朱華 徐先滿

摘要：熱管是一種具有很高傳熱性能的元件，有著廣泛的應(yīng)用前景，本文通過對熱管鍋爐的一系列分析，指出熱管鍋爐可能存在的安全問題，工程技術(shù)人員在熱管應(yīng)用設(shè)計時，應(yīng)注意和考慮這些技術(shù)與安全方面的問題，以便使熱管更為安全。

關(guān)鍵詞：熱管 安全

1 概述

熱管是一種高性能元件，它可以在小溫梯度下進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，它熱阻小，主要通過工作液體的汽、液相變來進(jìn)行熱傳遞，導(dǎo)熱性能良好。介于冷、熱源之間的熱管內(nèi)介質(zhì)在熱源段蒸發(fā)沸騰形成介質(zhì)蒸汽，介質(zhì)蒸汽受壓力差的影響向冷源間段流動，進(jìn)行冷卻凝結(jié)[1]。介質(zhì)蒸汽經(jīng)過冷凝形成液體。熱管熱源段的位置比冷凝段稍低，這使得介質(zhì)液體由于自重的影響逐漸流回?zé)嵩炊巍Ｈ绱?，介質(zhì)在冷、熱源之間呈現(xiàn)汽液反復(fù)的狀態(tài)，以此來實現(xiàn)熱傳導(dǎo)。[2]熱管內(nèi)腔在熱傳遞過程中汽液共存，形成一種飽和的狀態(tài)，飽和溫度決定蒸汽壓力。當(dāng)飽和蒸汽由熱源段向冷凝段流動時，管腔壓力、溫降都比較小，熱管便處于恒溫狀態(tài)，有一定的均溫能力，加之管體具有良好的熱傳導(dǎo)性能，使得熱管被廣泛應(yīng)用在電子、冶金化工等諸多領(lǐng)域。最近幾年，全球都在關(guān)注節(jié)能降耗，熱管的應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展到能源利用與余熱回收方面，并且取得了較好的成就。但是制作熱管時，不僅工藝流程復(fù)雜，選材上要求甚為嚴(yán)格。除此之外，還要考慮用戶的使用環(huán)境定制個性化的制作方案。若熱管的應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化，并且不在設(shè)計制作考慮的范圍內(nèi)，打破了熱管的運行原理及使用要求，或是制作質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，都有可能影響鍋爐的安全運行，甚至引發(fā)安全事故。

2 熱管安全分析

熱管鍋爐中熱管的主要作用是將廢熱進(jìn)行重新的利用，或者使排放的煙氣的溫度降到露點溫度以上，這樣的話可以減低對金屬的腐蝕作用，并且獲得比較高位的能源，這是普通余熱鍋爐所不能達(dá)到的。但是，熱管用于相變換熱，通過液體的蒸發(fā)冷凝來傳遞熱量，內(nèi)部有一定的壓力，因此，在工作運行的時候必須要注意，另外熱管還受到一些傳熱極限的作用[3]，這對熱管鍋爐的安全也有一定的影響。

2.1 毛細(xì)極限

微型熱管在熱管的傳熱過程起到很重要的作用，Cotter指出微型熱管毛細(xì)力的作用比常規(guī)吸液芯熱管更重要。熱管中工質(zhì)的循環(huán)依靠毛細(xì)結(jié)構(gòu)與工作液體產(chǎn)生的毛細(xì)壓差維持，由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)所能提供的壓差是有一定限度的，這將使熱管的最大傳熱量受到限制，毛細(xì)極限和熱管的傾斜角，蒸汽腔的水力半徑有關(guān)。

2.2 粘性極限

在蒸汽溫度低時，工作流體的蒸汽在熱管內(nèi)的流動受粘性力支配，即熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管最大傳熱能力。粘性極限只與工質(zhì)物性、熱管長度和蒸汽通道直徑有關(guān)，而與吸液芯的幾何形狀和結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。

2.3 沸騰極限

在凝結(jié)段，蒸汽在凝結(jié)段液面上凝結(jié)，此時影響換熱的熱阻有凝結(jié)液膜熱阻、浸滿液體的管芯熱阻、熱管管壁熱阻、凝結(jié)換熱熱阻和凝結(jié)段管外換熱熱阻，當(dāng)處在不凝型氣體時還存在會嚴(yán)重影響凝結(jié)過程的不凝性氣膜熱阻。在蒸發(fā)段，當(dāng)熱流密度較低時，一部分熱量通過液體及管芯的導(dǎo)熱，另一部分熱量通過液體的自然對流傳到液體表面上，蒸發(fā)在液體表面發(fā)生。當(dāng)熱流密度增大，管壁上的液體過熱到一定程度，便在汽化核心上生成氣泡，使對流換熱大為增強(qiáng)。當(dāng)熱流密度達(dá)到臨界值時，換熱惡化，管芯燒干，熱管不再工作，這稱作沸騰極限。

2.4 冷凝極限

冷凝極限指通過冷凝段汽-液交界面所能傳遞的最大熱量。熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制，不凝性氣體的存在降低了冷凝段的冷卻效率。

2.5 聲速限

熱管中的蒸汽流動類似于伐爾噴管中的氣體流動。當(dāng)蒸發(fā)段溫度一定，降低冷凝段溫度可使蒸汽流速加大，傳熱量因而加大。但當(dāng)蒸發(fā)段出氣口氣速達(dá)到聲速時，進(jìn)一步降低冷凝段溫度也不能再使蒸發(fā)段的出口處氣速超過聲速，因而傳熱量也不再增加，這時熱管的工作達(dá)到了聲速極限。

2.6 攜帶限

蒸汽和回流液體的相互接觸，汽液交界面的剪切應(yīng)力會導(dǎo)致自由表面上產(chǎn)生波浪，當(dāng)液體被夾帶進(jìn)反向蒸汽流而達(dá)到冷凝段時，此時就起不到傳遞熱量的作用。當(dāng)熱管達(dá)到了傳熱的極限時，這時換熱量不能再增加，當(dāng)熱管的換熱量不能滿足換熱的要求時，就容易發(fā)生爆管事件。冷凝段如果結(jié)垢嚴(yán)重的話，也有可能造成冷凝段的換熱減弱，這樣的話使得熱量不能及時的導(dǎo)出，這根熱管就成了一根密閉的承壓容器，持續(xù)加熱，管內(nèi)液體體積慢慢膨脹，壓強(qiáng)逐步升高，一旦管腔內(nèi)的壓強(qiáng)增大到一定程度就會導(dǎo)致管體爆裂[4]。這樣的鍋爐在實際應(yīng)用過程中，隨著運行時間的延長，水垢不斷沉積在冷凝段，就會阻斷熱傳遞，進(jìn)而影響冷凝段的散熱效果，加之爐排上燃燒的煤層受鼓風(fēng)機(jī)影響，火床上30cm高的范圍內(nèi)燃燒溫度存在差異，有的局部溫度已達(dá)到上千度，而此時冷凝段不能很好的散熱，熱管內(nèi)溫度和壓力不斷升高，持續(xù)一段時間后，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到一定限度后便會使外殼爆裂。爆裂時自熱管內(nèi)噴出高速汽流會對煤層產(chǎn)生一定的沖擊力，使其出現(xiàn)煤坑。

3 建議與思考

為避免爆破事故發(fā)生，制作熱管時，廠家必須綜合考慮熱管的工作溫度和使用環(huán)境，對管體質(zhì)量嚴(yán)格把控，同時應(yīng)告知用戶熱管工作時可能出現(xiàn)的狀況及其補(bǔ)救措施。用戶若知曉水垢對于熱管工作溫度的影響及其可能引發(fā)爆破的危害，就會在熱管使用過程中自覺維護(hù)熱管的工作環(huán)境，比如定期清理水垢，控制熱管工作溫度等，用戶知曉了關(guān)于熱管的使用知識，就會有一定的防范意識，從而減少或避免此類事故發(fā)生。

此外，我們應(yīng)該認(rèn)識到，熱管雖然具有良好的熱傳導(dǎo)性能和特殊的功用，但其實際應(yīng)用也有一定的局限性。上文所述的情況只是熱管事故起因之一，除此之外工程人員需要注意地方還有很多。以碳鋼-水重力熱管為例：它的工作溫度范圍一般是30～250℃，由于它的飽和蒸汽壓是隨其管內(nèi)溫度的升高而升高，在設(shè)計管殼結(jié)構(gòu)時必須考慮管殼所能承受的強(qiáng)度要求。如果工作溫度超多250℃，還有可能產(chǎn)生不凝性氣體，而使熱管傳熱效率下降或失效。另外，事故起因還有工質(zhì)對管殼的相容性（浸潤性）以及管內(nèi)蒸汽腔的大小、充液量的多少、對極限傳熱量的影響等等。隨著人們對熱管技術(shù)認(rèn)識的提高和研究的深入，了解和掌握了熱管技術(shù)的核心內(nèi)容與真諦，一定會有更安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的傳熱技術(shù)應(yīng)用在實際工程中，創(chuàng)造出新的應(yīng)用成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]馬同澤，侯增祺.熱管[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[4]閆懷林.熱管應(yīng)用在鍋爐上也有爆炸危險[J].工業(yè)鍋爐，2005（6）.