热管技术的应用及发展

节 能

)

8)

ENERGYCONSERVATION

2010年第8期

(总第337期)

热管技术的应用及发展

逄 燕

(大连熵立得传热技术有限公司,辽宁大连116600)

摘要:简要介绍热管技术的发展经过。通过列举实例,重点论述国内外热管技术在冻土病害防治、太阳能采暖、工业、电力电子、粮食果蔬储藏等领域的应用情况,并指出目前该技术发展存在的问题。据此,对热管技术的发展提出展望。关键词:热管;技术;应用;发展

中图分类号:TK17214 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2010)08-0008-03

引言

热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R1S1Gaugler于1944年在美国专利中提出的。1967年一根不锈钢)水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功,从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。1970年在美国出现了供应商品热管的部门,热管的应用范围从宇航扩大到了地面。1980年美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉,日本帝人工程公司成功地用热管做成锅炉给水预热器,解决了排烟的露点腐蚀问题。1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望,为微型热管的研究及应用奠定了理论基础。

20世纪70年代以来,热管技术飞速发展,各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究,国际间、地区间及各国的热管技术交流活动日益频繁。

我国于1970年开始热管研制工作,首先是为航天技术发展的需要而进行的。由于我国是一个发展中国家,能源的综合利用水平较低,因此自20世纪80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用,相继开发了热管气)气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类产品。1国内外热管技术的应用情况111冻土病害防治领域

自20世纪60年代以来,国外已将热管技术广梁、涵洞、隧道、机场跑道、通讯线路塔、输电线路塔、水利工程及港口工程中。在这些基础工程中,热管被称为热棒,主要用于冷却地基,防止地基冻胀和融沉变形。

美国的Glennallen通讯塔、美国阿拉斯加输油管线、前苏联雅库斯克水库工程、加拿大的哈迪逊海湾铁路、我国的青藏铁路都是利用热管技术解决了冻土的危害。112太阳能、采暖领域

由于热管技术本身的特点,使其在太阳能领域中的应用中具有极为广泛的前景。世界各国对热

管太阳能技术的开发主要用于民用太阳能集热器、农业、工业用太阳能集热器、太阳能发电设备。

环保型、铝合金重力热管散热器以其在无防腐条件下耐腐蚀、寿命长、用水少、性价比高的特点,现已在我国的一些住宅中得到了开发应用。113冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等工业领域

利用热管技术可以使普通锅炉热效率提高十几倍,仅在排烟管上加装热管余热利用系统而不改变原有结构,就能极大的提高能源的利用率,大量节省能源而且安全又环保。

下面是热管技术在国内的几个应用案例。(1)某厂230t/h电站锅炉尾部空气预热器原来采用列管式空气预热器,锅炉低负荷运行时热效率为85161%。后来改造采用热管式空气预热器,改造后锅炉在90%设计负荷下运行,热效率可提高到90125%,回收热量功率5348kW,燃料按热值()算,

2010年第8期

(总第337期)

节 能

ENERGYCONSERVATION

)9)

31460kg/h,每小时可节约燃煤1714kg,每年按350天运行,年可节约燃煤14398,t燃料价格按200元/t计算,年节约费用288万元。改造前后测试结果对比如表1所示。

表1 某厂230t/h电站锅炉改造前后测试结果对比

项目

锅炉蒸发量/#th-1

锅炉主蒸汽压力/MPa锅炉主蒸汽温度/e锅炉给水压力/MPa锅炉给水温度/e锅炉热效率/%

锅炉燃煤量(4500大卡)/#th-1进口烟气温度/e出口烟气温度/e进口空气温度/e进口烟气压力出口烟气压力/Pa出口烟气过量空气系数

改造后测试值

2128.2450712.515490.2533270168/16836--20001.71

改造前测试值

1078.[1**********]5.6117-216/20540--20001.96

112516t。燃料价格按照970元/t计算,年节省燃

料费用10912万元。改造前后测试结果如表2所示。

表2 某厂丙烷脱沥青装置加热炉空气预热器

改造前后测试结果

项目

排烟温度/e

进预热器空气温度/e出预热器空气温度/e过剩空气系数A排烟氧含量/%燃料用量/kg#h-1加热炉热效率/%空预器型式

改造前~350--~1.95~10.5844.3~70扰流子

改造后~200~12.5~150~1.75~9.32703.684无机传热元件

(3)某氮肥厂吹风余热回收系统。全套吹风气余热回收装置可产112MPa蒸汽约6000kg/h,加上上下行余热蒸汽,解决了造气工艺蒸气自给的问题,成功地实现了/两煤改一煤0的目标。无机热传导余热锅炉可产蒸汽3112kg/h,年运行时间按8000h计算,年产蒸汽24900,t蒸汽价格按60元/t计算,年节省费用14914万元。该厂吹风余热回收系统运行结果如表3所示。

无机热传导空气预热器烟气1800021230--222.6330183.7270

空气74148827--2020120152

烟气1800021230--183.7270140203

省煤器

水7180t/h6012t/h2.01.[1**********]75

(2)某厂丙烷脱沥青装置加热炉空气预热器原来采用扰流子空气预热器,由于使用效果不好,后来改造采用热管式空气预热器。设备运行后,热

炉热效率提高了14%,每小时可以节省燃料油14017kg,每年按照8000h运行,每年可节省燃料油

无机热传导余热锅炉

项目

烟气

介质流量/m3#h-1

设计测试

介质压力/MPa

设计测试

进口温度/e

设计测试

出口温度/e

设计测试

1800021230--457.2611222.6330

水,蒸汽2.736t/h3.122t/h0.41.2130175151.9175

表3 某氮肥厂吹风余热回收系统运行结果

114电力电子领域

在电力电子行业,因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长,热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统,节约水资源和相关的辅助设备投资。此外,热管散热还能将发热件集中,甚至密封,而将散热部分移到外部或远处,能防尘、防潮、防爆,提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因而广泛应用在工业变流技术、软启动分立器件、模块和组件等电力电子设备上。可以说

热管散热器的出现,是解决电力电子装置散热问题的重大突破。电力电子用热管可以在任意角度下使用,在重力和无重力条件下均可使用,受热或冷却面可以在侧面也可以在端面。电力电子用散热模组是依托热管技术,配合吸热块和散热片、风机而制成的散热器。

微型热管的管径3~12mm,可以折弯、压扁或,

节 能

)

10)

ENERGYCONSERVATION

2010年第8期

(总第337期)

还需要进一步寻求有效的解决方法。

(3)实际应用的热管技术含量低,把实验室的研究成果转化到实际应用还需要一段时间。(4)对中温热管研究比较多,对高温和低温的热管研究相对较少。3热管技术的发展方向

近年来热管开始朝着微型化、高效化发展。随着微型热管技术的出现,使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板

图1 微型热管

的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。进入21世纪,随着社会信息化程度的不断提高,IT产品得到迅速发展和快速普及,IT产品都在朝着高集成化、高速度化、高品质化、小型化、/绿色0化的方向发展,在提高CPU性能的同时,如何去解决散热上的高效率以及无风扇的问题,热管技术似乎给出一个很好的解决方案,于是它的目标又瞄准了IT行业这个巨大的市场。

热管的应用领域非常广泛,发展前景广阔。随着热管技术的不断发展,研发水平和制造工艺的不断提高,热管的应用在各类行业中将会占有非常重要的地位。参考文献

[1]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[2]庄骏,张红.2010年热管技术展望[J].化工机械,1998,

25(1):44-49.

[3]马同泽.热管[M].北京:科学出版社,1993.

[4]庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器[M].上海:上海交通大学出版社,1989.

[5]王礼建,任承钦,林清明,等.热管空气预热器在动力锅炉中的应用和分析[A].第八届全国热管会议论文集[C].成都:成都中国工程热物理学会热管专业组,2002:261-266.

[6]重庆大学热管科研组.热管基础及其应用[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1987.

[7]吴存真,刘光铎.热管在热能中的应用[M].北京:水利电力出版社,1993.

[8]李亭寒,华诚生,等.热管设计与应用[M].北京:化学工业出版社,1987.[9]Ch,iSW.热管理论与实用[M].蒋章焰,译.北京:科学出版社,1991.作者简介:逄燕(1971-),女,山东人,大学,工程师,从事热管技术的应用设计工作。

:修回日期:05

微电子模块散热器主要应用于计算机CPU芯片,小型功率模块、各种数字信号处理芯片。微电子模块散热器如图2

所示。

图2 微电子模块散热器

115粮食、蔬果储藏领域

利用热管技术可以迅速将大量堆放中产生的热量排到外部,降低内部温度,延长粮食、蔬果的储藏时间,改善储藏品质,该技术结构简单,加工容易,成本低廉,经济效益好,易于推广。2热管技术开发中存在的问题

(1)由于材料及技术局限问题,热管价格偏高。

(2)工业使用的时间不够长,应用面还不够广。尽管热管换热器在国内使用的最长时间已超过

节 能

)

8)

ENERGYCONSERVATION

2010年第8期

(总第337期)

热管技术的应用及发展

逄 燕

(大连熵立得传热技术有限公司,辽宁大连116600)

摘要:简要介绍热管技术的发展经过。通过列举实例,重点论述国内外热管技术在冻土病害防治、太阳能采暖、工业、电力电子、粮食果蔬储藏等领域的应用情况,并指出目前该技术发展存在的问题。据此,对热管技术的发展提出展望。关键词:热管;技术;应用;发展

中图分类号:TK17214 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2010)08-0008-03

引言

热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的R1S1Gaugler于1944年在美国专利中提出的。1967年一根不锈钢)水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功,从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管研究。1970年在美国出现了供应商品热管的部门,热管的应用范围从宇航扩大到了地面。1980年美国Q-Dot公司生产了热管废热锅炉,日本帝人工程公司成功地用热管做成锅炉给水预热器,解决了排烟的露点腐蚀问题。1984年Cotter较完整地提出了微型热管的理论及展望,为微型热管的研究及应用奠定了理论基础。

20世纪70年代以来,热管技术飞速发展,各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究,国际间、地区间及各国的热管技术交流活动日益频繁。

我国于1970年开始热管研制工作,首先是为航天技术发展的需要而进行的。由于我国是一个发展中国家,能源的综合利用水平较低,因此自20世纪80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用,相继开发了热管气)气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类产品。1国内外热管技术的应用情况111冻土病害防治领域

自20世纪60年代以来,国外已将热管技术广梁、涵洞、隧道、机场跑道、通讯线路塔、输电线路塔、水利工程及港口工程中。在这些基础工程中,热管被称为热棒,主要用于冷却地基,防止地基冻胀和融沉变形。

美国的Glennallen通讯塔、美国阿拉斯加输油管线、前苏联雅库斯克水库工程、加拿大的哈迪逊海湾铁路、我国的青藏铁路都是利用热管技术解决了冻土的危害。112太阳能、采暖领域

由于热管技术本身的特点,使其在太阳能领域中的应用中具有极为广泛的前景。世界各国对热

管太阳能技术的开发主要用于民用太阳能集热器、农业、工业用太阳能集热器、太阳能发电设备。

环保型、铝合金重力热管散热器以其在无防腐条件下耐腐蚀、寿命长、用水少、性价比高的特点,现已在我国的一些住宅中得到了开发应用。113冶金、石油、化工、动力、陶瓷以及水泥等工业领域

利用热管技术可以使普通锅炉热效率提高十几倍,仅在排烟管上加装热管余热利用系统而不改变原有结构,就能极大的提高能源的利用率,大量节省能源而且安全又环保。

下面是热管技术在国内的几个应用案例。(1)某厂230t/h电站锅炉尾部空气预热器原来采用列管式空气预热器,锅炉低负荷运行时热效率为85161%。后来改造采用热管式空气预热器,改造后锅炉在90%设计负荷下运行,热效率可提高到90125%,回收热量功率5348kW,燃料按热值()算,

2010年第8期

(总第337期)

节 能

ENERGYCONSERVATION

)9)

31460kg/h,每小时可节约燃煤1714kg,每年按350天运行,年可节约燃煤14398,t燃料价格按200元/t计算,年节约费用288万元。改造前后测试结果对比如表1所示。

表1 某厂230t/h电站锅炉改造前后测试结果对比

项目

锅炉蒸发量/#th-1

锅炉主蒸汽压力/MPa锅炉主蒸汽温度/e锅炉给水压力/MPa锅炉给水温度/e锅炉热效率/%

锅炉燃煤量(4500大卡)/#th-1进口烟气温度/e出口烟气温度/e进口空气温度/e进口烟气压力出口烟气压力/Pa出口烟气过量空气系数

改造后测试值

2128.2450712.515490.2533270168/16836--20001.71

改造前测试值

1078.[1**********]5.6117-216/20540--20001.96

112516t。燃料价格按照970元/t计算,年节省燃

料费用10912万元。改造前后测试结果如表2所示。

表2 某厂丙烷脱沥青装置加热炉空气预热器

改造前后测试结果

项目

排烟温度/e

进预热器空气温度/e出预热器空气温度/e过剩空气系数A排烟氧含量/%燃料用量/kg#h-1加热炉热效率/%空预器型式

改造前~350--~1.95~10.5844.3~70扰流子

改造后~200~12.5~150~1.75~9.32703.684无机传热元件

(3)某氮肥厂吹风余热回收系统。全套吹风气余热回收装置可产112MPa蒸汽约6000kg/h,加上上下行余热蒸汽,解决了造气工艺蒸气自给的问题,成功地实现了/两煤改一煤0的目标。无机热传导余热锅炉可产蒸汽3112kg/h,年运行时间按8000h计算,年产蒸汽24900,t蒸汽价格按60元/t计算,年节省费用14914万元。该厂吹风余热回收系统运行结果如表3所示。

无机热传导空气预热器烟气1800021230--222.6330183.7270

空气74148827--2020120152

烟气1800021230--183.7270140203

省煤器

水7180t/h6012t/h2.01.[1**********]75

(2)某厂丙烷脱沥青装置加热炉空气预热器原来采用扰流子空气预热器,由于使用效果不好,后来改造采用热管式空气预热器。设备运行后,热

炉热效率提高了14%,每小时可以节省燃料油14017kg,每年按照8000h运行,每年可节省燃料油

无机热传导余热锅炉

项目

烟气

介质流量/m3#h-1

设计测试

介质压力/MPa

设计测试

进口温度/e

设计测试

出口温度/e

设计测试

1800021230--457.2611222.6330

水,蒸汽2.736t/h3.122t/h0.41.2130175151.9175

表3 某氮肥厂吹风余热回收系统运行结果

114电力电子领域

在电力电子行业,因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长,热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统,节约水资源和相关的辅助设备投资。此外,热管散热还能将发热件集中,甚至密封,而将散热部分移到外部或远处,能防尘、防潮、防爆,提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因而广泛应用在工业变流技术、软启动分立器件、模块和组件等电力电子设备上。可以说

热管散热器的出现,是解决电力电子装置散热问题的重大突破。电力电子用热管可以在任意角度下使用,在重力和无重力条件下均可使用,受热或冷却面可以在侧面也可以在端面。电力电子用散热模组是依托热管技术,配合吸热块和散热片、风机而制成的散热器。

微型热管的管径3~12mm,可以折弯、压扁或,

节 能

)

10)

ENERGYCONSERVATION

2010年第8期

(总第337期)

还需要进一步寻求有效的解决方法。

(3)实际应用的热管技术含量低,把实验室的研究成果转化到实际应用还需要一段时间。(4)对中温热管研究比较多,对高温和低温的热管研究相对较少。3热管技术的发展方向

近年来热管开始朝着微型化、高效化发展。随着微型热管技术的出现,使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板

图1 微型热管

的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。进入21世纪,随着社会信息化程度的不断提高,IT产品得到迅速发展和快速普及,IT产品都在朝着高集成化、高速度化、高品质化、小型化、/绿色0化的方向发展,在提高CPU性能的同时,如何去解决散热上的高效率以及无风扇的问题,热管技术似乎给出一个很好的解决方案,于是它的目标又瞄准了IT行业这个巨大的市场。

热管的应用领域非常广泛,发展前景广阔。随着热管技术的不断发展,研发水平和制造工艺的不断提高,热管的应用在各类行业中将会占有非常重要的地位。参考文献

[1]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[2]庄骏,张红.2010年热管技术展望[J].化工机械,1998,

25(1):44-49.

[3]马同泽.热管[M].北京:科学出版社,1993.

[4]庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器[M].上海:上海交通大学出版社,1989.

[5]王礼建,任承钦,林清明,等.热管空气预热器在动力锅炉中的应用和分析[A].第八届全国热管会议论文集[C].成都:成都中国工程热物理学会热管专业组,2002:261-266.

[6]重庆大学热管科研组.热管基础及其应用[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1987.

[7]吴存真,刘光铎.热管在热能中的应用[M].北京:水利电力出版社,1993.

[8]李亭寒,华诚生,等.热管设计与应用[M].北京:化学工业出版社,1987.[9]Ch,iSW.热管理论与实用[M].蒋章焰,译.北京:科学出版社,1991.作者简介:逄燕(1971-),女,山东人,大学,工程师,从事热管技术的应用设计工作。

:修回日期:05

微电子模块散热器主要应用于计算机CPU芯片,小型功率模块、各种数字信号处理芯片。微电子模块散热器如图2

所示。

图2 微电子模块散热器

115粮食、蔬果储藏领域

利用热管技术可以迅速将大量堆放中产生的热量排到外部,降低内部温度,延长粮食、蔬果的储藏时间,改善储藏品质,该技术结构简单,加工容易,成本低廉,经济效益好,易于推广。2热管技术开发中存在的问题

(1)由于材料及技术局限问题,热管价格偏高。

(2)工业使用的时间不够长,应用面还不够广。尽管热管换热器在国内使用的最长时间已超过


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