热管主要是由管壳与管内的工作介质所组成，首先要求这两种物质，必须是化学相容的，即不起化学反应，不得生成新的物质，这主要是由工作介质的性能指标保证。天然气、冶金、电力和小氮肥厂等领域进行余热回收和热量转换。在上述领域中热管换热器工作的环境条件一般是很差的，如积灰、结垢、热阻大、影响传热；磨损大影响热管的工作寿命，接触热阻大影响传热，高温腐蚀和低温腐蚀影响热管工作安全和寿命等。

热管的概念最早出现于20世纪40年代,由美国通用汽车公司Gaugler提出。60年代,美国的科学家发明了热管换热器,后经过各国技术人员不断研究改进,已经取得了很大的进展。我国于70年代开始进行热管研究,80年代台热管换热器问世。目前,在我国用于余热回收的热管换热器取得了良好效果,并积累了一定的使用经验,用于余热回收的热管换热器已进入定型生产和标准化阶段。　　笔者于1996年初对苏南某砂轮厂的生产工艺流程进行了仔细研究,对各个重要环节的工艺参数进行了长时间的仔细测量,并提出了使用热管换热器进行工艺流程改造的建议。

        一、热管换热器的生产与发展

        热管换热器是蒸发-冷凝型的换热设备，靠工质在管内的状态变化实现热量的传输，当热管换热器热管一端受热时管内工质汽化，汽化后蒸汽向另一端流动，遇冷凝结向散热区放出潜能。冷凝液籍毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环热管将大量热量从加热区传递到热管换热器散热区。热管换热器热量传递是通过工质的相变过程进行的。

        热管式换热器在美国、日本等国家已经商品化、系列化，目前热管式换热器还正在向大型化发展。如日本最近设计了热负荷高达11.16MW的大型热管换热器。我国南京工业大学也于1980年试制陈宫了1.51*10的五次方W、传热面积为5.386m2的热管换热器。该换热器安装在南京炼油厂，作为裂化的热炉的空气预热器，运行情况良好。

        二、热管式换热器的原理与机构结构

        热管式换热器，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；其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，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。

        我公司生产的热管系热管换热器由两端密封的铝轧翅片管，内壁加工有槽道，经清洗并抽成高真空后注入液态工质而成。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段分隔开，构成热管散热器。

        本系列热管换热器产品中隔板采用了有效的密封装置，做到分隔严密互不渗漏，热管元件便于组装，拆卸，清洗和更换。当温度变化时，元件自由胀缩。热管换热器可全年使用，配有季节转换装置，当冬季交替时，可旋转5℃～7℃，使热气流吹向热管换热器的低端

        三、热管式换热器特点

        热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且热管式换热器还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。

　　热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后注入液态工质而成，随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。

　　将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。

        四、热管式换热器设计注意事项

        热管换热器设计注意事项：

　　a. 低温热管适用于温度-40℃~80℃，全年可使用，回收冷量时，角度与热量相反。

　　b. 迎面风速宜采用1.5~3.5 m/s。

　　c. 冷、热端之间的间隔板，采用双层结构，可杜绝因漏风而造成交叉污染。

　　d. 换热器可垂直或水平安装，既可以几个并联，也可以几个串联。

　　e. 当气流的含湿量较大时，（此时有潜热回收，可作为余量）

　　f. 应设计凝水排除装置。

　　g. 启动换热器时，应使冷、热气流同时流动，或使冷气流先流动，停止时，应使冷、热气流同时停止，或先停止热气流。

　　辽宁省能源论证会对于"热管式换热器"的结论为：“该装置是二级加热设备，级用KLS系列低温热管换热器回收排风余热来预热新风。第二级选用通风工程常用的SRZ型空气加热器，二级串联一体，结构新颖，工程实用，是集中供暖、通风于一体的新型节能补风加热机组。该产品使用的排风余热回收装置是KLS型热管换热器，这种热管换热器经国家机械委和北京市科委鉴定认为该产品结构紧凑，性能可靠，运行维护方便。

        五、热管换热器与转轮换热器的比较

        热管换热器：

        热管换热器集所有优点于一身，无运动部件，对风速无限制，效率高，风速低，冷凝水易于排出，无能量要求，完全不动无交叉感染，使用寿命长，可免于维修。

        2转轮换热器

        转轮为接触式换热，每分钟转动10-12圈，转轮在高温区吸收热量，转轮在冷区放出热量，为了提高换热效率，就要使膜片做成波纹状（不利于灰尘的清除），需要动力装置。
缺点为：

        （1）在热区中吸收热量的热轮转到冷区时，由于速度较快，露水不一定释放完毕，与灰尘易于形成灰垢附着在换热器表面，增大阻力，降低回收效率。

        （2）气流与转动方向成90°夹角，产生不平衡力矩，转轮两侧在过渡季节灰尘附着不一样，使重量不一样，转轮在向上转和向下转时重量也不一样，使电机受力不平衡，容易烧毁电机。

        热管换热器与板式换热器的比较

        热管式换热器采用热管作为换热元件，热管是在高真空的管子里充入工质，利用饱和工质相变时产生的气化潜热传递热量，传热能力是铜的一万倍，因此被称作“超热导体”。热管无运动部件，性质稳定，无须维修，使用寿命长（12年以上），工作特别可靠，这也是热管被用于宇宙空间的主要原因（在那里很难维修）。

        热管换热器

        1 翅片为光滑表面，气流左右逆流通过，可以得到的换热效果，换热效率60%-70%。

         2 结构上不受气流速度的限制，不容易脏堵，换热效率稳定。

        3 进，排气流分割严密，完全没有交叉污染。

        4 没有运行费用，基本无需维修，寿命长（12年以上）

        板式热管换热

        气流是单数层进气，双数层排气，气流在层之间流动，会使换热膜片扰动，气流大时，产生强大的阻力和噪声，甚至吹破膜片，结构受气流限制，只能做成叉流（降低阻力和噪音），并限制在低风速下使用。

        缺点：

        1 在大风量下，厂家很难保证按国家标准的尺寸制作。

        2 逆流：叉流：顺流的换热效率=1：0.75：0.5

         六、热管式换热器清洗

        热管换热器的清洗可用机械化或化工法，应根据清晰地场所、范围、除垢难易程度、垢的性质来决定。凡不溶于酸碱的溶剂的污垢宜采用机械法。热管式换热器化学法适用于形状复杂的热管换热器的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。

??? 相对于热管换热器的清晰以上两种方法是目前最有效地清晰方法。也是最经济实惠的。

        七、热管式换热器的应用

        1、热管换热在热能回收装置方面的应用

        热管式换热器在工业等各个领域已获得广泛应用。如液态金属热管式换热器已经广泛应用于动力工程中。中温热管换热热管，在电子技术中用来冷却一些器件。低温热管换热，在通信中用来冷却红外传感器，参量放大器以及激光系统。随着热管技术的发展，其应用范围与日俱增。

        2、热管式换热器在热管回收装置方面的应用

        热管换热回收装置用于回收工业生产过程以及采暖，通风和空气调节系统排出的空气或气体的热能。热回收装置中所用的热管，一般外表面都带有翅片。热管换热排出的热空气通过热管蒸发段上外翅片，把热量传给热管的蒸发段；而后这部分热量就从蒸发段传到冷凝段，再由冷凝段上的外翅片传给吸进的冷空气。

        3、热管式换热器在冶金过程中的应用

　　如热管换热器不能适应条件差一些的工作环境，它的工作、安全和寿命都得不到保证，那对热管换热器是极大的浪费。制造热管及其换热器，要消耗大量的材料、设备、工时和能源等，如热管换热器的工作寿命减少了一倍，那么材料、工时、能源和成本等就要增加一倍，这就是极大的浪费。如果工作寿命增加一倍，上述各项均节省了一倍，那才是真正的高效节能产品。经过长时间工作实践和调查研究和实用的例子说明，能够在上述环境中长时间工作的热管换热器，只有镍基钎焊热管换热器。

　热管换热器的核心元件是热管。热管是一种新型相变高效传热元件,其独特的传热特性引起了人们的极大兴趣,应用领域从空间扩大到地面,从工业扩展到民用[1]。然而,在热管技术蓬勃发展的今天,其在工业应用中仍然存在一些问题,会限制热管技术的使用和深入发展。笔者对这些问题进行了研究,并提出了合理的解决办法。

   1　热管相容性

   早期的热管研究人员就注意到了管壳材料与工质的化学相容性问题,早期工业应用的热管一般采用铜材管壁或钢铜复合管,产品成本很高,限制了热管技术在工业上的广泛应用。钢 水热管以其成本低、强度高、制造工艺简单及适应温度范围广得到了大家的认同,在工业上得到广泛的应用,然而钢 水热管的使用寿命不足0.5ａ,无法满足工业应用的要求。通过多年的研究人们认识到,钢 水热管中存在着化学反应和电化学反应,这是一种不可避免也不可能消除的金属腐蚀过程,只能抑制或延缓,因此,钢 水热管相容性问题的对策只能是延长热管的使用寿命[2]。

    1.1　腐蚀机理

    由于管材与工质的化学不相容性,使得钢 水热管内部发生腐蚀产生不凝气体氢气。氢气越多,换热效果越不好,氢气积聚到一定程度可以使热管完全丧失传热功能。

    1.1.1　化学反应腐蚀

    热管长时间在较高的温度下工作,钢 水会发生化学反应,在管内产生变化,其主要的化学反应过程如下：　　　
　　　　　　　　　　Ｆｅ+Ｈ2Ｏ=ＦｅＯ+Ｈ2↑
　　　　　　　　　2Ｆｅ+3Ｈ2Ｏ=Ｆｅ2Ｏ3+3Ｈ2↑
　　　　　　　　　3Ｆｅ+4Ｈ2Ｏ=Ｆｅ3Ｏ4+4Ｈ2↑
　　上述反应的结果使管壁发生腐蚀,产生ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4,同时产生一定量的不凝气体氢气。

　　除Ｆｅ3Ｏ4外,其余两种氧化层(ＦｅＯ和Ｆｅ2Ｏ3)不能阻止水的侵入,仍要与铁继续反应生成氢气。

　　1.1.2　电化学反应
　　在钢 水热管内,铁、杂质和水构成一种原电池。其中铁为阳极,杂质为阴极。杂质一般为ＦｅＣ3、石墨等,为碳钢与水中所含。水的电离度虽小,但仍有少量的ＯＨ-和Ｈ+生成。管内主要的电化学反应过程如下：　　
　　　　　　　　　　　　2Ｈ++2ｅ=Ｈ2↑
　　　　　　　　　　　　Ｆｅ-2ｅ=Ｆｅ2+
　　　　　　　　　Ｆｅ2++2ＯＨ-=Ｆｅ(ＯＨ)2↓
　　　　　　　　　　3Ｆｅ(ＯＨ)2=Ｆｅ3Ｏ4+2Ｈ2Ｏ+Ｈ2↑
　　在高温有水的条件下上述反应进行得很快,普遍认为这是导致碳钢与水不相容的主要原因。

　　1.2　对策

　　1.2.1　碳钢管材表面钝化

　　(1)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Ｆｅ3Ｏ4氧化膜钝化层,这是一种稳定性极好的保护膜。具体的做法是将净化后的碳钢管加热至500～600℃,然后冲以水蒸气进行表面钝化,此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Ｆｅ3Ｏ4氧化层。

　　(2)化学液钝化　该方法也是使管壁生成Ｆｅ3Ｏ4氧化膜钝化层,所不同的是采用氧化性化学试剂的方法。目前钝化液主要采用的试剂是重铬酸钾,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,使管壁内生成一层致密的Ｆｅ3Ｏ4氧化膜。
　　1.2.2　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密集的Ｆｅ3Ｏ4钝化层。缓蚀剂与化学钝化一般联合使用,由于制造工艺过程中不可避免会产生对局部钝化膜的破坏,这时缓蚀剂就可以起到修补的作用。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质量分数为1%～3%的重铬酸钾。

　　1.2.3　排放法和渗透法

　　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。也可在热管冷凝端部装上钯管,让产生的氢气随时渗透出去。

　　1.2.4　氧化除氢法

　　根据化学理论,标准电极电位为正值的元素的氧化物都能被氢还原出来。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,只是要求的反应温度不同,反应速度不一样。氧化除氢技术在20世纪90年代初就开始了推广应用,但要求的反应温度一般超过150℃,使其在工业中的应用受到一定限制。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,在常温下就可快速地进行除氢反应。这一技术的推广应用,必将极大地提高热管的使用寿命。

　　针对化学钝化膜不稳定、排放法和渗透法不易操作、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大的问题,我们认为的延长热管寿命的方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。

　　2　热管积灰

　　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,降低了设备的传热能力,还可以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。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行,甚至被迫停用,因此积灰已成为节能设备能否正常运行的一个主要问题。
　　2.1　形成机理
　　积灰按温度可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰,热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般为疏松式积灰,主要发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂,一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成。资料表明,当灰粒的当量直径小于3μｍ时,灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量,烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时,就吸附在金属表面或积灰表面上。另外,烟气流动时,因烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应,虽然受热面的材质是良导体,但当受热面积灰后,其表面就变成了绝缘体,很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒(当量直径小于10μｍ)吸附在其表面上,形成疏松式积灰。

　　疏松式积灰在以下条件下均可形成低温粘结性积灰:①燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物,此种聚合物极易吸附于管壁上,不容易脱落而形成粘结性积灰。②当灰垢吸收烟气中的ＳＯ3和水蒸气后转化成硫酸盐,形成粘结性积灰。

　　2.2　对策

　　2.2.1　热管管外翅片结构选择
　　气相换热的热管换热器热管外都采用加肋强化传热,翅片形式多选用穿片或螺旋形缠绕片,这些翅片结构紧凑,肋化比高,效果明显,但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体,即使翅片间距取12～20ｍｍ,在某些情况下也会出现严重积灰。对于高含尘流体,目前趋向于选择以下2种结构。

　　(1)轴对称单列纵向直肋翅片　该翅片结构简单,制作方便,相对肋化比低,不易积灰。如果将翅片做成不等高,即降低背后翅片高度,可进一步减少积灰。目前此结构的热管换热器已投入工业应用效果较好。

　　(2)钉头管　钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位。例如,在燃油加热炉的对流室中,为了减少热管换热器的积灰堵塞,将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中,投用多年无积灰堵塞现象。

　　2.2.2　流体速度及结构选择

　　换热设备内流体速度是一个重要的设计参数,它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前设计热管换热设备时多采用等质量流速法,这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降,进出口处的密度、动力粘度和导热系数明显变化,从而引起出口处流体的速度大幅下降,其结果是传热系数和自清灰能力下降,造成换热设备后排的积灰。可采用变截面设计法解决该问题,以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备,质量流量是一个常数,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,密度将增大,要维持流速一定,换热设备的流通面积将减小,所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。

　　变截面换热设备的进、出口具有相同的自清灰能力,一般认为,换热设备内介质的实际流速达到8ｍ/ｓ便可起到自清灰的作用,设计时可取流体流速为8～12ｍ/ｓ。对于可能引起严重磨损的部位,流体流速可取6～8ｍ/ｓ,以免引起管子快速磨损而导致穿孔。

　　2.2.3　清灰

　　采用化学清灰剂清灰或采用吹扫和用机械方法清除管子表面积灰[3]。这两种方法是在积灰生成以后才进行,有滞后性。

　　3　热管露点腐蚀

　　3.1　产生机理

　　当热管换热器在低温烟气中使用时,换热器热管常会产生低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下,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。根据传热学可知,烟气侧壁温主要与冷、热流体的温度,传热系数及换热面积有关,它与热流体的温度、传热系数、面积及冷流体的温度成正比,而与冷流体的传热系数和面积成反比。在冷、热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下,当冷流温度较低时,烟气侧壁温就有可能在露点温度以下而发生露点腐蚀。

　　3.2　对策

　　3.2.1　控制排烟温度[4]

　　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℃。另外,在冬、夏季环境温度相差较大的情况下,应控制不同的排烟温度,冬季排烟温度应适当提高。

　　3.2.2　增设前置预热器

　　增设前置预热器可提高空气入预热器的温度,从而有效防止露点腐蚀[5,6]。

　　3.2.3　设置旁路空气通道

　　当烟气温度或环境温度较低时,可设置相应的旁路通道,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。

　　3.2.4　调节结构参数

　　通过调节冷、热端的结构参数,可提高热管壁温,防止低温腐蚀。结构参数中,冷、热端长度的变化对壁温的变化最敏感,但热端的长度不能增加太多,否则会造成出口烟气的温度升高,单支热管传热能力下降,空气侧流动阻力增大,目前应用最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中,建议同时改变冷、热侧某一参数,这样壁温变化较快,且单排热管的传热量基本不变,不用增加管排即可保证原有的传热性能。当壁温与露点温度相差不大时,优先选择翅片高度或间距作为调温参数;当壁温与露点温度相差较大时,应选择冷端长度作为调温参数或同时调节多个参数。

　　采用这种办法逐排改变壁温低于烟气露点的最后几排热管结构,就可有效防止热管的低温腐蚀。

　　4　结论

　　(1)要延长热管的寿命,采用管内钝化、工质中添加缓蚀剂和氧化除氢技术三者协同作用的方法效果。

　　(2)减少热管积灰,采用等流速法效果较好。在高含尘介质中使用热管时,可考虑采用纵向直肋翅片管和钉头管。

　　(3)要解决热管的露点腐蚀问题,在合理控制排烟温度的同时,通过调整翅片高度,翅片间距和冷、热端长度等结构参数,可将热管壁温提高到露点温度以上,从而有效解决露点腐蚀问题。

　热管及热管换热器

　　镍基钎焊热管换热器

　　能够加工镍基钎焊热管的镍基钎焊设备，是加工热管硬件中的硬件。镍基钎焊热管换热器是许多只镍基钎热管组成的热交换器，它的性能和特点，均取决于镍基钎焊热管，其管壳一般是碳钢管，管外为碳钢翅片，一般为螺旋绕片翅片，然后通过镍基钎焊设备高温烧结而成，具有很高的热传导速率和很高的工作寿命。

　　镍基钎焊热管及其特点

　　对热管基管和外翅片进行镍基钎焊后：(1)基管和翅片的焊着率为100%；(2)焊接部位平滑；(3)焊接中无残渣；(4)该翅片管的热阻小；接触热阻为0，明显小于高频焊和铜合金焊翅片管的热阻；(5)其传热能力比高频焊翅片管高20%左右，与整体轧钢的翅片管相当。镍基钎焊管是用特种设备和工艺，将镍铬合金均匀喷涂于碳钢表面，经在保护气氛中使合金溶化，并渗入碳钢基体0.013～0.024ｍｍ，在基体表面沉积为0.025ｍｍ左右，总体形成厚度为0.05ｍｍ左右的镍铬合金层。

　　其主要特点：(1)合金的渗入层均匀、光亮、致密；(2)与镀层、涂层有根本的区别，不存在起皮或脱落的可能；(3)表面硬度是普通钢管的4倍左右；(4)耐高温和低温露点腐蚀；(5)耐冲刷和磨损、不易积灰和结垢；(6)能在含酸碱、盐等腐蚀气氛环境中长期工作；(7)价格远远低于不锈钢管一般低于不锈钢管1/4左右。根据上述有关的特点，还可以提高对流换热的速度来提高传热系数，从而进一步提高换热能力或者减小结构尺寸。

　　镍基纤焊的特种设备和工艺的应用

　　镍基钎焊设备及其工艺不仅适用于镍基钎焊热管，同样可以适用于钢和铜合金翅片管、不锈钢翅片管以及各种形式碳钢翅片管的钎焊，也适用于波纹管，以及特殊场合应用钢管等的镍基钎焊，渗入到碳钢基体和在基体表面沉积层以及总体形成厚度等，均能达到镍基钎焊热管的诸项特点。