~$空气预热器在动力锅炉中的应用

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1、1热管空气预热器在我厂的应用热管空气预热器在我厂的应用邱明勇关键词 热管原理 基本理论 热管分类 电厂应用目目 录录 热管的工作原理热管的工作原理绪言 热管的工作原理 热管的特性 热管的类型 热管的基本理论热管的基本理论热管的传热计算 热管的传热极限 两相闭式热虹吸管与分离式热管两相闭式热虹吸管与分离式热管两相闭式热虹吸管 分离式热管热管空气预热器的应用热管空气预热器的应用热管的传热特性 热管的抗腐蚀能力热管空气预热器在贵阳发电厂的应用热管空气预热器在贵阳发电厂的应用结论结论2 热管的工作原理热管的工作原理11 绪言绪言 热管的原理首先在 1942 年由美国俄亥俄州通用发动机公司(Genera

2、l Motor Corpora- tion,Ohio USA)的 R.S.Gaugler 提出的,他当时的想法是使传热工质(液体)在某处吸收热量并 蒸发成蒸汽,而蒸汽在另一处,放出热量并凝结成液体，然后这液体在不需要动力的情况下能 自动在流回蒸发处，这样连续地蒸发与凝结，不断将热量从一处传输到另一处。由于利用 了相变，传输的是汽化潜热。因而热管成为一种高效传热元件。他在他的专利中提出了一 种利用这种原理的致冷装置（见图） ，热管将热量从致冷装置的内室传至装在下部盛 有碎冰的容器内，蒸汽凝结后由热管中的烧结铁吸液芯的毛细力将凝结液抽回到上部的蒸 发处，为了改进传热，热管的外部装有翅片。这种传热的

3、设想。由于没有实践的支持，以 及当时处于第二次世界大战的历史背景下，通用发动机公司采用了一般的方法就可以解决 特殊的传热问题，这个构思被埋没了。年美国洛斯一阿拉莫斯科学实险室（os Alamos Scientific Laboratory)LASL(位于新黑西哥州)，在.M.Grover 的主持下重新独立地发明了类似于 augler 的传热装置，并进行了性能测试实验，在“应用物理” （.Phy）杂志上公 开发表了第一篇论文，并正式将这种装置命名为“热管” （eat Pipe）指出它的导热率已 远远超过任何一种已知金属，给出了以钠为工质，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的 热管的试验结果。 对热

4、管的研究在世界上一直处于领先地位，年他们首先将一支实验 用的水热管，送到地球卫星轨道，并获得热管运行性能的遥测数据，证明了热管在无重力 条件下也能成功地运行。 在传热工程中，面临两大问题:一是研究高绝热材料即低导热系数材料，作为保温材料， 以防止热量的散耗，节约能源和解决低温技术的保温问题， 常用的保温材料如膨胀珍珠岩， 其导热系数 .2（w/m） 。矿渣棉 =0.058（w/m） （w/m） ，玻璃 棉毡 =0.043（w/m） 。用固体材料隔热， 值在 10-2的数量已达到了极限，于是发明了 真空隔热和超级隔热。所谓超级隔热是由其导热多层高反射材料组成，层与层之间再用隔 热层隔开，这种超级

5、隔热系数可以达到 10-4的数量级。二是要研究高导热材料，许多工程 中需要很快将热量散开或从一种介质传递给另一种介质，具有良好导热性的材料是铝 （=202w/m） 、铜（=385w/m）和银（=410w/m） 。这些金属材料虽有较高的导 热系数，但仍不能满足某些工程的需要。如反应堆工程、半导体器件、热换器等。而且这 些材料价格昂贵，所以科学工作者就必须研究超热材料。热管的发明就解决了这个问题， 热管的相当导热系数可达 105w/m的数量级，所以有人称之谓超导热元件（与超导电材料 相比拟） ，因此可解决许多工程上难以用常规手段界解决的问题。 由于热管具有一系列良好性能，自 1964 年在美国问世

6、以来，英国、德国、意大利、法 国、荷兰、日本等国都相继发展，日本成立了全国热管协会，参加的团体会员 27 个，个人 会员 293 名，由于世界各国对热管技术发展十分重视，自 1973 年起，每隔两至三年举办一 次国际热管会议，热管技术得以快速发展。3七十年代初期我国的科研单位与高等学校也开始对热管技术进行研究。南京化工学院 于 1976 年开始热管技术的研究，目前已能生产氨、丙酮、甲醇、水、导热姆 A、水银、钠 等为工质的热管。国内第一台热管换热器由南京化工学院与南京煤油厂共同完成。目前热 管换热器已用于全国二十多个省、市，并取得了良好的节能效果。为此南京化工学院等获 得了国家科技进步二等奖。

7、1983 年 8 月在哈尔滨召开了我国全国第一次热管会议，共有 70 多个单位，132 名代表参加，会上交流了 44 篇学术论文，内容涉及到热管理论，热管换热 器的设计计算方法，热管在各方面的应用等。1984 年我国首次派出代表团参加了日本召开 的第五届国际热管会议。目前热管已应用到动力、治金、化工、石油、轻纺、陶瓷、交通、 电机等各个领域，预期还可以在电子、电力、等领域中将获得较为广泛的应用。继德、意、 美、英、日、法、苏之后，1992 年我国在北京成功召开了国际热管会议。由于热管换热器 能取得很大的经济效益和社会效益，所以，热管的研究和生产正在掀起高潮。12 热管的工作原理热管的工作原理

8、热管本身并不发热，也不耗热和贮热，形壮也不一定是管状，它仅仅是一种导热元件， 应称之为传热管，但自 Grover 命名以来，世界上已普遍使用了这个名字。 热管的组成部件 有芯热管是三个部件组成：壳体、吸液芯和工作液。 热管的壳体是一个能承受一定压力的完全密闭的容器。它的形状没有限制，而是根据 工作条件来确定的。因为圆管最容易得到，且能承受较大的压力，所以在无特殊要求下尽 量做成圆管形，热管在制作时，必须将容器内的空气排出，造成一个具有 10-210-6mmHg 的原始真空度。所以要抽真空，是为了提高热管的传热能力，使热管便于起动，并能获得 良好的等温性。热管壳体实质是一个压力容器，在热管不工作

9、时，承受外压，不允许外界 空气渗入。热管工作时承受内压，不允许工作液蒸汽泄漏。所以热管上每一道焊缝均要经 受得起高真空检漏和强度的考验，热管端部装有一根细管，它供抽真空、充注工作液和最 后封口之用，最后封口要保证永久性密封。 吸液芯是由多孔的毛细材料构成，它紧贴在热管的内壁上，工作液贮存在吸液芯内。 由这种多孔材料所产生的毛细力是工作液体在管内产生连续循环的主要动力，它又提供冷 凝液回流的通道，还可以使工作液沿圆周方向均匀分布。 工作液又称工质，是热管传热的热载体。热管不工作时，工作液贮存在吸液芯中，热 管工作时，吸液芯中仍贮有工作液，而工作液的蒸汽充满了管壳的内腔。所以热管工作时， 工质处于

10、汽一液两相共存。工作液蒸汽处于饱和状态。工作液的充填量是影响热管性能的 因素之一，对有芯热管一般应使吸液芯吸满工作液并略为多余为宜。 热管的工作原理 热管的工作原理（如图 12） ，热管内的工质（工作液）在吸热端吸收热量发生相变 汽化为蒸汽后，在该端压力上升，蒸汽在压力差的作用下流向另一端冷凝端，在冷凝端向 冷源放出热量后蒸汽凝结成液体，冷凝的液体在毛细力的作用下回流到原来的吸热端端， 这样的工作过程是连续进行的，热量也就连续不断的从热源传输到冷源。由于传输的是汽 化潜热，所以热管可以在极小的温差下能传输很多热量。 一般热管根据它与外部的热交换的情况将热管分成三个区段。 加热段：热源向热管传输

11、热量的区段。 绝热段：外界对热管没有热量交换的区段，但这一区段并非所有热管都必须的。4(图 12 普通热管的工作原理) 冷却段：热管向冷源放出热量的区段，亦即热管本身受到冷却的区段。 从热管内的工质的传热传质的状况，热管也可以分为三个区段。 蒸发段：它对应于外部的加热段。在蒸发段工作液体吸收潜热而蒸发成蒸汽，蒸汽 进入热管内腔，并向冷却段流动。 输送段或亦称绝热段它对应于外部的绝热段，在这一段中既没有与外部的热交换也 没有液与汽之间的相变，只有蒸汽和液体的流动。 冷凝段它对应于外部的冷却段，蒸汽在这个区段受冷凝结成液体，并把潜热传递给 冷源。 必须说明热管只能在热源与冷源之间工作（传递热量）

12、，尽管这热源与冷源之间的温差 很小。若热源温度等于或低于冷源温度，这就违反了热力学第二定律。所以热管工作时加 热段与冷却段是必须具有的，而绝热段是根据具体情况决定其有无。 热管的传热 热量从热源（温度 T1）传输到冷源（温度 T2） ，通常要经过的许多传热环节，在每个 传热环节上有一定的温降和一定的热阻，其总热流量 Q 与总温降T、总热阻 R 的关系为：(1 1) RTQ热管传热的模拟电路图如图 13 所示,其中热源与热管加热段外壁之间的温降为 T1，相应的热阻为 R1，热管加热段管外壁与内壁之间的温降为T2，相应的热管为 R2，热 流通过加热段充满工作液的吸液芯的温降为T3，相应的热阻为 R

13、3，工作液体在汽一液界 面上蒸发产生的温降为T4，相应的热阻为 R4，饱和蒸汽在蒸汽通道内流动由于流动压降 而产生的温降为T5，相应的热阻为 R5，冷凝段蒸汽在汽一液界面上凝结时的温降为T6 相应的热阻为 R6热流通过冷凝段充满液体的吸液芯所产生的温降为T7，相应的热阻为 R7，热流通过冷凝段壁面产生的温降为T8，相应的热阻为 R8，热管冷凝段外壁与冷源之 间的温降为T9，相应的热阻为 R9。此5(图 13 热管热流图)外通过管壁与吸液芯还有自加热段到冷凝段的轴向导热，其热阻分别为 R10与 R11很大，通 常可以看作断路。这样热管传热的总热阻 R 通常可以看作有 9 个串联热阻组成，并可以写

14、 成 （12） 91iRR而从热源的总温降T 也是 9 个温降的总和，可以写成I （13） 9iiTT从以上分析要使热管具有很大的传热能力，关节要降低其总热阻。通常 R4、R5 R6是很小的， 其数量级为 105108W 在工程估算中常可忽略不计，而管外的热阻 R1与 R9常是各 项热阻中最大的，通常在 101103W 的数量级。所以对工程中传热用的热管，强化管 外传热，降低管外传热热阻，是设计的关键问题。 从热管管内的流动情况，也可以写出热流量的计算公式fg (14 )mhQ 式中 m 为工作液体的质量流量，hfg为工质的汽化潜热。这个公式也可以用来计算热管 内部工质的质量流量。 热管各部分

15、温降示意图如图 14 所示。从图中看出，热阻小的环节温降也较小，热阻 大的环节温降就较大T1 T 1T 2 T 3 T 46T 5 T 6 T 7 T 8 T 9T 2热流方向图 14 热管各部分的温降1313 热管的特性热管的特性 热管是一种新型的传热元件，它有自已独特的技术特性。正是热管具有了这些技术特 性才使它能在广阔的范围内得到应用。同样只有正确地理解热管的特性，才能正确的应用 热管。 热管的主要技术特性有以下几相方面: 很高的导热性 热管具有很高的导热性，这是它最主要的特性，在加热段，吸收大量的热量后工作应 沸腾，沸腾换热系数高，对流换热热阻小。在冷却段，放出大量的热量后，工作液应冷凝， 凝结对流换热系数高，热阻也很小。 热管所以有这样高的导热特性，这在于热管管内热阻很小，相