[科普中国]-非相变热管

传热原理

热管是一种内部充填一定工质(水和丙酮、乙醇等有机化合物及无机物钾、钠等碱金属)的真空封闭金属管。传统的相变热管工作原理是加热端吸收热能使管内工质蒸发，蒸汽快速移到冷端放热后凝成液体再回到加热端继续吸收热能、蒸发、传热，在这样的过程中，物质通过形变吸热和释热并循环运动。1

非相变热管导热过程中完全无相变现象发生，其工作原理是在加热端无机工质粒子受热激发产生动能而运、振动，并伴随有化学、物理变化，从而使粒子运动加速、振动甚至振荡、摩擦，吸收到一定能量之后则有以高速运动的粒子流载着大量的热能，传到冷端放热、冷却后又恢复常态回到加热端继续吸热而传导，以此往复不止，这种无相变传热效率大于100%，迄今为止还没有权威者作出解释。1

非相变原理是控制物质的随热（随温度）形变，从而迫使热更快地通过各物质单元传导出去。前者是携热运动，后者是非携热运动。如果用普通人能理解的例子来说明的话，前者就像是一组人用不断奔跑的办法传送物质；后者为一组人排成行，用一个传一个的办法传递物质。相变原理创造的是能尽快的奔跑条件和更便捷的路径。非相变原理创造的是尽可能统一的传递步骤和传递幅度。1

发展历史热管40年代起源于美国，60年代用于传热技术，70年代以后广泛用于节能工程上。我国70年代有译文报导并进行探索研究，80年代作为节能产品逐步得到应用。现在南京、四川、河南、辽宁等地均有小规模热管换热器厂家。1

热管是靠相变以潜热方式进行传热的，比显热的传导方式传热能力要大许多数量级。温均性好，饱和蒸汽决定于温度，由相变保持一定温度。传热方向可逆，热密流度不变。热管水平放置或失重状态下任何一端受热另一端则为放热。在热管内部传热方向是可逆的，热管的形状、传热面积根据需要可随意设计。对环境适应能力强，根据工作环境可制成形状相适应、传热面积又能满足的热管。又因热管是一种传热元件，因此，安装、维修、更换都非常方便。1

但是，作为钢—水型热管致命的弱点是不能在高温环境中长期工作(使用温度范围0～200℃ )，特别是冷端环境温度高于管内工作介质冷凝温度时，介质的蒸汽就不能冷凝成液体回到加热端去，因而失去了靠相变进行传热的特性，此时只能以过热蒸汽的方式传热；热管长期处于这种高温工作环境，管内还会产生一种不凝汽，直接影响传热效果降低传热效率；同时管内产生的高压还会降低热管的使用寿命，甚至爆管。为此，人们又研究出无相变热管，要取而代之。1

被称为世界热导尖端—无机工质高效热管技术及元件于1989年问世[1]。这是我国物理学家渠玉芝教授经过多年潜心研究发明的。1

性能与特点适应温度范围宽可在-100～1300℃范围内工作，传热速度快,热载能力大，传热效率大于100% ，也就是说热阻为“零”。这种特点在当今热管技术中是空前的。1

工作效率高无相变热管换热能力大,传热效率高，因为在空气预热器1680支热管中，仅更换631支,占热管总数37%，即得到2290*104kJ/h的能量,超过原设计能力17% ，而且烟道气基本达到或接近排放标准。这一点是钢—水型热管远不可比的。1

结构特点无相变热管在外型结构上与钢—水型普通热管一样，都是真空的。所不同的只是内部充填的无机工质为无机物，是无相变传热。1

质量优异无相变热管解决了钢—水热管在高温区的爆管问题(所谓爆管是在真空封口处，由于焊接质量差成为热管强度的薄弱环节，热管内不凝气、水蒸气在300℃以上的工作状态下产生高压而冲破焊口)。无相变热管在360℃温度环境中内部压力只有0.3MPa，根本不会出现爆管问题。在制作工艺上也不存在质量问题，使用寿命当然要长。这里影响寿命主要是烟道气体、灰渣冲刷的机械磨损，管内介质不存在消极因素。因此，使用寿命的延长其经济效益是相当可观的。1

实际应用非相变热管广泛应用于能源转换与输送相关专业，一方面将推动一些传统产业的更新换代，另一方面，极有可能成为某些新产业诞生的催产素。它在废气余热发电，高强度太阳能聚光加热器的开发，太阳能发电中光电转换效率的提高，以及锅炉快速热水、大功率LED散热等领域都会起到无可比拟的作用。2

海鸥能源是海鸥集团旗下的子公司，它所独创的全新“非相变热管技术”获得各方好评，特别安排在9月间前往上海世博会参展，同时也在我国德州太阳谷世界太阳能大会展出，向国际展示世界。2

在展览会当中，海鸥能源主打非相变热管绿色科技产品系列，即热水锅炉、远红外加热热水锅炉、管列式集热器和空调系统。目前有和多家国内外公司共同开发这项符合环保和绿色科技的技术，希望这项技术能够早日全面应用。1

盘锦乙烯工业公司有一台燃油、气型70t/h锅炉，根据节能要求由某节能设备厂配套一台热管空气预热器。热管为钢—水型,共用1680支热管如图1所示，传热面积为2635m2，设计能力为1957× 104kJ/h 1996年初开始运行。开始未发现问题，在350℃左右中运转一年多，发现有部分热管失效，于1997年5月大修，再次运转至9月又发现热管失效，预热器换热能力迅速下降，空气预热温度与烟道气排放远远落后于设计指标，锅炉只能在50%～ 70%蒸汽负荷下运行。为了维持正常生产和冬季取暖的需要，乙烯工业公司采纳了辽宁省化工研究院的建议，用该院与大连熵立得传热技术有限公司共同开发的无相变热管再次对该炉空气预热器进行大修改造，选用三种传热面积不等的631支无相变热管代替钢—水型631支热管，安装在高温区内，占热管总数的37%，占总传热面积的29%，改造工程完毕后于10月13日开始运行。1

发展前景目前制造出来的非相变热管除了仍部分受到地球重力作用影响，垂直向下导热效果还不理想外，其他相变热管的缺点几乎都已克服。特别是不凝气体发生和工质回流不济等功能性缺陷被从根本上解决了。（根据原理，只要继续努力找到某个临界值，非相变热管的任意方向导热是可以实现的。）根据这个原理设计的制作工艺能利用任意管材和工质，以及利用工质的任意相态进行热管制作并获得相应的高效导热结果。2

非相变热管的制造成功，并以其制作工艺的更加简单化和更便于维修等优势，将使热管能以更低廉的价位，更长的使用寿命，更迅速，更大规模地走向热传导和热交换应用领域。2