高溫?zé)峁芎喗?/p>

       高溫?zé)峁軣峁芗夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)高溫余熱利用的高效換熱技術(shù)之一，其特有的幾點(diǎn)傳熱特性能有效解決高溫?fù)Q熱領(lǐng)域的諸多難點(diǎn)。

     “十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中將高效換熱器、系統(tǒng)優(yōu)化等能源梯級利用和高效利用技術(shù)作為重大行動(dòng)計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能產(chǎn)品市場占有率大幅提升的發(fā)展目標(biāo)。

       高溫?zé)峁苁且环N具有極高具有較高傳熱性能（軸向熱流密度可以達(dá)到1000W/cm2以上）的元件，它通過在全封閉真空體系內(nèi)的液態(tài)金屬連續(xù)蒸發(fā)、凝結(jié)來傳遞熱量，具有較高的傳熱能力、優(yōu)良的等溫性，在空間技術(shù)、聚光太陽能熱利用，及高溫余熱較高品味利用等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間。

       同時(shí)高溫?zé)峁苣軌驅(qū)⑤^高品味的某種能源安全、高效地傳遞給另一側(cè)流體，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用目的。

熱管自1964年正式在美國發(fā)明問世，我國科學(xué)家即進(jìn)行了研究探索，中國科學(xué)院工程熱物理研究所是我國最早開始研究熱管的單位之一，1972年成功研制出我國第一根高溫?zé)峁埽鐖D1所示。

       2008年以來，傳熱傳質(zhì)研究中心分別承擔(dān)了航天科技集團(tuán)委托的“高溫?zé)峁艿难兄啤薄?“高溫?zé)峁艿膹?qiáng)化研制”863項(xiàng)目，設(shè)計(jì)、加工零部件，改進(jìn)了原有高溫鈉熱管充裝工藝，實(shí)現(xiàn)高性能鈉熱管的定量化充裝工藝。

       由于高溫?zé)峁芗夹g(shù)具有常規(guī)換熱技術(shù)所沒有的許多獨(dú)特優(yōu)越性，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛，應(yīng)用的重點(diǎn)由航天轉(zhuǎn)移到地面，由工業(yè)化應(yīng)用擴(kuò)展到民用產(chǎn)品，因而常規(guī)的、較高成本的高性能高溫?zé)峁艿闹苽涔に囎璧K了高溫?zé)峁艿漠a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為此傳熱傳質(zhì)研究中心從2010年開始探索高溫?zé)峁艿目焖俪溲b工藝索，目前已經(jīng)取得階段性成果，現(xiàn)已完整掌握了一套高溫?zé)峁艹溲b新工藝。

       運(yùn)用這套高溫?zé)峁艹溲b工藝在實(shí)驗(yàn)室制備了以2520不銹鋼為管殼材料，液態(tài)金屬鈉為工質(zhì)的，直徑為Φ25，長度從300，600，900，1200的高溫?zé)峁?，如圖2所示。

       在以型號為XJH-25kW-A的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備為加熱熱源，輸入電壓為380V，最大加熱功率為25kW，高溫?zé)峁芡ㄟ^自然對流和熱輻射形式散熱的情況下，高溫?zé)峁艿谋诿鏈囟炔痪鶆蛐裕?0℃，最高工作溫度可以達(dá)到800℃以上。

       這套充裝工藝能夠在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，工藝先進(jìn)，設(shè)備簡化成本低，生產(chǎn)效率高適于規(guī)模化生產(chǎn)。

       同時(shí)，對長度1200，直徑Φ25的高溫?zé)峁苓M(jìn)行了均溫性定量性能測試，測試結(jié)果如圖3所示。熱點(diǎn)偶的布置從加熱底部往上計(jì)量點(diǎn)分別為：400mm，650mm，900mm，1180mm。圖內(nèi)左側(cè)數(shù)值表示以“1000”為最大輸入功率時(shí)的相對份額。

       由于高溫?zé)峁艹溲b性能較好，開始運(yùn)行時(shí)未出現(xiàn)聲速極限、攜帶極限等缺陷，在較高的加熱密度下，16min后系統(tǒng)就從24℃室溫進(jìn)入了持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)；隨后，加熱功率提升到最大輸入功率份額的720/1000，冷凝段溫度提升到700℃左右，溫差仍維持在20℃左右，具有很高的溫度一致性。

       傳熱傳質(zhì)研究中心繼承和發(fā)展了研究所在高溫?zé)峁芗夹g(shù)上優(yōu)勢和特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)高溫?zé)峁艿漠a(chǎn)業(yè)化，有望將高溫?zé)峁芗夹g(shù)推向工業(yè)化。

       現(xiàn)代科技領(lǐng)域，無論是動(dòng)力機(jī)械、化學(xué)工程、材料工業(yè)，還是石油工藝以及核能等新能源開發(fā)等，都不可避免地涉及到加熱、冷卻和能量傳遞的問題，尤其是較高溫度水平的能量傳遞問題。

       解決這些能量傳遞過程，必然要采用各種各樣的換熱裝置，但如何采用高效的換熱技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能省材的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，卻是傳熱界科研人員的研究課題。

       高溫?zé)峁軣峁芗夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)高溫余熱利用的高效換熱技術(shù)之一，其特有的幾點(diǎn)傳熱特性能有效解決高溫?fù)Q熱領(lǐng)域的諸多難點(diǎn)。

1. 高溫?zé)峁芗夹g(shù)徹底改變了兩種流體之間相互傳熱方式

       傳統(tǒng)的列管式換熱設(shè)備，殼程可以通過加設(shè)折流板創(chuàng)造出多次流體橫掠管壁的強(qiáng)化流動(dòng)方式，而對于管程而言，管內(nèi)流動(dòng)卻存在：1)相同雷諾數(shù)情況下，對流換熱系數(shù)比管外橫掠流動(dòng)低80%以上；2)內(nèi)部傳熱面積得不到較大擴(kuò)展等缺點(diǎn)，因而管內(nèi)、管外傳熱過程不匹配，導(dǎo)致傳熱未得到強(qiáng)化。

       熱管技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)列管式換熱設(shè)備的傳熱缺陷，換熱設(shè)備中間隔板將高溫?zé)峁軉误w分隔為一側(cè)高溫段，一側(cè)低溫段，實(shí)現(xiàn)兩種流體互不接觸，兩側(cè)流體都能實(shí)現(xiàn)流體與管壁的管外橫掠流動(dòng)，兩側(cè)的對流換熱系數(shù)均得到強(qiáng)化，能量從高溫段向低溫段的傳遞得到大幅提高。

       對傳統(tǒng)列管式的管內(nèi)外流動(dòng)傳熱方式，高溫?zé)峁芗夹g(shù)的兩側(cè)橫掠傳熱方式進(jìn)行理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩側(cè)流體的雷諾數(shù)大于6000時(shí)（對于換熱器內(nèi)的流體而言，這個(gè)數(shù)值很容易達(dá)到），即使不考慮輻射傳熱對傳熱效果的增強(qiáng)，高溫?zé)峁芗夹g(shù)也具有高于傳統(tǒng)列管式換熱設(shè)備3倍以上的換熱能力。

       而且隨著熱管管外翅片擴(kuò)展面積的強(qiáng)化換熱方式的應(yīng)用，換熱器的幾何結(jié)構(gòu)還能進(jìn)一步得到改善。

2. 高溫?zé)峁芗夹g(shù)具有小溫差大熱流的傳熱特性

       高溫?zé)峁苡捎谄鋫鳠峤橘|(zhì)為液態(tài)金屬，具有較高的汽化潛熱（800K時(shí)，液態(tài)金屬Na的汽化潛熱達(dá)到4237kJ/kg），因而能實(shí)現(xiàn)高溫條件下，小溫差大熱流密度傳熱。高溫?zé)峁茉谄湔９ぷ鲿r(shí)，從加熱面到冷卻面，整根熱管壁面溫差均很小，從而克服了傳熱管表面的“熱斑”現(xiàn)象，防止管子由于過熱引起的泄漏，最終導(dǎo)致整個(gè)換熱設(shè)備癱瘓等問題。

3. 高溫?zé)峁芗夹g(shù)有效克服了溫差應(yīng)力

       在使用常規(guī)的高溫?fù)Q熱設(shè)備時(shí)，管壁溫度沿著周向、軸向存在較大差異（溫差高達(dá)100～150K），由于材料的熱膨脹變形存在相互約束，變形不是自由的，從而形成溫差應(yīng)力，出現(xiàn)管板破裂、橋體變形、列管彎曲等問題，導(dǎo)致高溫?fù)Q熱設(shè)備的換熱管發(fā)生蠕變變形，降低高溫?fù)Q熱設(shè)備的運(yùn)行壽命。

       高溫?zé)峁艿慕^熱段與中間隔板焊接，兩側(cè)的管子都能自由膨脹，消除了管子與管板之間焊口的應(yīng)力，在很高溫度、傳遞很大熱流的情況下，高溫?zé)峁艿募訜岫?、絕熱段，以及冷卻段的溫差也很小，變形均勻，同時(shí)，加熱段，冷卻段無約束，真正避免了溫差應(yīng)力。

4. 高溫?zé)峁芗夹g(shù)改善了換熱器的加工難度

       常規(guī)列管式高溫?fù)Q熱設(shè)備的傳熱管，由于傳熱單元過程發(fā)生在徑向方向，而且在軸向方向也存在較大的溫差，因而傳熱管的壁面溫度不能隨意調(diào)整。高溫?zé)峁芗夹g(shù)在高溫?fù)Q熱領(lǐng)域的應(yīng)用，有所不同，可以調(diào)整加熱段、冷卻段的長度，實(shí)現(xiàn)單個(gè)高溫?zé)峁軅鳠崃康母淖?，并維持壁面溫度在相對合理的范圍，保護(hù)高溫?fù)Q熱設(shè)備的安全性。

       由于高溫?zé)峁軗Q熱設(shè)備的換熱管較長，并且沿長度方向與隔板在中間焊接，如采用全光管形式，則很難構(gòu)成換熱設(shè)備；同時(shí)，在高溫含氧環(huán)境下，冷側(cè)全翅片擴(kuò)展換熱面形式使得換熱管的外腐蝕加重，于是，熱側(cè)含翅片結(jié)構(gòu)形式，冷側(cè)含氧光管結(jié)構(gòu)形式的高溫?zé)峁軗Q熱設(shè)備可以改善高溫?zé)峁茏鳛閾Q熱器單體時(shí)，焊接時(shí)的加工難度。

       在解決了高溫?zé)峁芨叱杀炯靶阅艿拈L期穩(wěn)定性的情況下，高溫?zé)峁芗夹g(shù)在高溫?fù)Q熱設(shè)備中的應(yīng)用，可以使其工藝結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)投資成本大幅降低。雖然高溫?zé)峁茉趹?yīng)用領(lǐng)域還很少見，也存在不少問題，但可以預(yù)見，高溫?zé)峁軗Q熱設(shè)備一旦在推廣應(yīng)用中解決了目前存在的問題，將可能使高溫?zé)峁芗夹g(shù)的工業(yè)應(yīng)用再次產(chǎn)生飛躍。

信息來源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所 作者：袁達(dá)忠 | 來源：《工程熱物理縱橫》

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