高温热管

1970年，Deverall首次注意到高温热管内蒸汽流动类似于收缩-扩张喷管，因管内蒸汽压力低，,蒸汽流速很容易达到声速或超过声速。Kemme通过对一根高温钠热管的性能实验验证了Deverall的这种流动特性，并提出高温热管在起动过程中能遇到声速极限，并给出了声速极限的计算公式。

1973年，Busse又首先提出当高温热管在比声速极限区域更低的温度起动时能遇到粘性传热极限，粘性极限仅对于长热管和在起动时蒸汽压很低的液态金属热管具有实际意义。

Levy等也对管内蒸汽流动的声速传热极限进行大量的研究，并建立了4种模型：理想气体模型、两相共存模型、蒸汽反应模型和考虑分解复合反应动力学模型。

国外最早的高温热管被应用于空间技术上。1970年美国RCA首次用100根高温热管排成一个宽65 cm，高108 cm的方阵，制成了一种空间辐射器，这种热管辐射器可带走50 kW热量，能减轻因流星损伤而引起的载热体的泄漏。后来高温热管开始逐渐向其他领域不断渗透。

我国高温热管的应用研究始于1978年，中国科学院力学研究所首次成功地研制成功了外延炉等温热管，采用高温钠热管作为等温元件，用于半导体材料生产中的一种掺杂工艺，使这种管式炉的等温精度从原来的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等温性能获得了很好的改进，炉子的使用寿命也明显提高。

热管是一种利用封闭在管内的特定工质反复进行物理相变或化学反应来传递热量的一种导热性极好的传热器件。问世于世界第二次能源危机时（上世纪60年代），至今已有近半个世纪的历史，起初被广泛应用在宇航、军工等行业，随着技术的发展，而今广泛应用于石油、化工、机械、印染、工业等余热回收领域。

热管的种类、结构、工质、用途各有独特之处，故热管的分类方法很多，按温度可分为低温热管(-270～0℃)、常温热管(0～200℃)、中温热管 (200～600℃) 和高温热管 (600℃以上)。

高温热管以液态金属(钠、钾、铿等)为工作介质，具有良好的热稳定性和很低的饱和蒸汽压力，以不锈钢或其它耐热钢为管壳，能在1100℃以上高温烟气中工作。1963年美国的Los-Alamos科学实验室的Grove和他的同事们首次报道了高温热管成功工作。

1967年，Cotter首先对高温热管的起动问题进行了研究，提出高温热管的起动属于前端起动，即处于环境温度下蒸汽的密度很低，分子的平均自由程超过蒸汽腔的直径，在这种条件下的起动称为前端起动。Cotter在热管的轴向方向上建立了一维模型并建立了有效导热系数，但没有给出涉及到高温热管起动的精确分析关系，而且也没有将分析解答与实验数据相比较。

1970年，Sockol等对用锂作为工作介质的高温热管进行研究，观察到在输入足够高的热量且当陡峭的温度界面沿热管长度方向运动时，热管壁温升到某一中间值时就保持恒定。基于上述实验观察，Cotter模型得到了验证和修改。

Ivanovsikii等在分析了高温热管的起动现象后，总结出了3种特殊的起动方式：均匀起动、前端起动以及存在不凝性气体的前端起动，并基于温度分布提出了3种分子流动：自由分子流动、过渡分子流动与连续蒸汽流动。

近十几年来，高温热管的理论研究热点主要针对整个管内工质处于冻结状态下的起动问题，同时随着计算流体力学与计算传热学的发展，其分析方法也随之改变为采用数值模拟方法。

液态金属热管蒸发段内工质温度处于工质分子流动转变温度时，单纯由热管管壳轴向导热的热量能使冷凝段的温度达到工质的熔点，称此类热管为小型高温热管。小型高温热管具有良好的传热性能，当高温小热管倾斜45°放置时，传热性能最好。

根据小型高温热管的特性，在某些工业场合下，可以将其以翅片的形式扩展空间传热表面积来强化已有的高温换热设备的传热能力。小型高温热管可以用于高温辐射换热器、辐射管用换热器、自预热式烧嘴、高温沸腾床内取热器、急冷换热器、高效裂解炉管、氧化反应器及高温矿物(渣)料冷却等传热反应设备，并可取得极佳的效果。

本项目将高效传热工质熔盐与高温热管相结合，开拓一种以熔盐作为传热工质的新型高效传热元件-高温熔盐重力热管，具有高效传热、安全环保、成本低廉等优点。针对熔盐传热工质，研究提出高温热管用熔盐传热工质的优选机制；探索加热功率、倾角、熔盐关键热物性、蒸发段与冷凝段比、充液量等主要因素对高温熔盐重力热管的起动性能影响规律；研究加热功率、倾角、熔盐关键热物性等主要因素对高温熔盐重力热管传热性能如等温性能、传热极限、蒸发段与冷凝段传热系数和热阻等的影响规律，揭示高温熔盐重力热管的传热机理；主要采用数值模拟与理论分析的方法，研究高温熔盐重力热管内蒸发换热与凝结换热的换热机理。在此基础上，提出高温熔盐重力热管的优化设计方法。研究成果将为我国节能减排提供新技术，为我国传统能源和可再生能源的高效利用提供新的技术支撑。

中温热管简介

利用封闭在管内的特定工质反复进行物理相变或化学反应来传递热量的一种导热性极好的传热器件 。中温热管换热器内中温段热管一般选萘或N-甲基吡咯烷酮为其管内工质 。

中温热管分类

依工作温度范围的不同，热管可以分成深冷、低温、中温和高温等几种：

(1) 深冷热管： 工作温度范围为0～200K，工作介质可用纯化学元素物质，如氦、氩、氮、氧等，或化合物，如乙烷、氟利昂等。

(2) 低温热管： 工作温度范围为200～550K，工作介质可用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水及有机物。

(3) 中温热管： 工作温度范围为550～750K，工作介质有导热姆、萘、水银等。

(4) 高温热管： 工作温度在750K以上，工作介质为钾、钠、锂、铅、银等液态金属 。

中温热管热管寿命

影响热管寿命的因素很多，但主要是热管的不相容性。造成热管不相容的主要形式有以下三个方面:产生不凝性气体；工作液体性质恶化；管套材料的腐蚀、溶解。通过合理选择热管的管材、工作液体、吸液芯结构等可使热管长期有效地服役于其工作温度范围,从而提高其使用寿命 。

中温热管工作原理

由于热管是通过工作介质的相变吸热和放热来传递热量，并可在管中充少量惰性气体，通过压力变化以调节冷凝段的传热面积，因此热管具有以下特性；①高的传热能力；②高的等温性；③具有变换热流密度的能力；④具有恒温特性 (可控热管) 。

贴近管内 壁处装有由多孔材料构成的毛细结构，称为“吸液芯”，管中则充入少量液态工质(如水、普通制冷剂、液态金属钠、锂等)。当其一端受热而另一端被冷却时，液态工质便在蒸发段中蒸发，产生的蒸汽经绝热段流向另一端后，被冷凝成液体同时放出汽化潜热，而凝结液通常可借毛 细作用重新渗回加热端。如此循环不已，从而将热量不断地从加热端传至冷却端。热管两端都发生物质的相变，相应的对流换热热阻均甚小，故在同样大小温度差下所传递 的热量可比相同尺寸的铜棒大数十 至数千倍。热管不仅构造简单、重 量轻、无噪音、可变换热流密度、充入适量惰性气体后可自动控制温度，而且管内不同截面上的温度相差不大，有良好的等温性，因而具有多方面的用途 。

中温热管研究历史

热管原理最早由美国人R.S.高格勒 (RichardSlechrist Gaugler) 于1942年提出。1964年美国科学家G.M.格罗弗 (George Maurice Grover)等独立地提出并制造了类似的元件，取名为“热管”，并首先用于航天飞行器。70年代为了将热管技术用于地面工业，发展了不用毛细多孔材料而利用重力使液体从冷凝端流回蒸发端，从而简化了结构，降低了成本。热管中的毛细多孔材料除去，将蒸发段置于冷凝段的下方即成重力热管或称闭式两相热虹吸管 。热管的概念是本世纪40年代提出的，60年代初制成了第1个实用热管。由于它显示出极高的导热特性引起了普遍地重视，热管问世不久便在电子、宇航等领域被用来冷却电子元件、电机转子等发热元器件，并在回收余热、预热空气、贮存能量和给水等节能领域得到广泛应用。目前，热管的理论日臻完善；它在许多方面的实际应用表明，热管技术是很有发展前途的 。

我国70年代初开始制造热管，并收到了较好的节能效果。随着科学技术的不断发展，这种高效传热的设备、器件必定在许多工艺过程中得到更广泛的应用 。

气控热管内工质为高纯钠。为了满足高温要求以及与工质相容性原则，并保证热管的强度、刚度和抗腐蚀性，筒体材料采用耐高温不锈钢。为了保证热管的性能，筒体内壁及温度计阱均覆盖不锈钢丝网。热管上部外侧伸出的支管与气路连接，支管上部外表面安装冷却水套。热管加热炉分上下两段，采用镍铬炉丝绕制 。上下炉分别用岛电SR23和FP23温控模块控制，控温精度为0.1℃。