高溫熱管聲速極限

1970年，Deverall首次注意到高溫熱管內(nèi)蒸汽流動類似于收縮-擴張噴管，因管內(nèi)蒸汽壓力低，,蒸汽流速很容易達到聲速或超過聲速。Kemme通過對一根高溫鈉熱管的性能實驗驗證了Deverall的這種流動特性，并提出高溫熱管在起動過程中能遇到聲速極限，并給出了聲速極限的計算公式。

1973年，Busse又首先提出當高溫熱管在比聲速極限區(qū)域更低的溫度起動時能遇到粘性傳熱極限，粘性極限僅對于長熱管和在起動時蒸汽壓很低的液態(tài)金屬熱管具有實際意義。

Levy等也對管內(nèi)蒸汽流動的聲速傳熱極限進行大量的研究，并建立了4種模型：理想氣體模型、兩相共存模型、蒸汽反應模型和考慮分解復合反應動力學模型。

1967年，Cotter首先對高溫熱管的起動問題進行了研究，提出高溫熱管的起動屬于前端起動，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稱為前端起動。Cotter在熱管的軸向方向上建立了一維模型并建立了有效導熱系數(shù)，但沒有給出涉及到高溫熱管起動的精確分析關(guān)系，而且也沒有將分析解答與實驗數(shù)據(jù)相比較。

1970年，Sockol等對用鋰作為工作介質(zhì)的高溫熱管進行研究，觀察到在輸入足夠高的熱量且當陡峭的溫度界面沿熱管長度方向運動時，熱管壁溫升到某一中間值時就保持恒定?；谏鲜鰧嶒炗^察，Cotter模型得到了驗證和修改。

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

近十幾年來，高溫熱管的理論研究熱點主要針對整個管內(nèi)工質(zhì)處于凍結(jié)狀態(tài)下的起動問題，同時隨著計算流體力學與計算傳熱學的發(fā)展，其分析方法也隨之改變?yōu)椴捎脭?shù)值模擬方法。

熱管是一種利用封閉在管內(nèi)的特定工質(zhì)反復進行物理相變或化學反應來傳遞熱量的一種導熱性極好的傳熱器件。問世于世界第二次能源危機時（上世紀60年代），至今已有近半個世紀的歷史，起初被廣泛應用在宇航、軍工等行業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展，而今廣泛應用于石油、化工、機械、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)、用途各有獨特之處，故熱管的分類方法很多，按溫度可分為低溫熱管(-270～0℃)、常溫熱管(0～200℃)、中溫熱管 (200～600℃) 和高溫熱管 (600℃以上)。

高溫熱管以液態(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℃以上高溫煙氣中工作。1963年美國的Los-Alamos科學實驗室的Grove和他的同事們首次報道了高溫熱管成功工作。

國外最早的高溫熱管被應用于空間技術(shù)上。1970年美國RCA首次用100根高溫熱管排成一個寬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。后來高溫熱管開始逐漸向其他領(lǐng)域不斷滲透。

我國高溫熱管的應用研究始于1978年，中國科學院力學研究所首次成功地研制成功了外延爐等溫熱管，采用高溫鈉熱管作為等溫元件，用于半導體材料生產(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，爐子的使用壽命也明顯提高。

液態(tài)金屬熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)溫度處于工質(zhì)分子流動轉(zhuǎn)變溫度時，單純由熱管管殼軸向?qū)岬臒崃磕苁估淠蔚臏囟冗_到工質(zhì)的熔點，稱此類熱管為小型高溫熱管。小型高溫熱管具有良好的傳熱性能，當高溫小熱管傾斜45°放置時，傳熱性能最好。

根據(jù)小型高溫熱管的特性，在某些工業(yè)場合下，可以將其以翅片的形式擴展空間傳熱表面積來強化已有的高溫換熱設備的傳熱能力。小型高溫熱管可以用于高溫輻射換熱器、輻射管用換熱器、自預熱式燒嘴、高溫沸騰床內(nèi)取熱器、急冷換熱器、高效裂解爐管、氧化反應器及高溫礦物(渣)料冷卻等傳熱反應設備，并可取得極佳的效果。

本項目將高效傳熱工質(zhì)熔鹽與高溫熱管相結(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。針對熔鹽傳熱工質(zhì)，研究提出高溫熱管用熔鹽傳熱工質(zhì)的優(yōu)選機制；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高溫熔鹽重力熱管的起動性能影響規(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)換熱的換熱機理。在此基礎上，提出高溫熔鹽重力熱管的優(yōu)化設計方法。研究成果將為我國節(jié)能減排提供新技術(shù)，為我國傳統(tǒng)能源和可再生能源的高效利用提供新的技術(shù)支撐。

中溫熱管簡介

利用封閉在管內(nèi)的特定工質(zhì)反復進行物理相變或化學反應來傳遞熱量的一種導熱性極好的傳熱器件 。中溫熱管換熱器內(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) 。

中溫熱管分類

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) 低溫熱管： 工作溫度范圍為200～550K，工作介質(zhì)可用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水及有機物。

(3) 中溫熱管： 工作溫度范圍為550～750K，工作介質(zhì)有導熱姆、萘、水銀等。

(4) 高溫熱管： 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 。

中溫熱管熱管壽命

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 。

中溫熱管工作原理

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 (可控熱管) 。

貼近管內(nèi) 壁處裝有由多孔材料構(gòu)成的毛細結(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)。當其一端受熱而另一端被冷卻時，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，被冷凝成液體同時放出汽化潛熱，而凝結(jié)液通?？山杳?細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，相應的對流換熱熱阻均甚小，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 。

中溫熱管研究歷史

熱管原理最早由美國人R.S.高格勒 (RichardSlechrist Gaugler) 于1942年提出。1964年美國科學家G.M.格羅弗 (George Maurice Grover)等獨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，從而簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。熱管中的毛細多孔材料除去，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40年代提出的，60年代初制成了第1個實用熱管。由于它顯示出極高的導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、電機轉(zhuǎn)子等發(fā)熱元器件，并在回收余熱、預熱空氣、貯存能量和給水等節(jié)能領(lǐng)域得到廣泛應用。目前，熱管的理論日臻完善；它在許多方面的實際應用表明，熱管技術(shù)是很有發(fā)展前途的 。

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

氣控熱管內(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℃。