高温熱管

熱管是一種利用封閉在管內的特定工質反覆進行物理相變或化學反應來傳遞熱量的一種導熱性極好的傳熱器件。問世於世界第二次能源危機時（上世紀60年代），至今已有近半個世紀的歷史，起初被廣泛應用在宇航、軍工等行業，隨着技術的發展，而今廣泛應用於石油、化工、機械、印染、工業等餘熱回收領域。

熱管的種類、結構、工質、用途各有獨特之處，故熱管的分類方法很多，按温度可分為低温熱管(-270～0℃)、常温熱管(0～200℃)、中温熱管 (200～600℃) 和高温熱管 (600℃以上)。

高温熱管以液態金屬(鈉、鉀、鏗等)為工作介質，具有良好的熱穩定性和很低的飽和蒸汽壓力，以不鏽鋼或其它耐熱鋼為管殼，能在1100℃以上高温煙氣中工作。1963年美國的Los-Alamos科學實驗室的Grove和他的同事們首次報道了高温熱管成功工作。

1967年，Cotter首先對高温熱管的起動問題進行了研究，提出高温熱管的起動屬於前端起動，即處於環境温度下蒸汽的密度很低，分子的平均自由程超過蒸汽腔的直徑，在這種條件下的起動稱為前端起動。Cotter在熱管的軸向方向上建立了一維模型並建立了有效導熱係數，但沒有給出涉及到高温熱管起動的精確分析關係，而且也沒有將分析解答與實驗數據相比較。

1970年，Sockol等對用鋰作為工作介質的高温熱管進行研究，觀察到在輸入足夠高的熱量且當陡峭的温度界面沿熱管長度方向運動時，熱管壁温升到某一中間值時就保持恆定。基於上述實驗觀察，Cotter模型得到了驗證和修改。

Ivanovsikii等在分析了高温熱管的起動現象後，總結出了3種特殊的起動方式：均勻起動、前端起動以及存在不凝性氣體的前端起動，並基於温度分佈提出了3種分子流動：自由分子流動、過渡分子流動與連續蒸汽流動。

近十幾年來，高温熱管的理論研究熱點主要針對整個管內工質處於凍結狀態下的起動問題，同時隨着計算流體力學與計算傳熱學的發展，其分析方法也隨之改變為採用數值模擬方法。 ^[2] 

1970年，Deverall首次注意到高温熱管內蒸汽流動類似於收縮-擴張噴管，因管內蒸汽壓力低，,蒸汽流速很容易達到聲速或超過聲速。Kemme通過對一根高温鈉熱管的性能實驗驗證了Deverall的這種流動特性，並提出高温熱管在起動過程中能遇到聲速極限，並給出了聲速極限的計算公式。

1973年，Busse又首先提出當高温熱管在比聲速極限區域更低的温度起動時能遇到粘性傳熱極限，粘性極限僅對於長熱管和在起動時蒸汽壓很低的液態金屬熱管具有實際意義。

Levy等也對管內蒸汽流動的聲速傳熱極限進行大量的研究，並建立了4種模型：理想氣體模型、兩相共存模型、蒸汽反應模型和考慮分解複合反應動力學模型。 ^[2] 

國外最早的高温熱管被應用於空間技術上。1970年美國RCA首次用100根高温熱管排成一個寬65 cm，高108 cm的方陣，製成了一種空間輻射器，這種熱管輻射器可帶走50 kW熱量，能減輕因流星損傷而引起的載熱體的泄漏。後來高温熱管開始逐漸向其他領域不斷滲透。

我國高温熱管的應用研究始於1978年，中國科學院力學研究所首次成功地研製成功了外延爐等温熱管，採用高温鈉熱管作為等温元件，用於半導體材料生產中的一種摻雜工藝，使這種管式爐的等温精度從原來的± 0.1℃提高到±(0.02～ 0.03)℃，等温性能獲得了很好的改進，爐子的使用壽命也明顯提高。

液態金屬熱管蒸發段內工質温度處於工質分子流動轉變温度時，單純由熱管管殼軸嚮導熱的熱量能使冷凝段的温度達到工質的熔點，稱此類熱管為小型高温熱管。小型高温熱管具有良好的傳熱性能，當高温小熱管傾斜45°放置時，傳熱性能最好。

根據小型高温熱管的特性，在某些工業場合下，可以將其以翅片的形式擴展空間傳熱表面積來強化已有的高温換熱設備的傳熱能力。小型高温熱管可以用於高温輻射換熱器、輻射管用換熱器、自預熱式燒嘴、高温沸騰牀內取熱器、急冷換熱器、高效裂解爐管、氧化反應器及高温礦物(渣)料冷卻等傳熱反應設備，並可取得極佳的效果。 ^[3]