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热管技术及其在焦化工业中的应用前景-1

晨怡热管 谢兴衍 2007-2-12 23:58:11

热管是一种新型的超级导热元件,其热传导能力要比相同尺寸的铜棒高出几百倍,目前已极为广泛地应用于各工业和民用领域的传热、散热和均温等方面。在2006年通车的青藏铁路上,清水河地区路基保护中使用的热棒就是一种大型热管。特别是目前正在大力推广的在计算机的CPU和显卡上使用热管散热翅片就是热管技术应用的新领域,热管散热翅片与普通单一材料的散热翅片相比,其导热系数要高几个数量级,另外,热管散热还具有静音、零故障使用和方便清洁等特点。
由热管组装成的热管换热器具有传热效率高、流通阻力小、热流密度可调、传热方向可逆和冷热流体分离等特点。与其他形式的换热器相比,具有工作可靠、拆装方便、结构紧凑、体积小、重量轻、不需动力、无运动部件和无噪音等优点。特别是工业企业目前正在大力推广循环经济的形势下,在工厂的余热利用方面,特别是气-气传热的场合,热管技术更可得到大力推广。焦化企业与其他工业企业相比,可利用的余热资源就更加可观,如在焦炉烟道气、上升管余热、初冷余热水、煤气与焦化产品回收精制过程中各种高温馏分的冷却、废水、废渣和废气等余热的回收利用等余热资源非常多。本文只能主要介绍热管技术可在焦化工业中的几个应用场合,以引起广大焦化同行的重视。
热管这一概念首先是由美国的Gaugler R. S.于1942年提出的,当时主要用于制冷技术,并于1944年申请了专利(专利号:2350348)。1963年美国的Grover G.M.正式将其命名为热管,并进行了一些理论分析(专利号:3229759)。
1944年,美国首次制成了商品热管,应用于航天中,如利用热管拉平卫星朝阳面与背阳面表面的温度差或拉平卫星内部各仪器仪表工作温度的差异。目前,热管技术的应用不仅已扩展到了所有的工业领域,而且根据不同的使用条件,制成了不同材质和不同工质的各种热管,其使用温度可从零下269℃到2027℃。不少国家对热管的应用极为重视,自1973年在德国斯图加特市召开第一届国际热管会议以来,热管的制造和应用技术也有了飞速发展。1986年在法国召开的第六届国际热管会议上,我国也首次派出了7 人组成的代表团,并发表了18篇论文,与会代表一致认为,我国开发的钢水热管已冲破了钢水热管的禁区,达到了世界领先的地位。
1         热管的工作原理和种类
1.1   热管的工作原理
热管是一个封闭的管段,内装有可汽化的液体(习惯上称工质)和毛细吸液芯,工质量约占热管容积的25%~30%,并抽空管段内的不凝性气体。热管工作时利用管内工质的蒸发-冷凝循环来达到传输热量的目的。因此,可将热管与加热流体接触的管段称为蒸发段,而与冷却流体接触的管段称为冷凝段。由于蒸发段与冷凝段之间的蒸汽压降很小,热管内的蒸发-冷凝循环基本上是一个等温过程,而且可使热源和蒸汽、蒸汽和冷源之间的温度降达到最小。因此,热管可以在很小的温差下传输热、冷源之间的热量。
另外,热管传输热量是通过工质的汽化潜热实现的,要比在相同温差下,以对流方式传输的热量大几倍。因此可用小型的热管结构来传输较多的热量,具有很高的有效热导,尤其适用于气-气换热的场合。
1.2 热管的种类
    目前,工业上实际应用的热管有两种形式,即热虹吸管(重力热管)和热管。两者的工作原理相同,只是结构上略有差异。重力热管中冷凝后的液体工质是靠其重力自流回蒸发段的,这种热管运行时必须使其蒸发段处于最低的位置,这就是重力热管的局限性所在。为克服重力热管的这一缺点,可在热管中安装有金属丝网制成的管芯。这样,热管工质的冷凝液就可通过管芯的毛细作用将其吸回蒸发段循环使用,故这种热管在应用中就可以将其蒸发段置于任何位置,而不影响热管的工作,并可将蒸发段和冷凝段交替变化。但由于管芯的制作和安装很麻烦,因此,除航天工业等重要场合外,大部分场合均使用热虹吸热管。由于热虹吸热管的结构简单和制造容易,可大幅度降低的生产成本,为大面积推广应用创造了条件。因上述两种热管在不少文献中没有严格区分,为方便介绍,本文中所提到的热管,除特殊说明外,一般均指热虹吸热管。
由于热管的使用温度范围很宽,可从零下269℃到2027℃,为适应不同的温度范围和介质,就必须相应改变热管的材质和热管内的工质。常用的热管材质有铜、铝、碳钢(20号锅炉钢)、不锈钢、玻璃、镍、聚四氟乙烯等。常用的工质有氨、氟里昂、丙酮、导热姆A、水、萨姆S、氦(-269℃)、氮、戊烷、乙醇、庚烷、汞、铯、钾、钠、锂等,表1 列出了工业上常用工质的的物理性能。
值得一提的是我国开发的钢水热管,它以20号锅炉钢管为热管材质,所用工质是二次蒸馏水,要求水中不能含有不凝性气体。虽然钢水热管的制造比较容易,但存在的致命缺点是钢水的不相容性。即钢水热管使用一段时间后,钢与水反应会生成主要成分是氢的不凝性气体,由于它的存在和不断增加,会严重影响热管的传热功能。实验证明,当热管内蒸汽中的不凝性气体的体积达0.2%时,其冷凝给热系数约下降20%~30%。当不凝性气体的体积达0.5%时,其冷凝给热系数约下降50%。当不凝性气体的体积含量达1%时,其冷凝给热系数可降低至33%。这将会极大地影响热管的总传热系数。正是由于上述原因,致使钢水热管未能广泛应用。我国于1980年就成功地解决了上述问题,有力地推动了钢水热管的工业应用,美国、日本等国的有关公司曾要求购买此专利技术。
表1    工业上常用热管工质的物理性质

 

导热姆

A

萨姆

S-200

萨姆S-700

氟里昂

F-11

丙酮

 

 

联苯26.5%

联苯醚73.5%

α/β-甲基萘的混合物

二乙基联苯

NH3

一氟三氯甲烷

H2O

丙酮

分子量

166.0

142

210

17

139

18

58

沸点,℃

257.1

244241

315

33.5

23.77

100

56.5

20密度,kg/m3

1.056(25)

1020/1029

0.990

0.6103

1.487

0.9982

0.790

熔点,℃

12

30.834.6

30

77.7

111

0

94.6

闪点,℃

123.9

150

20

蒸发潜热,kJ/kg

23.4

327/318

61(沸点)

283.520

43.7420

58520

132

适宜工作温度,℃

250450

3050

150350

0150

 

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