超導熱管

熱管技術是世界第二次能源危機時（上世紀60年代）問世的先進技術，至今已有近半個世紀的歷史，起初被廣泛套用在宇航、軍工等行業，隨著技術的發展，而今廣泛套用於石油、化工、機械、印染、工業等餘熱回收領域。

超導熱管外形與常規熱管有相同之處，是將數十種無機熱超導體材料密封在管狀或片狀夾層物理的空隙中製成的傳熱元件，亦稱無機傳熱元件，於上世紀80年代由渠玉芝教授成功研發。

基本介紹

• 中文名：超導熱管
• 外文名：superconducting heat pipe
• 研發時代：20世紀80年代
• 特點：熱能利用率異常高、溫度分布廣
• 研發人：渠玉芝
• 套用：油氣集輸系統、環保節能

發展歷程

1944 年美國俄亥俄州通用發動機公司的研究人員在研究製冷問題時，構想一裝置由密封的管子組成，在管內液體吸熱蒸發後於該下方的某一位置放熱冷凝，在無任何外加動力的前提下，冷凝液體藉助管內的毛細吸液芯所產生的毛細力回到上方繼續蒸發，如此循環，達到熱量從一處傳到另一處的目的。當然這些工作也只是停留在初步研究和申請專利階段。

1963 年美國洛杉磯國家實驗室發明了類似的傳熱元件，並進行了性能測試實驗，後來又在美國的《套用物理》雜誌上公開發表了一篇論文，並正式將這一傳熱元件命名為熱管，指出它的導熱率遠遠超出任何一種已知的金屬，並給出了以鈉為液體工質，不鏽鋼為殼體，內部裝有絲網吸液芯的熱管的實驗結果，熱管這才為人們所知。

1965 年美國的科特首次提出了完整的熱管理論，為以後的熱管原理的研究工作奠定了基礎。

1967 年不鏽鋼——水熱管首次安置在軌道衛星上並運行成功，從而吸引了很多科學技術人員從事熱管的研究。

1974 年以後，熱管在節約能源和新能源開發研究方面得到了充分的重視，由熱管做成的換熱器來回收廢熱，並將其套用於工業以節約能源。

進入 20 世紀 80 年代後，世界各國的熱管換熱器研製工作迅猛展開；到 90 年代末期，為了降低熱管的生產成本、縮短熱管的設計周期、提高熱管的設計水平，特別是隨著熱管計算機輔助設計水平的發展，各大熱管生產廠家紛紛開發出了熱管計算機輔助設計的軟體，大大縮短了熱管的設計和開發周期，促進了熱管技術套用的發展。

超導熱管是渠玉芝教授於上世紀80年代研究成功的，是一種將數十種無機熱超導體材料密封在管狀或片狀夾層物理的空隙中製成的傳熱元件，亦稱無機傳熱元件。

工作原理

美國斯坦福研究院通過大量實驗，用排除法對超導熱管的熱傳送方式進行了研究，對以下兩種假說進行了否定：

常規熱管的工作原理

1、否定了渠氏超導熱管即是常規熱管的假說。

超導熱管內沒有任何氣體，也沒有足夠的物質，無法按常規熱管的傳熱方式進行分子的熱傳導。並且，超導熱管可以在很大的溫度變化範圍內工作，而常規熱管無法做到。因此，超導的傳熱媒介被視為是在熱傳導技術上很有潛力的突破。

2、否定了渠氏超導熱管內有核反應，是電子傳熱或中子傳熱的假說。

用r射線檢測儀和中子探測儀檢測運行中的渠氏超熱導管，結果發現以中子流和r射線形式所發射的輻射總量和直徑相同的鋼管被加熱時產生的輻射總亮相等，且低於以自然環境為背景的輻射量。

因為r射線是正、負電子湮滅時發出的能量形式，所以這一檢測同時也否定了電子傳熱的假說。

由發明家本人證實，超導熱管內沒有化學反應發生，只有物理變化發生。因此，目前關於超導熱管的熱傳送方式，尚存超導熱管依靠管內微粒子波的形式振動的假說。這種波具有波的性質，有反射、折射、衍射的特性，但不同於波浪和弦的振動，科學界稱其“波包”。

超導熱管被加熱時微波粒子被激發，振動速度和振幅加大，但波的傳播速度是不變的，這種波速是與無線電波和光波的速度同級別的，以此來解釋超導熱管的奇異特性，是可以說通的。

異同

超導熱管與常規熱管異同

導熱係數

超導熱管的導熱能力遠遠超過常規熱管，在所有固體中，金屬銀是最好的熱導體，常規熱管的導熱係數是銀的200-3000倍，而超導熱管可達到銀的32000倍。

常規熱管的熱流密度極限（導熱能力的技術指標）為0-4000000w/m²，而超導熱管經國內外多次測試，均因熱源功率不足而無法測出這個極限，也就是說，在目前條件下給超導熱管輸人多少熱量，它就能輸出多少熱量，暫時還未能找到它的熱流密度極限。

等溫特性

常規熱管和超導熱管都具有等溫特性，但即使加熱端與遠端溫度大致相同，常規熱管遠端比加熱端一般要低3-5℃，而超導熱管遠離端的溫度反而高出加熱端3-5℃。

使用條件

熱管安裝：常規熱管介質依靠重力和熱對流運動，使用時基本上要垂直或適當傾斜安裝。而超導熱管不受此限制，可以水平安裝，管可以向下彎曲。

導熱方向：常規熱管的導熱方向從上向下。而超導熱管的導熱方向不受限制，甚至有從下向上導熱的情況（例如，青藏公路防止凍土災害的熱棒即屬此種）。

青藏公路兩旁的熱管

環境條件：常規熱管在零下30℃會凍裂，高於800℃則基本不能使用，其高溫限由傳熱介質的承受能力決定。而超導熱管在零下70-1700℃環境都能運行，其高溫限是由管材料決定的，金屬不能承受的溫度，可用耐熱的陶瓷、玻璃製成管件。

使用壽命

常規熱管因為傳熱介質與管材不能長期相容，運行中會產生不凝性氣體，積累到一定程度熱管會失效，甚至爆管。一般使用壽命為1-2年，個別使用溫度不高時也有用6-7年的。常規熱管最怕外表面積灰、積水垢，需要定期清灰、除垢。

超導熱管的使用壽命可長達10年以上。可能因為內部介質高頻振動，超導熱管在熱水中不易積垢，而在鍋爐爐膛中的超導熱管因為沒有翅片，積灰也難，一旦積灰，清灰容易。

例如：我國包頭鋼鐵公司使用的一台以超導熱管為換熱元件的空氣預熱器，已經運行了五年，性能未見任何下降；美國斯坦福研究院所做的超導熱管的長期試驗連續工作了1400多天，自動記錄儀顯示，加熱器遠端與近端的溫度差保持不變。