然而，在熱管技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，在工業(yè)應用中仍然存在一些問題，這些問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，有必要對這些問題去研究、去探索，以求找到合理的解決辦法。
2 熱管應用過程中存在的幾個關(guān)鍵的技術(shù)問題
2.1 熱管的相容性問題及對策
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)的化學相容性問題，早期工業(yè)應用的熱管一般采用銅材管壁或鋼銅復合管，這樣使得產(chǎn)品的成本很高，限制了熱管技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應用。為此，鋼-水熱管以其低成本、高強度、制造工藝簡單、適應溫度范圍廣得到了大家的認同，在工業(yè)上得到廣泛的應用。然而，早期的鋼-水熱管使用壽命不足半年，無法滿足工業(yè)應用的要求，為此，國內(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識到，鋼-水熱管中存在著化學反應和電化學反應，這是一種不可避免的金屬腐蝕過程，只能抑制或延緩，而不可能消除，因此，鋼-水熱管相容性問題所采用的對策也只能是延壽，而不能根治。
2.1.1腐蝕機理
由于管材與工質(zhì)的化學不相容性，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）化學反應腐蝕
熱管長時間在較高溫度下工作，鋼-水會發(fā)生化學反應，管內(nèi)產(chǎn)生變化，其主要的化學反應過程下：
Fe + H2O ==== FeO + H2
2 Fe + 3 H2O ==== Fe2O3 + 3 H2
3Fe + 4 H2O ==== Fe3O4 + 4 H2
反應的結(jié)果使管壁發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生FeO、Fe2O3和Fe3O4，同時產(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，生成氫氣。
（2）電化學反應
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)主要的電化學反應過程如下：
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H+得到二個電子的產(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進行得很快，所以，普遍認為這是導致碳鋼與水不相容的主要原因。
2.1.2采取的對策
知道了水對碳鋼的腐蝕機理，能幫助我們找到相應的解決辦法，盡可能的延長熱管的使用壽命，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，此時碳鋼管內(nèi)表面會生成致密而均勻的Fe3O4氧化層。
（2） 碳鋼管材的化學液鈍化
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。緩蝕劑與化學鈍化一般是聯(lián)合使用，由于制造工藝過程不可避免的對局部鈍化膜的破壞，這時緩蝕劑就可以起到修補的作用。緩蝕劑品種很多，一般采用陽極型緩蝕劑，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，必要時打開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)生的氫氣隨時滲透出去。
（5） 氧化除氫法
根據(jù)化學理論可知，標準電極電位為正值的元素的氧化物都拿被氫還原出來。常見的有銅、鎳、鋅、鈷等元素的氧化物都能與氫進行氧化還原反應，只是要求的反應的溫度不同，反應的速度不一樣。氧化除氫技術(shù)90年代初就開始了推廣應用，但要求的反應溫度一般都在150℃以上，在工業(yè)中的應用受到一定的限制。目前，一種新型高效復合配方的氧化除氫技術(shù)已研制成功并進行了工業(yè)應用，在常溫下就可快速地進行除氫反應，這一技術(shù)的推廣應用，將極大的提高熱管的使用壽命。
針對化學鈍化膜不穩(wěn)定、排放法和滲透法不易操作、高溫蒸汽鈍化所需場地設備及投資較大，我們認為最好的熱管延壽方法應為化學鈍化、緩蝕劑及氧化除氫技術(shù)的配合使用。
2.2熱管的積灰問題及對策
在熱管余熱回收設備中，熱管積灰是普遍存在的問題，積灰增加了受熱面熱阻，降低設備的傳熱能力。積灰還可以減少流體的通道面積，增加流動阻力，降低換熱表面溫度，造成低溫[wiki]露點[/wiki]腐蝕。不少的余熱回收設備由于積灰嚴重不能正常運行，甚至被迫停用，因此積灰已成為了節(jié)能設備是否能夠正常運行的一個主要問題，應給予高度重視。
2.2.1 積灰形成機理
積灰按溫度分可劃分為高溫區(qū)積灰、過渡區(qū)積灰和低溫區(qū)積灰，熱管換熱設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備上。積灰形成的機理較復雜，一般認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，當灰粒的當量直徑小于3μm時，灰粒與金屬管壁間、灰粒與灰粒間的萬有引力超過灰粒本身的重量，煙氣中所含的微小灰粒沖刷到管壁時，就吸附在金屬表面或積灰表面上；另一方面，煙氣流動時，因為煙氣中灰粒的電阻較大會發(fā)生靜電感應，雖然受熱面的材質(zhì)是良導體，但當受熱面積灰后，其表面就變成了絕緣體，很容易將因靜電感應而產(chǎn)生的帶異種電荷的灰粒（當量直徑小于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策
防止和減少積灰的方法歸納起來有下述幾種：
（1）根據(jù)流體含塵的狀況，合理選擇換熱設備及其傳熱元件的結(jié)構(gòu)和形式，以達到不積灰或少積灰的目的。
（2）改變換熱設備內(nèi)流體的流速，以減少或清除積灰。
（3）采用化學清灰劑清灰。
（4）吹掃和用機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，但缺點是極易積灰結(jié)垢。對于高粉塵流體即使翅片間距取到12～20mm，在某些情況下也會出現(xiàn)嚴重積灰，因此對于高含塵流體目前趨向于選擇以下兩種結(jié)構(gòu)：
（1）軸對稱單列縱向直肋翅片
軸對稱單列縱向直肋翅片結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，相對肋化比低，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)應用的已見報道，效果不錯。
（2）釘頭管
釘頭管作為換熱設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，一直無積灰堵塞現(xiàn)象。
以上兩種結(jié)構(gòu)的共同點就是簡單、易制做，但肋化比較低。
2.2.2.2合理選擇換熱設備內(nèi)流體速度及結(jié)構(gòu)形式
換熱設備內(nèi)流體的速度是一個重要的設計參數(shù)，它影響換熱設備的的傳熱、流動阻力、磨損及自清灰能力等。目前熱管換熱設備的設計多采用等質(zhì)量流速法，這種方法的嚴重不足之處就是隨著設備內(nèi)溫度的下降，近出口處的密度、動力粘度、導熱系數(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的負面影響，造成換熱設備后排的積灰。
解決該問題可采用變截面設計法，以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法。對于某一參數(shù)一定的換熱設備，質(zhì)量流量是一個常數(shù)，如要維持體積流速不變，只有改變換熱面積來抵消密度的變化，隨著煙氣溫度的降低，密度將增大，要維持流速一定，換熱設備的流通面積將減小，所以以等體積流速設計的換熱設備的截面為一等邊梯形。
變截面換熱設備能保證其進出口具有相同的自清灰能力，一般認為換熱設備內(nèi)實際流體流速達到8m/s便可起到自清灰的作用，設計時可取8～12m/s，對于可能引起嚴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 熱管的露點腐蝕及對策
當熱管換熱器在低溫煙氣中使用，換熱器熱管常常會遇到低溫露點腐蝕問題。有時即使在正常的排煙溫度下，在煙氣出口側(cè)（在沒有前置預熱器的情況下）最后幾排熱管也存在低溫露點腐蝕。根據(jù)傳熱學我們可知道，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，煙氣側(cè)壁溫就有可能在露點溫度以下，而發(fā)生露點腐蝕。解決露點腐蝕問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)煙氣的露點溫度合理確定排煙溫度，一般而言，排煙溫度應高于露點溫度20～30℃。另外，在冬、夏季節(jié)環(huán)境溫度相差較大的情況下，應控制不同的排煙溫度，在冬季排煙溫度應適當提高。
（2）增設前置預熱器，提高空氣入預熱器的溫度，可有效的防止露點腐蝕。
（3）對空氣風道進行傍路設計，當煙氣溫度較低或環(huán)境溫度較低時，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）進行調(diào)壁溫防低溫腐蝕設計。通過調(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，冷熱端長度的變化對壁溫的變化最敏感，但熱端的長度不能增加太多，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)流動阻力增大，目前應用得最多的是調(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。在壁溫與露點溫度相差不大時，優(yōu)先選擇翅片高度或間距作為調(diào)溫參數(shù)；當壁溫與露點溫度相差較大時，應選擇冷端長度作為調(diào)溫參數(shù)或同時調(diào)節(jié)多個參數(shù)。
采用這種辦法逐排改變壁溫低于煙氣露點的最后幾排熱管結(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，可考慮采用縱向直肋翅片管和釘頭管。
（3）解決熱管的露點腐蝕，在合理控制排煙溫度的同時，通過調(diào)整翅片高度、翅片間距和冷熱端長度等結(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溫度以上，露點腐蝕問題可得到有效解決。
4 結(jié)束語
工業(yè)熱管作為一種新型的高效相變元件，已在各個領(lǐng)域有了廣泛的應用。
