热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用

①由于气体温度低，可利用的传热温差很小，要回收一定热量必须要有很大的传热面积，传热面积过大不仅占地大、金属耗量大，成本也高；②上、下行煤气含有大量粉尘和水蒸气特别是下行煤气含尘量更多，每标准立方米气体的含尘量估算在30g以上；③这种成分的气体温度不宜降得过低，否则容易达到露点，一旦达到露点不仅产生露点腐蚀，而且灰尘会堵死气体通路使设备不能使用；④对于以碳化煤球为原料的煤气中所含粉尘既细又黏，要使设备能长期稳定可靠运行，除能保证自清灰外，设备结构必须能定期清灰以清除附着于管壁以及翅片上的灰尘。

根据以上要求，设计出的热管换热设备首先应保证长期可靠运行，不堵塞、体积紧凑、占地面积小，设备气体出口热管的管壁温度应高于气体露点温度（约120℃），以防气体中的有害成分结露。根据以上原则，有人设计出并成功运行了适用于煤气造气上、下行煤气余热回收的热管蒸汽发生器，如图2-4所示。该设备具有如下特点：

①气体流动方向为从上到下，减少灰尘附着于管壁的可能性；②热管的蒸发段全部采用轴向直翅片。一方面可以扩展传热表面，另一方面可消除热管背部的涡流区，从而不使灰尘在此停聚。同时也减少了流动阻力损耗。③从煤气炉出来的上行煤气先经过旋风除尘器，然后从蒸汽发生器的上部向下流过热管管束，温度从进口的360℃左右降到出口的140℃左右进入下一工段的洗气塔，然后去煤气柜。下行煤气从煤气炉的底部出来经过旋风除尘器仍然从蒸汽发生器的顶部进入，温度从300℃以上降至140℃进入洗气塔，然后去煤气柜。

2.1.3.2中合成氨上行、下行煤气余热回收

中合成氨与小合成氨生产除在产量规模不同外，主要的区别在于中型合成氨厂的煤造气是以块煤为原料。因此其上行煤气出煤造气的温度远较小化肥高，大约在600℃左右。与小合成氨不同之处在于煤造气炉后有一吹风气燃烧室。上行煤气经过燃烧室后再进入列管式废热锅炉。上行煤气与吹风燃烧气合用一个废热锅炉产生低压蒸汽（0.4～1.8MPa）或中压蒸汽（1.9～2.5 MPa）供工艺使用。由于中合成氨煤造气炉的下行煤气温度较低（200℃左右），因而一般不经过废热锅炉而直接去洗气塔。

在上述生产流程中存在着以下几方面的问题。

①列管式废热锅炉容易损坏损坏的原因大都由于以下两方面：一是气体流速过高，气体中含有大量煤的灰渣或细煤粒极易将管子磨穿；而是在生产低压蒸汽时，下管板水进口处的水温过低，造成局部管壁低温过冷，形成露点腐蚀。两种原因都可能使局部管子破裂漏水，必须停工查漏检修，给生产造成损失。②设备利用率不高在煤造气合成氨生产中，上行煤气制作过程只占一个循环的24%～27%，吹风气只占一个循环的25%～28%，也就是说在一个循环中只占49%～55%的时间有气体通过废热锅炉，其余时间无气体通过，设备处于空闲状态。③换热面积设计严重不合理一般造气工段的废热锅炉均是按瞬间最大吹风气流量设计的，而上行煤气只相当于吹风气量的30%～50%左右，这样小的通气量通过上述按照吹风气最大瞬时量设计的废热锅炉，由于传热面积过大，必然形成上行煤气出口温度过低，不仅会产生露点腐蚀，而且易形成灰堵。④低温余热没有充分回收目前中型合成氨厂都将废热锅炉产生的饱和蒸汽压力提高。其优点是得到高品位的蒸汽，另一方面也提高了传热管壁温度，对防止露点腐蚀有利。但由于饱和蒸汽压力提高，饱和蒸汽温度也相应提高，为维持一定温差，排出废热锅炉气体的出口温度也相应提高。一般将出口温度设计在270℃左右。由于中型合成氨生产的气体流量较大，如果将270℃气体的温度降到140℃左右，则吹风气、上行气、下行气的总回收热量相当于1t蒸汽的热量，显然这种低温小温差有腐蚀性气体的余热回收采用热管是最合适的。

根据以上情况，对中型合成氨煤造气工段采用热管技术可以有两种途径。

①在原有废热锅炉后加一台热管低温余热回收装置，将废热锅炉出口270℃的气体降至140℃，同时将下行煤气（约200℃）也经过热管装置，可以回收下行煤气约60℃温差的热量。热管装置可以是气-气式的，即用回收的低温余热加热进入煤气炉的空气或过热低压水蒸汽。也可以是热管省煤器的形式，加热废热锅炉的给水。其流程图如图2-5所示。

②为充分考虑设备利用率及余热回收率，可使每一台煤造气炉后配一台热管蒸汽发生器专供上、下行煤气余热回收，由于上下行煤气的发生量相差不太大，设计的传热面积比较合理。而将三台煤气炉的吹风气通过一个燃烧室燃烧后进入一台热管废热锅炉，可使设备的利用率达75%～84%。如图2-6所示。

热管技术的工业化成果，凝结了热管技术开拓者、研究者和实践者的心血，各领域的工程技术人员在了解热管技术真谛和工业应用成果后，结合各自行业工艺流程的具体情况，充分发挥热管技术的特性和优越性，并将其灵活应用，定会创造出新的应用成果，为节能减排、余热回收降耗贡献力量。

2.2热管技术在民用工程节能中的应用——热管式新风换热器

随着国民经济的迅速发展，人们对环境的要求越来越高，尤其是在“非典”疫情发生以后，改善室内空气品质的呼声日益高涨。据资料统计，在室、内外新风换热装置中，目前国际上流行的是传统的板式和转轮式能量回收装置，虽然其热交换效率尚可，但在大气环境不理想的情况下，这些装置存在易堵塞或空气交叉污染、不易维修、寿命短等不利因素，而采用热管式新风换热器进行能量回收，能有效地避免上述弊端，目前，是一种适合国情的较为理想的能量回收的换热装置。特别是在全球传染性疾病流行的今天，热管式能量回收新风换热装置更凸显其独特优势。由高效传热元件热管组成的热管换热器具有结构紧凑、体积小、压降低、效率高以及不需要辅助动力等优点。在基本不改变空调现有配置的基础上，热管式新风换热装置与空调机组配套，联合使用，在冬季运行时，新风先由热管放热段预热后再进入空调器内处理后送入室内，而室内的回风经过热管受热段放热后再排出室外，这样排风余热得以回收，减少了空调的负荷，实现了室内能耗节省和空气质量品质提高的双赢；夏季运行时，空气先经过热管受热段预冷后，再与室内部分回风混合，经空调器冷却盘管除湿后送入室内，实现了室内能耗节省和空气质量提高的双赢。

这种将室内换气时排出的带有一定温度的浊空气，利用热管换热器换热，在冬季或夏季分别起到预热或预冷进入的新鲜空气的作用，充分利用了余热，节约能源，节省了电的消耗，降低了空调的运行负荷。

3.制约热管技术发展的瓶颈问题——热管的相容性及寿命

影响热管可靠性和寿命的因素有很多，如图2-7所示。其中最重要的因素是管壳、吸热芯材料和工质的相容性。相容性在热管的应用中具有很重要的意义，只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三个方面，即：产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。只有有效地解决了热管的不相容问题，才能使热管这种高性能的传热元件实现长寿命、低成本，以便在工业中大规模推广使用。

至今，有不少研究者都做过热管的寿命试验，也证实了许多相容性数据。但是，在某研究所寿命试验中确认的相容性材料，在其他研究所的寿命试验中可能不相容。然而，得到几乎所有热管研究人员公认的是，通过合理选择热管的管材、工作液体、吸热芯结构等可使热管长期有效地服役于其工作温度范围。

4.热管技术的发展前景

根据集约型经济发展模式和可持续发展战略目标，结合当今设备技术管理的发展趋势——安全、可靠、长周期运行和用新技术挖掘现有设备潜力，将来我国热管技术发展将有两大主题：一是推广应用，将现有较为成熟的热管产品标准化、系列化、规范其设计、制造、检测质量，使之成为工业生产中的常规设备，从而深入推广热管技术的应用；二是开发研究，充分发挥热管技术的特点，综合其他学科，进一步开发研究新型高效传热传质设备，使一些传统设备发生变革，提高系统的安全可靠性和效率。

迄今为止，人们对热管技术本身的重要特点还缺乏深入的理解，在研究开发及推广运用中往往抓不住要点，得不到应有的效果。因而影响开发速度和效果。确定热管技术在工业中有重大应用前景是基于以下热管的几个重要本质特征，这些特征已为近年来的工业应用所证实：

①热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠及长周期运行的重要保证。②热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。③热管的均温热屏蔽及分离式热管技术的完善，将可能解决化学反应器中温度分布不均匀、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不均匀而出现的过热分解以及核反应堆安全壳体的散热等等问题。④液态金属热管的出现及材料价格的下降，有可能实现在超高温反应设备中实现连续取热。

随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，特别是可再生能源的开发利用，都将促进热管技术的进一步发展。