热管的传热原理及其应用特点

热管的传热原理及其应用特点

在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量的热量通过其很小截面积远距离地传输而无需外加动力。国际上对热管技术的研究和应用是在20世纪60年代开始的。我国在这方面的研究起始于上世纪70年代，当时主要侧重的方向为电子器件冷却和空间飞行器上的应用。80年代初，我国的热管研究和开发重点转向节能和能源的合理利用，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等各类热管产品。由于碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。

随着科学技术的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽。目前，热管及热管换热器已广泛应用于石油、化工、动力、冶金、建材、轻工等领域的高效传热设备，以及电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却及电路控制板等的冷却。

目前，除微型热管已批量化、大规模生产外，工业中余热回收用的热管换热器由于各种设备规模、大小、使用情况的不同，几乎每台设备都根据设备的工艺条件、现场情况设计、制造。

一、热管工作原理

热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。

典型的重力热管如图所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质，在热管的下端加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下,上升到热管上端，并向外界放出热量，凝结为液体。冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端。由于是相变传热，因此热管内热阻很小，

热管的高导热能力与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。此外，由于热管内部一般抽成真空，工质极易沸腾与蒸发，热管启动非常迅速。

热管这种传热元件，可以单根使用，也可以组合使用，根据用户现场的条件，配以相应的流通结构组合成各种形式换热器，热管换热器具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、工作可靠和维护费用少等多种优点，它在空间技术、电子、冶金、动力、石油、化工等各种行业都得到了广泛的应用。

二、热管换热器的类型与基本结构

热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。热管换热器显著的特点是：结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器。换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小，因而动力消耗也小。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件相互又是独立的，因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多少影响。此外，热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免腐蚀性气体的露点腐蚀。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，其用途亦日趋广泛。

按照热流体和冷流体的状态，热管换热器可分为气—气式、气-汽式、气—液式、液—液式、液—气式。从热管换热器结构形式来看，热管换热器又分为整体式、分离式和组合式：

1、整体式热管换热器

该换热器是由许多单根热管组成。热管数量的多少取决于换热量的大小。为了提高气体的换热系数，往往采取在管外加翅片的方法，这样可使所需要的热管数目大大减少。整体式热管换热器主要分为气—气式、气—汽式、气—液式。

（1）、热管式气—气换热器主要由壳体、热管元件及冷、热流体进出接口组成。壳体是一个钢结构件，一侧为热流体通道，另一侧为冷流体通道，中间由管板分隔。壳体的上、下孔板与盖板间以及设备的两侧均设有保温层。上、下盖板是可拆卸结构，便于检修和更换热管。

（2）、热管式气—汽换热器（热管蒸汽发生器）系统

该系统由两部分组成：热管蒸汽发生器，汽水分离装置（汽包）。其中热管蒸汽发生器是一种新型的蒸汽发生装置，它以具有良好导热性能的热管作为传热元件。热管受热段采用高频焊接翅片来强化传热，因而整套装置传热效率高，设备结构紧凑，热流体流动阻力小，并且由于热管的存在使得水的受热及汽化均在烟道之外完成，而且汽水分离也在汽包中完成，这就不同于一般的烟道式余热锅炉。同时水套管与汽包之间用导管连接，管道可以任意调节长度，现场布置灵活，全套设备无转动部件，运行可靠，操作维修方便。

2、分离式热管换热器

（1）工作原理

分离式热管也是利用工质的汽化-凝结来传递热量，只是将受热部分与放热部分分离开来，用蒸汽上升管与冷凝液下降管相联接，可应用于冷、热流体相距较远或冷、热流体绝对不允许混合的场合。

（2）设备的基本结构

由通过热流体的换热器、冷流体的换热器及蒸汽上升管、冷凝液下降管组合而成。换热器主要由壳体和管束组成。壳体是一个钢结构件，它分别是热流体和冷流体的流通通道，壳体的上顶下底、两侧均设有内保温层。为了便于检修和观察积灰情况，及时清除积灰，接口处设有人孔，设备顶盖也可打开，用于检修和更换管束。每台壳体内均装有若干片彼此独立的管束。受热段和放热段相对应的各片管束通过蒸汽上升管和冷凝液下降管连接，构成各自独立的封闭系统。

三、热管换热器的应用特点

1、整体式换热器特点：

（1）、传热效率高，热管的冷、热侧均可根据需要采用高频焊翅片强化传热，弥补一般气—气换热器换热系数低的弱点。

（2）、有效地避免冷、热流体的串流，每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体都在管外流动，并由中间密封板严密的将冷、热流体隔开。

（3）、有效的防止露点腐蚀，通过调整热管根数或调整热管冷热侧的传热面积比，使热管壁温提高到露点温度以上。

（4）、有效的防止积灰，换热器设计可采用变截面结构，保证流体进出口等流速流动，达到自清灰的目的。

（5）、无任何转动部件，没有附加动力消耗，不需要经常更换元件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产。

（6）、单根热管的损坏不影响其它的热管，同时对整体换热效果的影响也可忽略不计。

2、分离式热管换热器的特点：

（1）、装置的受热段和放热段可视现场情况而分开布置，可实现远距离传热，这就给工