毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

文献综述

一． 热管简介

1 热管的发展及现状

热管是六十年代发展起来的一种高效传热元件。早在1924年美国通用汽车公司的Gqugler就提出了热管的原理。1965年美国的Cotter首次较完整地阐述了热管理论。1968年热管作为卫星仪器温度控制的手段第一次用于测地卫星上它具有导热性能好, 均热效率高的优点[1]。由热管组成的换热器已用于工业余热回收系统, 它是一种很有发展前途的新型换热设备。[2]我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中的国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气-气换热器，热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉，热管空气预热器等热管产品，在工业中得到广泛推广应用。本文对热管空气预热器进行论述，一些基本性能 特性等的简单介绍 [3] 。

2 热管基本工作原理

热管的工作是利用工作液的相变过程。当加热热管的蒸发段时, 在吸液芯内部的工作液蒸发并带走潜热, 蒸汽从热管蒸汽腔内流向冷凝段, 冷凝为液体放出潜热, 在吸热芯的毛细作用下, 冷凝液体又回到蒸发段, 这样就完成了一个封闭循环, 从而将热量由热源传到冷源。[4]包含以下六个相互关联的主要过程：

（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面；

（2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；

（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

（4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；

（5）热量从汽-液分界面通过吸液芯`液体和壁管传给冷源；

（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。[5]

[6]

二． 热管工作介质

热管内部工质的选用要根据现场操作条件(热源和冷源温度)选取。而我们确定了热管空气预热器的工作温度为0℃-850℃。单跟热管不可能在这么宽的范围下工作，所以可以用多种热管联合工作。工作温度为20℃-250℃时，在热管常用的工质中，以水的等温性能最好，因为水的饱和蒸汽压高，沸点低，属于比较优良的工质。在250℃-450℃时，以萘作为工质,虽然其性能比联苯醚稍差，但是没有恶臭，其毒性比汞小的多，可是萘在350℃以上具有较快的分解速度，从而影响了耐热关的工作性能和寿命；在600℃以上时，要用到高温热管常用工作介质，液态金属钾和液态金属钠。它们的饱和蒸汽压力非常低，而且传热性能也非常好。钠热管一般在410℃左右能启动起来，钾热管一般能在300℃左右能启动起来，但在相对低的管内蒸汽温度下工作时，传热性能并不良好，受到粘性极限，声速极限等传热限制的约束，因此需要考虑传热极限对钠、钾热管传输能力的限制。[7]

在选择热管材料时既要考虑热管的技术要求，同时还应考虑其经济成本。如以水为工质的热管有许多良好的特性。国内己对水热管进行了大量研究，常常以碳钢作壳体材料，制成水一钢热管。为了延长它的使用寿命，采用了一些有效措施。如对壳体表面处理(镀铜、钝化等)或在工质水中加重铬酸钾等缓蚀剂，可减缓水与碳钢之间的化学反应，延长热管的工作寿命，达到使用的允许时间。

换热器热管按照设计要求及工作温度不同分别存有不相同的少量不凝气体，正常工作时，靠热管内蒸汽流动及压力将不凝气体压缩至冷凝段端极小一段范围内，对整根热管的传热性能影响甚小，当换热器入口烟气温度较低，热管工作温度亦较低，此时管内工质蒸汽压力降低，不凝气体占据的容积扩大，热管冷凝段内的有效换热面积较小，热管的传热能力降低，整个换热器的换热量随之降低，从而减少了烟气经过换热器的温度降，在较大程度上降低了露点腐蚀的程度或发生率[8]。

另外，还要采取适当的措施防止气塞，并选择合适的冲液量，使热管达到最佳的换热效果。

三． 热管式空气预热器工作原理和作用

1.1 空气预热器的工作原理

空气预热器是利用烟气余热提高进入炉膛的空气温度的设备。它的工作原理受热面的一侧通过烟气，另一侧通过空气，进行热交换，使空气得到加热，提高温度：使烟气排烟温度下降，提高烟气余热的利用程度。[9]

1.2 空气预热器的作用

（1）改善并强化燃烧 当经过空气预热器后的热空气进入炉内后，加速了燃烧的干燥、着火和燃烧过程，保证炉内稳定燃烧，起着改善、强化燃烧的作用。

（2）强化传热 由于炉内燃烧得到改善和强化，加上进入炉内的热风温度提高，从而可强化炉内辐射传热。

（3）减小炉内损失，降低排烟温度，提高锅炉效率。由于炉内燃烧稳定，辐射热交换的强化，可以降低化学不完全燃烧损失；另一方面，空气预热器利用烟气余热，进一步降低了排烟损失，因此，提高了锅炉热效率。

（4）热空气可以作为燃料的干燥器。对于层燃料，有热空气，可以使用水分和灰分较高的燃料；对于电站锅炉，热空气是制粉系统的重要干燥剂和煤粉输送介质。[10]

[11]

四．热管式空气预热器的特点和应用前景

（一） 热管式空气预热器的特点

1.1结构特点

热管式空预器由许多平行的热管组成(见图l), 分为烟气侧和空气侧, 中间用中隔板密封, 形成立方体管箱。热管与中隔板的联接一般为固定联接，作为膨胀死点，两端则可以自由膨胀。为了运输和安装方便，热管式空气预热器一般做成若干个较小的管箱[12]。

[13]

1.2 传热能力

常规的管式空预器, 无沦是立式还是卧式, 总有一侧受气流纵向冲刷管壁, 其对流换热系数较低。热管式空预器是烟、空气均为腆向冲刷的纯逆流换热, 对流换热系数较高。由于热管内部热阻很小,在换热器设计时一般都于日. 忽略但热管的管壁异热热阻大于管式,在热管不采用扩展受热面时,其换热能力高的特点并不突出。近些年来热管肋化手段的发展，大大强化了传热，实际上是用较薄白勺扩展受热而代替了一部分较厚较重的管壁受热面。这样, 热管式空顶器就具有换热能力高, 结构紧凑的优点。[14]

1.3 减轻低温腐蚀

热管式空气预热器每根管子的壁温是一个值，这使得热管空气预热器大部分管子管壁温度较高，处于酸露点以上工作，从而避免了低温腐蚀的现象；且可用调节冷热端受热面积的方法来调节管壁温度。计算和试验表明：热管最低管壁温度比管式空气预热器的壁温高20#176;～40#176;，大大减小了低温腐蚀。目前投运的锅炉热管空气预热器，基本没有发生由于腐蚀而造成更换受热面的现象，热管运行情况良好。

1.4 防堵灰性能

由于热管空气预热器的烟气侧采用了鳍片式扩展受热面结构，使用较大的管排间距，鳍片与来流方向平行，此种布置既可减少预热器阻力又避免了积灰)。同时，热管空气预热器的使用，使烟气流动阻力有所下降，减少了漏风现象，因此引风机出力增加，并加大了烟气流速，从而提高了传热效果，增强了自清扫能力。试验表明，烟速达到，7～10m时，热管及其肋片表面没有明显的积灰现象，而一般锅炉烟气流速为10～14如北京第二热电厂、河门口电厂的热管式空气预热器的烟气侧采用了鳍片式扩展受热面结构，多年运行结果表明，采用该结构，防堵灰性能特别优异。[15]

1.5 漏风系数几乎为零

热管空气预热器烟气和空气的通道用隔板隔回开，相互之间不能泄露，热管烟气侧一端被腐蚀磨穿后，只能引起该热管的失效，管子空气侧一端是完好的，空气不会漏到烟气侧。在实际中，热管式空气预热器的漏风系数几乎为零。因此减少了引风量，引风机的耗电量可减少20％以上，仅此一项所获得的经济效益已十分明显。[16]

1.6 寿命

热管的寿命指的是由于热管内部产生不凝结气体从而影响热管的工作性能，使热管的传热效果降低，甚至不传热。这种情况称之为热管的失效。[17]热管空预器的使用寿命主要表现在失效上。造成失效的原因主要有以下三种, 即磨损、不凝结气体和爆破.

（二） 热管式空气预热器的应用

热管空气预热器的结构原理与管式空气预热器完全不同, 它是热管元件的组装体, 利用热管元件的特性把管式空气预热器传统的烟气管内流动转化为管外横掠换热, 烟气在管外, 空气也在管外通过一个壁面分别经上、下两段间接进行换热, 其下段的烟气侧放热和上段的空气侧吸热均为管内介质利用相变( 沸腾、冷凝) 完成的。它的最低金

属壁温可设计成趋近于热侧流体的温度, 且热管两端具有优良的等温性能, 测试资料表明, 热管冷热两端的壁温之差运行时不超过5℃ 。热管较高的壁温高于烟气的水露点, 甚至酸露点, 从而使受热面免于或减小含硫烟气的酸腐蚀。当烟尘落于具较高温度的壁面时, 不结硬灰垢, 呈疏松状态,可随烟气流进入除尘器, 也可用其它简单方式除去。[18]

五．热管式空气预热器在工业锅炉中的应用

（一）工业锅炉热管空气预热的改造前后对比

1.1改造前管式空气预热器存在的问题

管式空气预热器中的烟气和空气的换热是由烟气在管内, 空气在管外通过一个壁面直接进行的。就传热机理而言, 烟气以强制对流方式把热量传给间壁内表面, 再通过管壁以导热方式把热量传至外表面, 接着有空气流对管外壁的强制对流换热使空气得到热量。[19]

空气预热器空气的入口温度一般都很低( 约为20 ℃左右) , 将使壁温低于烟气的水露点( 一般为25~ 60 ℃ ) , 此时, 烟气中的水蒸汽将附于受热面壁面结露, 即受热面被水润湿, 烟气中的硫酸蒸汽结露附于壁上, 其它腐蚀性气体也均溶于水构成腐蚀性酸附于壁上, 导致受热面的腐蚀速度剧增。烟气中的灰尘也沾于壁上结成灰垢。此种灰垢干后变硬难以除掉, 不仅影响受热面的传热效果, 而且堵塞烟气流道, 使烟侧流阻剧增。再加上流道堵塞是无规律的， 某些部分堵塞程度较轻, 某些较重, 烟气流量不变, 将使堵塞较轻受热面的流速增大, 这就加剧了该部分受热面的磨损、腐蚀、堵塞三大问题相伴出现, 使锅炉的尾部受热面遭受损害, 严重影响设备安全及锅炉出力。[20]

此外由于结露腐蚀的同时发生积灰, 且由于烟气在管内纵向流动, 扰动性不强, 故实际运行阻力大幅度上升, 而设计值只有350Pa。锅炉改造前测得烟侧阻力高达700Pa, 因此, 一旦积灰严重, 加上空气经由破损的管子进入烟道, 锅炉即出现正压燃烧且日趋严重, 导致锅炉出力越来越低。[21]

改造后的热管空气预热器简图

1.2 改造后热管式空气预热器的对比

由表1、表2热管空气预热器的最低壁温可以高达126℃ , 大大高于烟气水露点的最高温度60℃ , 同时也高于该煤种的酸露点( 约120℃) , 这样就可以有效防止空气预热器低温段结露腐蚀、堵灰和磨损。[22]

[23]

[

（二）热管式空气预热器在工业锅炉上应用

为了适应不同燃料的燃烧要求, 提高锅炉的燃烧效率, 电站锅炉的热风温度通常在250℃～400℃之间。

当热风温度在300℃以下时, 完成采用热管作为传热元件是可行的, 这时, 只要改变最后一段热管传热元件内的工质（选择高沸点导热工质）即可。当热风温度在300℃～400℃时, 较为理想的设计方案应是列管式空气预热器和热管空气预热器组合起来应用。[24]

在烟气温度较高的区域, 布置管式空气预热；在烟温较低处, 采用热管, 这样做可以锅炉空气预热器的漏风极小, 保证了锅炉的正常运行, 并且可以降低送引风机的功率；在投资较低的情况下, 降低甚至避免了空气预热器的腐蚀、积灰堵灰问题。同时热管空气预热器的采用为进一步提高锅炉运行的经济性开辟了可能性。因此工业锅炉应推广使用热管空气预热器, 特别是对那些燃用高硫分和高灰分燃料的工业锅炉, 由管式空预器改装热管空预器还是可取的, 以确保锅炉的安全经济运行[25]。

六. 热管式空气预热器的设计

热管式空气预热器广泛应用于烟气的余热回收.在设计过程中,各排热管的壁面温度必须高于烟气的酸露点温度,以防止壁面被腐蚀.如果某排热管壁温低于烟气的酸露点温度,则需调整该排热管的几何参数以提高壁温至酸露点温度以上.，热流体通过热管向玲流体的传热过程可视为在加热段换热面上串联一系列热阻的间壁式传热过程，整个换热器视为连续的逆流问壁式换热器。抽象为这样的计算模型，就可传热学中逆流间壁式换热器的计算方法应用于热管换热器的设计。[26]

1983年，Peretz和Bendescu[27]运用传热有效度#8212;#8212;传热单元数法研究了热管换热器的几何结构对其性能的影响，得出翅片间距对热管换热器的性能有显著影响.1984年，Peretz和Horbaniuc[28]考虑了有关参变量的非线性特征，对热管间距，翅片间距及热管的蒸发段和冷凝段长度进行优化。

在第四届全国热管会议上，重庆大学的陈远国[29]分析了烟气物性变化对热管换热器性能的影响，提出了对热管采用变截面设计，是换热、流阻、磨损及自吹灰能力趋于平衡，有利于减小高温区的磨损速度，消除或减轻低温区的积灰。浙江省中试所的胡建根[29]等为大型热管空气预热器优化设计中一些结构参数的选择提供了一定的依据，得出如下结论：热管外径是大型热管空气预热器设计中十分重要，也是最基本的结构参数之一。一般情况下，应优先考虑采用较小直径的热管以降低成本，提高其紧凑性，但也要注意器小管径产生的一些问题。同时，给出了大型热管空气预热器性能随热管外径的整体影响规律。

在本课题中，热管空预器设计，提高传热系数，且壁温升高，有效地避开了酸露点，减轻或避免了低温腐蚀和堵灰、磨损、漏风等现象，可延长空预器寿命，提高了机组运行的安全性、可靠性[30]。改进换热器的热力性能，有效的回收烟气余热，对我国，乃至全球的能源利用具有深远意义。

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