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熱管和熱管換熱器及其在工業餘熱回收中應用

       熱管原理由美國俄亥俄州通用發動機公司 R.S.Gaugler 於 1944 年在美國專利中提出的。1963 年美國 LosAlamos[8]國家實驗室的 G.M.Grovert 提出命名為“熱管”的傳熱元件。1967 年一支以不鏽鋼一水為材料的熱管被送入地球衛星軌道並成功運行,從此開始吸引了大批科技工作者從事熱管技術的研發。1970 年美國出現了專門供應商品熱管的部門,熱管的應用從宇航領域擴大到了民用市場。1980 年美國公司 Q-Dot 成功製造熱管廢熱鍋爐,而日本的帝人公司運用熱管作為鍋爐省煤器,較好解決排煙的露點腐蝕問題。1984 年 Cotter 較為完整地提出了微型熱管的理論及下一步研究方向,為微型熱管的研究及應用奠定了理論基礎。使得人們轉變傳統散熱器的設計思路,采用熱管技術,以低轉速、低風量電機,同樣可達到相同效果,使得長期困擾風冷散熱的噪音問題得到解決,開辟了散熱行業新方向。我國於 1970 年開始的熱管研製工作,先是應航天技術發展的要求而進行的。1976 年 12 月 7 日,在衛星上應用熱管取得了成功。
       熱管本身充分利用了熱傳導原理和工作介質的快速熱傳遞性質,透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到外部,因其主要靠內部工作液體的相變實現熱量的傳遞,它的導熱能力超過目前已知的任何金屬。因此熱管具有以下基本特性:
       (1)強導熱性:熱管內部主要工作介質的汽、液兩相變化傳遞熱量,熱阻小,因此具有很強的導熱能力。單位重量熱管比金屬傳遞熱量能力高出多個數量級的熱量。
       (2)良好等溫性:熱管內腔的蒸汽是處於飽和狀態,飽和蒸汽的壓力決定於飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,根據熱力學中的方程式可知,溫降亦很小,因而熱管具有優良的等溫性。
       (3)熱流密度可變性:熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱麵積,即以較小的加熱麵積輸入熱量,而以較大的冷卻麵積輸出熱量,或者熱管可以較大的傳熱麵積輸入熱量,而以較小的冷卻麵積輸出熱量,這樣即可以改變熱流密度,解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。
       (4)熱流方向的可逆性:一根水平放置的有芯熱管,由於其內部循環動力是毛細力,因此任意一端受熱就可作為蒸發段,而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用於宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展平,也可用於先放熱後吸熱的化學反應器及其他裝置。
       熱管換熱器是一種新型的換熱器,於 70 年代初才開始應用於工業中作為節能設備。雖然熱管換熱器在工業中應用時間不長,但發展速度很快。熱管換熱器的特點是:結構簡單、換熱效率高,在傳遞相同熱量的條件下,熱管換熱器的金屬耗量少於其他類型的換熱器,換熱流體通過換熱器時的壓力損失也比其他換熱器小,因而動力消耗也小。熱管換熱器的這些特點正越來越受到人們的重視,是一種應用前景非常好的換熱設備。我國在熱管換熱器方麵的研製工作起步較早。南京工業大學於 1973 年就開始了這方麵研製工作,並和南京煉油廠共同完成了國內熱管換熱器。以後幾年,熱管換熱器相繼在紡織、石油、化工等行業用於餘熱回收及幹燥工藝上。各研究熱管的科研單位和大專院校都先後與製造熱管的廠家組成了科研生產聯合體,在擴大熱管換熱器應用範圍和有效、合理地使用熱管換熱器等方麵起了推動作用。
       目前,熱管換熱器已在化工、電力、冶金、石油等工業領域餘熱回收中有所應用。王磊等[9]以皖淮化工廠造氣上、下行煤氣采用熱管蒸汽發生器回收餘熱項目為例,介紹了熱管換熱器在化工行業餘熱回收應用,並簡要闡述了熱管換熱器的傳熱特性及其適用場合。陳保奎[10]等針對鋁用炭素預焙陽極行業規模小,設備落後,耗能高的特點,基於物料平衡理論,建立了炭素行業餘熱利用係統中理論空氣量和理論煙氣量的計算模型與方法,計算與驗證了不同排煙氧量下的煙氣量,並實現了煙氣焓值的準確計算。某碳素廠通過應用該餘熱回收利用係統,可將排煙溫度控製在 180℃左右,年增發電量約為 77 萬 kW·h,節能效果顯著。趙斌[11]介紹了熱管在鋼鐵工業的應用情況,主要有空氣(煤氣)換熱器和餘熱鍋爐兩種形式,應該要根據餘熱資源的數量和溫度分布水平進行選擇。現在熱管換熱器在鋼鐵工業的應用主要集中在中低溫熱資源的餘熱回收利用;進一步的工作要完善高溫熱管降低其成本,提高其可靠性,以拓寬熱管換熱器在高溫餘熱資源中的應用;提高熱管換熱器與其它型式高效熱交換器的競爭力。熱管換熱器其他工業餘熱回收的應用同樣具有巨大潛力。
       綜上所述,目前熱管換熱器的研究主要集中工業廢氣餘熱回收上,少有文獻涉及熱管換熱器用於工業冷卻水餘熱的回收利用,因此研究用於工業冷卻水餘熱的回收利用的熱管換熱器十分必要。 
2020/08/17 09:50:16 156 次