热管技术在干燥领域的开发与应用
干燥是很多生产过程的一道关键工艺，同时也是能量消耗的主要过程。有资料表明[1]：干燥1吨物料耗煤1吨以上；木材干燥是木材加工中不可缺少的重要环节，其所消耗的能量一般占木材加工总耗能的60％-70%，因此针对干燥过程进行节能改造势在必行。近几十年来，热管技术在许多干燥领域获得了推广应用，实践证明，热管技术具有如下的优点[2]：
i.适合利用余热作为干燥热源，节能率一般在10％~45％，典型的，可以停开蒸汽锅炉；
ii.设备体积小、重量轻、流体压力损失小；
iii.可靠性高、维修方便、寿命长；
iv.可利用多种热源；
尽管热管技术在干燥领域应用已经取得了一些成就，但热管技术的潜力远未得到充分发挥。同时由于对热管技术的基本内涵缺乏系统的理解，因而在应用中也出现不少问题，不仅得不到应有的效果，反而造成不必要的损失。
本文将针对上述问题，对热管技术在干燥领域中开发应用的有关问题及实例作一概述，并指出可再生能源与热管技术结合是未来干燥工艺一项重要研究内容。
2 热管热风发生器的工作原理及特性
热管技术在干燥领域中的应用主要是产生不同温度的清洁热风，在大多数情况下均作为气—气热交换器使用—热管热风炉（热风发生器）。
已经有众多的文献及应用实例证明了作为气—气热交换器的热管换热器的综合指标居各种类型换热器之首。其主要特征原理如下：
热管换热器是一种相变热转换及传递装置，这种特点决定了它可以采用冷热两侧同时强化（附加二次传热面）的方法，来达到提高气—气热交换器传热系数的目的，并具有如下特点：
（1）极高的气---气换热效率，体积紧凑，流体流动压力降小，是其它换热设备无法达到的
（2）多种余热利用的适应性
1.烟气加热产生热风
2.蒸汽加热产生热风
3.热水加热产生热风
4.高腐蚀介质气（液）体加热产生热风
（3）多种热源的适应性
5.矿物原料燃烧与空气换热产生热空气
6.电热产生热空气
7.太阳能产生热空气
8.地热产生热空气
9.生物质能产生热空气
（4）寿命长，可靠性高，结构简单，便于维修
3 热管技术在干燥领域应用中出现的问题及其研究
经过近数十年的国内各有关单位对干燥领域所使用的热管单管研究及整体换热器的设计开发，已基本上解决了干燥应用的各种基本技术问题。
a. 温度范围选择及材料与工作液体相容性选择：
适用于干燥领域的热管换热器使用温度范围及相应的热管内部工作温度及材料分别列于下表[2]。
b.热管内部传热阻力及外部传热阻力研究及换热器的总体设计
原南京化工学院（现南京工业大学）早在1980年就已进行了各种热管传热内热阻及管外传热阻力的测定及试验，得出了可用于设计计算的设计公式。此后，又进行了计算软件的开发，并在工业实践应用中不断修正。至今已经具备了比较成熟的计算软件，可用于各种不同干燥条件的设计计算。
4 应用于干燥领域的热管换热器运行中存在问题的研究
a. 翅片积灰及堵塞
当干燥过程中不清洁气体作热源时（烟气或高含尘过程气体），热管换热器的最大障碍是翅片积灰而形成堵塞，造成无法运行。经过不断开发及研究试验，已经得出了一系列针对不同含尘气体的清灰技术，一般可分为：
自清灰技术：保持一定操作风速，换热器与气流方向保持一定的倾斜角度，选用不同翅片形式及间距，通过一定的组合计算，使烟气风速始终保持自吹灰风速，可以保持常年运行；
使用各种吹灰器：经验证明，吹灰器必须与以上自清灰技术配合方可得到良好的效果。
b.露点腐蚀及控制
在利用烟气或其它过程气作为干燥热源时，如热管的壁面温度过低，气体将会低于露点温度而结露，结露的出现不仅使清灰变得困难，而且腐蚀管壁，最终破坏设备。热管结构的特点使得热管具有管壁温度可调的特点。可以通过冷热两侧加热面积的比例控制热管两端的热流密度，达到控制热管管壁温度的目的。这一点可以通过设计软件完成。
c.抗腐蚀热管（搪瓷热管）的研制
杜吉宾[3]进行了耐腐蚀搪瓷热管的研究，并获得了成功。此后不少厂家相继进行了开发。此项技术存在的问题是价格偏高，搪瓷的耐温性尚需进一步研究。
d.高温热风源－高温热管换热器[4~6]
在冶金、化学、陶瓷、建材、轻工等工业生产中，常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥、供氧等需要，传统的高温热空气的加热大都采用燃煤热风炉、燃油热风炉和燃气热风炉，分别以煤、油、气为燃料，产生高温烟气来加热空气，由于气-气换热的传热系数小，所以需用较多的传热面积来满足换热要求，因此造成设备体积大，而且换热的管子或换热面常因过热而损坏；另一方面，温差应力也常使换热器的联接处破坏而影响工作，所以用普通管式换热器等来加热空气，很难在把空气加热到300℃以上时还能长期正常工作。使用高温热管空气加热器可以很方便的达到这一要求，并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题[7]。
高温热管换热器是一种组合换热器，它由低温段（碳钢-水热管）、中温段（萘-碳钢，不锈钢，或汞-不锈钢热管）和高温段（钠、钾-不锈钢、高温合金钢、Gr25Ni20热管）组成。
陈丹[8]对高温热管热风炉进行了优化设计研究，孙世梅[9，10]从实验和理论分析的角度系统研究了高温热管热风炉的性能。首先，她建立了如图1所示的试验装置，其热风炉的结构参数和试验工况参数如表2和表3所示。
5 工业应用典型实例及经济效益
农产品加工
农产品加工过程中，都不可避免的要进行烘干（干燥），使之含水量达到有关标准以利于农产品的保管、储藏以及再加工。例如湿粮烘干、蚕茧烘干等，针对农产品烘干需要清洁的特点，一般均采用清洁热空气来加热烘干的生产工艺，要求把空气加热到40℃～100℃作为热风应用。
张飚等[11]开发了一台常温（水-碳钢）热管换热器，换热量为4×107kW／h。日处理量为粮食1000吨，成功应用多年。张化杰[12]等承接辽宁省科委研究课题《热管技术在玉米干燥设备中应用的研究》项目，针对热管式热风炉在干燥玉米过程中的应用，进行了20余天，70多个班次的生产考核。从试验结果来看：换热器运行稳定，结构紧凑、加工后的粮食质量有所提高（可能由于热空气比较洁净、温度控制比较均匀）。但在使用过程中采用了萘热管，造成一些不必要的风险。苏俊林等[13-16]开发了一种用于玉米干燥的燃用稻壳及煤的热管式热风炉，用于间接加热干燥系统。俞洪[17]等开发了一种用于干燥麦芽的常温热管干燥设备，产生的热风温度不超过100℃。与传统单层水平干燥炉相比，采用热管换热器对空气加热，具有显著的节能效果。金哲[18]介绍了一种热管型粮食干燥器，具有结构简单、运行可靠、使用方便、不需再外加能源就能长期有效地干燥粮食，导热速率快、散热功率强、传热均匀。刘德璋[19]等利用热管换热器回收锅炉烟道余热间接加热烘干技术，是一项干燥粮食及其初产品的节能降耗新技术。采用该枝术及其配套设备烘干大豆，不仅品质好，无污染，而且节能效果显著。
由于农业生产自身条件的要求，一般热风温度需求不超过100℃，采用的热管式热风炉大多属于中温范围。
木材加工
木材加工过程中的能耗，很大一部分都是用来进行干燥。将热管技术应用于干燥过程不仅可以节约能源，还可能在一定程度上对产品质量有一定的提高。木材加工过程的干燥需要的热风温度一般在100℃～400℃之间，工业热管换热器在这个温度段比较合适，技术相对比较成熟。
王子歧[20]等针对卫生筷子加工过程中，干燥耗能比较大，同时普通干燥设备的温度难以控制的问题，开发了一台热管式干燥箱，解决了上述问题，使产品质量得到明显的提高。左军等[21]和张忠明等[22]提出回收木材干操领域中的低品位余热具有可观的经济性，并设计了一套热管换热器用于回收热量，取得很好的经济效果。
工业干燥过程
工业过程的干燥工艺相对比较复杂，也是主要能源消耗过程之一。热管技术在其中应用的潜力很大。目前应用的主要是在普通干燥设备难以完成的场合，而在一些普通工艺中的热管的节能效果并未得到足够重视。
方士杰[23]等介绍了热管热风炉在纸浆模塑干燥中的应用。朱刘[24]等介绍了高温热管在干燥陶瓷原料和胚体应用的可能性。胡杰[25]等介绍热管式快速干燥机对瓦坯进行烘干的干燥机，其热利用率高，能耗低，产品合格率提高了8％，干燥周期缩短了92％，同时降低了工人的劳动强度，是砖瓦行业干燥设备的一种革新。郭宏鹤[26]等介绍了一种配有热管换热器的空气干燥机，克服了传统干燥机能耗大、空气质量不理想的缺点，可以保证在任何季节供应干燥热风。王文岩[27]介绍了一种热管式织物干燥机，其特点是辐射筒内装有高效传热热管，干燥快，对于含水量30％-50％的纤维物料能一次性烘干，节约能源，生产效率高。
目前热管干燥设备在工业过程中未大量使用与工业过程的高度连续性和高可靠性有关，但随着能源的不断紧张，节能降耗已经成为国家的一项国策，热管工业干燥设备必将有很大的发展。上面仅是介绍热管式干燥设备对传统干燥设备的替代效果，热管换热设备还可以应用在一些传统设备无法完成或无法很好完成的干燥领域，典型的设备就是高温热管热风炉。
高岭土喷雾干燥[28]
高岭土是化工、造纸、建材中一种重要的添加剂，其浓度高达63%～66%，料浆粘度为500～1200mPa.s，如此高浓度、粘度的料浆喷雾干燥具有一定难度。关键是有较高温度的热风，希望热风温度达到500℃，由于对高岭土的白度有较高的要求，因之在干燥过程中应该力求避免污染物混入料粉中。以燃烧烟道气为热源的高温热管式空气加热器非常适合于这种要求。如图2所示：常温空气由鼓风机自热管换热器的底部进入热管换热器低温段，经中温段及高温段加热达500℃后排出，进入喷雾塔作为干燥热风。自煤燃烧炉出口的烟气温度达900～1100℃，由换热器顶部向下流动与冷侧空气形成逆流换热，温度降到200℃以下由引风机排入烟囱。该设备1994年2月正式投入使用，1994年5月对换热器进行测试，结果如表4所示：
十二醇硫酸钠喷雾干燥[29-31]
十二醇硫酸钠是优良的阴离子表面活性剂，能有效的降低表面张力，是牙膏生产的重要原料之一，还广泛应用于洗涤剂、化妆品、医药、纺织品、石油开采及电镀行业。十二醇硫酸钠是一种热敏感性多泡性物质，干燥条件十分苛刻，即干燥所需的高温热源（450～500℃）一般采用煤气直接燃烧产生的烟气。对于没有煤气或煤气很贵的地方，热源成为一个大难题。如使用液化气、轻柴油等其他热源，均会对十二醇硫酸钠产生污染而影响色泽。如采用换热方式加热空气，则一般的板式、列管式、板翅式所能提供的热源温度一般在400℃以下，且热效率低，并且大多数不适合于以煤气为燃料的烟道气，而热管的各种特性非常适合于这一难题的解决。如图3所示：由煤燃烧炉产生的高温烟气（950～850℃）直接进入高温热管换热器的吸热段（热管的蒸发段）逐步经过高温热管区、中温热管区、低温热管区降至200℃以下排入烟囱。空气由常温20℃进入热管换热器的放热段，通过热管与烟气的逆流换热被加热至470～500℃去喷雾干燥塔。
高温热管换热器在喷雾干燥中的应用研究取得成功，并已收到了令人满意的实际效果，根据现场测试的参数表明，高温热管换热器达到的某些性能指标，是其它类型热风发生器所达不到的，因而在某些特定工况条件下也是无法取代的。
白炭黑干燥[32，33]
传统的白炭黑干燥各自存在明显的缺点：利用蒸汽烘干白炭黑，然后粉碎成型（干燥效率低、能耗大、白度不易保证、设备庞大、不易实现机械化、自动化）；0＃柴油燃烧产生高温烟气进行干燥（烧嘴容易损坏，造成烟气不干净，影响白度）；天然气或煤气燃烧产生高温气体（地域性明显）；燃煤热风炉产生低温热空气（效率比较低）。
高温热管热风炉成功的解决的这一问题，既能保证产品白度、又能降低能耗，产生550℃的热风880kW(75万大卡/小时)，年产1000吨的白炭黑。该热风炉基本参数如下：烟气入口温度：850℃；烟气出口温度：180℃；热风出口温度：550℃；燃料：煤；干燥效率从60%提高到81%，综合年经济效益达到70万元。
6 热管技术在除湿干燥中的应用
在除湿干燥领域，回热技术的应用也是提高能源利用率的一个有效途径。如比较特殊的回热装置－蓄热形式已经进行了初步研究[34]，但距离实际应用很有很多工作需要完成。而普通的回热式除湿干燥过程的应用开发已经有应用实例。
杜垲等[35]从理论和试验角度研究，其结果表明：闭式热泵干燥系统采用空气回热循环，有益于节能，而空气回热器两侧都是气体，且换热温差较小，实验中采用热管换热方法可行，效果明显。金苏敏等[36-40]通过对一台2马力热泵除湿干燥机的热力学分析，得到：回热式除湿干燥针对废气相对湿度比较小的干燥循环节能效果明显，回热器的选型推荐使用冷热侧均有换热强化能力的热管式气气换热器。并将采用空气回热的热泵木材干燥机与不采用空气回热的热泵木材干燥机相比较，除湿量可以提高24% 以上，而且空气的相对湿度越小，除湿量提高的越多，其优越性越明显。同时介绍了一种用于热泵干燥机分离式热管换热器的使用情况[41]。并介绍了一个应用实例[42]：针对普通的热泵木材干燥机进行改进，增加一个分离式空气回热器。从应用的测试表明：相对湿度越小，带回热器的干燥机的干燥能力越优于无回热器的干燥机，同样除湿能耗比也明显小于原设备。在温度为50℃，相对湿度为80％的情况下，能耗比由原来的0.41kWh/kg降低为0.32kWh/kg，比原来节电24％。
从上面的研究开发过程可以看出，干燥过程的能量利用率是干燥工艺的成本的关键。除湿干燥技术相对于其它干燥技术，有着明显节能降耗的特点，将成为今后研究开发的一个重点方向。
7 可再生能源作为热源的热管干燥技术
随着工业化进程的不断加深，要求干燥速度不断增加，干燥循环温度不断提高，循环速度不断增加，随之带来的干燥循环废气的相对湿度降低：这种工况正是回热式除湿干燥的适用范围。热管回热式除湿干燥技术是今后工业干燥节能降耗的研究重点。
太阳能与除湿干燥设备的联合使用一般是“并联式”，即热风能量的供应在日光充足的时候由太阳能供应，热泵除湿系统不运行。在太阳能不充分的时候，热泵系统启动，完成正常的除湿干燥。这种系统只是将太阳能干燥技术与热泵干燥技术简单的叠加，并能发挥两者的优势。
将热管技术应用于太阳能除湿干燥产生200℃～300℃热风，可用于工业过程的干燥，其初步的系统结构如图5所示。从干燥窑出来的湿热空气首先进入热管回热器进行冷却，由于干燥温度比较高，出口湿空气的相对湿度一般不高，正适合回热式除湿干燥。经过热管回热器的气体接近饱和状态；与后面的蒸发器换热，蒸发器内部液体吸收湿空气的显热和湿空气内部结露形成的潜热，蒸发气化进入压缩机。而此时的饱和冷空气进入热管回热器初步加热，吸热升温。再进入除湿循环的冷凝器，冷凝器内部是来自压缩机的高温高压制冷工作介质的气液混合物，含湿空气在这里得到进一步加热，温度升高，相对湿度下降。此时的预热干风直接进入干燥窑。如果需要品位更高的热风（>120℃），需要再补充热量，以提高热风的温度。可再生能源可以在该工作段加以利用。对于槽式聚焦的太阳能系统，可产生250℃以上的热风，而生物质气化炉得到的可燃气燃烧，可以得到600℃的热风，两者可以并联，生物质能作为太阳能无法发挥作用时的补充，用以产生中品味（250℃左右）热风，也可以串联产生高品位（600℃以上）热风。上述系统，出蒸发器的低温饱和湿空气也可以根据情况，首先由冷凝器预热，再由热管回热器加热。
8 结束语
尽管热管技术在以上干燥领域获得了成功的应用。随着能源技术的发展。利用可再生能源技术将是今后发展方向，以下新的技术正处在开发研究之中：
（1）CPC热管聚焦集热器收集太阳能，获得150℃以上温度的热风；
（2）用碟式太阳能聚焦器与高温热管相结合，产生500℃～800℃的热风作为高温干燥热风源；
（3）利用热管技术传导地热能产生热风，作为干燥介质；
（4）利用热管太阳能聚焦器及生物质热管气化炉联合产生热风源，供中高温干燥使用。
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