[科普中国]-高温热管

概述

热管是一种利用封闭在管内的特定工质反复进行物理相变或化学反应来传递热量的一种导热性极好的传热器件。问世于世界第二次能源危机时（上世纪60年代），至今已有近半个世纪的历史，起初被广泛应用在宇航、军工等行业，随着技术的发展，而今广泛应用于石油、化工、机械、印染、工业等余热回收领域。

热管的种类、结构、工质、用途各有独特之处，故热管的分类方法很多，按温度可分为低温热管(-270～0℃)、常温热管(0～200℃)、中温热管 (200～600℃) 和高温热管 (600℃以上)。

高温热管以液态金属(钠、钾、铿等)为工作介质，具有良好的热稳定性和很低的饱和蒸汽压力，以不锈钢或其它耐热钢为管壳，能在1100℃以上高温烟气中工作。1963年美国的Los-Alamos科学实验室的Grove和他的同事们首次报道了高温热管成功工作。

起动方式1967年，Cotter首先对高温热管的起动问题进行了研究，提出高温热管的起动属于前端起动，即处于环境温度下蒸汽的密度很低，分子的平均自由程超过蒸汽腔的直径，在这种条件下的起动称为前端起动。Cotter在热管的轴向方向上建立了一维模型并建立了有效导热系数，但没有给出涉及到高温热管起动的精确分析关系，而且也没有将分析解答与实验数据相比较。

1970年，Sockol等对用锂作为工作介质的高温热管进行研究，观察到在输入足够高的热量且当陡峭的温度界面沿热管长度方向运动时，热管壁温升到某一中间值时就保持恒定。基于上述实验观察，Cotter模型得到了验证和修改。

Ivanovsikii等在分析了高温热管的起动现象后，总结出了3种特殊的起动方式：均匀起动、前端起动以及存在不凝性气体的前端起动，并基于温度分布提出了3种分子流动：自由分子流动、过渡分子流动与连续蒸汽流动。

近十几年来，高温热管的理论研究热点主要针对整个管内工质处于冻结状态下的起动问题，同时随着计算流体力学与计算传热学的发展，其分析方法也随之改变为采用数值模拟方法。2

声速极限1970年，Deverall首次注意到高温热管内蒸汽流动类似于收缩-扩张喷管，因管内蒸汽压力低，,蒸汽流速很容易达到声速或超过声速。Kemme通过对一根高温钠热管的性能实验验证了Deverall的这种流动特性，并提出高温热管在起动过程中能遇到声速极限，并给出了声速极限的计算公式。

1973年，Busse又首先提出当高温热管在比声速极限区域更低的温度起动时能遇到粘性传热极限，粘性极限仅对于长热管和在起动时蒸汽压很低的液态金属热管具有实际意义。

Levy等也对管内蒸汽流动的声速传热极限进行大量的研究，并建立了4种模型：理想气体模型、两相共存模型、蒸汽反应模型和考虑分解复合反应动力学模型。2

高温热管的应用国外最早的高温热管被应用于空间技术上。1970年美国RCA首次用100根高温热管排成一个宽65 cm，高108 cm的方阵，制成了一种空间辐射器，这种热管辐射器可带走50 kW热量，能减轻因流星损伤而引起的载热体的泄漏。后来高温热管开始逐渐向其他领域不断渗透。

我国高温热管的应用研究始于1978年，中国科学院力学研究所首次成功地研制成功了外延炉等温热管，采用高温钠热管作为等温元件，用于半导体材料生产中的一种掺杂工艺，使这种管式炉的等温精度从原来的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等温性能获得了很好的改进，炉子的使用寿命也明显提高。

小型高温热管液态金属热管蒸发段内工质温度处于工质分子流动转变温度时，单纯由热管管壳轴向导热的热量能使冷凝段的温度达到工质的熔点，称此类热管为小型高温热管。小型高温热管具有良好的传热性能，当高温小热管倾斜45°放置时，传热性能最好。

根据小型高温热管的特性，在某些工业场合下，可以将其以翅片的形式扩展空间传热表面积来强化已有的高温换热设备的传热能力。小型高温热管可以用于高温辐射换热器、辐射管用换热器、自预热式烧嘴、高温沸腾床内取热器、急冷换热器、高效裂解炉管、氧化反应器及高温矿物(渣)料冷却等传热反应设备，并可取得极佳的效果。3