熱管的特性，結(jié)構(gòu)與工作原理
從熱力學的角度來看，物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處，這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象，而熱傳遞的方式有三種：輻射、對流、傳導，其中以熱傳導為zui快。1963年美國 Los Alamos 國家實驗室的 G.M.Grover 發(fā)明了一種稱作為『熱管』的傳熱組件，它充分利用熱傳導原理與致冷介質(zhì)快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到體外，導熱能力超過了任何已知金屬的導熱能力。
熱管的特性：
1.熱管傳熱能力高
因為熱管的傳熱主要靠工質(zhì)相變過程中吸收．釋放氣化潛熱和蒸汽流的傳熱，所以它的傳熱能力較其他導熱材料高幾十倍。
2.熱管的均溫特性好
熱管工作時，管內(nèi)蒸汽處于飽和狀態(tài)，蒸汽流動和相變時的溫差小，所以沿熱管蒸發(fā)端表面的溫度梯度很小，可自動地形成均勻的熱流溫度。
3.具有可變熱流密度的能力
由于熱管中的蒸發(fā)和冷凝空間是分開的，若在蒸發(fā)端輸入高熱流密度，則在冷凝端可得到低的輸出熱流密度，實現(xiàn)“熱變壓器”的作用。
4.具有良好的恒溫特性
采用一種充有惰性氣體的可控熱管，當輸入端的熱量變化時，因蒸汽壓力的變化使冷凝端的冷凝面積改變，以維持熱源溫度的恒定。
熱管典型結(jié)構(gòu)以及工作原理：
熱管由管殼﹑吸液芯和工質(zhì)組成，熱管的工作段可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。當蒸發(fā)端收熱時，通過管壁使浸透于細液芯中的工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽在蒸發(fā)和冷凝端之間所形成的壓差作用下流向冷凝端，由于冷凝端受到冷卻作用，蒸汽凝結(jié)為液體，釋放汽化潛能。冷凝后的氣體，靠吸液芯與液體相結(jié)合所產(chǎn)生的毛細力作用，將冷凝液輸送回蒸發(fā)段，以形成工作循環(huán)。
熱管的傳熱原理及其應用特點
在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的zui有效的傳熱元件之一，它可將大量的熱量通過其很小截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。上對熱管技術(shù)的研究和應用是在20世紀60年代開始的。我國在這方面的研究起始于上世紀70年代，當時主要側(cè)重的方向為電子器件冷卻和空間飛行器上的應用。80年代初，我國的熱管研究和開發(fā)重點轉(zhuǎn)向節(jié)能和能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣—氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發(fā)生器等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼—水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應用。
隨著科學技術(shù)的不斷提高，熱管研究和應用的領(lǐng)域也在不斷拓寬。目前，熱管及熱管換熱器已廣泛應用于石油、化工、動力、冶金、建材、輕工等領(lǐng)域的傳熱設(shè)備，以及電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻及電路控制板等的冷卻。
目前，除微型熱管已批量化、大規(guī)模生產(chǎn)外，工業(yè)中余熱回收用的熱管換熱器由于各種設(shè)備規(guī)模、大小、使用情況的不同，幾乎每臺設(shè)備都根據(jù)設(shè)備的工藝條件、現(xiàn)場情況設(shè)計、制造。
一、熱管工作原理
| 熱管是一種具有高導熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的 蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有*的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點。由熱管組成的熱管換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露點腐蝕等優(yōu)點。目前已廣泛應用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械等行業(yè)中，作為廢熱回收和工藝過程中熱能利用的節(jié)能設(shè)備，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 典型的重力熱管如圖所示，在密閉的管內(nèi)先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量工質(zhì)，在熱管的下端加熱，工質(zhì)吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下,上升到熱管上端，并向外界放出熱量，凝結(jié)為液體。冷凝液在重力的作用下，沿熱管內(nèi)壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復，連續(xù)不斷的將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內(nèi)熱阻很小， |
熱管的高導熱能力與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量，所以能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，且結(jié)構(gòu)簡單，具有單向?qū)岬奶攸c，特別是由于熱管的*機理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進行，這就可以方便地進行強化傳熱。此外，由于熱管內(nèi)部一般抽成真空，工質(zhì)極易沸騰與蒸發(fā)，熱管啟動非常迅速。
熱管這種傳熱元件，可以單根使用，也可以組合使用，根據(jù)用戶現(xiàn)場的條件，配以相應的流通結(jié)構(gòu)組合成各種形式換熱器，熱管換熱器具有傳熱效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和維護費用少等多種優(yōu)點，它在空間技術(shù)、電子、冶金、動力、石油、化工等各種行業(yè)都得到了廣泛的應用。
二、熱管換熱器的類型與基本結(jié)構(gòu)
熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。熱管換熱器顯著的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器。換熱流體通過換熱器時的壓力損失比其他換熱器小，因而動力消耗也小。由于冷、熱流體是通過熱管換熱器不同部位換熱的，而熱管元件相互又是獨立的，因此即使有某根熱管失效、穿孔也不會對冷、熱流體間的隔離與換熱有多少影響。此外，熱管換熱器可以方便地調(diào)整冷熱側(cè)換熱面積比，從而可有效地避免腐蝕性氣體的露點腐蝕。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視，其用途亦日趨廣泛。
按照熱流體和冷流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣—氣式、氣-汽式、氣—液式、液—液式、液—氣式。從熱管換熱器結(jié)構(gòu)形式來看，熱管換熱器又分為整體式、分離式和組合式：
1、整體式熱管換熱器
| 該換熱器是由許多單根熱管組成。熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小。為了提高氣體的換熱系數(shù)，往往采取在管外加翅片的方法，這樣可使所需要的熱管數(shù)目大大減少。整體式熱管換熱器主要分為氣—氣式、氣—汽式、氣—液式。 （1）、熱管式氣—氣換熱器主要由殼體、熱管元件及冷、熱流體進出接口組成。殼體是一個鋼結(jié)構(gòu)件，一側(cè)為熱流體通道，另一側(cè)為冷流體通道，中間由管板分隔。殼體的上、下孔板與蓋板間以及設(shè)備的兩側(cè)均設(shè)有保溫層。上、下蓋板是可拆卸結(jié)構(gòu)，便于檢修和更換熱管。 |
（2）、熱管式氣—汽換熱器（熱管蒸汽發(fā)生器）系統(tǒng)
該系統(tǒng)由兩部分組成：熱管蒸汽發(fā)生器，汽水分離裝置（汽包）。其中熱管蒸汽發(fā)生器是一種新型的蒸汽發(fā)生裝置，它以具有良好導熱性能的熱管作為傳熱元件。熱管受熱段采用高頻焊接翅片來強化傳熱，因而整套裝置傳熱效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，熱流體流動阻力小，并且由于熱管的存在使得水的受熱及汽化均在煙道之外完成，而且汽水分離也在汽包中完成，這就不同于一般的煙道式余熱鍋爐。同時水套管與汽包之間用導管連接，管道可以任意調(diào)節(jié)長度，現(xiàn)場布置靈活，全套設(shè)備無轉(zhuǎn)動部件，運行可靠，操作維修方便。
率也低于一般余熱回收系統(tǒng)7%~10%的熱回收率。
熱管的工作原理及特點
一、工作原理
超導熱管的工作介質(zhì)由多種無機活性金屬及其化合物混合而成，具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。這種熱超導工質(zhì)在一定溫度下被激活，并以分子震蕩形式來傳遞熱量，它*導熱性能使其導熱系數(shù)是一般金屬的一萬倍左右，是水熱管的十倍左右，在傳導方向上幾乎沒有溫度的衰減并能以極快的速度傳遞（超音速傳遞）。
二、特點
超導熱管與普通熱管相比具有如下特點：
（l）適用范圍廣。適用溫度為60一1000℃，而一般液體工質(zhì)如水，只能用于100一350℃。溫壓曲線如圖1 。
（2）安全可靠。不存在管內(nèi)超壓問題，不怕干燒。液體工質(zhì)汽化后，隨著溫度升高飽和蒸汽壓也升高，而超導介質(zhì)熱管的內(nèi)壓兒乎不隨溫度度的變化而變化，如圖1 。
圖1 熱管工作的溫壓曲線
（3）節(jié)省鋼材，優(yōu)化傳熱。設(shè)計上可不考慮耐壓強度，只考慮傳熱性能、耐腐蝕和穩(wěn)定性即可。
（4）可消除導熱死區(qū)。水及其它液體工質(zhì)在高溫相變過程中和母管金屬有不同形式的化學反應，如水熱管內(nèi)就易產(chǎn)生氫氣等不凝氣體，從而在熱管上部形成導熱死區(qū)，影響傳熱效果，而超導介質(zhì)熱管不存在此問題。
（5）安裝方便，不受安裝位置限制。一般熱管必須依靠重力實現(xiàn)液體的循環(huán)（稱重力式熱管）。超導熱管可任意安裝，只要有溫差就可傳熱。
（6）良好的導熱性。導熱速度快，強度大，效率高，超導熱管熱量的傳遞隨著溫差增加而增加，一般液體工質(zhì)其汽相速度不能超過音速，一旦達到音速，即出現(xiàn)“阻塞”現(xiàn)象，如圖2。
圖2 熱管熱傳遞速率
（7）具有良好的等溫性。試驗證明，一根長4M的超導熱管，其一端置于100℃的熱水中，另一端置于無風的大氣中，熱、冷兩端溫差不大于1℃；而同樣條件下的一般液體工質(zhì)熱管，熱、冷兩端溫差高達3～4℃。這說明超導熱管具有良好的等溫性，即可在很小的溫差下，傳遞很大的熱通量，傳熱阻力小。
（8）由于不考慮內(nèi)壓，超導熱管形狀具有更大的靈活性，具有更廣泛的應用領(lǐng)域。
余熱回收系統(tǒng)改造后的運行及效果
一、余熱回收系統(tǒng)運行情況
余熱回收系統(tǒng)改造后安全運行了近兩年，未出現(xiàn)任何故障，節(jié)能效果良好，排煙溫度降低了35~70℃，空氣預熱器溫度提高了60~100℃，爐子熱效率提高了5~8個百分點。其改造前后對比數(shù)據(jù)見表1。
二、經(jīng)濟效益
（1）更換為超導熱管空氣預熱器后，原預熱系統(tǒng)除鼓、引風機外其它動力系統(tǒng)及潤滑油系統(tǒng)全部不需要，節(jié)省動力費4×RMB￥，節(jié)省運行維護費20×RMB￥。
（2）過去回轉(zhuǎn)預熱器每次檢修需進行蓄熱片的更換，備件需20×RMB￥左右，而熱管一般在5年內(nèi)不需修理。
（3）采用熱管預熱器后將能有效地防止露點腐蝕及灰堵，從而避免了因預熱器故障造成的預熱系統(tǒng)切除，因此產(chǎn)生較好的效益。
（4）超導熱管預熱器年節(jié)約燃料油1500t，折合人民幣150×RMB￥左右。投資回收期只有8個月。
一、余熱回收系統(tǒng)運行情況
余熱回收系統(tǒng)改造后安全運行了近兩年，未出現(xiàn)任何故障，節(jié)能效果良好，排煙溫度降低了35~70℃，空氣預熱器溫度提高了60~100℃，爐子熱效率提高了5~8個百分點。其改造前后對比數(shù)據(jù)見表1。
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