熱管換熱器

熱管是一種具有高導熱性能的傳熱組件，熱管技術首先於1944年由美國人高格勒（R·S·Gaugler）所發現，並以“熱傳遞裝置”（Heat Transter Device）為名取得專利，當時因未顯示出實用意義，而沒有受到應有的重視。直到六十年代初期，由於宇航事業的發展，要求為宇航飛行器提供高效傳熱組件，促使美國洛斯——阿拉莫斯科學實驗室的格羅弗（G·M·Grover）於1964年再次發現這種傳熱裝置的原理，並命名為熱管（Heat Pipe），首先成功地應用於宇航技術，之後引起了各國學者的極大興趣和重視。熱管技術於上世紀七八十年代進入中國。

熱管通過在全封閉真空管殼內工質的蒸發與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等温性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制温度等一系列優點。缺點是抗氧化、耐高温性能較差。此缺點可以通過在前部安裝一套陶瓷換熱器來予以解決，陶瓷換熱器較好地解決了耐高温、耐腐蝕的難題。

以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小、有利於控制露點腐蝕等優點。目前已廣泛應用於冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械等行業中，作為廢熱回收和工藝過程中熱能利用的節能設備，取得了顯著的經濟效益。 ^[1] 

熱管內蒸發段工質受熱後將沸騰或蒸發，吸收外部熱源熱量，產生汽化潛熱，由液體變為蒸汽，產生的蒸汽在管內一定壓差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝結成液體，同時放出汽化潛熱，並通過管壁傳給外部冷源，冷凝液靠重力(或吸液芯)作用下回流到蒸發段再次蒸發。如此往復，實現對外部冷熱兩種介質的熱量傳遞與交換。 ^[2] 

1、熱管換熱器按形式分，有整體式熱管換熱器、分離式熱管換熱器、迴轉式熱管換熱器和蝸殼熱管換熱器等。

（1）整體式熱管換熱器

整體式熱管換熱器是一種最常見的熱管換熱器，這種換熱器由一支支熱管元件組成，兩換熱流體分別位於換熱器的上、下部分。中間由管板分隔，熱管懸掛在管板上，該處可採用靜密封或焊接結構，視設計需要而定。

採用活動的靜密封結構，方便熱管的維修、清洗；焊接結構密封可靠，兩邊流體沒有泄漏的隱患。

整體式熱管換熱器一般用於氣體與氣體的熱交換。為克服氣體間換熱的換熱係數不高的問題，熱管兩端的外壁傳熱面積利用翅片作適度擴展，這樣處理，不僅強化了管外傳熱。也有效地減少了換熱器的體積和重量，節約了金屬耗材，可以得到一個高性價比的換熱器。

一些小型的氣一液式換熱器、氣一汽式熱管換熱器和餘熱鍋爐等也往往製作成整體式。而對於換熱量大、結構龐大、液體或蒸汽的壓力也較高的熱管換熱器。考慮到殼體和管板的強度問題，往往不宜採用整體式。條件允許的情況下。可以設計成一個個小的換熱器單元，然後把它們串聯、組合起來。

（2）分離式熱管換熱器

分離式熱管換熱器是換熱器中的一種獨特的結構形式，這種換熱器佈置靈活，變化隨意。它可以實現遠距離熱量交換；可以實現一種流體和幾種流體同時換熱；可以完全隔絕兩種或多種換熱流體。分離式熱管的加熱段和冷凝段分別置於兩個獨立的換熱流體通道中，熱管內部的工作液體在加熱段吸熱蒸發後通過蒸汽，上升管輸送熱量到冷凝段，放熱冷凝後通過冷凝液下降管迴流到加熱段。

冷凝液迴流依賴重力的作用。分離式熱管換熱器的加熱蒸發段與放熱冷凝段之間的距離取決於兩者間的高度差，同時也與蒸汽沿管路流動的壓力損失有關。理論上，加熱蒸發段與放熱冷凝段的高度差越大，蒸汽上升管徑越大，兩者間的距離就可以越遠，以確保熱管正常進行工作循環。

蒸汽上升管和冷凝液下降管需要實施嚴格的絕熱保温，以避免沿途不必要的熱量損失。

分離式熱管的每個傳熱單元的內部容積比單支熱管要大得多。水為工質的管內液體介質在工作時的温度和蒸汽壓力較高，在管排以及上升管、下降管的焊接節點很多的情況下，強度問題需要設計人員引起足夠的重視。在內部空間容積和承壓達到一定數值時，管束必須按照壓力容器的相關規範設計、製造和檢驗。

在充分利用分離式熱管換熱器所具有的優點時，還要注意克服它的一些缺點。例如，現場製作連接管路比較複雜，工作液體的充裝、換熱管束真空度的形成都比較困難，連接管路沿途的保温絕熱、熱脹冷縮等設計也不容忽視。

2、按功能分，熱管換熱器可分為：氣—氣式、氣-汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式。

3、常見的還有熱管廢熱鍋爐(或稱為熱管蒸汽發生器)。

熱管廢熱鍋爐熱管廢熱鍋爐是一種實用性很強、結構可靠且熱效率較高的蒸汽發生設備。

熱管廢熱鍋爐的形式主要有兩種：整體式和分體式。 ^[3] 

熱管換熱器的結構有別於其他形式的換熱器。熱管換熱器具有一些顯著特點：傳熱效率高，結構緊湊，換熱流體阻力損失小，外形變化靈活，環境適應性強。

1、熱管換熱器可以通過換熱器的中隔板使冷熱流體完全分開，在運行過程中單根熱管因為磨損、腐蝕、超温等原因發生破壞時基本不影響換熱器運行。熱管換熱器用於易燃、易爆、腐蝕性強的流體換熱場合具有很高的可靠性。

2、熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，可以比較容易的實現冷、熱流體的逆流換熱。冷熱流體均在管外流動，由於管外流動的換熱係數遠高於管內流動的換熱係數，用於品位較低的熱能回收場合非常經濟。

3、對於含塵量較高的流體，熱管換熱器可以通過結構的變化、擴展受熱面等形式解決換熱器的磨損和堵灰問題。

4、熱管換熱器用於帶有腐蝕性的煙氣餘熱回收時，可以通過調整蒸發段、冷凝段的傳熱面積來調整熱管管壁温度，使熱管儘可能避開最大的腐蝕區域。 ^[4] 

1、硫酸系統熱管換熱器回收焚燒爐出口高温SOx氣體的餘熱、在轉化工段回收高温氣體的餘熱，產生熱水或蒸汽供系統使用。

2、 醫藥、日化工業熱管換熱器可用於回收藥氣或廢氣的餘熱，生產清潔熱風，乾燥物料。

3、 利用可變熱導熱管可對反應牀層進行恆温控制的同時，取出或輸入反應熱。

4、 大型化肥廠合成對流段盤管；中、小型氮肥廠造氣工程、變換工段，利用熱管式蒸發器回收工藝氣餘熱產生蒸汽供合成氨系統使用，變換工段一、二水加熱器。

5、 甲醇轉化爐對流段盤管。

6、 苯酐裝置熱容器。 ^[5] 

利用熱管換熱器可作為各種鍋爐的尾部受熱面。如熱管式空氣預熱器可替代傳統的迴轉式空氣預熱器和列管式空氣預熱器，提高受熱面壁温，避免露點腐蝕，提高爐膛進風温度和爐膛含氧量，減少漏風，延長鍋爐運行週期。

1、工業鍋爐尾部的熱管空氣預熱器．熱管式省煤器或翅片管省煤器。

2、電站鍋爐尾部的熱管空氣預熱器可分下列幾種用途：

（1）在原低温段空氣預熱器的空氣入口前設置一熱管式空氣預熱器，進一步降低鍋爐排煙温度，減少排煙熱損，提高鍋爐效率；

（2）整個低温段空氣預熱器均為熱管式結構；

（3）用鍋爐排放的熱煙氣加熱脱硫後的冷煙氣，即電站脱硫的GGH。

3、燃氣鍋爐對流段後部。

4、電力輸送線路的保護，在高海拔及寒冷地區的電力輸送塔、變電站等都需要熱管來保護其地基不會因季節變化而過度膨脹或者融沉。

1、 煉油廠的常壓爐、減壓爐、常減壓二合一爐、加氫爐．減粘爐、重整爐等，利用熱管式空氣預熱器回收出爐煙氣的餘熱加熱空氣，以提高加熱爐的送風温度。

2 煉油廠催化裝置再生煙氣和各種內、外取熱器的餘熱回收，可產生中壓蒸汽並用於動力系統。

3、乙烯裂解爐對流段盤管、煉油廠加熱爐對流段盤管。

1、鍊鐵廠用高爐煙氣來預熱空氣、煤氣的單預熱或雙預熱整體式或分離式熱管換熱器，回收熱風爐煙氣餘熱，節約煤氣，提高熱風爐的升温速度、爐頂温度和送風温度 降低鍊鐵焦比，節約焦炭。

2、利用熱管式蒸汽發生器或翅片管式蒸汽發生器回收各種帶冷機和環冷機所輸送的燒結礦的顯熱，產生蒸汽。

對於水泥、陶瓷等建材行業，利用換熱器回收窯爐煙氣的餘熱，產生熱風或熱水。如熱管式熱風爐或熱管．列管組合式熱風爐，可產生500℃以下的熱風，乾燥清潔物料。建築業熱管式空氣預熱器可用於室外的新鮮空氣和室內的渾濁空氣之間的熱交換；在集中空調製冷機組中，利用熱管換熱器口收廢氣餘熱產生低壓蒸汽供空調製冷機組使用。

近10年來，熱管技術在交通工程上有很大的拓展，解決了很多以往幾十年都沒有解決的問題，比如高寒高海拔地區的道路、橋樑、石油管線的保護，越來越多地以來熱管元件了。最具有代表性的是我國青藏鐵路的建設，青藏鐵路穿過很多凍土區域，因環保的要求，不能隨意採取措施來保護鐵路而去破壞土壤環境，熱管不但能滿足環保的要求，也能滿足保護鐵路的要求，它的工作原理只是在冬天的時候，通過傳熱，自動地縮小地上與地下的温差，從而使凍土在夏天不致融化，以達到保護鐵路路基的目的。

高寒冷地區的石油或者其他流體的輸送管線也會因季節的變化，導致管線的基礎也會因季節的變化而變形，這種變化會破壞管線，導致重大事故。同時管道內的流體與管道摩擦也會產生大量的熱量，這些熱量累積起來非常客觀，長期以往會對環境產生毀滅性的破壞，美國在建設阿拉斯加輸油管線的時候，為了保護那裏的永凍土層，在管線沿線設立了大量的熱管以阻止管線熱量向地下傳播。

在電子工業領域，熱管散熱器也逐漸流行開來，這些散熱器相比以往的普通的風冷或者水冷的方式來説，大大地節約了成本、降低的噪音、減少了空間要求、最關鍵的散熱效率是以往方式不可比擬的。小到筆記本里面，大到高鐵動車裏面都會用到新型的熱管散熱器。

除上述熱管應用以外，在其他方面，熱管同樣有着很廣泛的應用。諸如太陽能的熱管取熱發電裝置、電機轉子冷卻的熱管結構、家用熱管太陽能集熱裝置、高寒地區凍土層熱管穩定技術等，有力地推動了技術進步和國民經濟的發展。 ^[5] 

要想使熱管換熱器性能達到最佳，並應用於更多場合，還需要解決以下幾個問題：

1、能夠找到一種適合各種工作温度的工質，而不影響換熱器的效率和可靠性；

2、熱管的直徑、翅片高、翅片厚度等結構尺寸的確定沒有準確的依據，而這些參數對熱管性能影響較大；

3、灰塵較多的煙氣易加速熱管的磨損或使熱管易積灰，降低換熱能力；

4、熱管散熱器結構相對較複雜，工藝性要求較高，成本較高。