热管式换热器在工业能源回收中的应用问题研究

热管是一种高级的导热元件，现已作为传递热量和控制温度的基本元件，广泛应用于核反应堆、电子、机电、化工、热工测量、空气调节及医疗器械等许多工业领域。由于热管具有热回收效率高、温度均匀、结构简单、工作可靠以及无运行部件等特点，现已作为重要的节能技术，广泛应用于工业余热回收。

1.热管的原理

一般轴向热管主要由密闭管壳、管芯（吸液芯）、工质（工作流体）组成，如图4-5所示。管壳一般由金属制成，两端焊有端盖。管壳内装有一层由多孔金属线网和多孔陶瓷材料构成的管芯，管内抽真空后注入某种工质，再行密封。

热管全长分为蒸发段、绝热段和冷凝段。其工作原理是在管子的一端被加热时，管芯中工质吸收蒸发热，蒸发成蒸气，由于不断产生蒸气，使压力增高。蒸气沿着中间通道流向另一端，并冷凝成液体，放出凝结热。凝结液靠吸液管芯的毛细作用或自身重力返回蒸发段，继续吸热蒸发，如此循环不已，使热量源源不断地从热管的一端传递到另一端。

图4-5 热管示意图

Ⅰ—蒸发段 Ⅱ—绝热段 Ⅲ—冷凝段

1）热管的相当热导率比良金属热导率高数倍至数千倍，且两端温差很小，一般只有1～2℃。铜棒与热管导热性的比较如图4-6所示。

热管使用的温度范围很广，为-259～2200℃，而且结构简单，运行可靠，使用寿命可达30年之久。热管材料应满足使用的温度要求，并且要耐压，有好的导热性能和化学稳定性，一般采用铜、铝、碳素钢、不锈钢、钢铜复合管等。在特殊的情况下，也可以采用非金属材料，如玻璃、陶瓷等。

2）热管的工质选择，主要取决于热管的工作温度范围，工质物理性质与工质、管壳及管芯之间的化学相容性。其具体要求是：汽化热高、热导率高、黏度低、表面张力大、适当的沸点等。

热管常用工质所适用的温度范围见表4-10。

图4-6 铜棒与热管导热性能的比较

表4-10 热管常用工质所适用的温度范围

3）在热管中蒸气或液体的流动，都需要一定的压差来克服其流动阻力，这些压差必须由管芯和液体所产生的毛细压差来加以平衡。热管常用的管芯结构如图4-7所示。图4-7a为最早采用的单一的毛细结构，由金属丝网、纺织物、玻璃纤维或烧结金属材料所组成，称为均匀结构；图4-7b为目前应用较多的一种管芯结构；图4-7c由于在轴向槽道上加了丝网，其使用效果优于图4-7b；图4-7d是在丝网和管内壁间形成了环形通道，所以称为环形通道式管芯；图4-7e由于传热量大，称为第二代热管。此外，还有板式管芯、螺纹干道管芯、不等距轴向槽道管芯等。

图4-7 热管常用的管芯结构

a）均匀管芯结构 b）轴向槽道式管芯 c）轴向槽道上加丝网的管芯 d）环形通道式管芯 e）干道式管芯（又称第二代热管） f）波纹丝网式管芯

2.热管换热管在工程上的应用流程图，如图4-8所示。

图4-8 热管换热器流程图

3.热管换热器的分类(www.xing528.com)

1）按工作温度来分：低温热管适用于-270～0℃；常温热管适用于0～200℃；中温热管适用于200～600℃；高温热管适用大于600℃以上。

2）按凝结液回流方式来分：输液芯热管是利用毛细管虹吸力原理制成；重力式热管是利用地心引力原理制成；旋转式热管是利用离心力原理制成；电场式热管是利用电场力原理制成；渗透式热管是利用渗透力原理制成。

3）按工质与外壳的组合来分：铜-水热管；钢-氨热管；不锈钢-钠热管；钢铜复合-水热管；铝-丙酮热管；钢镀铜-水热管。

4.应用

热管式空气换热器在1974年由加拿大首先用于工业炉烟道烟气余热回收，回收热量为6.8万×4.19kJ/h。美国于1976年使用了一套13.6万×4.19kJ/h热管式空气换热器，其热管直径为25.4mm，长度为1.5m，共80根。美国在1979年还使用了传热最为80.7万×4.19kJ/h的热管式空气换热器，其热管直径为51mm，长度为4.57m，共144根。日本提出了回收热量为960万×4.19kJ/h的热管式空气换热器的设计，其热管外径为25.4mm，长度为3.8m，共3456根，并推荐了一种蜗壳形的新式最佳排列方案。

我国已在炼油工业中开展了热管式换热器的试验和研究工作，如江苏某炼油厂和某化工学院合作在加热炉上做了部分烟道烟气余热回收试验，回收的余热约为15万×4.19kJ/时，其热管直径为25mm，长度为1.5m，共90根。又如西北某炼油厂加热炉上安装了一套回收余热为26.7万×4.19kJ/h的热管式换热器，其热管直径为25mm，长度为1.5m，共220根，如图4-9所示，尺寸见表4-11。该厂热管式换热器的整体布置如图4-10所示。该加热炉对流室的烟气出口温度小于350℃。为了降低热管造价，该厂选用了不带吸液芯，内壁不拉槽的重力辅助热管。该热管与国内、外热管的比较见表4-12。

图4-9 热管单管结构图

图4-10 热管式换热器整体布置示意图

表4-11 热管单管结构尺寸

表4-12 某炼油厂热管与国内外热管的比较

5.热管式换热器发展的趋势

在国外，热管式气-气换热器已得到广泛的应用，其中以暖通空调应用最多。在我国热管式换热器在工业炉烟气余热利用中也发挥着重要的作用。为此，必须考虑以下问题：

1）要研制价格低廉、使用寿命长的热管式换热器，这是个关键问题。如碳钢_-水热管，只要能很好地解决相容性问题，在回收350℃以下的烟气余热中，可以广泛应用。

2）要采用重力式和重力辅助式热管，这样可以简化热管结构，降低成本。目前国内外都在大力发展这种热管。

3）要研制适用于多灰烟气的热管，如日本在试验回转式热管换热器、流动层式热管换热器。

4）要研究利用烟气温度更高的（大于800℃）热管式换热器。

目前，国内外正在研究以煤水浆作为代油燃料，由于煤水浆在燃烧时烟气中含有大量的水蒸气，需要回收潜热，必须使烟气温度降到很低，有时甚至要降低到100℃，因此，就需要研制能回收这种汽化热的热管式换热器。

在用热管式换热器回收低温余热时，要特别注意露点的腐蚀问题，为此，热端钢管（包括筋片）应采用渗铝式喷铝材料以延长热管的使用寿命。