熱管的特性，結構與工作原理
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領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快速熱傳遞性質，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。
熱管典型結構以及工作原理：
熱管由管殼﹑吸液芯和工質組成，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，蒸汽凝結為液體，釋放汽化潛能。冷凝后的氣體，靠吸液芯與液體相結合所產生的毛細力作用，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)生器等各類熱管產品。由于碳鋼—水重力熱管的結構簡單、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。
隨著科學技術的不斷提高，熱管研究和應用的領域也在不斷拓寬。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、輕工等領域的傳熱設備，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)模生產外，工業(yè)中余熱回收用的熱管換熱器由于各種設備規(guī)模、大小、使用情況的不同，幾乎每臺設備都根據(jù)設備的工藝條件、現(xiàn)場情況設計、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工質的 蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，具有*的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側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、結構緊湊、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)能設備，取得了顯著的經濟效益。 典型的重力熱管如圖所示，在密閉的管內先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量工質，在熱管的下端加熱，工質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，凝結為液體。冷凝液在重力的作用下，沿熱管內壁返回到受熱段，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，且結構簡單，具有單向導熱的特點，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，由于熱管內部一般抽成真空，工質極易沸騰與蒸發(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，配以相應的流通結構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、結構緊湊、工作可靠和維護費用少等多種優(yōu)點，它在空間技術、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構
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：結構簡單，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整冷熱側換熱面積比，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。從熱管換熱器結構形式來看，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。殼體是一個鋼結構件，一側為熱流體通道，另一側為冷流體通道，中間由管板分隔。殼體的上、下孔板與蓋板間以及設備的兩側均設有保溫層。上、下蓋板是可拆卸結構，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，設備結構緊湊，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，管道可以任意調節(jié)長度，現(xiàn)場布置靈活，全套設備無轉動部件，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。不存在管內超壓問題，不怕干燒。液體工質汽化后，隨著溫度升高飽和蒸汽壓也升高，而超導介質熱管的內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，如水熱管內就易產生氫氣等不凝氣體，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）由于不考慮內壓，超導熱管形狀具有更大的靈活性，具有更廣泛的應用領域。
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。
