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热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用
作者:管理员    发布于:2021-07-28 15:50:45   

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。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“HeatPipe”。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,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。1984年,Cotter较完整的提出了微型热管的理论及展望,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。

1.2热管技术的传热方式和机理

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。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,并且它既可以用于地面(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源的温度。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。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。

 

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。

下面举出一个在石油化工生产中使用热管技术节能的典型实例如下。

某厂针对某石化企业的原蒸馏常减压炉空气预热器系统存在设备老化、泄露点多、检修困难、热效率低等问题,特别是目前加工进口高含硫原油需要进行配套改造,采用了分离式热管油-气换热器。其结构布置如图2-2所示。

不同管线、不同温度和压力的常二线、常三线油分别流经分离式热管换热器的加热段,其加热段结构形式类似于固定管板式换热器热流体油走壳程,管程为热管工质,分离式热管换热器的冷凝段为翅片管束换热器,需要加热的空气流经管外,管内通过上升管与下降管与下部换热器的管程相连,形成工质循环回路。当管内具有一定真空度后,在位差的作用下,热管内部的工质不断吸收热流体油所放出的热量,通过蒸发至冷凝段冷凝,源源不断的把热量传至冷凝段加热翅片管外的空气。其最大的特点是加热段与冷凝段可以相互独立。这样在运行过程中,即使某一单元发生意外泄漏,也只是这一小单元作为热管传热失效,不影响其他单元的换热,一般情况下也无需停车检修。以往大部分的分离式热管换热器都是采用一种热流体同时加热两种或两种以上的冷流体,冷、热流体间多为气-气换热形式,然而,将两种或两种以上的不同热流体(液体)来加热冷流体(气体),目前尚不多见。迄今为止该装置已连续运转十余年,目前仍在运行中。

近年来,随着对能源利用率的要求不断提高,要求加热炉的排烟温度进一步降低,将以往设定的160℃排烟温度降低到120℃,加热炉的热效率可提高到90%以上。

利用常规热管换热器将排烟温度降低到160℃,是比较容易实现的,但要求将排烟温度再由160℃降低到120℃以下,回首这部分热量的主要问题在于解决设备和热管的露点腐蚀问题。对于热管换热器的壳体防腐可以采用内衬耐酸浇注防护;对于热管要合理的回收热量,显然,基管采用耐酸合金钢是不经济的,既要保证热管传热性能又要经济合理的回收热量,由此,开发出了耐腐蚀搪瓷热管,搪瓷热管是在普通碳钢(翅片管)外涂一层耐酸搪瓷。由于搪瓷层很薄,一般厚度为0.2mm,且与碳钢结合紧密,对传热效果影响很小,与碳钢管相比,相对降低约6%~10%;且搪瓷表面光滑,不易结垢和积灰,又耐磨损、抗腐蚀;投资费用较选用耐酸不锈钢有明显的降低。

搪瓷热管作为抗腐蚀传热元件以其防腐和价格优势可用于许多领域,特别对抗硫酸露点腐蚀有很大的优越性。在碳钢上涂敷烧镀搪瓷制造热管其制造成本较不锈钢低,抗腐蚀性能比不锈钢高得多,特别是在缠绕翅片的碳钢管上成功烧镀搪瓷,为热管在低温腐蚀性环境中的热量回收提供了有利的保障。

2.1.2盐酸工业中盐酸合成炉余热回收

盐酸合成炉是用作氯气和氢气混合燃烧反应的设备,氯气和氢气经过适当的配比在炉内燃烧反应得到HCl气体。燃烧的温度可达1000℃以上,高温HCl气体有强烈的腐蚀性。工业实践表明,高温HCl气体对设备的腐蚀主要来自游离氯,游离氯越多,腐蚀性越强。试验表明,干燥氯气240℃时,对碳钢的腐蚀速度为零。当达到285℃时,对碳钢的腐蚀速度陡增至10195g/(m3•h),理论上如果使HCl中游离氯含量为零,并保持设备表面温度为240℃,则既可回收热量,又可延长设备使用寿命,但实际上工业操作条件经常受到各种外界影响,不可能绝对保证这种最佳条件。然而热管组成的设备却可相当程度地接近这种条件。图2-3示出一种热管盐酸合成炉的设计方案。

该设备外壳为直筒形,避免火焰对锥体的冲刷及高温腐蚀,根据国内操作经验认为这种炉型是最好的炉型。在直管的内壁布有40根独立的热管,每根热管上有180°轴向翅片两片,热管及翅片表面均镀有搪瓷以防氯气腐蚀。热管和翅片构成了一个受热管筒,它接受来自燃烧气体的辐射热,将热量通过热管的蒸发段传至上部汽化器内热管的冷凝段。由汽包来的饱和水进入汽化室接受热管冷凝段放出的热量产生蒸汽。氯气和氢气分别由炉底两侧进入炉体。燃烧后的炉气自炉体上方侧面去吸收塔。炉体的顶部为防爆膜片。其特点是:

①利用热管内部工作液体蒸汽温度的可控性,通过设计调整尽可能接近240℃;②每根热管是独立的,个别热管损坏不影响设备运行,可在大修中更换。

2.1.3合成氨工业中上、下行煤气的余热回收

合成氨是一项基础化学工业,在化学工业中占有很重要的地位。合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程。合理的利用和控制合成氨生产过程中放出的热量,不仅可以节约生产中的能源消耗,降低生产成本,而且可以提高CO变换率及氨的合成率,前者属于余热利用,而后者属于化学反应的热控制,热管技术在这两方面都存在很大的开发潜力。

根据我国工业发展的特殊情况,我国的合成氨工业从生产规模上可分为小合成氨、中合成氨和大合成氨生产。生产的原料路线有煤、油及天然气。由于原料路线不同因而生产工艺路线及采用的设备也不尽相同。针对不同工艺路线设计的特点,热管技术在合成氨工业生产中有以下几种应用类型。

①回收低温余热预热助燃空气,或生产低压蒸汽作为生产原料;②回收高温余热生产中压蒸汽作为原料蒸汽的补充,或生产高压蒸汽作为生产的动力源;③控制固定床催化反应器的化学反应温度,使其向最佳反应温度曲线无限逼近,从而提高CO变换反应器的CO变换率及合成氨塔内氨的合成率。

以上三种类型在不同的生产规模及不同的原料工艺路线中应用的方式及设计思路均不同,必须针对不同的实际条件采用不同的结构设计才能收到良好的效果。

上、下行煤气是指以煤或煤球为原料的生产路线中煤造气炉所产生的上吹半水煤气及下吹半水煤气。由于生产原料不同,上、下行煤气气体中所含尘粒及温度也不相同。

2.1.3.1小合成氨上、下行煤气余热回收

小合成氨生产大都使用煤球为原料造气。其特点是出煤造气炉的上、下行煤气的温度较低,气体成分复杂含有大量粉尘及水蒸气,容易引起低温腐蚀及灰尘堵塞等一系列问题。在设计此类设备中应重点考虑以下重点问题:

①由于气体温度低,可利用的传热温差很小,要回收一定热量必须要有很大的传热面积,传热面积过大不仅占地大、金属耗量大,成本也高;②上、下行煤气含有大量粉尘和水蒸气特别是下行煤气含尘量更多,每标准立方米气体的含尘量估算在30g以上;③这种成分的气体温度不宜降得过低,否则容易达到露点,一旦达到露点不仅产生露点腐蚀,而且灰尘会堵死气体通路使设备不能使用;④对于以碳化煤球为原料的煤气中所含粉尘既细又黏,要使设备能长期稳定可靠运行,除能保证自清灰外,设备结构必须能定期清灰以清除附着于管壁以及翅片上的灰尘。

根据以上要求,设计出的热管换热设备首先应保证长期可靠运行,不堵塞、体积紧凑、占地面积小,设备气体出口热管的管壁温度应高于气体露点温度(约120℃),以防气体中的有害成分结露。根据以上原则,有人设计出并成功运行了适用于煤气造气上、下行煤气余热回收的热管蒸汽发生器,如图2-4所示。该设备具有如下特点:

①气体流动方向为从上到下,减少灰尘附着于管壁的可能性;②热管的蒸发段全部采用轴向直翅片。一方面可以扩展传热表面,另一方面可消除热管背部的涡流区,从而不使灰尘在此停聚。同时也减少了流动阻力损耗。③从煤气炉出来的上行煤气先经过旋风除尘器,然后从蒸汽发生器的上部向下流过热管管束,温度从进口的360℃左右降到出口的140℃左右进入下一工段的洗气塔,然后去煤气柜。下行煤气从煤气炉的底部出来经过旋风除尘器仍然从蒸汽发生器的顶部进入,温度从300℃以上降至140℃进入洗气塔,然后去煤气柜。

2.1.3.2中合成氨上行、下行煤气余热回收

中合成氨与小合成氨生产除在产量规模不同外,主要的区别在于中型合成氨厂的煤造气是以块煤为原料。因此其上行煤气出煤造气的温度远较小化肥高,大约在600℃左右。与小合成氨不同之处在于煤造气炉后有一吹风气燃烧室。上行煤气经过燃烧室后再进入列管式废热锅炉。上行煤气与吹风燃烧气合用一个废热锅炉产生低压蒸汽(0.4~1.8MPa)或中压蒸汽(1.9~2.5 MPa)供工艺使用。由于中合成氨煤造气炉的下行煤气温度较低(200℃左右),因而一般不经过废热锅炉而直接去洗气塔。

在上述生产流程中存在着以下几方面的问题。

①列管式废热锅炉容易损坏损坏的原因大都由于以下两方面:一是气体流速过高,气体中含有大量煤的灰渣或细煤粒极易将管子磨穿;而是在生产低压蒸汽时,下管板水进口处的水温过低,造成局部管壁低温过冷,形成露点腐蚀。两种原因都可能使局部管子破裂漏水,必须停工查漏检修,给生产造成损失。②设备利用率不高在煤造气合成氨生产中,上行煤气制作过程只占一个循环的24%~27%,吹风气只占一个循环的25%~28%,也就是说在一个循环中只占49%~55%的时间有气体通过废热锅炉,其余时间无气体通过,设备处于空闲状态。③换热面积设计严重不合理一般造气工段的废热锅炉均是按瞬间最大吹风气流量设计的,而上行煤气只相当于吹风气量的30%~50%左右,这样小的通气量通过上述按照吹风气最大瞬时量设计的废热锅炉,由于传热面积过大,必然形成上行煤气出口温度过低,不仅会产生露点腐蚀,而且易形成灰堵。④低温余热没有充分回收目前中型合成氨厂都将废热锅炉产生的饱和蒸汽压力提高。其优点是得到高品位的蒸汽,另一方面也提高了传热管壁温度,对防止露点腐蚀有利。但由于饱和蒸汽压力提高,饱和蒸汽温度也相应提高,为维持一定温差,排出废热锅炉气体的出口温度也相应提高。一般将出口温度设计在270℃左右。由于中型合成氨生产的气体流量较大,如果将270℃气体的温度降到140℃左右,则吹风气、上行气、下行气的总回收热量相当于1t蒸汽的热量,显然这种低温小温差有腐蚀性气体的余热回收采用热管是最合适的。

根据以上情况,对中型合成氨煤造气工段采用热管技术可以有两种途径。

①在原有废热锅炉后加一台热管低温余热回收装置,将废热锅炉出口270℃的气体降至140℃,同时将下行煤气(约200℃)也经过热管装置,可以回收下行煤气约60℃温差的热量。热管装置可以是气-气式的,即用回收的低温余热加热进入煤气炉的空气或过热低压水蒸汽。也可以是热管省煤器的形式,加热废热锅炉的给水。其流程图如图2-5所示。

②为充分考虑设备利用率及余热回收率,可使每一台煤造气炉后配一台热管蒸汽发生器专供上、下行煤气余热回收,由于上下行煤气的发生量相差不太大,设计的传热面积比较合理。而将三台煤气炉的吹风气通过一个燃烧室燃烧后进入一台热管废热锅炉,可使设备的利用率达75%~84%。如图2-6所示。

热管技术的工业化成果,凝结了热管技术开拓者、研究者和实践者的心血,各领域的工程技术人员在了解热管技术真谛和工业应用成果后,结合各自行业工艺流程的具体情况,充分发挥热管技术的特性和优越性,并将其灵活应用,定会创造出新的应用成果,为节能减排、余热回收降耗贡献力量。

2.2热管技术在民用工程节能中的应用——热管式新风换热器

随着国民经济的迅速发展,人们对环境的要求越来越高,尤其是在“非典”疫情发生以后,改善室内空气品质的呼声日益高涨。据资料统计,在室、内外新风换热装置中,目前国际上流行的是传统的板式和转轮式能量回收装置,虽然其热交换效率尚可,但在大气环境不理想的情况下,这些装置存在易堵塞或空气交叉污染、不易维修、寿命短等不利因素,而采用热管式新风换热器进行能量回收,能有效地避免上述弊端,目前,是一种适合国情的较为理想的能量回收的换热装置。特别是在全球传染性疾病流行的今天,热管式能量回收新风换热装置更凸显其独特优势。由高效传热元件热管组成的热管换热器具有结构紧凑、体积小、压降低、效率高以及不需要辅助动力等优点。在基本不改变空调现有配置的基础上,热管式新风换热装置与空调机组配套,联合使用,在冬季运行时,新风先由热管放热段预热后再进入空调器内处理后送入室内,而室内的回风经过热管受热段放热后再排出室外,这样排风余热得以回收,减少了空调的负荷,实现了室内能耗节省和空气质量品质提高的双赢;夏季运行时,空气先经过热管受热段预冷后,再与室内部分回风混合,经空调器冷却盘管除湿后送入室内,实现了室内能耗节省和空气质量提高的双赢。

这种将室内换气时排出的带有一定温度的浊空气,利用热管换热器换热,在冬季或夏季分别起到预热或预冷进入的新鲜空气的作用,充分利用了余热,节约能源,节省了电的消耗,降低了空调的运行负荷。

3.制约热管技术发展的瓶颈问题——热管的相容性及寿命

影响热管可靠性和寿命的因素有很多,如图2-7所示。其中最重要的因素是管壳、吸热芯材料和工质的相容性。相容性在热管的应用中具有很重要的意义,只有长期相容性良好的热管,才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。归结起来,造成热管不相容的主要形式有以下三个方面,即:产生不凝性气体;工作液体热物性恶化;管壳材料的腐蚀、溶解。只有有效地解决了热管的不相容问题,才能使热管这种高性能的传热元件实现长寿命、低成本,以便在工业中大规模推广使用。

至今,有不少研究者都做过热管的寿命试验,也证实了许多相容性数据。但是,在某研究所寿命试验中确认的相容性材料,在其他研究所的寿命试验中可能不相容。然而,得到几乎所有热管研究人员公认的是,通过合理选择热管的管材、工作液体、吸热芯结构等可使热管长期有效地服役于其工作温度范围。

4.热管技术的发展前景

根据集约型经济发展模式和可持续发展战略目标,结合当今设备技术管理的发展趋势——安全、可靠、长周期运行和用新技术挖掘现有设备潜力,将来我国热管技术发展将有两大主题:一是推广应用,将现有较为成熟的热管产品标准化、系列化、规范其设计、制造、检测质量,使之成为工业生产中的常规设备,从而深入推广热管技术的应用;二是开发研究,充分发挥热管技术的特点,综合其他学科,进一步开发研究新型高效传热传质设备,使一些传统设备发生变革,提高系统的安全可靠性和效率。

迄今为止,人们对热管技术本身的重要特点还缺乏深入的理解,在研究开发及推广运用中往往抓不住要点,得不到应有的效果。因而影响开发速度和效果。确定热管技术在工业中有重大应用前景是基于以下热管的几个重要本质特征,这些特征已为近年来的工业应用所证实:

①热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠及长周期运行的重要保证。②热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。③热管的均温热屏蔽及分离式热管技术的完善,将可能解决化学反应器中温度分布不均匀、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不均匀而出现的过热分解以及核反应堆安全壳体的散热等等问题。④液态金属热管的出现及材料价格的下降,有可能实现在超高温反应设备中实现连续取热。

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宽。电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板的冷却,化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发,特别是可再生能源的开发利用,都将促进热管技术的进一步发展。

 

来源:北极星环保网

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