将先进的热管技术和热管换热设备应用于热能回收领域具有其他传统换热技术和设备无法比拟的独特优点,热管技术推动了热回收行业的技术进步,与此同时,热回收领域的许多难题及需要又反过来促进了热管技术、热管产业的发展。

    1　热管的工作原理

    热管是一种充填了适量工作介质的真空密封容器,是一种高效传热元件,主要由管芯、管壳和工质组成。热管的制作过程是先将管密闭,抽成负压,在此状态下充入少量液体工质。热管的内壁有同心圆筒式的金属丝网(或其他多孔介质),称为吸液芯,吸液芯内充满液体工质,当热量传入热管的蒸发段时,工作介质吸热蒸发流 向冷凝段,在那里介质蒸汽被冷却,释放出汽化潜热,冷凝变成液体,然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回蒸发段,如此反复循环, 通过工质的相变和传质实现热量的高效传递[1], 其工作原理如图1所示。

    管芯与工质是组成热管的最重要的两个部分。管芯一方面把工质液体分布到整个蒸发段和冷凝段,另一方面提供冷凝液回流的方式和动力。传统的热管研究常常根据热虹吸管的原理研究重力热管,而没有什么特殊的管芯,只是对管的内部进行一些清洗或是氧化处理。现在,越来越多的科研机构致力于管芯结构的研究,尤其是毛细结构的管芯,例如丝网均匀管芯、槽道管芯和组合管芯。

    热管中工质的选用要考虑到蒸汽运行的温度范围[2],以及工质与管芯和管壳材料的相容性问题。在合适的温度范围和相容性的前提条件下,还要根据热管内工质热流所受到的相关的各种热力学限制来选择工质的种类和充装量。这些限制有黏性限、声速限、毛细限、携带限和沸腾限等。

    2　热管的特性

    (1)优良的导热性。由于热管以潜热形式进行传热,所以和银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可传递几个数量级的热量。

    (2)具有低热阻的等温面。热管运行时, 冷凝段表面的温度趋向于恒定不变,如果局部加上热负荷,则有更多的蒸汽在该处冷凝,使温度又维持在原来的水平上;同样,蒸发段也存在等温面,热管工作时,管内蒸汽处于饱和状态,蒸汽流动和相变时的温差很小,而管壁和毛细芯比较薄,所以热管的表面温度梯度很小,即表面的等温性好。

    (3)具有热流密度变换能力。热管中蒸发 和凝结的空间是分开的,因此可以实现热流密度变换,在蒸发段可用高热流密度输入,而在冷凝段可以用低热流密度输出。反之亦然。

    (4)优良的热响应性[3]。热管内部压力很 小,当蒸发端受热后,蒸汽就以近似于该温度下 的音速前进。

    (5)热管的结构简单、重量轻、体积小、维修方便。

    (6)热管没有运动部件,运行可靠,使用寿命长。

    3　套管式热管换热器的工作原理及特性

    套管式热管换热器结构为两不等径的圆管同心相套,又称其为径向热管,这是因为其热量传递方向为径向。当外管外侧为高温侧,内管内侧为低温侧时,处于真空状态的套管间隙内热侧工质受热汽化膨胀,与冷侧工质形成高速对流并在冷侧凝结,即当热量传入热管的外管时,工作介质吸热蒸发,流向冷侧,在那里介质蒸汽被冷却,释放出汽化潜热,冷凝变成液体,然后返回热侧,如此反复循环,通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。

    套管式热管换热器除了具有常规重力式热管换热器的特性外,还具有以下特点。

    (1)热量传递方向可以双向进行,既可以由外向内传递,也可以由内向外传递;而常规重力式热管只能由蒸发段传向冷凝段,不能反向传递。

    (2)工作时相对重力场方向可以任意摆放, 由垂直到平行角度任意;而常规重力式热管不能垂直于重力场方向工作。

    (3)由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的路程比常规重力式热管有极大的缩短,传热系数增大,所以其两侧热阻很小,温差相应也很小。

    (4)由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的横截面积比常规重力式热管有极大的增加,两侧单位面积的热负荷可以很大;没有常规重力式热管的音速极限、携带极限,更无毛细极限和沸腾极限。

    4　套管式热管换热器的应用实例

    由于套管式热管比常规重力式热管有着显著的优点,所以在工业应用中,同样工况下的换热面积较小,传热系数高,是重力式热管的1·2倍(已通过使用检验),换热效果优于重力式热管,且设计灵活方便,节省空间,投资较小。

    湖北当阳华强化工有限公司系统改造及二期工程中,集中回收2 610 m间歇煤气炉煤气余热的回收省煤器设计采用了套管式热管(现已投入运行7台)。套管式热管(无翅片光管)与常规重力式热管(无翅片光管)的设计对比如表1。

    从表1可以看出,二者相比差别明显,套管式热管换热器比常规重力式热管换热器在传热效率、节省材料等方面都有很大优势。

    另外,张家口双环化工有限公司2008年已投用1台套管式热管省煤器;福建三钢集团三明化工有限公司技改项目也已采用了2台套管式热管省煤器。

    5　结　语

    热管换热设备是一种具有传热强度高、流动阻力小、防低温腐蚀、维护简单等优点的新型高效设备,可以广泛应用于各类余热回收系统,有效地回收利用热力设备排烟、排气的余热或废热,使企业获得显著的经济效益,并减少污染的排放,有利于环境保护。但是热管换热器仍存在其制约因素,特别是常规重力式热管相对于重力场方向有安装角度要求,在某些场合中并不能发挥其高效的传热作用。套管式热管换热器与常规重力式热管换热器相比,在传热效率、节省材料等方面都有了很大的提高,适用于广大中小氮肥厂换热器的更新换代,同时也适用于很多行业和领域的余热回收。