分离式热管换热器在电解铜行业中的应用

黄河清

【摘要】电解铜行业中常用板式换热器进行散热，但由于板式换热器密封不严，换热过程中溶液里的强酸蒸发溶入到冷凝水中，使得该冷凝水无法再利用。从节能角度出发，文章介绍了分离式热管的工作原理和技术特点，分析了分离式热管技术在电解铜行业中代替板式换热器的可行性和有效性，表明该技术有很大的节能潜力。

【关键词】分离式热管；板式换热器；电解铜；抗腐蚀性

引言

电解铜行业中原本利用板式换热器进行散热，但由于板式换热器密封不严，换热过程中溶液里的强酸蒸发溶于到冷凝水中，使得该冷凝水无法用于生产、生活再利用，只能排放到大气中，从而导致能源浪费。而分离式热管换热器全程密封，换热效率高，可以实现冷热流体之间零泄漏，冷凝水无污染且温度适中，可以用于回收再利用。

一、分离式热管的工作原理

分离式热管的蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通起来，形成一个自然循环回路[1]。工作时，在热管内加入一定量的工质，这些工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，其内部蒸汽压力升高，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。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，用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常運行，而不再需要外加动力。

二、电解铜行业中常用换热器的应用缺陷

电解铜行业中常用的换热器为板式换热器。板式换热器是由一系列具有波纹形的传热板片与橡胶垫片按一定的间隔组成的可拆卸的换热装备。板式换热器在电解铜行业中存在多种问题：

1）单位长度的压力损失大。由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。

2）易堵塞。由于板片间通道很窄，一般只有2～5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。

3）溶液有可能泄露。板式换热器主要由框架和板片两大部分组成，板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封，由于硫酸铜溶液中含有强酸，容易腐蚀橡胶垫，造成溶液泄露。

三、分离式热管换热器在电解铜行业中的应用

在电解铜行业中，由于生产电解铜箔对其电解溶液（硫酸铜溶液）的洁净度和温度要求非常严格，所以我们要利用蒸汽通过换热装置对电解液进行加温，且必须保证没有任何介质会溶于硫酸铜溶液中对其造成污染，否则会对铜箔外观及内在质量产生很大的影响。分离式热管换热器能实现冷、热两流体远程换热，且冷、热流体可以完全隔离，相较板式换热器，除了满足其所有优点之外，分离式热管换热器还具有以下优势[2]：

（1）电解溶液中含有强酸，会严重腐蚀金属管道和橡胶垫，而热管材质多式多样，可供选择余地大，我们可以根据冷、热流体的性能及工艺要求选择不同的结构参数和材质来增强抗腐蚀性和抗氧化性，例如钛热管即可满足要求。

（2）热管传热效率高， 结构简单， 投资小。热管是一种传热极高的换热元件，其内部是靠工质相变和连续工质循环实现热量传递，它的当量热导率可达金属的103～104倍。

（3）能够有效的避免冷、热流体的串流。每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体都在管外流动。并且可根据现场条件灵活的安置壳体，将冷、热流体隔开。

（4）热管的换热元件是由多根热管组成。各根之间相互独立，当一根甚至几根热管失效时，两种换热流体也不可能互混，不影响整个系统的安全运行，这就使高效率的现代化连续大生产获得了可靠的保证；板式换热器是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失，由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，大大增强了设备运行的可靠性。

四、分离式热管换热器在电解铜行业中的选型要求

（1）工作液体的选择 ：

热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，因此工作液体的各种物理性质对于热管的工作特性也就具有重要的影响，一般应考虑一下一些原则：

1）工作液体应适应热管的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压。良好的热管工作时，工作液体必然处于气液两相状态，因此所选择的工作液体的熔点应低于热管的工作温度，热管才有可能正常工作；

2）工作液体与壳体、吸液芯应相容，且具有良好的热稳定性。工作液体与壳体、吸收芯材料的相容性是最重要的考虑因素，工作液体的不相容及热稳定性都会到时产生不凝性气体使热管性能降低，甚至不能工作。

3）工作液体应具有良好的热物理性质

（2）管壳材料的选择

壳体材料首先应满足于工作液体的相容性要求，除此之外，壳体材料还应满足在工作温度下的强度和刚度要求及对环境介质的抗蚀性要求，由于硫酸铜溶液余热利用下，热源温度低，因此在此温度下工作的管壳材料的强度要求均可满足，但一般的管材如铜管，钢管对硫酸铜的抗腐蚀性较差，因此选用钛热管。金属钛的密度为4.51g/立方厘米，高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度位于金属之首。金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低，但由于钛优异的耐腐蚀性能与密度小比强度高的优点，所以壁厚可以大大减薄，而且表面与硫酸铜溶液的换热方式为对流换热，减少了热组，钛表面不结垢也可减少热阻，使钛的换热性能显著提高。因此选用钛热管作为热管换热器的管材。

（3）工作要求

热管正常工作是依靠工质的循环，因此毛细压头即工作循环的压力，须克服气态工质从蒸发器流向冷凝器的压力降，液态工质从冷凝器回流到蒸发器的压力降及重力对液体流动的引起的压力降，即△Pc≥△Pl+△Pv+△Pg。其中△Pc表示毛细作用压头，△Pl表示气态工质沿管路的压力损失，△Pv表示液态工质沿管路的压力损失，△Pg表示重力作用造成的压力损失。

同时我也应该考虑到分离式热管换热器的体积，相较板式换热器来说，它的体积要大得多，这需要铜箔生产厂家预留出足够的空地用来安放相关设备。

五、结论

分离式热管换热器可使冷、热源分开，远距离传输能量且不需外加动力， 热管传热效率高，结构简单，投资小，既可以降低能耗，同时也可减少设备腐蚀和环境污染，使用热管换热器的蒸汽置换出的冷凝水不含强酸等杂质，可以用于生产、生活再利用，不仅减少了设备腐蚀和环境污染，同时实现了节能效益和经济效益。所以分离式热管技术在电解铜行业中替代板式换热器是可行的，并且具有很大的节能潜力。

参考文献：

[1]庄骏，张红.热管技术及其工程应用.北京：化学工业出版社，2000.

[2]杨昭，吴志光.熟管热回收装置在空调系统中的应用研究.能源研究与利用，热管技术与应用，2004.