热管技术及其在余热回收中的应用

HEATPIPETECHNOLOGY热管技术及其在余热回收工艺方面的应用汇报人：曹燕ADA主要内容Heatpipetechnologyintheremainingheatrecoveryprocessapplications什么是热管？热管有什么用？热管有哪些特性？常见热管有哪些种类？什么是热管换热器？热管技术应用在哪些领域？研究发展前景如何？第一章热管及其特性第二章热管的分类第三章热管换热器第四章热管技术应用第五章发展前景展望Chapter热管及其特性1.热管的组成2.热管的工作过程3.热管的传热极限4.热管的基本特性5.热管的相容性及寿命1-1热管的组成吸液芯工作流体壳体热管组成工作原理在真空状态下，液体的沸点降低同种物质的汽化潜热比显热高的多多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动壳体工作蒸气管芯工作液1-2热管的工作过程在热量迁移中，有六个相互关联的工作过程。重力热管有芯热管1-3热管的传热极限从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。冷凝极限指通过冷凝段汽-液交界面所能传递的最大热量。热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。热管中蒸汽与液体的流动方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止对方流动。液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并把它带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛细芯干涸，使热管停止工作，这就达到了热管的携带传热极限。热管工作中当其蒸发段径向热流密度很大时，将会使管芯内工作液体沸腾。当径向热流密度达到某一临界值时，对于吸液芯的热管，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。对于小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来得蒸气可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作。粘性极限是指热管在蒸汽压较低的条件下启动，该压差不足以使蒸汽流在管内的流速高于声速，而全部压头仅够用于克服蒸汽流动过程中因粘性力引起的摩擦损失。当热管在低蒸汽压下运行时，因为密度小，蒸汽流速高，可将热管中的蒸汽流看作一维可压缩流动，类似收缩-扩张喷管。由于蒸汽温度与蒸汽压力有关，因此近似认为冷凝段外壁温度分布与蒸汽压力的分布相同。当冷凝段的温度降低，末端压力减小，使蒸发段蒸汽的出口速度达到声速，质量流不再增加，出现阻塞流动。如果进一步降低冷凝段温度，传热量不再增加。由于热流量受到阻塞流动条件的限制，热管沿轴向的温度变化很大，因而出现声速极限。在热管运行中，当热管中的气体液体的循环压力降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，该热管的传热量也就达到了最大值。如果这时加大蒸发量和冷凝量，则会因毛细压头不足使抽回到蒸发段的液体不能满足蒸发所需要的量，以致会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。1-4热管的基本特性等温特性高导热性热流密度可变性传热方向的可逆性恒温特性热二极管与热开关基本特性相变，汽化潜热饱和温度对应一定的饱和压力可变导热管，使其热阻随加热量变化重力热管相当于一个热二极管对有芯热管，其内部循环动力是毛细力改变蒸发段或冷凝段的加热面积1-5热管的相容性及寿命产生不凝性气体工作液体物性恶化管壳材料的腐蚀、溶解热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。热管不相容Chapter热管的分类1.常见热管的分类及简介2.常见热管的对比总结2-1热管的分类按工作液体回流动力区分有芯热管、重力热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等按热管管内工作温度区分低温热管、常温热管、中温热管、高温热管按管壳与工作液体组合区分铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等按结构形式区分普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等按功能划分有传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等2-1-1两相闭式热虹吸管（重力热管）重力热管2-1-2旋转热管旋转热管的显著特征是热管自身是旋转件对于低速旋转的场合已不可能借助离心力来实现其内部的汽液循环流动，必须在管内增设其他泵送液体的结构，如毛细芯等元件以促使其冷凝液的流动，即使热管呈水平放置仍可正常工作，如图所示，这种水平放置的热管又称为卧式热管，多用于急需冷却又难于顾及的场合，如冷却卧式细长芯轴，在塑料、橡胶挤出机的细长芯轴冷却方面有着广泛的应用。当高速旋转时，如图所示，其蒸发段和冷凝段的内径不同，内径较大的蒸发段，因液体受的离心力较大，可促使冷凝液体沿管壁流回到蒸发段，这种高速旋转热管一般用于电机转子，切削刀具的冷却。2-1-3分离式热管分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题，安全性能较经典热管大为提高。分离式热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力。冷凝段蒸发段2-1-4回路热管回路热管利用毛细现象进行传热，不需外加动力，可远距离传热，气液通道分离，能承受比普通热管更高的热量，且形状设计具有弹性。蒸发器冷凝器产品应用2-1-5微型热管及小型热管细纤维束灯芯型轴沟槽型筛网型微型热管作为一项很有前途的技术，可用于计算机芯片以获得高的热量导出率及温度均匀化。结构种类2-2各种类型的热管对比总结航空领域，电子元器件等毛细极限等毛细力有毛细泵回路电子产品等毛细极限、沸腾极限毛细力有微型热管及小型热管需要冷凝段(或蒸发段)的温度不随热负荷变化而变的场合烧干极限、携带极限、冷凝极限毛细力或其他有些有可变导热管需要严格避免冷热流体相互渗漏的场合烧干极限、声速极限、冷凝极限重力无分离式热管所有需要冷却散热的旋转零部件冷凝极限、携带极限、沸腾极限离心力无旋转热管常用于热源在冷源下方的情况干涸极限、沸腾极限、携带极限重力无两相闭式热管常用场合传热极限液体回流动力是否有吸液芯参数热管类型Chapter热管换热器1.热管换热器分类2.常见热管换热器简介3-1热管换热器分类按冷热流体的状态分气-液式液-液式液-气式气-气式按热管换热器结构型式整体式分离式回转式组合式回转热管换热器使热管围绕一定的轴做旋转，可分为离心式、轴流式和涡流式。组合式热管换热器根据换热器所处的温度不同，选择充有不同工作液体的热管。3-2常见热管换热器热管空气预热器3-2常见热管换热器热管省煤器3-2常见热管换热器热管热风炉3-2常见热管换热器分离式热管换热器3-2常见热管换热器直热式LED灯热管散热器LED路灯大功率散热器热管散热器3-2常见热管换热器热管型油冷却器超导热管换热器3-2常见热管换热器大型整体式热管换热器软体沟槽热管Chapter热管技术在余热回收中的应用1.热管技术特点及应用简介2.热管技术在余热回收中的应用3.热管换热器在余热回收应用中的优越性4-1热管技术特点及应用简介热管技术被公认是一种很有价值的传热新技术，在空间技术、电器工业、核电工业、化学工业、食品工业、动力机械、工业余热回收等很多方面都得到了广泛应用。小型锅炉烟气余热回收作为空气预热器应用用于回收余热的热管开水器例如4-2热管技术在余热回收工艺中的应用热管式空气预热器热管式省煤器热管式余热锅炉主要形式实物图气气换热气液换热高温热管4-2-1实例介绍福建省永安发电厂2＃130t/h型燃用加福无烟煤锅炉，1987年加装前置式热管空气预热器，低温段空气预热器入口风温由30～40℃升高到85～90℃，排烟温度由151℃降低到133℃，锅炉效率提高了2.68％。解决了低温段管式空气预热器的腐蚀、堵灰问题回收烟气余热，降低了排烟温度，提高了锅炉效率热管式换热器一般在电站锅炉中作为前置式的空气预热器无烟煤锅炉煤粉炉滦河发电厂2＃煤粉炉，1991年利用热管式空气预热器代替回转式空气预热器，年经济效益250万元。四川成都热电厂5＃煤粉炉，1987年利用热管式空气预热器代替卧式玻璃管空气预热器，排烟温度降低了21.5℃。1.在电站锅炉中的应用4-2-1实例介绍上海第八钢铁厂在四车间轧钢加热炉上采用气-气型热管式换热器，每小时回收废气余热为419MJ。另外在其三车间轧钢加热炉上安装了一台气-液型热管式换热器作余热锅炉用，每小时回收热量为47.7MJ，年回收热量折合标准煤11.59t，经济效益显著。高温热管及高温热管空气预热器、高温热管蒸汽发生器的开发运用，给冶金企业的高品位余热利用带来了新的希望。钢铁企业余热的温度最高可达1600℃，热能的形态有固体、气体、液体，其中很多为间隙排放，余热回收困难。热管式空预器热管式余热锅炉马钢、宝钢二期工程采用热管式余热锅炉回收环冷机300～400℃排风废热，产生蒸汽用于预热烧结混合料或生活取暖等。马钢第一炼铁厂7＃高炉投入运行热管式空气预热器，，装置每小时回收热量3.39GJ，节约燃烧煤气40%。2.在钢铁工业中的应用4-2-1实例介绍解决了低温段显热回收器的腐蚀、堵灰问题减少余热锅炉体积，提高传热效果回收烟气余热，降低排烟温度提高产品质量，减少氮素损失化肥厂造气工段的余热回收是合成氨降耗的主要环节，造气工段的工艺余热包括：半水煤气显热、吹风气显热、以及燃烧热，占合成氨工艺余热的40％以上。半水煤气显热回收器吹风气燃烧余热锅炉3.在氮肥工业中的应用采用高温热管蒸汽发生器回收半水煤气的余热，可向附近住户供暖。小氮肥厂煤气发生炉产生的半水煤气温度一般在250～350℃,,采用热管式显热回收器可减小换热器体积，减少冷却负荷，且消除低温死角，减少露点腐蚀，延长设备使用周期。吹风气余热锅炉是回收吹风气燃烧炉出来的气体(650～900℃)的余热以产生蒸汽。大型化肥厂一段转化炉的排烟温度一般在250～300℃之间，利用热管式换热器回收这部分烟气的余热，用于加热助燃空气，降低排烟温度，保护环境。4-2-1实例介绍热管技术在硫酸工业中的成功应用说明其在中温余热回收的方面的成效，在耐低温腐蚀方面性能的优势明显高温余热利用中，高温热管技术和成本仍需改进硫酸工业中存在大量高品位余热资源,但存在着高温、高粉尘、高腐蚀性等不利余热回收的因素。热管锅炉热管换热器4.在硫酸工业中的应用利用高温热管锅炉回收沸腾焙烧炉内的高温余热（约950~1000℃），可产生1.1～1.3吨蒸汽/吨硫酸。利用热管蒸汽发生器将SO2炉气温度从900~1000℃左右降到400℃左右，且可产生0.2吨蒸汽/吨硫酸。利用热管省煤器，回收温度较低的SO3炉气余热，提供碱化工艺用热水。利用热管式空气预热器，加热进焚硫炉空气，避免烟气露点腐蚀，保证设备长期可靠运行4-2-1实例介绍热管换热器体积紧凑，压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀，特别适用于石化企业燃用高含硫燃料工况。热管换热器的应用大大提高了加热炉的热效率。在石油化工生产中的各类加热炉面广量大，提高加热炉的热效率意义重大。热管换热器其它5.在石化企业中的应用热管换热器已成功地在石化工业上用做空气(煤气)换热器、省煤器、蒸汽发生器。常用流程为：将高温烟气通过余热锅炉，产生蒸汽，降温后的烟气通过空气预热器，进人热管省煤器，减低烟气温度，提高热效率，保护环境。相继开发了热管裂解炉、热管氧化反应器、环己醇脱氢反应器、催化裂化再生取热器等装置，取得了显著的效果。4-3热管技术在余热回收应用中的优越性热管技术优越性4