高溫?zé)峁?/h1>

1970年，Deverall首次注意到高溫?zé)峁軆?nèi)蒸汽流動(dòng)類似于收縮-擴(kuò)張噴管，因管內(nèi)蒸汽壓力低，,蒸汽流速很容易達(dá)到聲速或超過聲速。Kemme通過對(duì)一根高溫鈉熱管的性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Deverall的這種流動(dòng)特性，并提出高溫?zé)峁茉谄饎?dòng)過程中能遇到聲速極限，并給出了聲速極限的計(jì)算公式。

1973年，Busse又首先提出當(dāng)高溫?zé)峁茉诒嚷曀贅O限區(qū)域更低的溫度起動(dòng)時(shí)能遇到粘性傳熱極限，粘性極限僅對(duì)于長(zhǎng)熱管和在起動(dòng)時(shí)蒸汽壓很低的液態(tài)金屬熱管具有實(shí)際意義。

Levy等也對(duì)管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的聲速傳熱極限進(jìn)行大量的研究，并建立了4種模型：理想氣體模型、兩相共存模型、蒸汽反應(yīng)模型和考慮分解復(fù)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

國(guó)外最早的高溫?zé)峁鼙粦?yīng)用于空間技術(shù)上。1970年美國(guó)RCA首次用100根高溫?zé)峁芘懦梢粋€(gè)寬65 cm，高108 cm的方陣，制成了一種空間輻射器，這種熱管輻射器可帶走50 kW熱量，能減輕因流星損傷而引起的載熱體的泄漏。后來高溫?zé)峁荛_始逐漸向其他領(lǐng)域不斷滲透。

我國(guó)高溫?zé)峁艿膽?yīng)用研究始于1978年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所首次成功地研制成功了外延爐等溫?zé)峁?，采用高溫鈉熱管作為等溫元件，用于半導(dǎo)體材料生產(chǎn)中的一種摻雜工藝，使這種管式爐的等溫精度從原來的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等溫性能獲得了很好的改進(jìn)，爐子的使用壽命也明顯提高。

熱管是一種利用封閉在管內(nèi)的特定工質(zhì)反復(fù)進(jìn)行物理相變或化學(xué)反應(yīng)來傳遞熱量的一種導(dǎo)熱性極好的傳熱器件。問世于世界第二次能源危機(jī)時(shí)（上世紀(jì)60年代），至今已有近半個(gè)世紀(jì)的歷史，起初被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展，而今廣泛應(yīng)用于石油、化工、機(jī)械、印染、工業(yè)等余熱回收領(lǐng)域。

熱管的種類、結(jié)構(gòu)、工質(zhì)、用途各有獨(dú)特之處，故熱管的分類方法很多，按溫度可分為低溫?zé)峁?-270～0℃)、常溫?zé)峁?0～200℃)、中溫?zé)峁?(200～600℃) 和高溫?zé)峁?(600℃以上)。

高溫?zé)峁芤砸簯B(tài)金屬(鈉、鉀、鏗等)為工作介質(zhì)，具有良好的熱穩(wěn)定性和很低的飽和蒸汽壓力，以不銹鋼或其它耐熱鋼為管殼，能在1100℃以上高溫?zé)煔庵泄ぷ鳌?963年美國(guó)的Los-Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Grove和他的同事們首次報(bào)道了高溫?zé)峁艹晒ぷ鳌?

1967年，Cotter首先對(duì)高溫?zé)峁艿钠饎?dòng)問題進(jìn)行了研究，提出高溫?zé)峁艿钠饎?dòng)屬于前端起動(dòng)，即處于環(huán)境溫度下蒸汽的密度很低，分子的平均自由程超過蒸汽腔的直徑，在這種條件下的起動(dòng)稱為前端起動(dòng)。Cotter在熱管的軸向方向上建立了一維模型并建立了有效導(dǎo)熱系數(shù)，但沒有給出涉及到高溫?zé)峁芷饎?dòng)的精確分析關(guān)系，而且也沒有將分析解答與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。

1970年，Sockol等對(duì)用鋰作為工作介質(zhì)的高溫?zé)峁苓M(jìn)行研究，觀察到在輸入足夠高的熱量且當(dāng)陡峭的溫度界面沿?zé)峁荛L(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱管壁溫升到某一中間值時(shí)就保持恒定?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)觀察，Cotter模型得到了驗(yàn)證和修改。

Ivanovsikii等在分析了高溫?zé)峁艿钠饎?dòng)現(xiàn)象后，總結(jié)出了3種特殊的起動(dòng)方式：均勻起動(dòng)、前端起動(dòng)以及存在不凝性氣體的前端起動(dòng)，并基于溫度分布提出了3種分子流動(dòng)：自由分子流動(dòng)、過渡分子流動(dòng)與連續(xù)蒸汽流動(dòng)。

近十幾年來，高溫?zé)峁艿睦碚撗芯繜狳c(diǎn)主要針對(duì)整個(gè)管內(nèi)工質(zhì)處于凍結(jié)狀態(tài)下的起動(dòng)問題，同時(shí)隨著計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算傳熱學(xué)的發(fā)展，其分析方法也隨之改變?yōu)椴捎脭?shù)值模擬方法。

液態(tài)金屬熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)溫度處于工質(zhì)分子流動(dòng)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，單純由熱管管殼軸向?qū)岬臒崃磕苁估淠蔚臏囟冗_(dá)到工質(zhì)的熔點(diǎn)，稱此類熱管為小型高溫?zé)峁?。小型高溫?zé)峁芫哂辛己玫膫鳠嵝阅?，?dāng)高溫小熱管傾斜45°放置時(shí)，傳熱性能最好。

根據(jù)小型高溫?zé)峁艿奶匦?，在某些工業(yè)場(chǎng)合下，可以將其以翅片的形式擴(kuò)展空間傳熱表面積來強(qiáng)化已有的高溫?fù)Q熱設(shè)備的傳熱能力。小型高溫?zé)峁芸梢杂糜诟邷剌椛鋼Q熱器、輻射管用換熱器、自預(yù)熱式燒嘴、高溫沸騰床內(nèi)取熱器、急冷換熱器、高效裂解爐管、氧化反應(yīng)器及高溫礦物(渣)料冷卻等傳熱反應(yīng)設(shè)備，并可取得極佳的效果。

本項(xiàng)目將高效傳熱工質(zhì)熔鹽與高溫?zé)峁芟嘟Y(jié)合，開拓一種以熔鹽作為傳熱工質(zhì)的新型高效傳熱元件-高溫熔鹽重力熱管，具有高效傳熱、安全環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)熔鹽傳熱工質(zhì)，研究提出高溫?zé)峁苡萌埯}傳熱工質(zhì)的優(yōu)選機(jī)制；探索加熱功率、傾角、熔鹽關(guān)鍵熱物性、蒸發(fā)段與冷凝段比、充液量等主要因素對(duì)高溫熔鹽重力熱管的起動(dòng)性能影響規(guī)律；研究加熱功率、傾角、熔鹽關(guān)鍵熱物性等主要因素對(duì)高溫熔鹽重力熱管傳熱性能如等溫性能、傳熱極限、蒸發(fā)段與冷凝段傳熱系數(shù)和熱阻等的影響規(guī)律，揭示高溫熔鹽重力熱管的傳熱機(jī)理；主要采用數(shù)值模擬與理論分析的方法，研究高溫熔鹽重力熱管內(nèi)蒸發(fā)換熱與凝結(jié)換熱的換熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出高溫熔鹽重力熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究成果將為我國(guó)節(jié)能減排提供新技術(shù)，為我國(guó)傳統(tǒng)能源和可再生能源的高效利用提供新的技術(shù)支撐。

中溫?zé)峁芎?jiǎn)介

利用封閉在管內(nèi)的特定工質(zhì)反復(fù)進(jìn)行物理相變或化學(xué)反應(yīng)來傳遞熱量的一種導(dǎo)熱性極好的傳熱器件 。中溫?zé)峁軗Q熱器內(nèi)中溫段熱管一般選萘或N-甲基吡咯烷酮為其管內(nèi)工質(zhì) 。

中溫?zé)峁芊诸?/h3>

依工作溫度范圍的不同，熱管可以分成深冷、低溫、中溫和高溫等幾種：

(1) 深冷熱管： 工作溫度范圍為0～200K，工作介質(zhì)可用純化學(xué)元素物質(zhì)，如氦、氬、氮、氧等，或化合物，如乙烷、氟利昂等。

(2) 低溫?zé)峁埽?工作溫度范圍為200～550K，工作介質(zhì)可用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水及有機(jī)物。

(3) 中溫?zé)峁埽?工作溫度范圍為550～750K，工作介質(zhì)有導(dǎo)熱姆、萘、水銀等。

(4) 高溫?zé)峁埽?工作溫度在750K以上，工作介質(zhì)為鉀、鈉、鋰、鉛、銀等液態(tài)金屬 。

中溫?zé)峁軣峁軌勖?/h3>

影響熱管壽命的因素很多，但主要是熱管的不相容性。造成熱管不相容的主要形式有以下三個(gè)方面:產(chǎn)生不凝性氣體；工作液體性質(zhì)惡化；管套材料的腐蝕、溶解。通過合理選擇熱管的管材、工作液體、吸液芯結(jié)構(gòu)等可使熱管長(zhǎng)期有效地服役于其工作溫度范圍,從而提高其使用壽命 。

中溫?zé)峁芄ぷ髟?/h3>

由于熱管是通過工作介質(zhì)的相變吸熱和放熱來傳遞熱量，并可在管中充少量惰性氣體，通過壓力變化以調(diào)節(jié)冷凝段的傳熱面積，因此熱管具有以下特性；①高的傳熱能力；②高的等溫性；③具有變換熱流密度的能力；④具有恒溫特性 (可控?zé)峁? 。

貼近管內(nèi) 壁處裝有由多孔材料構(gòu)成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，稱為“吸液芯”，管中則充入少量液態(tài)工質(zhì)(如水、普通制冷劑、液態(tài)金屬鈉、鋰等)。當(dāng)其一端受熱而另一端被冷卻時(shí)，液態(tài)工質(zhì)便在蒸發(fā)段中蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)絕熱段流向另一端后，被冷凝成液體同時(shí)放出汽化潛熱，而凝結(jié)液通?？山杳?細(xì)作用重新滲回加熱端。如此循環(huán)不已，從而將熱量不斷地從加熱端傳至冷卻端。熱管兩端都發(fā)生物質(zhì)的相變，相應(yīng)的對(duì)流換熱熱阻均甚小，故在同樣大小溫度差下所傳遞 的熱量可比相同尺寸的銅棒大數(shù)十 至數(shù)千倍。熱管不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單、重 量輕、無噪音、可變換熱流密度、充入適量惰性氣體后可自動(dòng)控制溫度，而且管內(nèi)不同截面上的溫度相差不大，有良好的等溫性，因而具有多方面的用途 。

中溫?zé)峁苎芯繗v史

熱管原理最早由美國(guó)人R.S.高格勒 (RichardSlechrist Gaugler) 于1942年提出。1964年美國(guó)科學(xué)家G.M.格羅弗 (George Maurice Grover)等獨(dú)立地提出并制造了類似的元件，取名為“熱管”，并首先用于航天飛行器。70年代為了將熱管技術(shù)用于地面工業(yè)，發(fā)展了不用毛細(xì)多孔材料而利用重力使液體從冷凝端流回蒸發(fā)端，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。熱管中的毛細(xì)多孔材料除去，將蒸發(fā)段置于冷凝段的下方即成重力熱管或稱閉式兩相熱虹吸管 。熱管的概念是本世紀(jì)40年代提出的，60年代初制成了第1個(gè)實(shí)用熱管。由于它顯示出極高的導(dǎo)熱特性引起了普遍地重視，熱管問世不久便在電子、宇航等領(lǐng)域被用來冷卻電子元件、電機(jī)轉(zhuǎn)子等發(fā)熱元器件，并在回收余熱、預(yù)熱空氣、貯存能量和給水等節(jié)能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，熱管的理論日臻完善；它在許多方面的實(shí)際應(yīng)用表明，熱管技術(shù)是很有發(fā)展前途的 。

我國(guó)70年代初開始制造熱管，并收到了較好的節(jié)能效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這種高效傳熱的設(shè)備、器件必定在許多工藝過程中得到更廣泛的應(yīng)用 。

氣控?zé)峁軆?nèi)工質(zhì)為高純鈉。為了滿足高溫要求以及與工質(zhì)相容性原則，并保證熱管的強(qiáng)度、剛度和抗腐蝕性，筒體材料采用耐高溫不銹鋼。為了保證熱管的性能，筒體內(nèi)壁及溫度計(jì)阱均覆蓋不銹鋼絲網(wǎng)。熱管上部外側(cè)伸出的支管與氣路連接，支管上部外表面安裝冷卻水套。熱管加熱爐分上下兩段，采用鎳鉻爐絲繞制 。上下爐分別用島電SR23和FP23溫控模塊控制，控溫精度為0.1℃。