高温热管简介

高温热管热管技术是实现高温余热利用的高效换热技术之一,其特有的几点传热特性能有效解决高温换热领域的诸多难点。

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划中将高效换热器、系统优化等能源梯级利用和高效利用技术作为重大行动计划,旨在实现高效节能产品市场占有率大幅提升的发展目标。

高温热管是一种具有极高具有较高传热性能(轴向热流密度可以达到1000W/cm2以上)的元件,它通过在全封闭真空体系内的液态金属连续蒸发、凝结来传递热量,具有较高的传热能力、优良的等温性,在空间技术、聚光太阳能热利用,及高温余热较高品味利用等领域都有很大的应用空间。

同时高温热管能够将较高品味的某种能源安全、高效地传递给另一侧流体,实现能源梯级利用目的。

热管自1964年正式在美国发明问世,我国科学家即进行了研究探索,中国科学院工程热物理研究所是我国最早开始研究热管的单位之一,1972年成功研制出我国第一根高温热管,如图1所示。

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2008年以来,传热传质研究中心分别承担了航天科技集团委托的“高温热管的研制”、 “高温热管的强化研制”863项目,设计、加工零部件,改进了原有高温钠热管充装工艺,实现高性能钠热管的定量化充装工艺。

由于高温热管技术具有常规换热技术所没有的许多独特优越性,应用领域已经相当广泛,应用的重点由航天转移到地面,由工业化应用扩展到民用产品,因而常规的、较高成本的高性能高温热管的制备工艺阻碍了高温热管的产业化发展,为此传热传质研究中心从2010年开始探索高温热管的快速充装工艺索,目前已经取得阶段性成果,现已完整掌握了一套高温热管充装新工艺。

运用这套高温热管充装工艺在实验室制备了以2520不锈钢为管壳材料,液态金属钠为工质的,直径为Φ25,长度从300,600,900,1200的高温热管,如图2所示。

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在以型号为XJH-25kW-A的高频感应加热设备为加热热源,输入电压为380V,最大加热功率为25kW,高温热管通过自然对流和热辐射形式散热的情况下,高温热管的壁面温度不均匀性<40℃,最高工作温度可以达到800℃以上。

这套充装工艺能够在确保产品质量的前提下,工艺先进,设备简化成本低,生产效率高适于规模化生产。

同时,对长度1200,直径Φ25的高温热管进行了均温性定量性能测试,测试结果如图3所示。热点偶的布置从加热底部往上计量点分别为:400mm,650mm,900mm,1180mm。图内左侧数值表示以“1000”为最大输入功率时的相对份额。

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由于高温热管充装性能较好,开始运行时未出现声速极限、携带极限等缺陷,在较高的加热密度下,16min后系统就从24℃室温进入了持续稳定状态;随后,加热功率提升到最大输入功率份额的720/1000,冷凝段温度提升到700℃左右,温差仍维持在20℃左右,具有很高的温度一致性。

传热传质研究中心继承和发展了研究所在高温热管技术上优势和特点,真正实现高温热管的产业化,有望将高温热管技术推向工业化。

现代科技领域,无论是动力机械、化学工程、材料工业,还是石油工艺以及核能等新能源开发等,都不可避免地涉及到加热、冷却和能量传递的问题,尤其是较高温度水平的能量传递问题。

解决这些能量传递过程,必然要采用各种各样的换热装置,但如何采用高效的换热技术,以实现节能省材的经济目标,却是传热界科研人员的研究课题。

高温热管热管技术是实现高温余热利用的高效换热技术之一,其特有的几点传热特性能有效解决高温换热领域的诸多难点。

1. 高温热管技术彻底改变了两种流体之间相互传热方式

 传统的列管式换热设备,壳程可以通过加设折流板创造出多次流体横掠管壁的强化流动方式,而对于管程而言,管内流动却存在:1)相同雷诺数情况下,对流换热系数比管外横掠流动低80%以上;2)内部传热面积得不到较大扩展等缺点,因而管内、管外传热过程不匹配,导致传热未得到强化。

热管技术彻底改变了传统列管式换热设备的传热缺陷,换热设备中间隔板将高温热管单体分隔为一侧高温段,一侧低温段,实现两种流体互不接触,两侧流体都能实现流体与管壁的管外横掠流动,两侧的对流换热系数均得到强化,能量从高温段向低温段的传递得到大幅提高。

对传统列管式的管内外流动传热方式,高温热管技术的两侧横掠传热方式进行理论计算,发现:当两侧流体的雷诺数大于6000时(对于换热器内的流体而言,这个数值很容易达到),即使不考虑辐射传热对传热效果的增强,高温热管技术也具有高于传统列管式换热设备3倍以上的换热能力。

而且随着热管管外翅片扩展面积的强化换热方式的应用,换热器的几何结构还能进一步得到改善。

2. 高温热管技术具有小温差大热流的传热特性 

高温热管由于其传热介质为液态金属,具有较高的汽化潜热(800K时,液态金属Na的汽化潜热达到4237kJ/kg),因而能实现高温条件下,小温差大热流密度传热。高温热管在其正常工作时,从加热面到冷却面,整根热管壁面温差均很小,从而克服了传热管表面的“热斑”现象,防止管子由于过热引起的泄漏,最终导致整个换热设备瘫痪等问题。

3. 高温热管技术有效克服了温差应力

 在使用常规的高温换热设备时,管壁温度沿着周向、轴向存在较大差异(温差高达100~150K),由于材料的热膨胀变形存在相互约束,变形不是自由的,从而形成温差应力,出现管板破裂、桥体变形、列管弯曲等问题,导致高温换热设备的换热管发生蠕变变形,降低高温换热设备的运行寿命。

高温热管的绝热段与中间隔板焊接,两侧的管子都能自由膨胀,消除了管子与管板之间焊口的应力,在很高温度、传递很大热流的情况下,高温热管的加热段、绝热段,以及冷却段的温差也很小,变形均匀,同时,加热段,冷却段无约束,真正避免了温差应力。

4. 高温热管技术改善了换热器的加工难度

 常规列管式高温换热设备的传热管,由于传热单元过程发生在径向方向,而且在轴向方向也存在较大的温差,因而传热管的壁面温度不能随意调整。高温热管技术在高温换热领域的应用,有所不同,可以调整加热段、冷却段的长度,实现单个高温热管传热量的改变,并维持壁面温度在相对合理的范围,保护高温换热设备的安全性。

由于高温热管换热设备的换热管较长,并且沿长度方向与隔板在中间焊接,如采用全光管形式,则很难构成换热设备;同时,在高温含氧环境下,冷侧全翅片扩展换热面形式使得换热管的外腐蚀加重,于是,热侧含翅片结构形式,冷侧含氧光管结构形式的高温热管换热设备可以改善高温热管作为换热器单体时,焊接时的加工难度。

在解决了高温热管高成本及性能的长期稳定性的情况下,高温热管技术在高温换热设备中的应用,可以使其工艺结构简单,生产投资成本大幅降低。虽然高温热管在应用领域还很少见,也存在不少问题,但可以预见,高温热管换热设备一旦在推广应用中解决了目前存在的问题,将可能使高温热管技术的工业应用再次产生飞跃。

信息来源:中国科学院工程热物理研究所 作者:袁达忠  |  来源:《工程热物理纵横》 

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