文 献 综 述

1 概述

能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可靠安全的，稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。随着经济的高速增长和人民生活水平的不断提高，世界各国对能源的需求量急剧增长^[1]。我国的一次能源生产居世界第三位，但人均占有量很低。节约天然资源和一次能源消费已成为考虑一切技术方案的前提。因此，精雕细刻地研究节能理论和技术，是具有重大而深远的意义的^[2]。

热管是高效的传热元件，它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热传导能力，而且几乎没有损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。它可将大量的热量通过其很小的截面积远距离的传输而无需外加动力。近年来，热管凭借其巨大的传热能力，被广泛应用于石油，化工，食品，造纸，冶金等热回收系统中^[3]。

2 热管和热管空气预热

热管是凭借封闭管内的工作介质反复发生相变蒸发、冷凝而进行热量传递的一种高效传热元件^[4]。

由热管元件组成的，利用热管原理实现热交换的换热器称之为热管换热器。一般情况下，它有一矩形外壳中布满了带翅片的热管，热管的布置可以是错列呈三角形的排列，也可以顺列呈正方形排列。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，形成热流体与冷流体通道。当然冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给了冷流体，实现了两种流体的热量交换^[5]。

热管换热器是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均。它是一种新型的换热器，于70年代初才开始应用于工业中作为节能设备。虽然热管换热器在工业中应用时间不长，但发展速度很快。^[6]热管换热器的最大特点是：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也比其他换热器小，因而动力消耗也。热管换热器的这些特点正越来越受到人们的重视，是一种应用前景非常好的换热设备。^[7]

热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司（The GeneraMotors Corporation,Ohio,U.S.A）的R.S.Gauler于1942年在美国专利（No.2350348）中提出的。1962年L.Trefethen再次提出类似与Gauler的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并未经过实验证明，亦未能付诸实施^[8]。

我国自70年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究，由于我国是一个发展中的国家，能源的综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究以及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气#8212;气换热器，热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品^[9]。由于碳钢#8212;水两相闭式热管的结构简单，价格低廉，制造方便，易于在工业中推广应用，碳钢#8212;水相容性的基本解决，使得此类热管得以广泛的应用。我过的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃，从1983年气先后召开了六界全国性的热管会议^[10]。

我国煤炭储量丰富，能源的综合利用水平较低，因此我国热管研究及开发的重点节能及能源的合理利用，在煤化工及煤转油行业应用较多^[11]。

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。新能源的开发，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，电路控制板等冷却，化工，动力，冶金，玻璃，轻功，陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展^[12]。

3 热管空气预热器设计

3.1 选择换热器类型

根据题意，本设计为热管式换热器。热管式换热器与其他换热器比较：具有热平均温差大，传热性能高，布置灵活，结构紧凑，可以改变热管根数任意组合，增大换热面积，故可用较少的热管保证热量的传递，工作安全可靠，即使其中一根发生故障，也不影响整个换热器的工作，检修方便，维修量少，操控性强等优点。因此热管换热器被广泛应用于工业生产中^[13]。

3.2 热管的设计

热管的设计主要包括：管壳的设计，工作介质选择，中间密封结构设计及相关设计计算等。其中热管直径，热管长度，翅片的结构参数决定翅片效率和翅化比，对热管的传热及流阻性能影响较大，并涉及换热器的紧凑型，投资和运行费用^[14]。

3.3换热管的排列形式

换热管的排列形式主要有以下四种：三角形，转三角形，正方形，转角正方形。^[15]

等边三角形排列最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。但管间不易清洗，适用于不结垢或可用化学方法清洗污垢以及允许压强较高的工况。当壳程需要机械清洗时，不得采用三角形形式。^[16]

在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm的清洗通道^[17]。

3.4确定热管空气预热器的主要结构

根据传热学原理，在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差大，顺流的平均温差小，故我们采用逆流布置，即烟气上进下出，空气则下进上出^[18]。但如此布置会使烟气的最高温度和空气的最高温度集中在空预器的同一端，造成局部温度过高，损坏热管元件^[19]。管排布置可采用错排和顺排两种，阻力损失错排大于顺排，错排布置时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比顺排时在管间走廊通道的流动扰动剧烈^[20]。

热管空气预热器热力计算的内容和目的是在给定工况条件下，计算出换热量、传热系数及换热面积，最后计算出所需的热管根数，为结构设计提供依据^[21]。热管的数量决定了换热面积是否足够用以回收设计表中的热量，这对设备能否达到设计性能指标是至关重要的。改变热管尺寸和排数，在热管烟气侧与空气侧都加环肋等方法来得到性能更好的热管空气预热器^[22]。

3.5 设计步骤

计算传热量；

求冷空气出口温度及对数平均温差；

确定迎风面积及迎风面管排数；

求总传热系数；

求加热侧总传热面积；

求所需热管数；

确定换热器纵深排数；

求通过热管换热器的压力降。^[23]

4 热管空气预热器设计与运行中的几个问题

热管式空气预热器的热交换，除热管内部工质的相变传热外，烟气侧与空气测均为

管束外的横掠传热，同时采用了表面肋化扩展换热面以提高综合传热系数。热力计算是任何热交换器性能设计的重要内容，对空气预热器来说是保证空气出口温度，排烟温度，阻力损失等性能参数和控制壁温以达到防止腐蚀的根本。

多种文献介绍，前苏联在电站锅炉的热交换器和省煤器上进行过灰垢实验。根据实验室和锅炉工业性实验结果，肋片管管束的污垢热阻与光管管束大体相同。

实践证明，”第二安全区”并不安全。因此，在热管空气预热器的设计过程中，壁温必须控制在酸露点以上的”第一安全区”。根据空气预热器的运行结果，壁温高于酸露点时运行安全，即使在燃用高硫煤的电厂也是如此。壁温的调控可采用多种手段，除调整肋片管的结构参数外，还可以应用充气热管，光管热管，假管等技术。

对翅片管选择适宜的线速度，确保不积灰，搭桥。可采用阶梯型布置确保每排热管的自清灰速度。热管换热器有立式和卧式两种，卧式布置有利于自上而下烟灰不易聚集。

由于加热炉参数的波动，以及低负荷运行或变工况运行，热管空气预热器设计还应做低负荷时的校核计算，其目的主要是检验最低管壁温度是否安全，最低流速是否可行（不至于产生堵积灰）。^[24]

热管失效分为内部失效和外部失效。热管内部失效主要涉及两个方面问题：一方面与热管相容性技术和热管制作有关，另一方面与热管工作温度是否超温有关。热管的检验与测试对热管性能的影响也不容忽视，热管制作后，必须存放一段时间后进行检验，以防端帽焊接和抽气管封口处存在微渗漏，破坏热管真空度，影响热管性能。

热管使用时，工作温度超温也是热管失效的重要原因。目前，国内对不同热管的安全工作温度尚未有统一的规定。如果工作温度超过允许值，投运后，热管超温，钝化膜破坏，很快失效。

热管的外部失效主要是腐蚀和积灰问题。按腐蚀机理，空气预热器发生腐蚀的原因必然是管壁温度处于腐蚀区。空气预热器发生毒积灰的原因，除结构参数如纵横节距，肋片参数选择不当外，往往是由于存在管壁的硫酸结露和腐蚀。

在长期运行中，发现热管空气预热器进出口的烟气/空气流道设计对空气预热器长期稳定运行也有很大影响。由于烟，风道设计不当，将导致空气预热器内出现偏流现象，引发热管超温失效，露点腐蚀和积灰。烟气偏流导致两种后果：流量少的一边由于总换热量少而出现低温腐蚀，堵积灰，从而烟气流量越来越少，流量多的一边烟速高，而且烟气流量越来越大，一旦发生磨损则逐渐加剧。应该安装导流板减少因偏流导致的流场不均。

要保证热管空气预热器长寿命，高效，稳定运行，必须在正确选定输入设计参数的情况下，首先通过热力计算确定中，常温热管的组合，防止热管超温失效，其次利用热管的特点，通过调整烟气/空气侧的翅化比，提高低温段热管管壁温度，避免露点腐蚀发生，然后选择合适有效的清灰手段，防止因积灰导致换热效率下降，最后，再根据负荷变化情况，确定是否设置空气旁路调节管道，减少偏流给空气预热器带来的不利影响。与此同时，还要在热管制造和检验上严格工艺，完善计量和检测手段，提高热管加工质量的稳定。^[25]

在了解到这些以后，我将以此为要求去设计热管空气预热器，尽量避免一些不必要的问题，使设计出的热管空气预热器能够满足要求，在工作的时候不会出现大的纰漏，安全运行。

参考文献：

[1] 王民杰．大型热管空气预热器的优化与构造改进[J].化肥工业，2001，29(1)：39-40．

[2] 刘志敏，王礼，谷曙明，张春发．电厂锅炉热管式空气预热器的设计和运行[J]．中国电力，1994，6：39-41．

[3] 唐志永，金保升，孙克勤，仲兆平．电站翅片热管空气预热器变壁温数值模拟[J]．锅炉设计，2006，37(3)：5-8．

[4] 白玉，崔欣．电站锅炉热管空气预热器的使用寿命[J]．山东电力技术，1995，2：11-15．

[5] 刘志敏 谷曙明．电站锅炉热管空气预热器的优化设计[J]．中国电机工程学报，1994．14(3)：65-70．

[6] 敖建军，温国平，孙全平．高效热管空气预热器的应用[M]．上海：七一一研究所出版，1996．

[7] 王春雨，杨广胜，刘建伟．锅炉空气预热器低温腐蚀机理及预防措施[M]．牡丹江市：牡丹江市第三热电厂出版，2004．

[8] 陈建平，藏雅林，盖建堂，曹立新．燃煤锅炉热管式空气预热器技术分析[J]．河北工业科技，2005，22(4)：204-207．

[9] 王家声．热管及其在空气预热器上的应用[M] ．北京：北京化学工业出版社，2000．

[10] 王振彪．热管空气预热器的寿命及安全运行[M]．华北：华北电力联合公司出版，1995．

[11] 张清蕴．热管空气预热器设计运行中的几个问题[J]．中外能源，2006，4：85-86．

[12] 李宝山，杜秋萍，任琦．热管空气预热器设计计算方法初探[J]．技术教育学报，1992，3（1）：8-13．

[13] A.Nuntaphan ，J.Tiansuwan,T.Kiatsiriroat．Enhancement of heat transport in thermosyphon air preheater at high temperature with binary working fluid[J]．Thermal Engineering，2002，22：251-266．

[14]Hong Zhang,Jun Zhuang．Research,development and industrial application of heat pipe technology in China[J]．Thermal Engineering， 2003，23：1067-1083．

[15] Leonard L.Vasiliev．Heat Pipe in modern heat exchangers[J]．Thermal Engineering，2005,25：1-19．

[16] 夏丽萍，陈晓伟．热管空气预热器在高压加氢反应炉上的应用[J].黑龙江石油化工，2001，12:29-30.

[17] 王志和．用热管空气预热器回收锅炉排烟余热[M]．南京：南京林业大学出版，1997．

[18] 邢德山，阎维平，支国军．直吹式制粉系统与空气预热器的质量能量平衡关系分析[J]．热能动力工程，2006,21（6）：583-589．

[19] 许国庆，区杰瑜．大型电站锅炉空气预热器应用热管的探讨[M]．黄埔发电厂出版，1996．

[20] 刘兆俊．翅片式热管空气预热器在电站锅炉上的应用[M].山东：中国石化出版，2011．

[21] 陈曦梅．热管空气预热器的应用[J].企业技术开发，2004,23（6）：12-13．

[22] 李永华，吉云，廖丹，兰吉勇．热管空气预热器应用研究[J]．锅炉技术，2004，35(6)：19-23．

[23]H.TALLERMO,I.KLEVTSOV,A.DEDOV．CORROSION OF AIR PREHEATER TUBES OF OIL SHALE CFB BOILER[J]．Oil Shale，2009，26：13-18．

[24]S.Rittidech,W.Dangeton,S.Soponronnarit.Closed-ended.oscillating.heat-pipe(CEOHP)[J]．Energy，2005，81：198-208．

[25] A.Kiniman,S.Rittidech,B.Bubphachot．Application of the top heat mode closed-loop oscillating heat-pipe with check valves air preheater for chili drying[J]．Applied Sciences Research，2012 ，8(3)： 1699-1706