[科普中国]-热管换热器

热管简介

热管是一种具有高导热性能的传热组件，热管技术首先于1944年由美国人高格勒（R·S·Gaugler）所发现，并以“热传递装置”（Heat Transter Device）为名取得专利，当时因未显示出实用意义，而没有受到应有的重视。直到六十年代初期，由于宇航事业的发展，要求为宇航飞行器提供高效传热组件，促使美国洛斯——阿拉莫斯科学实验室的格罗弗（G·M·Grover）于1964年再次发现这种传热装置的原理，并命名为热管（Heat Pipe），首先成功地应用于宇航技术，之后引起了各国学者的极大兴趣和重视。热管技术于上世纪七八十年代进入中国。

热管通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。缺点是抗氧化、耐高温性能较差。此缺点可以通过在前部安装一套陶瓷换热器来予以解决，陶瓷换热器较好地解决了耐高温、耐腐蚀的难题。

以热管为传热元件的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。1

热管原理热管内蒸发段工质受热后将沸腾或蒸发，吸收外部热源热量，产生汽化潜热，由液体变为蒸汽，产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝结成液体，同时放出汽化潜热，并通过管壁传给外部冷源，冷凝液靠重力(或吸液芯)作用下回流到蒸发段再次蒸发。如此往复，实现对外部冷热两种介质的热量传递与交换。2

分类1、热管换热器按形式分，有整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器和蜗壳热管换热器等。

（1）整体式热管换热器

整体式热管换热器是一种最常见的热管换热器，这种换热器由一支支热管元件组成，两换热流体分别位于换热器的上、下部分。中间由管板分隔，热管悬挂在管板上，该处可采用静密封或焊接结构，视设计需要而定。

采用活动的静密封结构，方便热管的维修、清洗；焊接结构密封可靠，两边流体没有泄漏的隐患。

整体式热管换热器一般用于气体与气体的热交换。为克服气体间换热的换热系数不高的问题，热管两端的外壁传热面积利用翅片作适度扩展，这样处理，不仅强化了管外传热。也有效地减少了换热器的体积和重量，节约了金属耗材，可以得到一个高性价比的换热器。

一些小型的气一液式换热器、气一汽式热管换热器和余热锅炉等也往往制作成整体式。而对于换热量大、结构庞大、液体或蒸汽的压力也较高的热管换热器。考虑到壳体和管板的强度问题，往往不宜采用整体式。条件允许的情况下。可以设计成一个个小的换热器单元，然后把它们串联、组合起来。

（2）分离式热管换热器

分离式热管换热器是换热器中的一种独特的结构形式，这种换热器布置灵活，变化随意。它可以实现远距离热量交换；可以实现一种流体和几种流体同时换热；可以完全隔绝两种或多种换热流体。分离式热管的加热段和冷凝段分别置于两个独立的换热流体通道中，热管内部的工作液体在加热段吸热蒸发后通过蒸汽，上升管输送热量到冷凝段，放热冷凝后通过冷凝液下降管回流到加热段。

冷凝液回流依赖重力的作用。分离式热管换热器的加热蒸发段与放热冷凝段之间的距离取决于两者间的高度差，同时也与蒸汽沿管路流动的压力损失有关。理论上，加热蒸发段与放热冷凝段的高度差越大，蒸汽上升管径越大，两者间的距离就可以越远，以确保热管正常进行工作循环。

蒸汽上升管和冷凝液下降管需要实施严格的绝热保温，以避免沿途不必要的热量损失。

分离式热管的每个传热单元的内部容积比单支热管要大得多。水为工质的管内液体介质在工作时的温度和蒸汽压力较高，在管排以及上升管、下降管的焊接节点很多的情况下，强度问题需要设计人员引起足够的重视。在内部空间容积和承压达到一定数值时，管束必须按照压力容器的相关规范设计、制造和检验。

在充分利用分离式热管换热器所具有的优点时，还要注意克服它的一些缺点。例如，现场制作连接管路比较复杂，工作液体的充装、换热管束真空度的形成都比较困难，连接管路沿途的保温绝热、热胀冷缩等设计也不容忽视。

2、按功能分，热管换热器可分为：气—气式、气-汽式、气—液式、液—液式、液—气式。

3、常见的还有热管废热锅炉(或称为热管蒸汽发生器)。

热管废热锅炉热管废热锅炉是一种实用性很强、结构可靠且热效率较高的蒸汽发生设备。

热管废热锅炉的形式主要有两种：整体式和分体式。3

主要特点热管换热器的结构有别于其他形式的换热器。热管换热器具有一些显著特点：传热效率高，结构紧凑，换热流体阻力损失小，外形变化灵活，环境适应性强。

1、热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易燃、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。

2、热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。

3、对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。

4、热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。4

工业用途化学工业1、硫酸系统热管换热器回收焚烧炉出口高温SOx气体的余热、在转化工段回收高温气体的余热，产生热水或蒸汽供系统使用。

2、 医药、日化工业热管换热器可用于回收药气或废气的余热，生产清洁热风，干燥物料。

3、 利用可变热导热管可对反应床层进行恒温控制的同时，取出或输入反应热。

4、 大型化肥厂合成对流段盘管；中、小型氮肥厂造气工程、变换工段，利用热管式蒸发器回收工艺气余热产生蒸汽供合成氨系统使用，变换工段一、二水加热器。

5、 甲醇转化炉对流段盘管。

6、 苯酐装置热容器。5

电力工业利用热管换热器可作为各种锅炉的尾部受热面。如热管式空气预热器可替代传统的回转式空气预热器和列管式空气预热器，提高受热面壁温，避免露点腐蚀，提高炉膛进风温度和炉膛含氧量，减少漏风，延长锅炉运行周期。

1、工业锅炉尾部的热管空气预热器．热管式省煤器或翅片管省煤器。

2、电站锅炉尾部的热管空气预热器可分下列几种用途：

（1）在原低温段空气预热器的空气入口前设置一热管式空气预热器，进一步降低锅炉排烟温度，减少排烟热损，提高锅炉效率；

（2）整个低温段空气预热器均为热管式结构；

（3）用锅炉排放的热烟气加热脱硫后的冷烟气，即电站脱硫的GGH。

3、燃气锅炉对流段后部。

4、电力输送线路的保护，在高海拔及寒冷地区的电力输送塔、变电站等都需要热管来保护其地基不会因季节变化而过度膨胀或者融沉。

石油化工1、 炼油厂的常压炉、减压炉、常减压二合一炉、加氢炉．减粘炉、重整炉等，利用热管式空气预热器回收出炉烟气的余热加热空气，以提高加热炉的送风温度。

2 炼油厂催化装置再生烟气和各种内、外取热器的余热回收，可产生中压蒸汽并用于动力系统。

3、乙烯裂解炉对流段盘管、炼油厂加热炉对流段盘管。

冶金工业1、炼铁厂用高炉烟气来预热空气、煤气的单预热或双预热整体式或分离式热管换热器，回收热风炉烟气余热，节约煤气，提高热风炉的升温速度、炉顶温度和送风温度 降低炼铁焦比，节约焦炭。

2、利用热管式蒸汽发生器或翅片管式蒸汽发生器回收各种带冷机和环冷机所输送的烧结矿的显热，产生蒸汽。

建材建筑对于水泥、陶瓷等建材行业，利用换热器回收窑炉烟气的余热，产生热风或热水。如热管式热风炉或热管．列管组合式热风炉，可产生500℃以下的热风，干燥清洁物料。建筑业热管式空气预热器可用于室外的新鲜空气和室内的浑浊空气之间的热交换；在集中空调制冷机组中，利用热管换热器口收废气余热产生低压蒸汽供空调制冷机组使用。

交通工程近10年来，热管技术在交通工程上有很大的拓展，解决了很多以往几十年都没有解决的问题，比如高寒高海拔地区的道路、桥梁、石油管线的保护，越来越多地以来热管元件了。最具有代表性的是我国青藏铁路的建设，青藏铁路穿过很多冻土区域，因环保的要求，不能随意采取措施来保护铁路而去破坏土壤环境，热管不但能满足环保的要求，也能满足保护铁路的要求，它的工作原理只是在冬天的时候，通过传热，自动地缩小地上与地下的温差，从而使冻土在夏天不致融化，以达到保护铁路路基的目的。

石油天然气工业高寒冷地区的石油或者其他流体的输送管线也会因季节的变化，导致管线的基础也会因季节的变化而变形，这种变化会破坏管线，导致重大事故。同时管道内的流体与管道摩擦也会产生大量的热量，这些热量累积起来非常客观，长期以往会对环境产生毁灭性的破坏，美国在建设阿拉斯加输油管线的时候，为了保护那里的永冻土层，在管线沿线设立了大量的热管以阻止管线热量向地下传播。

电子工业在电子工业领域，热管散热器也逐渐流行开来，这些散热器相比以往的普通的风冷或者水冷的方式来说，大大地节约了成本、降低的噪音、减少了空间要求、最关键的散热效率是以往方式不可比拟的。小到笔记本里面，大到高铁动车里面都会用到新型的热管散热器。

其他行业除上述热管应用以外，在其他方面，热管同样有着很广泛的应用。诸如太阳能的热管取热发电装置、电机转子冷却的热管结构、家用热管太阳能集热装置、高寒地区冻土层热管稳定技术等，有力地推动了技术进步和国民经济的发展。5

热管换热器存在的问题要想使热管换热器性能达到最佳，并应用于更多场合，还需要解决以下几个问题：

1、能够找到一种适合各种工作温度的工质，而不影响换热器的效率和可靠性；

2、热管的直径、翅片高、翅片厚度等结构尺寸的确定没有准确的依据，而这些参数对热管性能影响较大；

3、灰尘较多的烟气易加速热管的磨损或使热管易积灰，降低换热能力；

4、热管散热器结构相对较复杂，工艺性要求较高，成本较高。