浅谈热管对余热锅炉安全性的影响

朱华 徐先满

摘要：热管是一种具有很高传热性能的元件，有着广泛的应用前景，本文通过对热管锅炉的一系列分析，指出热管锅炉可能存在的安全问题，工程技术人员在热管应用设计时，应注意和考虑这些技术与安全方面的问题，以便使热管更为安全。

关键词：热管 安全

1 概述

热管是一种高性能元件，它可以在小温梯度下进行热量传导，它热阻小，主要通过工作液体的汽、液相变来进行热传递，导热性能良好。介于冷、热源之间的热管内介质在热源段蒸发沸腾形成介质蒸汽，介质蒸汽受压力差的影响向冷源间段流动，进行冷却凝结[1]。介质蒸汽经过冷凝形成液体。热管热源段的位置比冷凝段稍低，这使得介质液体由于自重的影响逐渐流回热源段。如此，介质在冷、热源之间呈现汽液反复的状态，以此来实现热传导。[2]热管内腔在热传递过程中汽液共存，形成一种饱和的状态，饱和温度决定蒸汽压力。当饱和蒸汽由热源段向冷凝段流动时，管腔压力、温降都比较小，热管便处于恒温状态，有一定的均温能力，加之管体具有良好的热传导性能，使得热管被广泛应用在电子、冶金化工等诸多领域。最近几年，全球都在关注节能降耗，热管的应用领域逐步拓展到能源利用与余热回收方面，并且取得了较好的成就。但是制作热管时，不仅工艺流程复杂，选材上要求甚为严格。除此之外，还要考虑用户的使用环境定制个性化的制作方案。若热管的应用环境发生变化，并且不在设计制作考虑的范围内，打破了热管的运行原理及使用要求，或是制作质量不达标，都有可能影响锅炉的安全运行，甚至引发安全事故。

2 热管安全分析

热管锅炉中热管的主要作用是将废热进行重新的利用，或者使排放的烟气的温度降到露点温度以上，这样的话可以减低对金属的腐蚀作用，并且获得比较高位的能源，这是普通余热锅炉所不能达到的。但是，热管用于相变换热，通过液体的蒸发冷凝来传递热量，内部有一定的压力，因此，在工作运行的时候必须要注意，另外热管还受到一些传热极限的作用[3]，这对热管锅炉的安全也有一定的影响。

2.1 毛细极限

微型热管在热管的传热过程起到很重要的作用，Cotter指出微型热管毛细力的作用比常规吸液芯热管更重要。热管中工质的循环依靠毛细结构与工作液体产生的毛细压差维持，由于毛细结构所能提供的压差是有一定限度的，这将使热管的最大传热量受到限制，毛细极限和热管的倾斜角，蒸汽腔的水力半径有关。

2.2 粘性极限

在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管最大传热能力。粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直径有关，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关。

2.3 沸腾极限

在凝结段，蒸汽在凝结段液面上凝结，此时影响换热的热阻有凝结液膜热阻、浸满液体的管芯热阻、热管管壁热阻、凝结换热热阻和凝结段管外换热热阻，当处在不凝型气体时还存在会严重影响凝结过程的不凝性气膜热阻。在蒸发段，当热流密度较低时，一部分热量通过液体及管芯的导热，另一部分热量通过液体的自然对流传到液体表面上，蒸发在液体表面发生。当热流密度增大，管壁上的液体过热到一定程度，便在汽化核心上生成气泡，使对流换热大为增强。当热流密度达到临界值时，换热恶化，管芯烧干，热管不再工作，这称作沸腾极限。

2.4 冷凝极限

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。

2.5 声速限

热管中的蒸汽流动类似于伐尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出气口气速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段的出口处气速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速极限。

2.6 携带限

蒸汽和回流液体的相互接触，汽液交界面的剪切应力会导致自由表面上产生波浪，当液体被夹带进反向蒸汽流而达到冷凝段时，此时就起不到传递热量的作用。当热管达到了传热的极限时，这时换热量不能再增加，当热管的换热量不能满足换热的要求时，就容易发生爆管事件。冷凝段如果结垢严重的话，也有可能造成冷凝段的换热减弱，这样的话使得热量不能及时的导出，这根热管就成了一根密闭的承压容器，持续加热，管内液体体积慢慢膨胀，压强逐步升高，一旦管腔内的压强增大到一定程度就会导致管体爆裂[4]。这样的锅炉在实际应用过程中，随着运行时间的延长，水垢不断沉积在冷凝段，就会阻断热传递，进而影响冷凝段的散热效果，加之炉排上燃烧的煤层受鼓风机影响，火床上30cm高的范围内燃烧温度存在差异，有的局部温度已达到上千度，而此时冷凝段不能很好的散热，热管内温度和压力不断升高，持续一段时间后，当管内压力达到一定限度后便会使外壳爆裂。爆裂时自热管内喷出高速汽流会对煤层产生一定的冲击力，使其出现煤坑。

3 建议与思考

为避免爆破事故发生，制作热管时，厂家必须综合考虑热管的工作温度和使用环境，对管体质量严格把控，同时应告知用户热管工作时可能出现的状况及其补救措施。用户若知晓水垢对于热管工作温度的影响及其可能引发爆破的危害，就会在热管使用过程中自觉维护热管的工作环境，比如定期清理水垢，控制热管工作温度等，用户知晓了关于热管的使用知识，就会有一定的防范意识，从而减少或避免此类事故发生。

此外，我们应该认识到，热管虽然具有良好的热传导性能和特殊的功用，但其实际应用也有一定的局限性。上文所述的情况只是热管事故起因之一，除此之外工程人员需要注意地方还有很多。以碳钢-水重力热管为例：它的工作温度范围一般是30～250℃，由于它的饱和蒸汽压是随其管内温度的升高而升高，在设计管壳结构时必须考虑管壳所能承受的强度要求。如果工作温度超多250℃，还有可能产生不凝性气体，而使热管传热效率下降或失效。另外，事故起因还有工质对管壳的相容性（浸润性）以及管内蒸汽腔的大小、充液量的多少、对极限传热量的影响等等。随着人们对热管技术认识的提高和研究的深入，了解和掌握了热管技术的核心内容与真谛，一定会有更安全、可靠、经济、高效的传热技术应用在实际工程中，创造出新的应用成果。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.

[3]马同泽，侯增祺.热管[M].北京：科学出版社，1983.

[4]闫怀林.热管应用在锅炉上也有爆炸危险[J].工业锅炉，2005（6）.