渗透除氢热管 本发明涉及一种用作热交换的热管的结构改进。
以钢或不锈钢作为管壳材料，以含有氢元素的物质为工质的热管，特别是以水为工质的钢—水热管(包括重力式，带吸液芯式，离心式，电动力式等各种钢—水热管)，广泛用于工业热交换设备，但是这些热管在其工作温度范围，存在管壳和工质反应放出氢气的问题，生成的氢气会在热管中积累起来，阻碍热管内工质的相变传热，使热管传热效率逐渐降低，最终导致热管失效。
目前已研制了多种可消除热管中的氢气以延长热管寿命的方法，一种是在热管中加入能吸收氢气的材料以吸附热管所产生的氢气，这种热管只能在低温下工作，因为所加入的吸氢材料在低温时能吸附氢气，但在高温时，被吸附的氢气又会被放出来，而且至今还没有一种价格低而又稳定的吸氢材料。另一种方法是在热管中放置可把氢气氧化还原为水的固态氧化剂，虽然此法对消除氢气有较好的效果，但由于放置入热管中地氧化剂的量总是有限的，氧化剂消耗完了，也就失去除氢的效果，因此用这种方法延长热管的工作寿命的时间是受限制的。还有一种方法是直接在热管的冷凝端装上钯元件，使氢气能通过钯元件渗透到热管外面。这种方法由于需使用较大量的贵金属钯，实用意义较小。
本发明的目的是提出一种能避免上述已有技术的缺点，能在各种工作条件下长期有效地消除热管中的氢气的热管特别是钢—水热管的新结构方案。
本发明的目的是这样实现的，在管壳材料为钢或不锈钢，工质为水或含有氢元素的有机物或无机物或它们的混合物的热管中，于热管冷凝端的内、外壁，至少在部分内壁及与之对应的部分外壁，分别结合一层透氢活化金属层和促氢脱附金属层即内壁结合一层透氢活化金属层，其对应的外壁结合一层促氢脱附金属层，从而构成由透氢活化金属层、管壁基体和促氢脱附金属层组成的复合层。所说的透氢活化金属层是一层对氢有强烈化学吸附能力的金属镀层或溅射层，包括钒、铌、钽、钛、锆、铪、钯、镧、铈、钯—银合金、钯—镍合金、钯—钒合金、铁—钛合金、镧—镍合金中的任一种金属或合金在热管内壁基体上的镀层或溅射层。所说的促氢脱附金属层是一层对氢的脱附有促进作用的金属镀层或溅射层，包括镍、钯、含镍合金和含钯合金中任一种金属或合金在热管外壁基体上的镀层或溅射层。
所说的透氢活化金属层的部位通常结合在热管冷凝端端盖的内壁，而于端盖的外壁则结合促氢脱附金属层，为增大活化金属层的面积，可以把冷凝端端盖制成向内凹的形状，如球面或其它型面。
上述方案的一种变化方式，是在热管的冷凝端焊装透氢元件，该透氢元件是具有内、外壁面的中空结构，其中一壁面为与热管的内壁形成连续密封面的内表面，另一壁面为与管外大气相通的外表面，透氢元件的内表面实际上相当于热管的内壁，外表面则相当于热管的外壁。例如在热管冷凝端的端盖下焊装一个具有内腔的直筒形容器状或球壳状或盘管状或其他任意形状的透氢元件，并从端盖开一气孔与透氢元件的内腔相通，由于该透氢元件处于热管之中，其腔外壁相当于热管的内壁，则成为内表面，其腔内壁与管外大气相通相当于热管的外壁，则成为外表面。
也可以把透氢元件焊装在冷凝端之外，例如在冷凝端端盖上，使热管的内腔与透氢元件的内腔相通，这时透氢元件的内腔壁成为内表面，外腔壁成为外表面。
上述透氢元件的特点是其内表面结合有透氢活化金属层，外表面结合有促氢脱附金属层。
本发明的技术结构使热管具有渗透除氢的功能，热管中工作时产生的氢气，可以通过冷凝端中具有话化金属层的部位或透氢元件渗透排出管外。
本发明是基本以下的技术原理：由于钢或不锈钢的表面具有一层氧化膜，不利于氢气的吸附、渗透和脱附，所以在通常情况下，钢或不锈钢透过氢的能力很低。但若仔细地去除钢或不锈钢的表面的这层氧化膜，氢气从钢或不锈钢渗透的速度是相当大的。本发明的特点就是对热管冷凝端的内、外壁部位进行处理，形成一种复合壁，既清除了钢或不锈钢表面的氧化膜，同时在内壁部位形成一层吸附氢能力强的透氢活化金属镀层或溅射层，在相应外壁形成一层有利于氢气脱附的促氢脱附金属镀层或溅射层，这样热管中生成的氢气在冷凝端聚集时，将被吸附到透氢活化金属层的表面，分解成原子，溶解在固体壁中并在浓度梯度的作用下扩散到外壁面，而外壁面的促氢脱附金属层实际上是脱去氢的催化面，可以使氢原子顺利地复合为氢气分子离开其表面，从而达到把热管内的氢气排出的目的。
热管通过透氢元件把氢气排出管外也是基于上述原理。
为了促进热管中氢气的渗出，可以在热管冷凝端有活化金属层或透氢元件的部位附近壁面装设一加热装置以提高该处壁面的温度。
本发明具有良好的透氢效果，在高温工作条件下透氢能力还进一步加强，这可保证热管长期稳定地工作，在热管被腐蚀破损之前保持良好的传热性能，从而大大延长热管的有效寿命，本发明简单，由于活化金属层较薄而其成本也相对低廉，具有良好的应用推广价值。
以下是本发明的图面说明：
图1为普通型渗透除氢钢—水热管的剖视图；
图2为冷凝端端盖下凹型渗透除氢钢—水热管的剖视图；
图3为内装直管形透氢元件的渗透除氢钢—水热管冷凝段的剖视图；
图4为内装球壳形透氢元件的渗透除氢钢—水热管冷凝段的剖视图；
图5为内装盘管形透氢元件的渗透除氢钢—水热管冷凝段的剖视图；
图6为外装直管形透氢元件的渗透除氢钢—水热管冷凝段的剖视图。
以上各图均为示意图。
以下结合附图详述本发明的实施例结构细节：
实施例一
本实施例是普通型的渗透除氢钢—水热管，如图1所示。本热管具有钢质管壳1，管内密封的工质2为水，热管的下端由端盖3和底端销钉4密封，热管的上端是与管壳1固接的短管形的端盖5，端盖5的内壁镀有钯—钒合金(Pd-V)透氢活化镀层，外壁镀有钯—磷合金(Pd-P)促氢脱附镀层，本热管结构可以在350℃以下工作，这时短管形端盖5具有极大的渗透氢气的能力，可保证积聚于冷凝端的氢气顺利地渗透出去。
实施例二
本实施例是对实施例一的渗透除氢钢—水热管的一种改进型式，如图2所示。其管壳、工质等基本与实施例一相同，主要区别是热管的上端有一个向热管内凹进的端盖6，该端盖的基本材料与管壳同为低碳钢，在端盖的内壁有一层钽—镍合金(Ta-Ni)透氢活化金属溅射层，外壁则有一层钯—镍(Pd-Ni)合金促氢脱附金属溅射层。本热管适于在150-200℃温度范围工作。
实施例三
本实施例如图3所示(只示出冷凝端结构)，其管壳1和工质与实施例一基本相同。在其冷凝端的端盖7下焊接直管形(优质碳钢基体)的透氢元件8，直管形透氢元件的下端密封，另一端开口，并与端盖7焊接，端盖7有一个中心孔9和直管形透氢元件的内腔相通，透氢元件8的内表面(即直管的外管壁)镀钯—镍合金(Pd-Ni)透氢活化金属镀层，透氢元件8的外表面(即直管的内壁腔)镀有镍—磷合金(Ni-P)促氢脱附金属镀层。这种结构的热管可工作于200-250℃的温度范围。
实施例四
本实施例如图4所示(只示出冷凝端的结构)，其管壳1和工质与实施例三基本相同，在冷凝端的端盖7下焊接一个球壳形透氢元件10，该球壳的材质为铁镍合金，在其球壳外壁溅射有一层钯的溅射金属层，球壳透氢元件10通过一根短管11焊接于冷凝端端盖下面，使球壳的内腔与热管外的大气相通。(本透气氢元件的材质因为是铁—镍合金，因而已经具有促氢脱附的作用)。这种球壳形结构有较强机械强度，具有较大的渗透氢气的表面积，适合250℃左右的工作温度范围。
实施例五
本实施例如图5所示，(只示出其冷凝端的结构)，其管壳1和工质与实施例三相同，在其冷凝端端盖7下焊接一个盘管结构的透氢元件12，盘管采用镍铁合金(Ni-Fe)制作，并由引出管13使其盘管的内腔和热管外大气相通，盘管12的外管壁镀有钯—银合金(Pd-Ag)镀层，这种透气氢元件的渗透氢气的表面积大，适用于250-300℃的工作温度范围。
实施例六
本实施例如图6所示(只示出其冷凝端的结构)，其管壳1和工质与实施例三相同，在其冷凝端的端盖7上面焊接一直管的透氢元件14，透氢元件的内腔通过端盖7上的通孔和热管的内腔相通，直管状透氢元件14的内腔壁镀有钯—锆合金(Pd-Zr)镀层，外壁镀有镍—磷合金(Ni-P)镀层，在透氢元件14的外面套有一个加热套15，加热套的外面有一绝热层16，这种结构的热管可工作在较低温度下(100-120℃)，可通过加热套15加热提高透氢元件的温度来加速氢气的渗出。