热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用 1 热管技术发展 及其在工业和生活余热回收中的应用

0.概述 热管是一种新型高效的传热元件。热管技术近年来在工程中的应用日益普及，不仅在余热回收、节能方面取得了显著效果，而且在传统的传热传质设备更新及电子元器件冷却等方面显示出了强大的生命力。 余能是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。热管作为高效传热技术之一，在节能降耗、余热回收中发挥了重要作用。 本文在对热管的发展及其原理进行简要阐述后，将就热管技术在工业和生活余热回收中的应用进行深一步的讨论。

1.热管技术概述 1.1热管技术的产生及发展 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler于1944年发表的专利中提出的[1]。由于没有实践效果的支持，以及当时处于战争历史背景下，这个设计并没有被通用发动机公司所采纳应用。 到六十年代初，随着航天事业的发展，向传热传质学提出了新的要求，热管又应时而生。1964年，美国Los Alamos科学实验室的G.M.Grover等人重新独立发明了类似于Gaugler所提出的传热装置，并进行了性能测试实验，正式将此传热元件命名为“Heat Pipe”。热管技术从此开始得到快速发展。 1965年，Cotter首次提出了较完整的热管理论[2]，为以后的热管理论的研究工作奠定了基础。 1967年，一根不锈钢-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功[3]。 1984年，Cotter较完整的题材出了微型热管的理论及展望[4]，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。 七十年代初我国一些高等院校和研究机构开始对热管技术进行探索和研究。至八十年代，我国的热管技术工业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分活跃。 2006年，我国将该技术[5]成功应用于青藏铁路冻土路基的加固并取得了良好的效果。 随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓展。 热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用 2 1.2热管技术的传热方式和机理[6] 热管的基本工作原理和结构如图1-1所示。 典型的热管由管壳、吸液芯、和端盖组成。将管内抽成高真空后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸热芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段，也称作加热段，另一端为冷凝段，也称作冷却段，根据应用需要在两端中间可布置绝热段。当热管的一段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： ①热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面； ②液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发； ③蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； ④蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结； ⑤热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； ⑥在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。 因此，如果工质不能回流，将会引起蒸发段烧干，热管即停止工作。 管壳形状一般为圆形，但也不一定必须是圆管，其断面可为任意形状。充入的工质用单一介质，液体靠毛细力回流，称此为标准热管。但是，热管这个词也可用于液体回流不靠毛细力，而利用其他力（例如重力、离心力等）的结构。

1.3热管自身的基本优点 热管式依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，它具有以下特性： 1.3.1很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。但是其高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限。 1.3.2优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，因而热管具有优良的等温性。 1.3.3热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段和冷凝段的加热面积，这样就可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

蒸汽 液体 图1 -1 热管工作原理示意图 热管管壳 吸液芯

蒸发段 绝热段 冷凝段 热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用

3 1.3.4热流方向的可逆性 水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此其任意一端受热就可以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。 1.3.5热二极管与热开关性能 热管可以做成二极管或热开关，实现传热的有向性和传热过程随温度的可控性。 1.3.6恒温特性（可控热管） 在输入热量大幅度变化的情况下，热管内蒸汽温度变化极小，实现温度的控制。 1.3.7极强的环境适应性 热管的形状可随热源冷源的条件而改变，并且他既可以用于地面（重力场），也可以用于空间（无重力场）。 1.4热管技术特性 根据热管的工作原理和基本特性，热管技术具有以下特性。 1.4.1温度展平 就是利用热管本身的等温性，把一个温度不均匀的温度场展平成为一个均匀的温度场。均温技术在航天飞行器及电子设备仪器仪表板方面都有重要的应用。 1.4.2汇源分离 就是指利用热管将热源和热汇（冷源）分隔在两个场所进行热交换，使得源、汇两种流体不再有互混的可能。 1.4.3变换热流密度 即通过改变热管的加热面积和冷却面积，使单位面积加热和冷却传热面积上的热流量发生改变。 1.4.4热控制（可变导热管） 可变导热管为热阻可以改变的热管，可用来控制温度，使得热管的工作温度保持基本不变。在工程上可变导热管技术可以用来控制热源或热汇的温度。 1.4.5单向导热（热二极管）利用重力热管的传热原理，可将热管看作为单向导热元件。热二极管原理在太阳能及冻土永冻工程中有很重要的应用。 1.4.6旋转元件的传热（旋转热管）旋转热管是在回转运动中传热的元件，其原理是热管内部液体依靠转动中的离心力从冷凝段向蒸发段回流，或是靠液体位差产生的重力。旋转热管在工程中可用作高速回转轴件的传热元件。 1.4.7微型热管技术 微型热管的毛细力是由蒸汽通道周边的液缝的弯月面提供的。微型热管在半导体芯片、集成电路板、笔记本电脑CPU的散热方面有很重要的应用。 1.4.8高温热管技术 高温热管的工作液体是液态金属，其特点是饱和蒸汽压力很低，所以在高温条件下工作的热管只承受高温而不承受管内高压。高温热管技术在核工程、太阳能电站等方面有着重要的用途。

2.热管技术的应用 热管本身不会发热、冷却或者蓄热，也不能像热泵那样，将低温热量变为高温热量。但是，根据前述的工作原理，热管是利用管内工质的相变进行传热的。热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用 4 和普通金属传热元件相比较，其传热特性高出几个数量级。从它的工作原理可以得知，热管从凝固点到临界温度，在能够产生相变传热的很大温度范围内均可使用。 从宇航事业到厨房设备，热管在加热、恒温、冷却、均热、热交换及热控制等方面，其应用范围十分广泛。图2-1所示概括了热管在当前的应用情况[7]。

图2-1 热管的各种用途树状示意图 余能是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。其中最主要的是余热。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。下面将就热管在余热回收领域的利用作简要阐述。 2.1热管技术在工业余热回收中的利用 热管及热管换热器近年来在石油化工中的应用已愈来愈受到人们的重视。它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一端破坏不会引起两种换热流体互混等优点。不仅提高了设备的热效率而其可靠性也大为增加，减少了停车次数。这些特点使得热管换热器在余热回收利用方面具有广阔的前景，然而作为热管本身的其他方面的特点如均温性、热流密度可变性、可变导性、可异性化等特点更加引人注意。早在70年代，国外一些研究者就已经开始注意到热管的这些特点

高温区 中温区

常温区 低温区 超低温区 热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用

5 可以在化学反应设备和原子反应堆工程中发挥重要作用，并设计出一系列的热管式反应器，这些设计的特点是：利用热管的等温性均化床层温度得到较高的转化率和收率，利用热管的可变热导特性控制反应床温度不使超温或过冷，利用热管的源汇分隔特性提高设备使用的可靠性，利用热管热流体密度可调的特点改善和强化反应设备的传热条件。应当指出的是，热管化学反应器的开发研究远比热管换热器的研究困难的多，因为涉及原料的组成、催化剂活性、停留时间等一系列因素，这就使得开发速度进展缓慢。但由于这种开发前景诱人，广大研究者始终埋头于这方面的研究并取得了良好的进展。 2.1.1石油化工中加热炉余热回收 石油化工生产中的各种类型加热炉面广量大，提高这些加热炉的热效率意义重大。回收加热炉排烟余热，用以加热加热炉的助燃空气，是提高加热炉加热效率的重要手段。加热炉的排烟温度一般在260℃～350℃左右。如将烟气温度降低到160℃，则可将助燃空气从常温提高到120℃以上，加热炉的效率可以提高6%～10%。热管换热器体积紧凑、压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀，因此特别适合于加热炉的余热回收。早在二十世纪七十年代我国就有研究人员开始进行了用热管回收炼油厂加热炉余热工作的研究开发。 1980年我国第一台小型工业试验气-气热管换热器在南京某厂加热炉的烟气余热回收试验中试运转成功。该热管换热器的试运转成功，为大型工业运行奠定了基础。 目前我国石油化工的大型加热炉烟气余热回收绝大部分都采用了热管换热器，并取得了很好的效果。值得注意的是，近年来许多加热炉的燃料改用重油或渣油，由于油品的含硫量不一，对热管换热器的设计带来了困难。此外，不同地区的气候条件也是设计中应该注意的问题。目前工业上加热炉烟气余热回收使用的热管空气预热器主要有两种布置方式：一种是将热管换热器置于加热炉顶称为置顶式，其优点是只用一台空气鼓风机，烟气凭烟囱抽力通过热管换热器，可以省去一台引风机。缺点是热管换热器的阻力必须设计在烟囱抽力允许的范围以内。另一方面热管换热器放置在炉顶增加了炉体支架的荷载。这两点限制了热管换热器的管排数和重量，可能影响回收的热量。另一种形式是将热管换热器布置在地面上成为落地式。这种设计方式的优点是热管换热器的体积、重量、烟气侧的阻力限制都不十分严格。地面的维修也方便。缺点是需要增加一台引风机，增加了动力消耗。此外，其管线也比置顶式复杂一些。从换热效果来看，落地式布置有利于充分回收热量，但是主要取决于现成改造的条件。将置顶式安放类型的一例热管换热器在相同原始参数条件下改为落地式，由于增加了引风机，因此可使烟气流速大大提高，这不仅提高了烟气侧传热系数，而且对消除热管束的积灰有利。实践证明引风机的电耗在整个效益的平衡中所占份额是非常有限的。