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热管换热器的结构形式（三）热管换热器的结构形式以热管为传热单元的热管换热器是一种新型高效换热器，其结构如图片4-50、图片4-51所示，它是由壳体、热管和隔板组成的。
热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。
它是一种真空容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液。
将壳体抽真空后充入适量的工作液，密闭壳体便构成一只热管。
当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。
如此反复循环，热量乃不断从热端传至冷端。
【图片4-50】热管换热器。
【图片4-51】热管示意图。
热管按冷凝液循环方式分为吸液芯热管、重力热管和离心热管三种。
吸液芯热管的冷凝液依靠毛细管的作用回到热端，这种热管可以在失重情况下工作；重力热管的冷凝液是依靠重力流回热端，它的传热具有单向性，一般为垂直放置离心热管是靠离心力使冷凝液回到热端，通常用于旋转部件的冷却。
热管按工作液的工作温度分为深冷热管、低温热管、中温热管和高温热管四种。
深冷热管在200K以下工作，工作液有氮、氢、氖、氧、甲烷、乙烷等；低温热管在200~550K 范围内工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管在550~750K范围内工作，工作液有导热姆A、水银、铯、水及钾─钠混合液等；高温热管在750K 以上工作，工作液有液态金属钾、钠、锂、银等。
热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行，由于沸腾和冷凝的对流传热强度都很大，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温度差可以很小，即能在很小的温差下传递很大的热流量。
因此，它特别适用于低温差传热及某些等温性要求较高的场合。
热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等优点，可用于气─气、气─液和液─液之间的换热过程。
热管换热器的工作原理热管换热器是一种利用液体和蒸汽的相变过程来传递热量的设备。
它主要由热管、冷凝器和蒸发器组成。
热管是热管换热器的核心部件，通常由内部镶嵌有多个鳍片的金属管组成。
热管内填充有一种称为工作介质的特殊液体，通常为蒸发液体。
热管的两端分别连接一个冷凝器和一个蒸发器。
工作原理如下：1. 脉动蒸发：当热管的蒸发器端加热时，工作介质在蒸发器内迅速汽化。
汽化的工作介质变成蒸汽，并迅速上升到热管的冷凝器端。
2. 相变传热：在冷凝器端，蒸汽与冷凝器内的冷凝介质接触，传热给冷凝介质。
蒸汽在冷凝器内冷却，并逐渐凝结成液体。
3. 导热返回：在冷凝成液体后，冷凝介质流入热管的蒸发器端，通过鳍片的导热作用，将热量传递给蒸发器。
4. 重复循环：液体工作介质在蒸发器中再次汽化，蒸汽上升到冷凝器端再次冷凝，循环往复。
热管换热器的工作原理可基于两个基本原理来解释。
第一个是相变传热原理。
当液体在蒸发器内蒸发时，蒸汽所需的潜热可以从周围环境吸收，从而降低周围环境的温度。
相对应的，在冷凝器端，蒸汽释放出潜热，将热量传递给冷凝介质。
由于相变过程的热传导非常高效，所以热管换热器的热传输效率很高。
第二个原理是液体的循环工作原理。
热管内的工作介质在蒸发器端蒸发成蒸汽后，蒸汽的上升作用和重力的配合使得液体循环并将蒸汽带到冷凝器端。
液体在冷凝器端冷却凝结后，由于重力作用，液体流回蒸发器，再次蒸发成蒸汽，循环往复完成热量的传递。
热管换热器的工作原理使其具有以下优点：1. 高热传输效率：利用相变传热和液体循环工作原理，热管换热器的热传输效率高于传统的热交换器。
2. 快速响应：由于热管内的蒸汽和液体循环快速，热管换热器能够在很短的时间内响应温度的变化。
3. 节省空间：由于热管换热器可以实现高热传输效率，所以相同换热功率的热管换热器相对较小，占用的空间较少。
4. 不需要外部电源：热管换热器的工作原理不依赖于外部电源，因此可以在没有电力供应的环境下运行。
新型热管低温省煤器的开发应用谢庆亮（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）摘要：燃煤电厂常规管壳式低温省煤器已有大量应用，但其磨损泄漏对机组的安全稳定运行和污染物排放都造成了很大的影响，市场上亟需一种可实现无冷却水泄漏的换热器升级改造方案。
本文从热管式低温省煤器的技术原理出发，分析了其替代原有低温省煤器的技术手段的可行性，并以某660MW机组应用新型热管低温省煤器为例进行了介绍。
运行效果表明，热管低温省煤器是一种可靠的低温省煤器升级改造技术，为其他燃煤电厂烟气余热利用装置的安全运行升级改造提供了借鉴。
关键词：燃煤电厂；低温省煤器；热管；冷却水泄漏中图分类号：X701 文献标志码：A 文章编号：1006-5377（2021）04-0054-05近十年来，燃煤电厂锅炉空预器后的低温省煤器作为一项节能设备，已得到广泛的推广应用。
通过低温省煤器将空预器后的烟温从120℃～150℃降低至90℃左右，可降低烟气中粉尘的比电阻值，稳定提高电除尘器的除尘效率[1]，协同脱除烟气中的SO3、Hg等污染物并回收烟气余热，降低机组煤耗。
现有的低温省煤器基本都是管壳式翅片管结构，烟气走壳侧，冷却水走管侧，近十年来的应用实践暴露了两个突出问题：（1）在低温省煤器主要组成设备中，作为核心换热元件的换热管束及翅片，在除尘器前的高浓度粉尘环境下被连续冲刷，换热元件的磨损无法避免，造成换热元件的使用寿命短，虽然采取了多种强化防磨措施，但仍无法从根本上解决磨损问题。
（2）管壳式低温省煤器所有管内的冷却水都是相通的，且冷却水系统多为开式循环系统，一旦某根管因为磨损损坏，管内大量冷却水将源源不断向烟气中泄漏，造成低温省煤器积灰堵塞，严重影响机组的安全运行。
通过调研发现，目前行业内布置于电除尘器前的传统低温省煤器出现泄漏的周期为2～3年。
低温省煤器换热管束泄漏会引发诸多问题：1）换热器堵灰及电除尘器灰斗输灰不畅会影响机组的安全运行；2）换热器局部或全部模块退出运行会导致降温幅度不足，节煤效果大打折扣，电除尘器的除尘效率下降，除尘器后的环保设备的工作环境恶化，影响超低排放效果；3）烟气阻力增大，引风机电耗增加，甚至会导致风机失速[2]。
垂直管外降膜换热
垂直管外降膜换热是一种高效的换热方式，其主要优点包括减少结垢量、便于集中处理和减少占地面积。
垂直降膜换热器相较于传统水平管换热器在传热性能和抗污性能方面都有显著提升。
垂直管外降膜换热的工作原理如下：
1. 制冷剂在外管表面形成降膜，由于重力和表面张力的作用，液体膜沿着管表面流动。
2. 管内的污水流动，与外管表面的液膜进行热交换，实现废热回收。
3. 降膜蒸发过程中，管壁的热量传递到液膜，使液膜蒸发。
研究发现，垂直降膜换热的传热系数比池沸腾换热高出很多，因此可以忽略管束的影响。
与水平管降膜换热器相比，垂直管外降膜换热器在以下方面具有优势：
1. 抗污性能：由于污物倾向于沉积在换热器的底部，而非管壁上，垂直管换热器减少了污物在管壁上的沉积，降低了堵塞风险。
2. 传热性能：垂直降膜换热器的传热系数较高，使得换热效率更高。
3. 占地面积：垂直管外降膜换热器结构紧凑，占地面积较小，有利于节省空间。
垂直管外降膜换热器在海水淡化系统、化工系统、制冷系统、海洋热能转换系统以及低品位余热利用等领域具有广泛的应用前景。
然而，这种换热器的设计和运行也需要注意一些问题，如液体分布的均匀性、降膜过程中的热阻等，以保证其高效稳定运行。
换热器思考题1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？换热器设计计算包括以下四个方面的内容：热负荷计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算。
热负荷计算：根据具体条件，如换热器类型、流体出口温度、流体压力降、流体物性、流体相变情况，计算出传热系数及所需换热面积结构计算：根据换热器传热面积，计算热交换器主要部件的尺寸，如对管壳式换热器，确定其直径、长度、传热管的根数、壳体直径，隔板数及位置等。
流动阻力计算：确定流体压降是否在限定的范围内，如果超出允许的数值，必须更改换热器的某些尺寸或流体流速，目的为选择泵或风机提供依据。
强度计算：确定换热器各部件，尤其是受压部件(如壳体)的压力大小，检查其强度是否在允许的范围内。
对高温高压换热器更应重视。
尽量采用标准件和标准材料。
3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？一次交叉流，两种流体各自不混合一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合一次交叉流，两种流体均不混合6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）?什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～50）？换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数，为了获得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。
对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，都会产生流动“死区”，均不利于传热。
一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。
挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。
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重力热管式换热器的应用 周建光 （科技开发处）
摘 要 文章介绍了热管这一高效传热元件的原理和特性，以覆在我厂挥发窑 含尘烟气的应用试验情况。并对其使用寿命、安全性，经济性进行７分 析，重点阐述７重力热管式抉热管在我厂的推广应用前景。 关镶词重力热管传热系数热阻使用寿命投资回收期
１前 言 重力热管，常简称热管，又称为“两相 闭式热虹吸管”。是依靠其内部工质在一个 抽成高真空的封闭壳体中循环相变而传递热 量的装置。是一种高效传热元件。最初应用 于字航事业，７０年代后，由于世界性的能握ｃ 紧张使得热管技术被大量地推广到了民用工 业上。近年来在国内外无尘或微含尘烟气余 热利用领域得到了广泛采用，收益颇大。而 对于含尘烟气，由于工况复杂，其进展和效果 远不如前者。为开拓其在有色冶金行业节能 中的应用，我广曾与有色长沙公司节能中心 合作，在锌挥发窑余热锅炉后安装一台重力 热管式换热器回收烟气余热。现结合试验研 究情况对其在有色金属含尘烟气中的应用前 景进行探讨。
２重力热管的原理及特性 重力热管由热管壳体和工质组成（见图 １）。热管壳体是一个完全密闭的细长圆管
工质 ’ 嗣 重力热警
状容器。材质一般多采用碳锕，也可以采用 不锈钢、铜、铝等。由于壳体内部空腔要保 持很高的真空度０．１—１０ Ｐａ，所以制作要 求高，以确保完全密封。工作介质是热管工 作时的热传输介质，在壳体内处于汽、液两相 共存的饱和状恋 介质的选择主要以工作温 度为依据，一般为 ｉ、导热姆 萘 联萃等。
维普资讯 http://www.cqvip.com 株咕井驻 第２０卷 当热量自高温热源传入热管时，处于热 管加热段内的饱和液体随即吸热汽化变成蒸 汽，这一段称为汽化段，蒸汽分子由汽化段 经中间传输段流向热管的另一端，蒸汽在该 端对冷流体放出潜热后重新凝结为液体，这 段称作凝结段ｌ凝结液在重力作用下重新 回流到汽化段。如此循环反复，连续不断地 把热端的热最传递到冷端。 由于热管的导热足借助于饱和工质的汽 化和凝结换热而实现的，其有效导热系数是 同尺寸锕棒的数百倍乃至上千倍。所以它又 被誉为“超导热体”。 重力热管工作时一般垂直放置，即重力 热管轴线与水平面夹角０为９０。，加热段在 下，放热段在上。如倾斜放置，热管也可工 作，但０角必须大于６。，以保证凝结液可 借重力正常回流。但经研究表明：当日角从 ９０。一３０。时，效率降低２．５ ，从３０。一２。 时，效率再降低７．５％。 ３工业试验 挥发窑烟气经余热锅炉后温度为３００— ４００￣３，含有大量的ＺｎＯ、ＰｂＯ粉尘，该尘 粘附性极强。而这种工况的烟气在有色冶金 企业的余热资源中占有相当大的比例。因 此，在该处进行热管应用试验，具有一定的 代表性和实用性。 ３．１余热圊牧流程 挥发窑离窑烟气温度为６５０－－７５０￣Ｃ，烟 气含尘在９０ｇ／Ｎｍ 以上，经余热锅炉后，温 度和含尘量分别降至３００－－４００￣３和２１—３７ｇ， Ｎｍ。。此烟气分两路分别进入热管换热器烟 气侧和ｕ型冷却器，烟气温度再降至１３０～ １７００Ｃ再造入布袋收尘器，然后经风机排空。 冷空气由鼓风机鼓＾热管换热器空气 侧，被加热后温度可达１００－－１５０￣Ｃ，由专用 风道送浸出渣干燥窑用于煤气助燃。 该系统流程见图２。
圈２ 挥发窑囊气象热目收藏强 ０．２囊气、捆坐矗件 烟气含尘量 ２１－－３７ｇ／Ｎｍ。 ３．２．１蝈气 烟气比热｛１．４２４ｋ ＪＩＮｍ。 烟气成份（重置酉分比浓度） 见表１。 烟气重度：０．５—０．７ｋｇ／Ｎｍ￣ 烟气露点：１３０－－１３５＝Ｃ 寰１ 姻气成份
组 特ｃ０１ Ｃ０ ０１ ＣＨ‘ Ｎ Ｈ：０ 音量蓐ｌ２．帅０．Ｂ０ １．８Ｔ ０．１６ ６口．３Ｂ １１．叫
煅气温度 ３００—４Ｏ０
３．２．１蝈尘 化学组成ｔ见表２。 尘比表面积：５３００－－５８００ｃｍ ／ｇ 尘的颗粒平均直径；１．８～２．０ ｍ 尘的假比重ｔ ０．？３ｔ／ｍ’
维普资讯 http://www.cqvip.com 摹１期 周建光：量力热管式抉热器的应用 “ 尘☆ｇ真比重：４．３３—４．Ｏ６ｔ／ｍ 尘的比热：１．０４７ｋ］／Ｎｍ。 Ｓ．３试验装置 试验用换热器由热管、箱体、振打机构 组成。 ３．３ ｌ热管 根据挥发窑烟气的特点和性质，选定热 管管子为十２５×２．５ｒａｍ的２０‘碳钢钢管。管 内载热介质为水，管内水的充装量为整个热 管容积的１５％～２Ｏ％。 热管管子外壁均匀套有十５０ｍｍ的肋 片，用来扩展换热表面并促进介质紊流，它可 以使热管最大限度地肋化，还可以通过调整 肋化结构来调节热管冷热段的热阻比，达到 改着传热状况、控制热管工作温度的目的。 热管加装肋片后，热交换得到了强化 肋 化后的换热系数ｈ是ｈ ｏ与 Ｉ及８的乘积，即ｔ ｈ＝ｈｏＢ ｆ 式中， －——肋化效率。即肋化后扩展换热 面的换热有效程度，一般为 ７Ｏ％－－９０％。 ０——肋化比。即表征肋化后管外表 面积的扩展程度的参数，一般 为５一ｉ２。 试验用热管的规格尺寸见圈３。 圈３热瞥外部尺寸 注：曲片厚：０．Ｔ５—１址ｍ ３．３．２挟热器 将三百多根热管（１２×３１）组台在长方体 的箱体内，便成了我们所需要的气一气型重 力热管式换热器。基本结构见图４。 圈４热瞥换热叠结构圈 注：热管排列中心距：６２ｒａｍ １一帮斗： ２一热管； ３一减速机； ｌ一抟动链条齿轮； ５一撮打锤Ｉ Ｂ—偏心电机Ｉ Ｔ一滑道： ８一换热器壳体： 口一潸扫门ｉ ＩＤ一隔ｊ阪． 从图４中可以看出ｔ隔板将箱体分为上 下两个部分，上部通空气，下部通烟气。换 热器整体按１５。角安放。这样使热管上的肋 片面仍近于垂直，便于除尘Ｉ而且也可保证 热管管内工质顺利回流，使热管不致抽 坏。 空气与烟气逆流，以提高平均温度差， 强化传热。 箱体内热管的排刊方式采用图５中的顺 排，这种排列方式虽比叉排换热效果低Ｉ５％ ２Ｏ％，但流体流动阻力可下降近一睾。 箱体两边各装设一个操作孔，以便于人 工请灰
维普资讯 http://www.cqvip.com 棘冶科技 々— ¨¨ ¨ —棒 食母 ｘ排 圉５热瞥排列方式 换热器外部尺寸ｌ ２ ５７ｏｘ１ ０００× ２ ０８０ｒａｍ。 ３．３．３清灰机构 清灰振打机构是该换热器成败的关键。 它由传动电机，振打小车组成。振打小车由 传动电机牵引，沿换热器外部滑道上下行 走，小车上的偏心电机启动后，产生振打 力，使锤头敲击热管端部，致使灰尘脱落。 １．●试验给果 热管在高含尘烟气条件下工作，烟气侧 热管管壁及肋片上积灰严重，导致热管热阻 加大。恶化了热管传热，降低了传热系数， 使换热器热回收率下降。因此，保证良好的 除尘效果，是试验的主要任务。也可以说， 除灰机构能否满足要求，是决定热管在含尘 ｊ日气的１应用前景的关键。 试验期间，换热器共运行了１２６天，详 见表３。 囊８ 热警换热器运行周期 第２０卷 从运行情况来看 现有清灰方式基本上 能保持换热器不堵塞。而且每次清灰后，传 热效果有明显改善，见表４。 衰４ 清灰前后有关参数变化穰况
ｌ庄．０数据取自１９９０年９月１日早班运行记录 ＠进、出口压差＝锅炉出口负压一布袋收尘器 （Ｉ）八口负压： 固培风温差＝换热嚣烟气出口温度一热风出口温 度，此差值愈小。说明积尘愈少．热交换愈 好．
从表４可以看出：清灰后，烟气压头损 失（即进、出口负压差）和烟风温差徒降，说 明烟气畅通，热交换改善。根据热管几个运 行周期的连续运行数据，可看出各周期前后 热管的总传热系数变化不大。这就说明，采 用周期振打，定时吹灰，热管换热器可以适 应有色含尘烟气，具备长期稳定运行的条 件。 换热器的运行数据见表５。 对表５中的运行数据进行计算，可得出 有关结果如表６。 可见，该换热器传热效果是较好的，而 且是很稳定的。其传热系数明显高于处理同 种烟气的其它换热装置。见表７。 对换热器的监测结果进行分析计算，可 编制其热平衡表如表８。 衰５ 热ｔ接热■遣行菇舞
维普资讯 http://www.cqvip.com 筘１期 周建光：重啸热管式换热器的应用 ２３ 襄Ｉ 热警换热■热工性能
表８ 挥热警揍热普热平衡襄 由于换热器外壳未保温，故表面散热较 大。 在换热器运行过程中，必须保证烟气含 尘不致于对传热造成危害。因此，如何准确 选定振打周期和振打时间，以及人工吹灰局 期，是一个很重要的因素。 当进入换热器的烟气温度、烟气流速， 空气流速不变，而改变振打周期、振打时间， 空气出口温度随之变。化数据绘于图６中。图 中Ａ为固定振打周期（２０分钟），每２小时改 变振打时间（２０秒、３Ｏ秒、４０秒、５Ｏ秒），记录
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围６ 曩打对热蕾除灰的搭 Ａ 振打时间与空气出口温度的关系． Ｂ．薹打周期与空气出口温度的关系．
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