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,應用領域從空間擴大到地面,從工業(yè)擴展到民用[1]。然而,在熱管技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,其在工業(yè)應用中仍然存在一些問題,會限制熱管技術(shù)的使用和深入發(fā)展。筆者對這些問題進行了研究,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)的化學相容性問題,早期工業(yè)應用的熱管一般采用銅材管壁或鋼銅復合管,產(chǎn)品成本很高,限制了熱管技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應用。鋼 水熱管以其成本低、強度高、制造工藝簡單及適應溫度范圍廣得到了大家的認同,在工業(yè)上得到廣泛的應用,然而鋼 水熱管的使用壽命不足0.5ａ,無法滿足工業(yè)應用的要求。通過多年的研究人們認識到,鋼 水熱管中存在著化學反應和電化學反應,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策只能是延長熱管的使用壽命[2]。
    1.1　腐蝕機理
    由于管材與工質(zhì)的化學不相容性,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　化學反應腐蝕
    熱管長時間在較高的溫度下工作,鋼 水會發(fā)生化學反應,在管內(nèi)產(chǎn)生變化,其主要的化學反應過程如下：　　　
　　　　　　　　　?。疲?/span>+Ｈ2Ｏ=ＦｅＯ+Ｈ2↑
　　　　　　　　　2Ｆｅ+3Ｈ2Ｏ=Ｆｅ2Ｏ3+3Ｈ2↑
　　　　　　　　　3Ｆｅ+4Ｈ2Ｏ=Ｆｅ3Ｏ4+4Ｈ2↑
　　上述反應的結(jié)果使管壁發(fā)生腐蝕,產(chǎn)生ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4,同時產(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)反應生成氫氣。
　　1.1.2　電化學反應
　　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)主要的電化學反應過程如下：　　
　　　　　　　　　　　　2Ｈ++2ｅ=Ｈ2↑
　　　　　　　　　　　?。疲?/span>-2ｅ=Ｆｅ2+
　　　　　　　　?。疲?/span>2++2ＯＨ-=Ｆｅ（ＯＨ）2↓
　　　　　　　　　　3Ｆｅ（ＯＨ）2=Ｆｅ3Ｏ4+2Ｈ2Ｏ+Ｈ2↑
　　在高溫有水的條件下上述反應進行得很快,普遍認為這是導致碳鋼與水不相容的主要原因。
　　1.2　對策
　　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℃,然后沖以水蒸氣進行表面鈍化,此時碳鋼管內(nèi)表面會生成致密而均勻的Ｆｅ3Ｏ4氧化層。
　　（2）化學液鈍化　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。緩蝕劑與化學鈍化一般聯(lián)合使用,由于制造工藝過程中不可避免會產(chǎn)生對局部鈍化膜的破壞,這時緩蝕劑就可以起到修補的作用。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)量分數(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)生的氫氣隨時滲透出去。
　　1.2.4　氧化除氫法
　　根據(jù)化學理論,標準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行氧化還原反應,只是要求的反應溫度不同,反應速度不一樣。氧化除氫技術(shù)在20世紀90年代初就開始了推廣應用,但要求的反應溫度一般超過150℃,使其在工業(yè)中的應用受到一定限制。目前,一種新型復合配方的氧化除氫技術(shù)已研制成功并進行了工業(yè)應用,在常溫下就可快速地進行除氫反應。這一技術(shù)的推廣應用,必將極大地提高熱管的使用壽命。
　　針對化學鈍化膜不穩(wěn)定、排放法和滲透法不易操作、高溫蒸汽鈍化所需場地設備及投資較大的問題,我們認為的延長熱管壽命的方法應為化學鈍化、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,降低了設備的傳熱能力,還可以減少流體的通道面積,增加流動阻力,降低換熱表面溫度,造成低溫露點腐蝕。不少的余熱回收設備由于積灰嚴重不能正常運行,甚至被迫停用,因此積灰已成為節(jié)能設備能否正常運行的一個主要問題。
　　2.1　形成機理
　　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備上。積灰形成的機理較復雜,一般認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,當灰粒的當量直徑小于3μｍ時,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,就吸附在金屬表面或積灰表面上。另外,煙氣流動時,因煙氣中灰粒的電阻較大會發(fā)生靜電感應,雖然受熱面的材質(zhì)是良導體,但當受熱面積灰后,其表面就變成了絕緣體,很容易將因靜電感應而產(chǎn)生的帶異種電荷的灰粒（當量直徑小于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,但缺點是極易積灰結(jié)垢。對于高粉塵流體,即使翅片間距取12～20ｍｍ,在某些情況下也會出現(xiàn)嚴重積灰。對于高含塵流體,目前趨向于選擇以下2種結(jié)構(gòu)。
　　（1）軸對稱單列縱向直肋翅片　該翅片結(jié)構(gòu)簡單,制作方便,相對肋化比低,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)應用效果較好。
　　（2）釘頭管　釘頭管作為換熱設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
　　換熱設備內(nèi)流體速度是一個重要的設計參數(shù),它影響換熱設備的的傳熱、流動阻力、磨損及自清灰能力等。目前設計熱管換熱設備時多采用等質(zhì)量流速法,這種方法的嚴重不足之處就是隨著設備內(nèi)溫度的下降,進出口處的密度、動力粘度和導熱系數(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,造成換熱設備后排的積灰。可采用變截面設計法解決該問題,以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法。對于某一參數(shù)一定的換熱設備,質(zhì)量流量是一個常數(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,換熱設備的流通面積將減小,所以以等體積流速設計的換熱設備的截面為一等邊梯形。
　　變截面換熱設備的進、出口具有相同的自清灰能力,一般認為,換熱設備內(nèi)介質(zhì)的實際流速達到8ｍ/ｓ便可起到自清灰的作用,設計時可取流體流速為8～12ｍ/ｓ。對于可能引起嚴重磨損的部位,流體流速可取6～8ｍ/ｓ,以免引起管子快速磨損而導致穿孔。
　　2.2.3　清灰
　　采用化學清灰劑清灰或采用吹掃和用機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行,有滯后性。
　　3　熱管露點腐蝕
　　3.1　產(chǎn)生機理
　　當熱管換熱器在低溫煙氣中使用時,換熱器熱管常會產(chǎn)生低溫露點腐蝕問題。有時即使在正常的排煙溫度下,煙氣出口側(cè)（在沒有前置預熱器的情況下）zui后幾排熱管也存在低溫露點腐蝕。根據(jù)傳熱學可知,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,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,當冷流溫度較低時,煙氣側(cè)壁溫就有可能在露點溫度以下而發(fā)生露點腐蝕。
　　3.2　對策
　　3.2.1　控制排煙溫度[4]
　　根據(jù)煙氣的露點溫度合理確定排煙溫度,一般排煙溫度應高于露點溫度20～30℃。另外,在冬、夏季環(huán)境溫度相差較大的情況下,應控制不同的排煙溫度,冬季排煙溫度應適當提高。
　　3.2.2　增設前置預熱器
　　增設前置預熱器可提高空氣入預熱器的溫度,從而有效防止露點腐蝕[5,6]。
　　3.2.3　設置旁路空氣通道
　　當煙氣溫度或環(huán)境溫度較低時,可設置相應的旁路通道,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、熱端長度的變化對壁溫的變化zui敏感,但熱端的長度不能增加太多,否則會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)流動阻力增大,目前應用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。當壁溫與露點溫度相差不大時,優(yōu)先選擇翅片高度或間距作為調(diào)溫參數(shù);當壁溫與露點溫度相差較大時,應選擇冷端長度作為調(diào)溫參數(shù)或同時調(diào)節(jié)多個參數(shù)。