一、热管换热器的定义与原理
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管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。
热管式换热器：是指利用热管原理实现热交换的换热器。有若干支热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体内构成，中热管式换热器是指利用热管原理实现热交换的换热器。热管换热器有若干支热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体内构成，中隔板与热管加热段、冷却段及相应的壳体内腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道申横掠热管束连续流动实现传热。热管换热器多用于余热回收工程。
热管换热器涉及换热器结构的改进，尤其是热烟道上的换热器结构的改进；解决以往烟道中换热器传热效率低的问题；该热管换热器是由炉体、集灰池墙体、隔板、隔墙板、换热管、挡水板、进、出水管构成，其主要改进是在下部构成集灰池，在上面的储水池中安装挡水板；热管换热器优点是消除受热介质直流现象，使受热介质受热均匀，提高传热效率，再加上在下部设置了集灰池，使换热管减少灰尘的沉积，提高了传热效率；该热管换热器可以广泛的安置在热烟道中，热管换热器尤其是安置在窑炉排烟道中回收利用余热效果明显，受热介质可以取暖、可以洗浴。
热管换热器的特点结构简单，换热效率高；压力损失小；安全可靠；灵活调温。热管换热器的类型与结构按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气-气式、气-液式、液-气式；从热管换热器结构形式来看，热管换热器又可分为整体式热管换热器、分离式热管换热器、回转式热管换热器和组合式热管换热器。
利用热管能够方便地在热源与冷源间实现热传递，把若干支路热管组装成一体， 中间用隔板把热管的蒸发段和凝结段隔开，形成了冷、热介质的流道，把热源中的热量源源不断地传给冷源，这种热管元件的组装体就是热管换热器。
典型的热管换热器，其外形一般为长方体，主要部件为热管管束、外壳、隔板。热管的蒸发段和凝结段被隔板隔开。热管管束、外壳、隔板组成了冷、热流体的流道。隔板对热管管束起部分支撑作用，其主要功能是密封流道， 以防止两种流体的相互渗透。热管元件的蒸发段和凝结段外壁均加装翅片，其目的是强化整个传热过程；两侧流体均为垂直横掠流动，提高了传热系数。为防止烟气积尘堵塞，烟气侧翅片间距较大；在空气侧，气流较清洁，为获得较高的翅化系数，肋片间距可取小些。热管管束一般为错列布置， 这样可使放热系数提高。热管管束安装位置有水平、倾斜和垂直三种。
二、热管换热器的分类
从热管换热器结构型式来看， 其可分为整体式、分离式、回转式和组合式。
1、热管空气预热器
应用场合：从烟气中吸收余热，加热助燃空气，以降低燃料消耗，改善燃烧工况，从而达到节能的目的；也可从烟气中吸收余热，用于加热其他气体介质如煤气等。
设备优点：
因为属气—气换热，两侧皆用翅片管，传热效率高，为普通空预器的5—8倍；
因为烟气在管外换热，有利于除灰；
因每支热管都是独立的传热元件，拆卸方便，且允许自由膨胀；
通过设计，可调节壁温，有利于避开露点腐蚀。
结构型式:有两种常用的结构型式即：热管垂直放置型，烟气和空气反向水平流动，见图1；热管倾斜放置型，烟气和空气反向垂直上下流动，见图2。
2、热管省煤器
应用场合：从烟气中吸收热量，用来加热给水，被加热后的水可以返回锅炉（作为省煤器），也可单独使用（作为热水器），从而提高能源利用率，达到节能的目的。
设备优点：
烟气侧为翅片管，水侧为光管，传热效率高；
通过合理设计，可提高壁温，避开露点腐蚀；
可有效防止因管壁损坏而造成冷热流体的掺混；
结构型式：根据水侧加热方式的不同，有两种常用的结构型式：水箱整体加热式（多采用热管立式放置）和水套对流加热式（多采用热管倾斜放置），如图3所示
3、热管余热锅炉
应用场合：应用热管作为传热元件，吸收较高温度的烟气余热用来产生蒸汽，所产生的蒸汽可以并倂入蒸汽管网（需达到管网压力），也可用于发电（汽量较大且热源稳定）或其他目的。对钢厂，石化厂及工业窑炉而言，这是一种的余热利用形式。
设备优点：
每支热管都是一个独立的传热单元，可根据不同的温度水平而设计；
根据需要可选择易拆卸的热管结构，使检修和安装更方便；
热管彻底隔离了热源和冷源，不会产生冷热流体的掺混；
烟气侧为管外换热，除灰容易。
结构型式：有两种结构型式，见图a和图b。图a为汽包内直接沸腾式，即热管的冷却段直接伸入汽包内，使汽包内的水产生沸腾；图b为套管内沸腾式，即热管的冷却段被水套管包围，使套管内的水在流动状态下沸腾，所产生的蒸汽再汇入汽包。
三、热管换热器主要特点：
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，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺杂。所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀等流体的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、热流体的完全逆流换热；同时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，且两侧受热面均可采用扩展受热面。用于品位较低的热能的回收非常经济。
3、对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损堵灰问题。
4、热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时，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，使热管尽可能避开的腐蚀区域。
四、热管换热器应用中常见的问题及对策
热管换热器的核心元件是热管， 它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。但在工业应用中仍然存在一些问题， 极大地限制了热管技术的使用和发展。因此， 有必要对这些问题进行研究探索， 以找到合理的解决办法。
1、热管的相容性问题及对策
管壳材料与工质的化学相容性问题， 如钢—水热管中存在着化学反应和电化学反应， 这是一种不可避免的金属腐蚀过程， 只能抑制或延缓而不可能消除， 目前采取的主要对策如下。
1）碳钢管材的高温蒸汽表面钝化。采用该办法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色 Fe304 钝化层， 这是一种稳定性极好的保护膜。具体做法是将净化后的碳钢管加热至 500-600℃后， 冲以水蒸气使表面钝化， 此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Fe304氧化层。
2）碳钢管材的化学液钝化。该方法采用氧化性化学试剂使管壁生成 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。目前钝化液配方主要采用重铬酸钾。具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内， 在一定温度下浸泡一定的时间， 让管壁内生成一层致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 氧化膜。
3）工质内添加缓蚀剂。在工质中添加缓蚀剂是为了使管壁表面产生更为均匀与致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。缓蚀剂一般与化学钝化联合使用， 缓蚀剂可以对破坏的局部钝化膜起到修补的作用。缓蚀剂品种很多， 一般采用阳极型缓蚀剂， 其管壁缓蚀效果较好， 具体做法是在工质内添加 １％～３％的重铬酸钾。
4）排放法和渗透法。排放法是在热管冷凝端部装上排气阀， 必要时打开阀将积累的氢气排放出去； 渗透法则是在热管冷凝端部装上钯管， 让所产生的氢气随时渗透出去。
5）氧化除氢法。根据化学理论， 标准电极电位为正值元素的氧化物都可被氢还原出来。常见的铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应， 只是反应的温度和速度不同。２０ 世纪９０ 年代初氧化除氢技术就开始了推广应用， 反应温度一般在 １５０℃以上， 工业应用受到一定限制。
目前， 一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用， 在常温下就可快速进行除氢反应。这一技术的推广应用， 将极大提高热管的使用寿命。
由于化学钝化膜不稳定， 排放法和渗透法不易操作， 高温蒸汽钝化所需场地、设备投资较大， 因此， 较好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。
2、热管的积灰问题及对策
在热管余热回收设备中， 热管积灰是普遍存在的问题， 积灰增加了受热面热阻， 降低设备的传热能力。积灰减少流体的通道面积， 增加流动阻力，降低换热表面温度， 造成低温露点腐蚀很多。余热回收设备由于积灰严重不能正常运行， 甚至被迫停用。因此对积灰问题应给予高度重视。防止和减少积灰的对策如下。
1）根据流体含尘的状况， 合理选择换热设备及其传热元件的结构形式， 主要是合理选择热管外翅片结构。
气相换热的热管换热器， 管外均采用加肋强化传热， 翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片， 这些翅片的结构紧凑， 肋化比高， 效果明显， 缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到１２～２０ｍｍ， 在某些情况下也会出现严重积灰， 因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构：（1）轴对称单列纵向直肋翅片；（2）钉头管。钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于黏结性积灰部位， 如用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉， 使用多年一直无积灰堵塞现象。
换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数， 它影响换热设备的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法， 这种方法的不足就是随着设备内温度的下降， 出口处的密度、动力黏度、导热系数有明显变化， 从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力下降， 造成换热设备积灰。
解决该问题可采用变截面设计法， 以等体积流速法代替等质量流速法。如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化， 随着烟气温度的降低， 将换热设备的流通面积减小， 以保证进出口具有相同的自清灰能力。
2)改变换热设备内流体的流速， 以减少或清除积灰。
3)采用化学清灰剂清灰。
3)吹扫和用机械方法清除管束表面积灰。
3、热管的露点腐蚀及对策
当热管换热器在低温烟气中使用时， 常遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下，在烟气出口侧 （在没有前置预热器的情况下） 最后几排热管也存在低温露点腐蚀。解决露点腐蚀问题可以从以下几方面入手。
1)控制排烟温度。根据烟气的露点温度合理确定排烟温度， 一般排烟温度应高于露点温度 ２０～３０℃， 冬季排烟温度应适当提高。
2)增设前置预热器， 提高空气入预热器的温度， 可有效防止露点腐蚀。
3)对空气风道进行旁路设计， 当烟气温度和环境温度较低时， 可将部分换热后空气混合到冷空气中， 以提高空气的入口温度。
4)进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数， 提高热管换热器的壁温， 防止低温腐蚀。