热管工质和管材，选错一个，功亏一篑

热管工质的选择，需要考虑的因素很多。根据热管换热器设计和应用的特点，工质的选择需要考虑下面四个重要的因素：

( l ）温度因素：工质在热管的工质温度下应具有合适的压力；

( 2 ）相容性因素：选用的工质和管材之间不起化学变化；

( 3 ）物性因素：工质的物性要有利于管内的流动和传热；

( 4 ）安全和经济性因素：工质无毒，容易取得，价格便宜。

下面分别讨论上述四个因素。

 这是最重要的一个原则，是首先要满足的一个因素。

从原则上讲，任何一种工质，都有它自己可以工作的温度范围，其下限是工质的凝固点，上限是热力学临界点。例如，对于水，其凝固点为0℃（l个大气压下），临界点为 374.15℃ 。

但实际上，工质工作的合适温度范围要小得多。主要考虑是：在热管的工作温度范围内，热管的工质要具有合适的压力。所谓合适的压力，主要是从管壳的强度来考虑的。压力太高，则需要更厚的管壁，在工程上不但不经济，也是不安全的。以水为例，在 250℃下管内压力为0.4mpa ，即40大气压，一般认为是水工质应用的上限。

另一方面，管内蒸汽压力太低也不好，会使管内残留的不凝气体（由于抽空、清洗等工艺不严格产生的）所占空间的比例增大，致使凝结段端部有相当一段管子不能参加工作，使热管的传热性能变坏。

例如，对于水为工质的热管，当在 100 ℃ 工作时，管内蒸汽压力为lbar ，假定不凝气休积聚在凝结段端部的长度为2cm；若工作温度变为 35 ℃ ，则管内压力为0.05bar，这时，根据理想气休的状态方程，可知管内不凝气体温度将升至33℃，这对热管的工作将产生严重的影响。

综上所述，以水为工质的热管适用的工作温度为50℃—250℃。反过来说，当热管工作温度在50℃一250℃之间时，选用水作为工质是合适的。但有的文献推荐选取水热管的温度范围为30℃一230℃。

就热管换热器的应用来说，其可能的温度范围是很宽广的，大约从-30℃一 50℃ 到+l000℃一1200℃。

其中可分为三个温度区间：

低温：温度从-30℃一100℃ ，如空调、干燥设备用的热管换热器；

中温：温度从100℃—50℃，如烟道气余热回收用的热管换热器；

高温：温度从350℃—1200℃如各种高温窑炉、工业炉的排烟的余热回收热管换热器。

对不同温度区间的热管所适合的工质如下表所示。

由上表可知，在同一个温度范围内，可能有几种不同的选择工质的方案，这就要根据物性原则和安全经济性原则进行分析比较，然后决定取舍。

对于中温热管，水是最理想的工质，除了水以外，可选择的方案很少，目前推荐的另一工质是萘，萘将水的应用温度上限又提高了100℃，可以用到 350℃，而且已积累了一定的应用经验。

应当着重指出，工质的适用范围是指热管的工作温度而言的，所谓热管的工作温度就是管内的蒸汽温度Tv。管内蒸汽温度Tv总是低于热源温度T_l，高于冷源温度T₂，而且总是偏向热阻较小的一侧．由热管加热段和冷却段的热平衡式可以很容易地确定管内蒸汽温度Tv:

气——液型或气——汽型热管换热器接近这种情况。但是在设计的初始阶段，一般还不知道两侧热阻的精确数值，即n的数值是不确定的。为了方便设计，当用式（ 3 ）来估算管内蒸汽温度时，n的数值建议由下表选取。

［例 1 ］在500℃的烟道气中，欲放置一台热管换热器，用以提供80℃的热水，试选择合适的热管工质。

化学不相容会产生几方面的问题：

1、产生不凝气体（H2、N2、O2 等）积聚在冷却段的端部，使热管参加换热的部分变短，久而久之，甚至会堵塞整个冷却段，热管将不能正常工作；

2、由于不凝气的积累，实际的冷却段变短，将使管内温度升高，抓力也会相应升高，这对热管的安全性是不利的；

3、由于工质和管材的化学反应，工质的成份也会发生变化，其物理性能也会随之发生变化，使热性能下降。

4、化学反应造成的另一个严重后果是使管壳变薄，使热管强度和安全性大大下降。

确定工质与管材的相容性，除了借助于电化学的知识作初步的预测之外，主要依据寿命实验。

热管的寿命实验一般是这样进行的：

将要检测的热管试样一端插到热源当中：热源可以是工厂的烟道气或电炉或热的油浴中，而热管的另一端则暴露于吸热源当中，吸热源可以是空气的受迫流动，或空气的自然对流，也可以放在一个冷水的夹套中。

在热管的某一工作温度下，定期地检测热管的轴向温度分布，由温度分布曲线来监视管内不凝气休的产生，因为不凝气的积聚会造成冷却段端部温度的明显下降。

也可用抽气的办法来检验不凝气的组成，或在最后剖开试件进行肉眼检查并进行工质的化验。

目前，工质和管材的相容性实验已经做了很多，提出了不少寿命试验报告，寿命试验的时间从几个月到几年，提出了若干公认的工质和管材的最佳组合。例如实验证实，水和铜是一对最佳组合，甚至连续几年的寿命试验都没有发现热管性能的任何变化，这就是为什么水——铜热管被广泛采用的原因。若干试验结果如下表所示。

对于中温热管来说，铜——水是最好的组合，但因为铜的成本比较高，强度又较低，在热管换热器中大量应用有一定困难，为了降低热管换热器的成本，用碳钢做管材的碳钢一一水热管的研制受到了重视。

碳钢——水热管与铜——水热管比较有很多优点，诸如：成本低、容易制造、材料到处可以得到，高的强度特性，此外，导热性能也较好。因此，对于以节能为目的的应用特别具有吸引力。但碳钢与水的不相容性，即不凝气体的产生是碳钢——水热管推广应用的主要障碍。

目前，我国碳钢——热管的应用己十分广泛，并已成为在节能和余热回收领域中的应用主流。

 工质的选择除了上述温度因素和相容性因素之外，还要考虑其物性因素。我们主要关心的是两个物理性质：

( l ）汽化潜热：它的物理意义是lkg的液体变成lkg的蒸汽所吸收的热量， (kJ/kg);汽化潜热大，意味着在传递相同热量的情况下，蒸发的液体就少，使管内蒸汽的流量减少，液膜变薄，有利于管内传热。

( 2 ）蒸汽的密度值（kg/m3) ，蒸汽密度值越小，说明管内蒸汽流速就越大，容易触及管内的携带极限和声速极限，对管内正常流动和传热是极为不利的。例如，水蒸汽30℃下的密度仅为150℃下密度的1% ，在传热量相同的情况下，管内蒸汽流速将提高 100 倍！这也是水工质不能在低温下应用的原因之一。