn)腐蝕。兩種原因都可能使局部管子破裂漏水，必須停工查漏檢修，給生產(chǎn)造成損失。②設(shè)備利用率不高在煤造氣合成氨生產(chǎn)中，上行煤氣制作過程只占一個(gè)循環(huán)的24%～27%，吹風(fēng)氣只占一個(gè)循環(huán)的25%～28%，也就是說在一個(gè)循環(huán)中只占49%～55%的時(shí)間有氣體通過廢熱鍋爐，其余時(shí)間無氣體通過，設(shè)備處于空閑狀態(tài)。③換熱面積設(shè)計(jì)嚴(yán)重不合理一般造氣工段的廢熱鍋爐均是按瞬間最大吹風(fēng)氣流量設(shè)計(jì)的，而上行煤氣只相當(dāng)于吹風(fēng)氣量的30%～50%左右，這樣小的通氣量通過上述按照吹風(fēng)氣最大瞬時(shí)量設(shè)計(jì)的廢熱鍋爐，由于傳熱面積過大，必然形成上行煤氣出口溫度過低，不僅會產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，而且易形成灰堵。④低溫余熱沒有充分回收目前中型合成氨廠都將廢熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽壓力提高。其優(yōu)點(diǎn)是得到高品位的蒸汽，另一方面也提高了傳熱管壁溫度，對防止露點(diǎn)腐蝕有利。但由于飽和蒸汽壓力提高，飽和蒸汽溫度也相應(yīng)提高，為維持一定溫差，排出廢熱鍋爐氣體的出口溫度也相應(yīng)提高。一般將出口溫度設(shè)計(jì)在270℃左右。由于中型合成氨生產(chǎn)的氣體流量較大，如果將270℃氣體的溫度降到140℃左右，則吹風(fēng)氣、上行氣、下行氣的總回收熱量相當(dāng)于1t蒸汽的熱量，顯然這種低溫小溫差有腐蝕性氣體的余熱回收采用熱管是最合適的。

根據(jù)以上情況，對中型合成氨煤造氣工段采用熱管技術(shù)可以有兩種途徑。

①在原有廢熱鍋爐后加一臺熱管低溫余熱回收裝置，將廢熱鍋爐出口270℃的氣體降至140℃，同時(shí)將下行煤氣（約200℃）也經(jīng)過熱管裝置，可以回收下行煤氣約60℃溫差的熱量。熱管裝置可以是氣-氣式的，即用回收的低溫余熱加熱進(jìn)入煤氣爐的空氣或過熱低壓水蒸汽。也可以是熱管省煤器的形式，加熱廢熱鍋爐的給水。其流程圖如圖2-5所示。


②為充分考慮設(shè)備利用率及余熱回收率，可使每一臺煤造氣爐后配一臺熱管蒸汽發(fā)生器專供上、下行煤氣余熱回收，由于上下行煤氣的發(fā)生量相差不太大，設(shè)計(jì)的傳熱面積比較合理。而將三臺煤氣爐的吹風(fēng)氣通過一個(gè)燃燒室燃燒后進(jìn)入一臺熱管廢熱鍋爐，可使設(shè)備的利用率達(dá)75%～84%。如圖2-6所示。


熱管技術(shù)的工業(yè)化成果，凝結(jié)了熱管技術(shù)開拓者、研究者和實(shí)踐者的心血，各領(lǐng)域的工程技術(shù)人員在了解熱管技術(shù)真諦和工業(yè)應(yīng)用成果后，結(jié)合各自行業(yè)工藝流程的具體情況，充分發(fā)揮熱管技術(shù)的特性和優(yōu)越性，并將其靈活應(yīng)用，定會創(chuàng)造出新的應(yīng)用成果，為節(jié)能減排、余熱回收降耗貢獻(xiàn)力量。

2.2熱管技術(shù)在民用工程節(jié)能中的應(yīng)用——熱管式新風(fēng)換熱器

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對環(huán)境的要求越來越高，尤其是在“非典”疫情發(fā)生以后，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的呼聲日益高漲。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在室、內(nèi)外新風(fēng)換熱裝置中，目前國際上流行的是傳統(tǒng)的板式和轉(zhuǎn)輪式能量回收裝置，雖然其熱交換效率尚可，但在大氣環(huán)境不理想的情況下，這些裝置存在易堵塞或空氣交叉污染、不易維修、壽命短等不利因素，而采用熱管式新風(fēng)換熱器進(jìn)行能量回收，能有效地避免上述弊端，目前，是一種適合國情的較為理想的能量回收的換熱裝置。特別是在全球傳染性疾病流行的今天，熱管式能量回收新風(fēng)換熱裝置更凸顯其獨(dú)特優(yōu)勢。由高效傳熱元件熱管組成的熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、壓降低、效率高以及不需要輔助動力等優(yōu)點(diǎn)。在基本不改變空調(diào)現(xiàn)有配置的基礎(chǔ)上，熱管式新風(fēng)換熱裝置與空調(diào)機(jī)組配套，聯(lián)合使用，在冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)先由熱管放熱段預(yù)熱后再進(jìn)入空調(diào)器內(nèi)處理后送入室內(nèi)，而室內(nèi)的回風(fēng)經(jīng)過熱管受熱段放熱后再排出室外，這樣排風(fēng)余熱得以回收，減少了空調(diào)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)能耗節(jié)省和空氣質(zhì)量品質(zhì)提高的雙贏；夏季運(yùn)行時(shí)，空氣先經(jīng)過熱管受熱段預(yù)冷后，再與室內(nèi)部分回風(fēng)混合，經(jīng)空調(diào)器冷卻盤管除濕后送入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)能耗節(jié)省和空氣質(zhì)量提高的雙贏。

這種將室內(nèi)換氣時(shí)排出的帶有一定溫度的濁空氣，利用熱管換熱器換熱，在冬季或夏季分別起到預(yù)熱或預(yù)冷進(jìn)入的新鮮空氣的作用，充分利用了余熱，節(jié)約能源，節(jié)省了電的消耗，降低了空調(diào)的運(yùn)行負(fù)荷。

3.制約熱管技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題——熱管的相容性及壽命

影響熱管可靠性和壽命的因素有很多，如圖2-7所示。其中最重要的因素是管殼、吸熱芯材料和工質(zhì)的相容性。相容性在熱管的應(yīng)用中具有很重要的意義，只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能、長期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。歸結(jié)起來，造成熱管不相容的主要形式有以下三個(gè)方面，即：產(chǎn)生不凝性氣體；工作液體熱物性惡化；管殼材料的腐蝕、溶解。只有有效地解決了熱管的不相容問題，才能使熱管這種高性能的傳熱元件實(shí)現(xiàn)長壽命、低成本，以便在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。


至今，有不少研究者都做過熱管的壽命試驗(yàn)，也證實(shí)了許多相容性數(shù)據(jù)。但是，在某研究所壽命試驗(yàn)中確認(rèn)的相容性材料，在其他研究所的壽命試驗(yàn)中可能不相容。然而，得到幾乎所有熱管研究人員公認(rèn)的是，通過合理選擇熱管的管材、工作液體、吸熱芯結(jié)構(gòu)等可使熱管長期有效地服役于其工作溫度范圍。

4.熱管技術(shù)的發(fā)展前景

根據(jù)集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)今設(shè)備技術(shù)管理的發(fā)展趨勢——安全、可靠、長周期運(yùn)行和用新技術(shù)挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力，將來我國熱管技術(shù)發(fā)展將有兩大主題：一是推廣應(yīng)用，將現(xiàn)有較為成熟的熱管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范其設(shè)計(jì)、制造、檢測質(zhì)量，使之成為工業(yè)生產(chǎn)中的常規(guī)設(shè)備，從而深入推廣熱管技術(shù)的應(yīng)用；二是開發(fā)研究，充分發(fā)揮熱管技術(shù)的特點(diǎn)，綜合其他學(xué)科，進(jìn)一步開發(fā)研究新型高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備，使一些傳統(tǒng)設(shè)備發(fā)生變革，提高系統(tǒng)的安全可靠性和效率。

迄今為止，人們對熱管技術(shù)本身的重要特點(diǎn)還缺乏深入的理解，在研究開發(fā)及推廣運(yùn)用中往往抓不住要點(diǎn)，得不到應(yīng)有的效果。因而影響開發(fā)速度和效果。確定熱管技術(shù)在工業(yè)中有重大應(yīng)用前景是基于以下熱管的幾個(gè)重要本質(zhì)特征，這些特征已為近年來的工業(yè)應(yīng)用所證實(shí)：

①熱管的二次間壁換熱特性是實(shí)現(xiàn)安全、可靠及長周期運(yùn)行的重要保證。②熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設(shè)備露點(diǎn)腐蝕及灰塵堵塞的重要技術(shù)保證。③熱管的均溫?zé)崞帘渭胺蛛x式熱管技術(shù)的完善，將可能解決化學(xué)反應(yīng)器中溫度分布不均勻、反應(yīng)過程偏離最佳反應(yīng)溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現(xiàn)的過熱分解以及核反應(yīng)堆安全殼體的散熱等等問題。④液態(tài)金屬熱管的出現(xiàn)及材料價(jià)格的下降，有可能實(shí)現(xiàn)在超高溫反應(yīng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)連續(xù)取熱。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓寬。電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻以及大功率晶體管、可控硅元件、電路控制板的冷卻，化工、動力、冶金、玻璃、輕工、陶瓷等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，特別是可再生能源的開發(fā)利用，都將促進(jìn)熱管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。