然而，在熱管技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，在工業(yè)應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題得不到很好的解決，將極大的限制熱管技術(shù)的使用和深入發(fā)展。因此，有必要對(duì)這些問(wèn)題去研究、去探索，以求找到合理的解決辦法。
2 熱管應(yīng)用過(guò)程中存在的幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題
2.1 熱管的相容性問(wèn)題及對(duì)策
熱管發(fā)展的早期科研人員就注意到了管殼材料與工質(zhì)的化學(xué)相容性問(wèn)題，早期工業(yè)應(yīng)用的熱管一般采用銅材管壁或鋼銅復(fù)合管，這樣使得產(chǎn)品的成本很高，限制了熱管技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。為此，鋼-水熱管以其低成本、高強(qiáng)度、制造工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)溫度范圍廣得到了大家的認(rèn)同，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。然而，早期的鋼-水熱管使用壽命不足半年，無(wú)法滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，為此，國(guó)內(nèi)外的科研人員不斷探究一種較好的解決辦法。從這么多年的研究人們認(rèn)識(shí)到，鋼-水熱管中存在著化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，這是一種不可避免的金屬腐蝕過(guò)程，只能抑制或延緩，而不可能消除，因此，鋼-水熱管相容性問(wèn)題所采用的對(duì)策也只能是延壽，而不能根治。
2.1.1腐蝕機(jī)理
由于管材與工質(zhì)的化學(xué)不相容性，使得鋼-水熱管內(nèi)部發(fā)生腐蝕產(chǎn)生不凝氣體氫氣。氫氣越多，換熱效果越不好，積聚到一定程度可以使熱管完全失效，喪失傳熱功能。熱管中管壁發(fā)生腐蝕產(chǎn)生氫氣的原因有以下兩方面：
（1）化學(xué)反應(yīng)腐蝕
熱管長(zhǎng)時(shí)間在較高溫度下工作，鋼-水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，管內(nèi)產(chǎn)生變化，其主要的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程下：
Fe + H2O ==== FeO + H2
2 Fe + 3 H2O ==== Fe2O3 + 3 H2
3Fe + 4 H2O ==== Fe3O4 + 4 H2
反應(yīng)的結(jié)果使管壁發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生FeO、Fe2O3和Fe3O4，同時(shí)產(chǎn)生一定量的不凝氣體氫氣（H2）。上述氧化膜除Fe3O4外，其余兩種氧化層不能阻止水的侵入，仍要與鐵繼續(xù)反應(yīng)，生成氫氣。
（2）電化學(xué)反應(yīng)
在鋼-水熱管內(nèi)，鐵、雜質(zhì)和水構(gòu)成一種原電池。其中，鐵為陽(yáng)極，雜質(zhì)為陰極。雜質(zhì)一般為FeC3、石墨等，為碳鋼與水中所含。水的電離度雖小，但仍有少量的OH-和H+離子生成。管內(nèi)主要的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：
H+ + 2e === H2
Fe - 2e === Fe2+
Fe2++ OH- === Fe（OH）2
3 Fe（OH）2 ==== Fe3O4 +2 H2O+ H2 （在高溫和有水存在的狀態(tài)下）
可見(jiàn)H+得到二個(gè)電子的產(chǎn)物是H2，F(xiàn)e（OH）2分解后得到的也有H2。在高溫有水的條件下這種反應(yīng)進(jìn)行得很快，所以，普遍認(rèn)為這是導(dǎo)致碳鋼與水不相容的主要原因。
2.1.2采取的對(duì)策
知道了水對(duì)碳鋼的腐蝕機(jī)理，能幫助我們找到相應(yīng)的解決辦法，盡可能的延長(zhǎng)熱管的使用壽命，目前主要的方法有：
（1） 碳鋼管材的高溫蒸汽表面鈍化
采用該辦法的目的是使管壁凈化且生成致密的蘭色的Fe3O4氧化膜鈍化層，這是一種穩(wěn)定性極好的保護(hù)膜。具體的做法是將凈化后的碳鋼管加熱至500～600℃后，沖以水蒸氣加以表面鈍化，此時(shí)碳鋼管內(nèi)表面會(huì)生成致密而均勻的Fe3O4氧化層。
（2） 碳鋼管材的化學(xué)液鈍化
該方法也是使管壁生成Fe3O4氧化膜鈍化層，所不同的采用的是氧化性化學(xué)試劑的方法。目前鈍化液配方主要采用的試劑是重鉻酸鉀，具體做法是將酸洗凈化后的碳鋼管放入鈍化槽內(nèi)，在一定溫度下浸泡一定的時(shí)間，讓管壁內(nèi)生成一層致密的Fe3O4氧化膜。
（3）工質(zhì)內(nèi)添加緩蝕劑
緩蝕劑在工質(zhì)中添加是為了使管壁表面產(chǎn)生更為均勻與密集的Fe3O4鈍化層。緩蝕劑與化學(xué)鈍化一般是聯(lián)合使用，由于制造工藝過(guò)程不可避免的對(duì)局部鈍化膜的破壞，這時(shí)緩蝕劑就可以起到修補(bǔ)的作用。緩蝕劑品種很多，一般采用陽(yáng)極型緩蝕劑，其管壁緩蝕效果較好。具體做法是在工質(zhì)內(nèi)添加1～3%的重鉻酸鉀，就可取得一定效果。
（4）排放法和滲透法
在熱管冷凝端部裝上排氣閥，必要時(shí)打開(kāi)閥將積累的氫氣排放出去；后者則是在熱管冷凝端部裝上鈀管，讓所產(chǎn)生的氫氣隨時(shí)滲透出去。
（5） 氧化除氫法
根據(jù)化學(xué)理論可知，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為正值的元素的氧化物都拿被氫還原出來(lái)。常見(jiàn)的有銅、鎳、鋅、鈷等元素的氧化物都能與氫進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，只是要求的反應(yīng)的溫度不同，反應(yīng)的速度不一樣。氧化除氫技術(shù)90年代初就開(kāi)始了推廣應(yīng)用，但要求的反應(yīng)溫度一般都在150℃以上，在工業(yè)中的應(yīng)用受到一定的限制。目前，一種新型高效復(fù)合配方的氧化除氫技術(shù)已研制成功并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，在常溫下就可快速地進(jìn)行除氫反應(yīng)，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用，將極大的提高熱管的使用壽命。
針對(duì)化學(xué)鈍化膜不穩(wěn)定、排放法和滲透法不易操作、高溫蒸汽鈍化所需場(chǎng)地設(shè)備及投資較大，我們認(rèn)為最好的熱管延壽方法應(yīng)為化學(xué)鈍化、緩蝕劑及氧化除氫技術(shù)的配合使用。
2.2熱管的積灰問(wèn)題及對(duì)策
在熱管余熱回收設(shè)備中，熱管積灰是普遍存在的問(wèn)題，積灰增加了受熱面熱阻，降低設(shè)備的傳熱能力。積灰還可以減少流體的通道面積，增加流動(dòng)阻力，降低換熱表面溫度，造成低溫[wiki]露點(diǎn)[/wiki]腐蝕。不少的余熱回收設(shè)備由于積灰嚴(yán)重不能正常運(yùn)行，甚至被迫停用，因此積灰已成為了節(jié)能設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行的一個(gè)主要問(wèn)題，應(yīng)給予高度重視。
2.2.1 積灰形成機(jī)理
積灰按溫度分可劃分為高溫區(qū)積灰、過(guò)渡區(qū)積灰和低溫區(qū)積灰，熱管換熱設(shè)備的積灰主要是低溫區(qū)積灰。低溫區(qū)積灰一般都為疏松式積灰，主要是發(fā)生在下游溫度較低的換熱設(shè)備上。積灰形成的機(jī)理較復(fù)雜，一般認(rèn)為疏松式積灰是由分子引力和靜電引力的作用而形成的。資料表明：一方面，當(dāng)灰粒的當(dāng)量直徑小于3μm時(shí)，灰粒與金屬管壁間、灰粒與灰粒間的萬(wàn)有引力超過(guò)灰粒本身的重量，煙氣中所含的微小灰粒沖刷到管壁時(shí)，就吸附在金屬表面或積灰表面上；另一方面，煙氣流動(dòng)時(shí)，因?yàn)闊煔庵谢伊５碾娮栎^大會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng)，雖然受熱面的材質(zhì)是良導(dǎo)體，但當(dāng)受熱面積灰后，其表面就變成了絕緣體，很容易將因靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的帶異種電荷的灰粒（當(dāng)量直徑小于10μm）吸附在其表面上，形成疏松式積灰。
疏松式積灰在以下兩方面條件下均可形成低溫粘結(jié)性積灰。其一，燃料燃燒不充分而形成高粘度聚合物，此種聚合物極容易吸附于管壁上，不容易脫落而形成粘結(jié)性積灰。其二，當(dāng)灰垢吸收煙氣中的SO3和水蒸汽后轉(zhuǎn)化成硫酸鹽，形成粘結(jié)性積灰。
2.2.2 防止和減少積灰的對(duì)策
防止和減少積灰的方法歸納起來(lái)有下述幾種：
（1）根據(jù)流體含塵的狀況，合理選擇換熱設(shè)備及其傳熱元件的結(jié)構(gòu)和形式，以達(dá)到不積灰或少積灰的目的。
（2）改變換熱設(shè)備內(nèi)流體的流速，以減少或清除積灰。
（3）采用化學(xué)清灰劑清灰。
（4）吹掃和用機(jī)械方法清除管子表面積灰。
以上幾種方法中最有效的是（1）和（2）兩種，（3）和（4）兩種方法是在積灰生成以后再去清除，有滯后性。
2.2.2.1合理選擇熱管管外翅片結(jié)構(gòu)
氣相換熱的熱管換熱器，管外都采用加肋強(qiáng)化傳熱，翅片形式多選用穿片或螺旋型纏繞片，這些翅片的結(jié)果緊湊，肋化比高，效果明顯，但缺點(diǎn)是極易積灰結(jié)垢。對(duì)于高粉塵流體即使翅片間距取到12～20mm，在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重積灰，因此對(duì)于高含塵流體目前趨向于選擇以下兩種結(jié)構(gòu)：
（1）軸對(duì)稱單列縱向直肋翅片
軸對(duì)稱單列縱向直肋翅片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，相對(duì)肋化比低，不易積灰。如果將翅片做成不等高，即降低背后翅片高度，可進(jìn)一步減少積灰。目前此種結(jié)構(gòu)的熱管換熱器投入工業(yè)應(yīng)用的已見(jiàn)報(bào)道，效果不錯(cuò)。
（2）釘頭管
釘頭管作為換熱設(shè)備的傳熱元件一般多用于粘結(jié)性積灰部位，如燃油加熱爐的對(duì)流室中，為了減少熱管換熱器的積灰堵塞，已有將釘頭管制成的熱管空氣預(yù)熱器用于以高含硫油為燃料的常減壓加熱爐中，投入使用多年，一直無(wú)積灰堵塞現(xiàn)象。
以上兩種結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)就是簡(jiǎn)單、易制做，但肋化比較低。
2.2.2.2合理選擇換熱設(shè)備內(nèi)流體速度及結(jié)構(gòu)形式
換熱設(shè)備內(nèi)流體的速度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它影響換熱設(shè)備的的傳熱、流動(dòng)阻力、磨損及自清灰能力等。目前熱管換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)多采用等質(zhì)量流速法，這種方法的嚴(yán)重不足之處就是隨著設(shè)備內(nèi)溫度的下降，近出口處的密度、動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)有明顯變化，從而引起出口處流體的速度大幅下降。其結(jié)果是換熱系數(shù)和自清灰能力的下降將帶來(lái)的負(fù)面影響，造成換熱設(shè)備后排的積灰。
解決該問(wèn)題可采用變截面設(shè)計(jì)法，以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法。對(duì)于某一參數(shù)一定的換熱設(shè)備，質(zhì)量流量是一個(gè)常數(shù)，如要維持體積流速不變，只有改變換熱面積來(lái)抵消密度的變化，隨著煙氣溫度的降低，密度將增大，要維持流速一定，換熱設(shè)備的流通面積將減小，所以以等體積流速設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備的截面為一等邊梯形。
變截面換熱設(shè)備能保證其進(jìn)出口具有相同的自清灰能力，一般認(rèn)為換熱設(shè)備內(nèi)實(shí)際流體流速達(dá)到8m/s便可起到自清灰的作用，設(shè)計(jì)時(shí)可取8～12m/s，對(duì)于可能引起嚴(yán)重磨損的部位流體流速可取6～8m/s，以免引起管子快速磨損而損壞穿孔。
2.3 熱管的露點(diǎn)腐蝕及對(duì)策
當(dāng)熱管換熱器在低溫?zé)煔庵惺褂�，換熱器熱管常常會(huì)遇到低溫露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題。有時(shí)即使在正常的排煙溫度下，在煙氣出口側(cè)（在沒(méi)有前置預(yù)熱器的情況下）最后幾排熱管也存在低溫露點(diǎn)腐蝕。根據(jù)傳熱學(xué)我們可知道，煙氣側(cè)壁溫主要與冷、熱流體的溫度、傳熱系數(shù)及換熱面積有關(guān)，它與熱流體的溫度、換熱系數(shù)、面積及冷流體的溫度從正比，而與冷流體的傳熱系數(shù)和面積成反比。當(dāng)冷、熱側(cè)傳熱系數(shù)和換熱面積基本一定的情況下，在冷流溫度較低時(shí)，煙氣側(cè)壁溫就有可能在露點(diǎn)溫度以下，而發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。解決露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題我們可以從以下及方面做工作：
（1）合理的控制排煙溫度
根據(jù)煙氣的露點(diǎn)溫度合理確定排煙溫度，一般而言，排煙溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度20～30℃。另外，在冬、夏季節(jié)環(huán)境溫度相差較大的情況下，應(yīng)控制不同的排煙溫度，在冬季排煙溫度應(yīng)適當(dāng)提高。
（2）增設(shè)前置預(yù)熱器，提高空氣入預(yù)熱器的溫度，可有效的防止露點(diǎn)腐蝕。
（3）對(duì)空氣風(fēng)道進(jìn)行傍路設(shè)計(jì)，當(dāng)煙氣溫度較低或環(huán)境溫度較低時(shí)，可將部分換熱后空
氣混合到冷空氣中，以提高空氣的入口溫度。
（4）進(jìn)行調(diào)壁溫防低溫腐蝕設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)節(jié)冷熱端的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高熱管換熱器的最低壁溫，防止
低溫腐蝕。結(jié)構(gòu)參數(shù)中，冷熱端長(zhǎng)度的變化對(duì)壁溫的變化最敏感，但熱端的長(zhǎng)度不能增加太多，這樣出口煙氣的溫度升高，單支熱管傳熱能力下降，空氣側(cè)流動(dòng)阻力增大，目前應(yīng)用得最多的是調(diào)整翅片的高度和間距。在結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整中，一般建議冷熱側(cè)同時(shí)改變某一參數(shù)，這樣壁溫變化較快，且單排熱管的傳熱量基本不變，不用增加管排即可保證原有的傳熱性能。在壁溫與露點(diǎn)溫度相差不大時(shí)，優(yōu)先選擇翅片高度或間距作為調(diào)溫參數(shù)；當(dāng)壁溫與露點(diǎn)溫度相差較大時(shí)，應(yīng)選擇冷端長(zhǎng)度作為調(diào)溫參數(shù)或同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)。
采用這種辦法逐排改變壁溫低于煙氣露點(diǎn)的最后幾排熱管結(jié)構(gòu)，就可有效的防止低溫腐蝕。
3 結(jié)論
（1）延長(zhǎng)熱管的壽命，采用管內(nèi)鈍化、工質(zhì)添加緩蝕劑和氧化除氫技術(shù)三者協(xié)同作用，效果最好。
（2）減少熱管積灰，采用等流速法效果較好，在高含塵介質(zhì)中使用熱管時(shí)，可考慮采用縱向直肋翅片管和釘頭管。
（3）解決熱管的露點(diǎn)腐蝕，在合理控制排煙溫度的同時(shí)，通過(guò)調(diào)整翅片高度、翅片間距和冷熱端長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及調(diào)整空氣入口溫度，可將熱管壁溫提高到露點(diǎn)溫度以上，露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題可得到有效解決。
4 結(jié)束語(yǔ)
工業(yè)熱管作為一種新型的高效相變?cè)�，已在各個(gè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。
