立项背景：

炒货行业的现代工业化生产发展至今，锅炉供热已经普遍应用于各大中小型生产企业之中，然而大部分企业在用热端进行热交换加热空气时是用的是翅片管换热器。因为翅片管换热器中受热端面积受结构限制和供热介质、空气的比热容差距等物理条件限制，所以想要达到预定加热能力，必须加大换热器整体体积同时又要减小散热面积，这就带来了不必要的浪费和设计矛盾。

近年来，超导热管技术在世界兴起，被用于航空航天领域、军工领域、超级计算机制造领域等等高新技术产业，我国的青藏铁路、哈大高铁等常年冻土层铁路建设、电信基础构架等工程也是由热管来解决的关键技术难题。近年来，热管被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路详细科学技术内容

1、热管的基本原理

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管是一种充填了适量工作介质的真空密封容器,是一种高效传热元件,主要由管芯、管壳和工质组成。热管的制作过程是先将管密闭,抽成负压,在此状态下充入少量液体工质。热管的内壁有同心圆筒式的金属丝网(或其他多孔介质),称为吸液芯,吸液芯内充满液体工质,当热量传入热管的蒸发段时,工作介质吸热蒸发流 向冷凝段,在那里介质蒸汽被冷却,释放出汽化潜热,冷凝变成液体,然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回蒸发段,如此反复循环, 通过工质的相变和传质实现热量的高效传递, 其工作原理如图1所示。

管芯与工质是组成热管的最重要的两个部分。管芯一方面把工质液体分布到整个蒸发段和冷凝段,另一方面提供冷凝液回流的方式和动力。传统的热管研究常常根据热虹吸管的原理研究重力热管,而没有什么特殊的管芯,只是对管的内部进行一些清洗或是氧化处理。现在,越来越多的科研机构致力于管芯结构的研究,尤其是毛细结构的管芯,例如丝网均匀管芯、槽道管芯和组合管芯。

热管中工质的选用要考虑到蒸汽运行的温度范围,以及工质与管芯和管壳材料的相容性问题。在合适的温度范围和相容性的前提条件下,还要根据热管内工质热流所受到的相关的各种热力学限制来选择工质的种类和充装量。这些限制有黏性限、声速限、毛细限、携带限和沸腾限等。

热管的特性

(1)优良的导热性。由于热管以潜热形式进行传热,所以和银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可传递几个数量级的热量。

(2)具有低热阻的等温面。热管运行时, 冷凝段表面的温度趋向于恒定不变,如果局部加上热负荷,则有更多的蒸汽在该处冷凝,使温度又维持在原来的水平上;同样,蒸发段也存在等温面,热管工作时,管内蒸汽处于饱和状态,蒸汽流动和相变时的温差很小,而管壁和毛细芯比较薄,所以热管的表面温度梯度很小,即表面的等温性好。

(3)具有热流密度变换能力。热管中蒸发 和凝结的空间是分开的,因此可以实现热流密度变换,在蒸发段可用高热流密度输入,而在冷凝段可以用低热流密度输出。反之亦然。

(4)优良的热响应性。热管内部压力很小,当蒸发端受热后,蒸汽就以近似于该温度下的音速前进。

(5)热管的结构简单、重量轻、体积小、维修方便。

(6)热管没有运动部件,运行可靠,使用寿命长。

套管式热管换热器的工作原理及特性

套管式热管换热器结构为两不等径的圆管同心相套,又称其为径向热管,这是因为其热量传递方向为径向。当外管外侧为高温侧,内管内侧为低温侧时,处于真空状态的套管间隙内热侧工质受热汽化膨胀,与冷侧工质形成高速对流并在冷侧凝结,即当热量传入热管的外管时,工作介质吸热蒸发,流向冷侧,在那里介质蒸汽被冷却,释放出汽化潜热,冷凝变成液体,然后返回热侧,如此反复循环,通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。套管式热管换热器除了具有常规重力式热管换热器的特性外,还具有以下特点。

(1)热量传递方向可以双向进行,既可以由外向内传递,也可以由内向外传递;而常规重力式热管只能由蒸发段传向冷凝段,不能反向传递。

(2)工作时相对重力场方向可以任意摆放, 由垂直到平行角度任意;而常规重力式热管不能垂直于重力场方向工作。

(3)由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的路程比常规重力式热管有极大的缩短,传热系数增大,所以其两侧热阻很小,温差相应也很小。

(4)由于套管式热管换热器冷热两侧热量传递的横截面积比常规重力式热管有极大的增加,两侧单位面积的热负荷可以很大;没有常规重力式热管的音速极限、携带极限,更无毛细极限和沸腾极限。

2、现阶段的换热瓶颈

锅炉供热，我们以最常用的导热油作为热传导介质来举例。缠绕翅片管内部走导热油、外部通过空气，直接通过两次热传导来交换热量。缠绕翅片管的结构决定了内部换热面积远远小于外侧换热面积。而且外侧换热面积可以随意通过翅化率来调整，内部的换热面积却只能通过将管径减小、总长度加大或者挤压出内螺旋来进行稍微的改善。空气的比热容约为1.03KJ/Kg•K，导热油在200℃时比热容约为0.667 KJ/Kg•K，这就是说即使导热油和空气的交换面流量一致的时候，换热效率也会被导热油限制，而事实上空气的交换面要远远大于导热油的。这样就造成了换热器的热效率低下。

创新点

热管换热器

热管的传输效率高到了我们可以忽略热损的级别，热管的吸热端和放热端都采用翅片缠绕，翅片翅化比约为10，翅化效率约为0.85。我们将吸热端的换热面积根据导热油、空气的比热容比率来放大，这样就能将换热器整体有效利用率提高至95%以上，超过行业平均水平40%。随着利用率的提高，换热器的体积也会大幅缩小。

样图：

有待改进方面

目前我们的生产水平只能从专业的热管制造厂家购进热管来制造热管换热器，我们需要加强生产能力和科研能力，争取自产热管原料。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

应用情况

我们将热管换热器应用于全部的烘干设备中。已广泛装配在炒货行业的生产厂家中。