熱管換熱器的核心元件是熱管。熱管是一種新型相變傳熱元件,其*的傳熱特性引起了人們的極大興趣,應(yīng)用領(lǐng)域從空間擴(kuò)大到地面,從工業(yè)擴(kuò)展到民用[1]。然而,在熱管技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,其在工業(yè)應(yīng)用中仍然存在一些問題,會(huì)限制熱管技術(shù)的使用和深入發(fā)展。筆者對(duì)這些問題進(jìn)行了研究,并提出了合理的解決辦法。
   1　熱管相容性
   早期的熱管研究人員就注意到了管殼材料與工質(zhì)的化學(xué)相容性問題,早期工業(yè)應(yīng)用的熱管一般采用銅材管壁或鋼銅復(fù)合管,產(chǎn)品成本很高,限制了熱管技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。鋼 水熱管以其成本低、強(qiáng)度高、制造工藝簡單及適應(yīng)溫度范圍廣得到了大家的認(rèn)同,在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用,然而鋼 水熱管的使用壽命不足0.5ａ,無法滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。通過多年的研究人們認(rèn)識(shí)到,鋼 水熱管中存在著化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng),這是一種不可避免也不可能消除的金屬腐蝕過程,只能抑制或延緩,因此,鋼 水熱管相容性問題的對(duì)策只能是延長熱管的使用壽命[2]。
    1.1　腐蝕機(jī)理
    由于管材與工質(zhì)的化學(xué)不相容性,使得鋼 水熱管內(nèi)部發(fā)生腐蝕產(chǎn)生不凝氣體氫氣。氫氣越多,換熱效果越不好,氫氣積聚到一定程度可以使熱管*喪失傳熱功能。
    1.1.1　化學(xué)反應(yīng)腐蝕
    熱管長時(shí)間在較高的溫度下工作,鋼 水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在管內(nèi)產(chǎn)生變化,其主要的化學(xué)反應(yīng)過程如下：　　　
　　　　　　　　　?。疲?/span>+Ｈ2Ｏ=ＦｅＯ+Ｈ2↑
　　　　　　　　　2Ｆｅ+3Ｈ2Ｏ=Ｆｅ2Ｏ3+3Ｈ2↑
　　　　　　　　　3Ｆｅ+4Ｈ2Ｏ=Ｆｅ3Ｏ4+4Ｈ2↑
　　上述反應(yīng)的結(jié)果使管壁發(fā)生腐蝕,產(chǎn)生ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4,同時(shí)產(chǎn)生一定量的不凝氣體氫氣。
　　除Ｆｅ3Ｏ4外,其余兩種氧化層（ＦｅＯ和Ｆｅ2Ｏ3）不能阻止水的侵入,仍要與鐵繼續(xù)反應(yīng)生成氫氣。
　　1.1.2　電化學(xué)反應(yīng)
　　在鋼 水熱管內(nèi),鐵、雜質(zhì)和水構(gòu)成一種原電池。其中鐵為陽極,雜質(zhì)為陰極。雜質(zhì)一般為ＦｅＣ3、石墨等,為碳鋼與水中所含。水的電離度雖小,但仍有少量的ＯＨ-和Ｈ+生成。管內(nèi)主要的電化學(xué)反應(yīng)過程如下：　　
　　　　　　　　　　　　2Ｈ++2ｅ=Ｈ2↑
　　　　　　　　　　　?。疲?/span>-2ｅ=Ｆｅ2+
　　　　　　　　　Ｆｅ2++2ＯＨ-=Ｆｅ（ＯＨ）2↓
　　　　　　　　　　3Ｆｅ（ＯＨ）2=Ｆｅ3Ｏ4+2Ｈ2Ｏ+Ｈ2↑
　　在高溫有水的條件下上述反應(yīng)進(jìn)行得很快,普遍認(rèn)為這是導(dǎo)致碳鋼與水不相容的主要原因。
　　1.2　對(duì)策
　　1.2.1　碳鋼管材表面鈍化
　　（1）高溫蒸汽表面鈍化　采用該辦法的目的是使管壁凈化且生成致密的蘭色Ｆｅ3Ｏ4氧化膜鈍化層,這是一種穩(wěn)定性*的保護(hù)膜。具體的做法是將凈化后的碳鋼管加熱至500～600℃,然后沖以水蒸氣進(jìn)行表面鈍化,此時(shí)碳鋼管內(nèi)表面會(huì)生成致密而均勻的Ｆｅ3Ｏ4氧化層。
　　（2）化學(xué)液鈍化　該方法也是使管壁生成Ｆｅ3Ｏ4氧化膜鈍化層,所不同的是采用氧化性化學(xué)試劑的方法。目前鈍化液主要采用的試劑是重鉻酸鉀,具體做法是將酸洗凈化后的碳鋼管放入鈍化槽內(nèi),在一定溫度下浸泡一定的時(shí)間,使管壁內(nèi)生成一層致密的Ｆｅ3Ｏ4氧化膜。
　　1.2.2　工質(zhì)內(nèi)添加緩蝕劑
　　在工質(zhì)中添加緩蝕劑是為了使管壁表面產(chǎn)生更為均勻與密集的Ｆｅ3Ｏ4鈍化層。緩蝕劑與化學(xué)鈍化一般聯(lián)合使用,由于制造工藝過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生對(duì)局部鈍化膜的破壞,這時(shí)緩蝕劑就可以起到修補(bǔ)的作用。緩蝕劑品種很多,一般采用陽極型緩蝕劑,其管壁緩蝕效果較好。具體做法是在工質(zhì)內(nèi)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～3%的重鉻酸鉀。
　　1.2.3　排放法和滲透法
　　在熱管冷凝端部裝上排氣閥,必要時(shí)打開閥將積累的氫氣排放出去。也可在熱管冷凝端部裝上鈀管,讓產(chǎn)生的氫氣隨時(shí)滲透出去。
　　1.2.4　氧化除氫法
　　根據(jù)化學(xué)理論,標(biāo)準(zhǔn)電極電位為正值的元素的氧化物都能被氫還原出來。常見的銅、鎳、鋅、鈷等元素的氧化物都能與氫進(jìn)行氧化還原反應(yīng),只是要求的反應(yīng)溫度不同,反應(yīng)速度不一樣。氧化除氫技術(shù)在20世紀(jì)90年代初就開始了推廣應(yīng)用,但要求的反應(yīng)溫度一般超過150℃,使其在工業(yè)中的應(yīng)用受到一定限制。目前,一種新型復(fù)合配方的氧化除氫技術(shù)已研制成功并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用,在常溫下就可快速地進(jìn)行除氫反應(yīng)。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用,必將極大地提高熱管的使用壽命。
　　針對(duì)化學(xué)鈍化膜不穩(wěn)定、排放法和滲透法不易操作、高溫蒸汽鈍化所需場地設(shè)備及投資較大的問題,我們認(rèn)為的延長熱管壽命的方法應(yīng)為化學(xué)鈍化、緩蝕劑及氧化除氫技術(shù)的配合使用。
　　2　熱管積灰
　　在熱管余熱回收設(shè)備中,熱管積灰是普遍存在的問題,積灰增加了受熱面熱阻,降低了設(shè)備的傳熱能力,還可以減少流體的通道面積,增加流動(dòng)阻力,降低換熱表面溫度,造成低溫露點(diǎn)腐蝕。不少的余熱回收設(shè)備由于積灰嚴(yán)重不能正常運(yùn)行,甚至被迫停用,因此積灰已成為節(jié)能設(shè)備能否正常運(yùn)行的一個(gè)主要問題。
　　2.1　形成機(jī)理
　　積灰按溫度可劃分為高溫區(qū)積灰、過渡區(qū)積灰和低溫區(qū)積灰,熱管換熱設(shè)備的積灰主要是低溫區(qū)積灰。低溫區(qū)積灰一般為疏松式積灰,主要發(fā)生在下游溫度較低的換熱設(shè)備上。積灰形成的機(jī)理較復(fù)雜,一般認(rèn)為疏松式積灰是由分子引力和靜電引力的作用而形成。資料表明,當(dāng)灰粒的當(dāng)量直徑小于3μｍ時(shí),灰粒與金屬管壁間、灰粒與灰粒間的萬有引力超過灰粒本身的重量,煙氣中所含的微小灰粒沖刷到管壁時(shí),就吸附在金屬表面或積灰表面上。另外,煙氣流動(dòng)時(shí),因煙氣中灰粒的電阻較大會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng),雖然受熱面的材質(zhì)是良導(dǎo)體,但當(dāng)受熱面積灰后,其表面就變成了絕緣體,很容易將因靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的帶異種電荷的灰粒（當(dāng)量直徑小于10μｍ）吸附在其表面上,形成疏松式積灰。
　　疏松式積灰在以下條件下均可形成低溫粘結(jié)性積灰:①燃料燃燒不充分而形成高粘度聚合物,此種聚合物極易吸附于管壁上,不容易脫落而形成粘結(jié)性積灰。②當(dāng)灰垢吸收煙氣中的ＳＯ3和水蒸氣后轉(zhuǎn)化成硫酸鹽,形成粘結(jié)性積灰。
　　2.2　對(duì)策
　　2.2.1　熱管管外翅片結(jié)構(gòu)選擇
　　氣相換熱的熱管換熱器熱管外都采用加肋強(qiáng)化傳熱,翅片形式多選用穿片或螺旋形纏繞片,這些翅片結(jié)構(gòu)緊湊,肋化比高,效果明顯,但缺點(diǎn)是極易積灰結(jié)垢。對(duì)于高粉塵流體,即使翅片間距取12～20ｍｍ,在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重積灰。對(duì)于高含塵流體,目前趨向于選擇以下2種結(jié)構(gòu)。
　　（1）軸對(duì)稱單列縱向直肋翅片　該翅片結(jié)構(gòu)簡單,制作方便,相對(duì)肋化比低,不易積灰。如果將翅片做成不等高,即降低背后翅片高度,可進(jìn)一步減少積灰。目前此結(jié)構(gòu)的熱管換熱器已投入工業(yè)應(yīng)用效果較好。
　　（2）釘頭管　釘頭管作為換熱設(shè)備的傳熱元件一般多用于粘結(jié)性積灰部位。例如,在燃油加熱爐的對(duì)流室中,為了減少熱管換熱器的積灰堵塞,將釘頭管制成的熱管空氣預(yù)熱器用于以高含硫油為燃料的常減壓加熱爐中,投用多年無積灰堵塞現(xiàn)象。
　　2.2.2　流體速度及結(jié)構(gòu)選擇
　　換熱設(shè)備內(nèi)流體速度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù),它影響換熱設(shè)備的的傳熱、流動(dòng)阻力、磨損及自清灰能力等。目前設(shè)計(jì)熱管換熱設(shè)備時(shí)多采用等質(zhì)量流速法,這種方法的嚴(yán)重不足之處就是隨著設(shè)備內(nèi)溫度的下降,進(jìn)出口處的密度、動(dòng)力粘度和導(dǎo)熱系數(shù)明顯變化,從而引起出口處流體的速度大幅下降,其結(jié)果是傳熱系數(shù)和自清灰能力下降,造成換熱設(shè)備后排的積灰?？刹捎米兘孛嬖O(shè)計(jì)法解決該問題,以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法。對(duì)于某一參數(shù)一定的換熱設(shè)備,質(zhì)量流量是一個(gè)常數(shù),如要維持體積流速不變,只有改變換熱面積來抵消密度的變化。隨著煙氣溫度的降低,密度將增大,要維持流速一定,換熱設(shè)備的流通面積將減小,所以以等體積流速設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備的截面為一等邊梯形。
　　變截面換熱設(shè)備的進(jìn)、出口具有相同的自清灰能力,一般認(rèn)為,換熱設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的實(shí)際流速達(dá)到8ｍ/ｓ便可起到自清灰的作用,設(shè)計(jì)時(shí)可取流體流速為8～12ｍ/ｓ。對(duì)于可能引起嚴(yán)重磨損的部位,流體流速可取6～8ｍ/ｓ,以免引起管子快速磨損而導(dǎo)致穿孔。
　　2.2.3　清灰
　　采用化學(xué)清灰劑清灰或采用吹掃和用機(jī)械方法清除管子表面積灰[3]。這兩種方法是在積灰生成以后才進(jìn)行,有滯后性。
　　3　熱管露點(diǎn)腐蝕
　　3.1　產(chǎn)生機(jī)理
　　當(dāng)熱管換熱器在低溫?zé)煔庵惺褂脮r(shí),換熱器熱管常會(huì)產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕問題。有時(shí)即使在正常的排煙溫度下,煙氣出口側(cè)（在沒有前置預(yù)熱器的情況下）zui后幾排熱管也存在低溫露點(diǎn)腐蝕。根據(jù)傳熱學(xué)可知,煙氣側(cè)壁溫主要與冷、熱流體的溫度,傳熱系數(shù)及換熱面積有關(guān),它與熱流體的溫度、傳熱系數(shù)、面積及冷流體的溫度成正比,而與冷流體的傳熱系數(shù)和面積成反比。在冷、熱側(cè)傳熱系數(shù)和換熱面積基本一定的情況下,當(dāng)冷流溫度較低時(shí),煙氣側(cè)壁溫就有可能在露點(diǎn)溫度以下而發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。
　　3.2　對(duì)策
　　3.2.1　控制排煙溫度[4]
　　根據(jù)煙氣的露點(diǎn)溫度合理確定排煙溫度,一般排煙溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度20～30℃。另外,在冬、夏季環(huán)境溫度相差較大的情況下,應(yīng)控制不同的排煙溫度,冬季排煙溫度應(yīng)適當(dāng)提高。
　　3.2.2　增設(shè)前置預(yù)熱器
　　增設(shè)前置預(yù)熱器可提高空氣入預(yù)熱器的溫度,從而有效防止露點(diǎn)腐蝕[5,6]。
　　3.2.3　設(shè)置旁路空氣通道
　　當(dāng)煙氣溫度或環(huán)境溫度較低時(shí),可設(shè)置相應(yīng)的旁路通道,將部分換熱后空氣混合到冷空氣中,以提高空氣的入口溫度。
　　3.2.4　調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)
　　通過調(diào)節(jié)冷、熱端的結(jié)構(gòu)參數(shù),可提高熱管zui低壁溫,防止低溫腐蝕。結(jié)構(gòu)參數(shù)中,冷、熱端長度的變化對(duì)壁溫的變化zui敏感,但熱端的長度不能增加太多,否則會(huì)造成出口煙氣的溫度升高,單支熱管傳熱能力下降,空氣側(cè)流動(dòng)阻力增大,目前應(yīng)用zui多的是調(diào)整翅片的高度和間距。在結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整中,建議同時(shí)改變冷、熱側(cè)某一參數(shù),這樣壁溫變化較快,且單排熱管的傳熱量基本不變,不用增加管排即可保證原有的傳熱性能。當(dāng)壁溫與露點(diǎn)溫度相差不大時(shí),優(yōu)先選擇翅片高度或間距作為調(diào)溫參數(shù);當(dāng)壁溫與露點(diǎn)溫度相差較大時(shí),應(yīng)選擇冷端長度作為調(diào)溫參數(shù)或同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)。