高溫熱管簡介

       高溫熱管熱管技術是實現高溫余熱利用的高效換熱技術之一，其特有的幾點傳熱特性能有效解決高溫換熱領域的諸多難點。

     “十二五”國家戰略性新興產業發展規劃中將高效換熱器、系統優化等能源梯級利用和高效利用技術作為重大行動計劃，旨在實現高效節能產品市場占有率大幅提升的發展目標。

       高溫熱管是一種具有極高具有較高傳熱性能（軸向熱流密度可以達到1000W/cm2以上）的元件，它通過在全封閉真空體系內的液態金屬連續蒸發、凝結來傳遞熱量，具有較高的傳熱能力、優良的等溫性，在空間技術、聚光太陽能熱利用，及高溫余熱較高品味利用等領域都有很大的應用空間。

       同時高溫熱管能夠將較高品味的某種能源安全、高效地傳遞給另一側流體，實現能源梯級利用目的。

熱管自1964年正式在美國發明問世，我國科學家即進行了研究探索，中國科學院工程熱物理研究所是我國最早開始研究熱管的單位之一，1972年成功研制出我國第一根高溫熱管，如圖1所示。

       2008年以來，傳熱傳質研究中心分別承擔了航天科技集團委托的“高溫熱管的研制”、 “高溫熱管的強化研制”863項目，設計、加工零部件，改進了原有高溫鈉熱管充裝工藝，實現高性能鈉熱管的定量化充裝工藝。

       由于高溫熱管技術具有常規換熱技術所沒有的許多獨特優越性，應用領域已經相當廣泛，應用的重點由航天轉移到地面，由工業化應用擴展到民用產品，因而常規的、較高成本的高性能高溫熱管的制備工藝阻礙了高溫熱管的產業化發展，為此傳熱傳質研究中心從2010年開始探索高溫熱管的快速充裝工藝索，目前已經取得階段性成果，現已完整掌握了一套高溫熱管充裝新工藝。

       運用這套高溫熱管充裝工藝在實驗室制備了以2520不銹鋼為管殼材料，液態金屬鈉為工質的，直徑為Φ25，長度從300，600，900，1200的高溫熱管，如圖2所示。

       在以型號為XJH-25kW-A的高頻感應加熱設備為加熱熱源，輸入電壓為380V，最大加熱功率為25kW，高溫熱管通過自然對流和熱輻射形式散熱的情況下，高溫熱管的壁面溫度不均勻性＜40℃，最高工作溫度可以達到800℃以上。

       這套充裝工藝能夠在確保產品質量的前提下，工藝先進，設備簡化成本低，生產效率高適于規模化生產。

       同時，對長度1200，直徑Φ25的高溫熱管進行了均溫性定量性能測試，測試結果如圖3所示。熱點偶的布置從加熱底部往上計量點分別為：400mm，650mm，900mm，1180mm。圖內左側數值表示以“1000”為最大輸入功率時的相對份額。

       由于高溫熱管充裝性能較好，開始運行時未出現聲速極限、攜帶極限等缺陷，在較高的加熱密度下，16min后系統就從24℃室溫進入了持續穩定狀態；隨后，加熱功率提升到最大輸入功率份額的720/1000，冷凝段溫度提升到700℃左右，溫差仍維持在20℃左右，具有很高的溫度一致性。

       傳熱傳質研究中心繼承和發展了研究所在高溫熱管技術上優勢和特點，真正實現高溫熱管的產業化，有望將高溫熱管技術推向工業化。

       現代科技領域，無論是動力機械、化學工程、材料工業，還是石油工藝以及核能等新能源開發等，都不可避免地涉及到加熱、冷卻和能量傳遞的問題，尤其是較高溫度水平的能量傳遞問題。

       解決這些能量傳遞過程，必然要采用各種各樣的換熱裝置，但如何采用高效的換熱技術，以實現節能省材的經濟目標，卻是傳熱界科研人員的研究課題。

       高溫熱管熱管技術是實現高溫余熱利用的高效換熱技術之一，其特有的幾點傳熱特性能有效解決高溫換熱領域的諸多難點。

1. 高溫熱管技術徹底改變了兩種流體之間相互傳熱方式

       傳統的列管式換熱設備，殼程可以通過加設折流板創造出多次流體橫掠管壁的強化流動方式，而對于管程而言，管內流動卻存在：1)相同雷諾數情況下，對流換熱系數比管外橫掠流動低80%以上；2)內部傳熱面積得不到較大擴展等缺點，因而管內、管外傳熱過程不匹配，導致傳熱未得到強化。

       熱管技術徹底改變了傳統列管式換熱設備的傳熱缺陷，換熱設備中間隔板將高溫熱管單體分隔為一側高溫段，一側低溫段，實現兩種流體互不接觸，兩側流體都能實現流體與管壁的管外橫掠流動，兩側的對流換熱系數均得到強化，能量從高溫段向低溫段的傳遞得到大幅提高。

       對傳統列管式的管內外流動傳熱方式，高溫熱管技術的兩側橫掠傳熱方式進行理論計算，發現：當兩側流體的雷諾數大于6000時（對于換熱器內的流體而言，這個數值很容易達到），即使不考慮輻射傳熱對傳熱效果的增強，高溫熱管技術也具有高于傳統列管式換熱設備3倍以上的換熱能力。

       而且隨著熱管管外翅片擴展面積的強化換熱方式的應用，換熱器的幾何結構還能進一步得到改善。

2. 高溫熱管技術具有小溫差大熱流的傳熱特性

       高溫熱管由于其傳熱介質為液態金屬，具有較高的汽化潛熱（800K時，液態金屬Na的汽化潛熱達到4237kJ/kg），因而能實現高溫條件下，小溫差大熱流密度傳熱。高溫熱管在其正常工作時，從加熱面到冷卻面，整根熱管壁面溫差均很小，從而克服了傳熱管表面的“熱斑”現象，防止管子由于過熱引起的泄漏，最終導致整個換熱設備癱瘓等問題。

3. 高溫熱管技術有效克服了溫差應力

       在使用常規的高溫換熱設備時，管壁溫度沿著周向、軸向存在較大差異（溫差高達100～150K），由于材料的熱膨脹變形存在相互約束，變形不是自由的，從而形成溫差應力，出現管板破裂、橋體變形、列管彎曲等問題，導致高溫換熱設備的換熱管發生蠕變變形，降低高溫換熱設備的運行壽命。

       高溫熱管的絕熱段與中間隔板焊接，兩側的管子都能自由膨脹，消除了管子與管板之間焊口的應力，在很高溫度、傳遞很大熱流的情況下，高溫熱管的加熱段、絕熱段，以及冷卻段的溫差也很小，變形均勻，同時，加熱段，冷卻段無約束，真正避免了溫差應力。

4. 高溫熱管技術改善了換熱器的加工難度

       常規列管式高溫換熱設備的傳熱管，由于傳熱單元過程發生在徑向方向，而且在軸向方向也存在較大的溫差，因而傳熱管的壁面溫度不能隨意調整。高溫熱管技術在高溫換熱領域的應用，有所不同，可以調整加熱段、冷卻段的長度，實現單個高溫熱管傳熱量的改變，并維持壁面溫度在相對合理的范圍，保護高溫換熱設備的安全性。

       由于高溫熱管換熱設備的換熱管較長，并且沿長度方向與隔板在中間焊接，如采用全光管形式，則很難構成換熱設備；同時，在高溫含氧環境下，冷側全翅片擴展換熱面形式使得換熱管的外腐蝕加重，于是，熱側含翅片結構形式，冷側含氧光管結構形式的高溫熱管換熱設備可以改善高溫熱管作為換熱器單體時，焊接時的加工難度。

       在解決了高溫熱管高成本及性能的長期穩定性的情況下，高溫熱管技術在高溫換熱設備中的應用，可以使其工藝結構簡單，生產投資成本大幅降低。雖然高溫熱管在應用領域還很少見，也存在不少問題，但可以預見，高溫熱管換熱設備一旦在推廣應用中解決了目前存在的問題，將可能使高溫熱管技術的工業應用再次產生飛躍。

信息來源：中國科學院工程熱物理研究所 作者：袁達忠 | 來源：《工程熱物理縱橫》

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