【正文】 美國阿拉斯加輸油管線工程采用熱管作輸油管線的支撐。夏天，由于重力熱管具有單向傳熱性能，大氣中的熱不能傳到地下，故地下凍土不能融化；采用了氨碳鋼熱管，長10～20m，上部散熱端裝有鋁翅片，埋入土壤中的深度為9～12m，在熱管兩端溫差小于1℃的情況下，保證每根熱管可輸送300W的熱流。當反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度達不到熱管啟動溫度時，熱管不工作，一旦溫度上升到熱管工作溫度時，熱管便通過釜內(nèi)的吸熱片把熱量傳到釜外，通過散熱片散入空間，從而使得釜內(nèi)反應(yīng)溫度保持恒定。我國熱管研究開始于1970年左右。主要目的是解決熱管的制造工藝、碳鋼水熱管的相容性、中高溫熱管的研制、熱管的傳熱性能及熱管換熱器的設(shè)計方法等問題，其研究成果陸續(xù)在石化、冶金、電力等行業(yè)推廣應(yīng)用。由熱管管束和外殼等組成的換熱器稱為熱管換熱器。當熱冷流體同時在各自的通道中流過時，熱管就將熱流體的熱量傳給了冷流體，實現(xiàn)了兩種流體的熱量交換。熱管換熱器的最大特點是：結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，熱管換熱器的金屬耗量少于其他類型的換熱器，換熱流體通過換熱器時的壓力損失也比其他換熱器小，因而動力消耗也小。我國氣象衛(wèi)星也應(yīng)用了熱管，并獲得了預(yù)期效果。各研究熱管的科研單位和大專院校都先后與制造熱管的廠家組成了科研生產(chǎn)聯(lián)合體，在擴大熱管換熱器應(yīng)用范圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方面起了推動作用。（a）是熱管氣氣換熱器用于回收鍋爐煙氣余熱，得到的熱空氣用于鍋爐助燃的流程示意圖，（b）是熱管氣氣換熱器用于回收窯爐煙氣余熱來加熱空氣，得到的熱空氣作為烘房熱源的流程示意圖。熱管氣氣換熱器能夠把排出的煙氣加以高度冷卻。燃料中含硫愈多，在金屬壁上結(jié)成的水滴就會愈危險。此外，熱管氣氣換熱器能使爐膛中前部煙道中的煙氣溫度有某些提高。熱管氣氣換熱器綜合起來有如下一些特點[14~17]：①傳熱性能高。由于熱管氣氣換熱器所傳輸?shù)臒崃看?，因此在傳輸同樣的熱量情況下，熱管氣氣換熱器就顯得體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)非常緊湊，因而金屬的消耗量小，占地面積也就大大減少?？傊? 熱管氣氣換熱器與管殼式預(yù)熱器相比，有很多優(yōu)點，主要體現(xiàn)在傳熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、投資小、運行費用低和流動阻力小等方面。（1）熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)這也影響了熱管氣氣換熱器的應(yīng)用。（3）露點腐蝕雖然也有工程技術(shù)人員已經(jīng)采用了以避免露點腐蝕為控制目標的設(shè)計計算，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計計算手段的限制，設(shè)計計算采用試算驗證的方式進行，難以做到各項參數(shù)的優(yōu)化組合，從而造成熱管氣氣換熱器的實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的偏離，導(dǎo)致露點腐蝕，導(dǎo)致熱管失效。一般地說，這與設(shè)計的目的有關(guān)。在民用和一般工業(yè)中，管子數(shù)量相當多（已屬批量生產(chǎn)），這時經(jīng)濟性占了突出地位，如果價格昂貴，應(yīng)用也就失去意義。同時應(yīng)考慮對熱管殼體材料的選擇必須符合我國有關(guān)標準的規(guī)定。在良好的熱管工作時，工質(zhì)必然在汽液兩相狀態(tài)。因為一旦殼體或吸液芯材料與工作液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了，或是工作液體本身分解了，都將產(chǎn)生不凝性氣體。③工質(zhì)應(yīng)有良好的熱物理性質(zhì)工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)用來說明工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱管軸向傳熱能力的影響，用符號N1表示，是一個有因次數(shù)，單位是W/m2（）④其他（包括經(jīng)濟性、毒性、環(huán)境污染等）滿足以上條件的工質(zhì)并不一定就是可采用的最好工質(zhì)，還要考慮制作的安全性、經(jīng)濟性和來源的難易程度等一系列問題。對一臺換熱器來說，當總的熱負荷一定時，所需要管子的根數(shù)就減少，這會降低設(shè)備的造價和投資。對熱管的強度來說，在其他條件相同的情況下，管徑越小，所能承受的管內(nèi)壓力就越高，管徑小些有利。在熱管的加熱段如果增加輸入的熱量超過一定值時，工質(zhì)蒸汽流在加熱段的出口處達到音速，便出現(xiàn)蒸汽流動的阻塞現(xiàn)象，由此現(xiàn)象產(chǎn)生的傳熱量的界限稱為音速極限（聲速限）。否則，在高馬赫數(shù)下蒸汽流動的可壓縮性將不可忽略。熱管氣氣換熱器設(shè)計計算的主要任務(wù)在于求取總傳熱系數(shù)U，然后根據(jù)平均溫差ΔT及熱負荷Q求得總傳熱面積A，從而定出管子根數(shù)N。通常由于設(shè)計計算時冷熱流體的進出口溫度差比較易于得到，對數(shù)平均溫度能夠方便求出，故常常采用平均溫差法進行計算；而校核計算時由于熱管氣氣換熱器冷熱流體的熱容流率和傳熱性能是已知的，熱管氣氣換熱器的效能易于確定，故采用傳熱單元數(shù)法進行計算。對于設(shè)計計算，典型的情況是給出需設(shè)計熱管氣氣換熱器的熱容流率(mcp)h、(mcp)c，冷、熱流體進出口溫度中的三個已知量，如ThThTc1，計算另一個溫度Tc換熱量Q以及傳熱性能量UA。2. 平均溫差法用于校核計算，其主要步驟為： （1）首先假定一個流體的出口溫度，按熱平衡方程求出流體的另一個出 口溫度； （2）由四個進出口溫度計算出對數(shù)平均溫差ΔTm； （3）根據(jù)熱管氣氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)U 的 數(shù)值；（4） 從已知的UA和ΔTm由傳熱方程求出換熱量Q（假設(shè)出口溫度下的計 算值）；（5）再由熱管氣氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體的出口溫度值；（6）以新計算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟（2）至（5），直至前后兩次計算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應(yīng)控在1％以下。dTh 和dTc 分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體與冷流體溫度；U為平均傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；(mcp)h和(mcp)c分別為熱流體和冷流體的水當量。熱管氣氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量（即兩流體逆流操作且傳熱面積為無限大時的傳熱量,此時Tc2= Th1或Th2= Tc1）的比值。2. εNTU法用于熱管氣氣換熱器的設(shè)計計算，其主要步驟是：①由熱管氣氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進而由公式計算出預(yù)熱器效能ε；②根據(jù)所選用的流動類型以及ε和Xmin/Xmax的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU；③初步確定換熱面的布置，并計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)U的數(shù)值；④再由NTU的定義式確定換熱面積A=XminNTU/U，同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力；⑤如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。因而熱管氣氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的計算方法相似。TcTvThQ 熱管的溫度分布示意圖對于加熱段，有（）對于冷卻段，有（）式中的Ah 和Ac 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積，A0，h、A0，c分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積；Af,h和Af,c分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積；Uh和Uc分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準的傳熱系數(shù)。式（）就具有如下的形式：（）式中的為以管內(nèi)面積為基準的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)，為以管內(nèi)面積為基準的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。在解決了熱管氣氣換熱器的總傳熱系數(shù)U之后，就可寫出熱管氣氣換熱器的總傳熱方程式為（）式中的Q為熱管氣氣換熱器總傳熱量，U為熱管氣氣換熱器的總傳熱系數(shù)，Ah為熱管氣氣換熱器加熱段管外總面積，ΔTm為熱管氣氣換熱器的對數(shù)平均溫差。 換熱準則方程及冷熱側(cè)對流換熱系數(shù)對于橫向掠過光管或光管管束的給熱系數(shù)，其準數(shù)方程式為[31]（）對叉排管束c=，對順排管束c=； Nu數(shù)、Pr數(shù)及Re數(shù)定義如下：（）式中的do為光管外徑，wmax為流體橫向掠過管束的最大流速，λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，Cpf為流體的定壓比熱，ρf 為流體的密度，μf為流體的動力粘度。（）式中的ρf為標況下流體的密度,Vf為標況下流體的體積流量,NFA為管束的最小流通面積。 45＜（sf/δf）＜80。 以 Uf表達的U計算式為：（）式中（）（） 流體流動中的壓力損失，即（）式中的ΔP為壓力降（Pa）。 gc為重力換算系數(shù)，Dev為容積當量直徑(m),ρf為流體密度（kg/m3）。Gunter推薦對光管和翅片管在湍流區(qū)的摩擦系數(shù)為[33]（）式中（）（）其中NFV為流體流動凈自由容積（m3）,Au為單位長度摩擦面積（m2）,而（）式中的df為翅片外徑（m），d0為光管外徑（m），δf為翅片厚度（m），nf為單位管長的翅片數(shù)（m1），SL為翅片管縱向間距（m），ST為翅片管橫向間距（m）。對于圓片形翅片管（）式中的Nn為沿流動方向的管排數(shù)。~，已知冷、熱流體的體積流量V，則Aex,h為（）式中的Vh為熱流體的體積流量（標況下），w1為標況下的迎面風速， Ah ex為氣氣換熱器煙氣側(cè)的迎風面積，同理（）如果規(guī)定了加熱側(cè)的管長Lh，就可求得迎風面的寬度為（）式中的B為迎風面寬度； Lh為加熱側(cè)的熱管長度。用公式（）求加熱側(cè)總傳熱面積Ah； 求熱管總根數(shù)N（）式中的Ah 為煙氣側(cè)單位長度的傳熱面積，A為熱管加熱段管外總表面積；Lh為單根熱管加熱側(cè)長度；求換熱器縱深方向排數(shù)Nn（沿氣流方向管排數(shù)）及沿氣流方向長度Lf。由式（）或式（）求摩檫系數(shù)f；求平均管壁溫度Tw。因此，設(shè)計計算工作量很大。其分析方法如下:熱流體放出的熱量Qh為（）式中的m為熱流體質(zhì)量流量（㎏/s），cp為熱流體定壓比熱(kJ/)。則（）式中的為Uh、Uc為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù)，Ah、Ac為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱面積，Sh、Sc為熱側(cè)和冷側(cè)的熱導(dǎo)，Th 、Tc為熱管熱側(cè)和冷側(cè)的流體溫度，Tv為熱管內(nèi)部工質(zhì)的蒸汽溫度。由式（）和（）可得熱流體的溫度降低為和冷流體的溫度升高為，即 （） （）由此，可得出順流情況下每排熱管的傳熱量。所謂定壁溫計算法是指將熱管氣氣換熱器的每排熱管的壁溫都控制在煙氣露點溫度之上,這種設(shè)計方法是建立在管內(nèi)蒸汽溫度可調(diào)整的基礎(chǔ)之上的?？刂茻峁芄鼙跍囟雀哂跓煔饴饵c的方法，在含塵煙氣的環(huán)境中，這種方法取得了良好試驗結(jié)果。使用定壁溫設(shè)計法設(shè)計熱管氣氣換熱器時，可以使管壁溫度Tw始終靠近煙氣溫度Th。通過熱管的定壁溫度設(shè)計，可以避免