文 献 综 述

0 前言

苯是在化工工业中有着非常重要地位的有机化工原料。石化行业中主要通过加氢循环工艺制苯，常常用管式加热炉作为制苯工艺过程中的高温加热、反应设备。管式加热炉是在石油炼制、石油化工和化学、化纤工艺装置等中有着非常重要地位的石化加热炉。但是，未进行烟气余热回收利用的管式加热炉排烟温度很高，炉子热效率很低，为响应国家节能减排的倡议，本课题考虑利用加热炉烟气的余热来加热空气回炉子助燃，达到节能效果。

本课题采用热交换技术的余热回收方式。通过比较板式换热器、管式换热器等传统结构换热器和热管换热器的结构特点，决定采用热管换热器作为烟气余热回收利用的换热设备。热管具有导热性能优良，传热系数高，等温性良好、热量输送能力强、可控制温度、冷热两侧的热流密度可调、无需外加辅助动力设备、可远距离传热等优点。在了解热管研究发展历程以及热管换热器的应用之后，决定采用结构最为简单、制作方便的两相闭式热虹吸管（重力热管）作为热管换热器的换热元件。

针对重力热管，本课题通过试验研究、设计了其强化传热的方式：管外采用螺旋翅片等结构来有效提高换热系数，管内工质选择纳米流体。相较于传统的纯液体工质及在液体中添加毫米或微米级固体粒子，纳米粒子提高传热能力更显著。本课题通过了解纳米粒子在强化传热方面的研究进展，选用相比于其他纳米粒子具有更大的强化传热潜力的水基碳纳米管作为工作液体，提高热管的传热能力。

1 苯的生产工艺流程

随着现代科学技术和化工工业的飞速发展，苯在各种生产中的市场需求量愈来愈大。苯（C₆H₆）是一种重要的有机化工原料，它的工业用途非常广泛，以苯作为原料可以合成超过二百五十种的有机化学品。苯可以作燃料，同时是合成药物、合成树脂、合成橡胶、合成纤维、塑料、农药和染料等的重要原料，也是橡胶、涂料、胶水等的溶剂^[1]。工业上，苯的生产工艺有多种，主要是以石油催化重整的重整油为原料，采用加氢工艺生产的。还有小部分苯是通过甲苯歧化、甲苯加氢脱烷基化以及焦化工艺等生产而得。根据加氢精制工艺中加氢系统和蒸馏系统的配置不同，加氢工艺主要可分为莱托（Litol）法和K.K法^[2]。

现以莱托（Litol）法为例说明苯的加工工艺过程（见图1）：粗苯通过预蒸馏得到重苯和轻苯，轻苯是作为加氢原料。在较低温度下（220～250℃），预反应器把高温状态下易聚合的苯乙烯等同系物进行加氢反应，防止其在主反应器内聚合，使催化剂活性降低。加氢裂解、脱烷基、脱硫等反应先后在两个主反应器内进行。由主反应器排出的油气经冷凝冷却系统，一部分分离出加氢油液体，而另一部分分离出的氢气和低分子烃类在脱除H₂S后分为送往转化制氢系统制取氢气和送往加氢系统。经稳定塔对加氢油进行加压蒸馏并除去非芳烃和硫化氢后经白土塔（活性白土主要成分为Si0₂-Al₂O₃）吸附除去少量不饱和烃。加氢油经净化后，在苯塔内精馏分离出纯苯和苯残油（苯残油返回轻苯贮槽，重新进行加氢处理）。

莱托（Litol）法加氢反应催化剂选用Co-Mo和Cr₂O₃-Al₂O₃，反应温度为600～650℃，操作压力为6.0MPa。K.K法加氢反应催化剂选用Ni-Mo及Co-Mo，反应温度为340～370℃，操作压力为2.4～3.0MPa^[2]。可见上述制苯加氢工艺是在较高的反应温度条件下进行的，因此工艺流程中不可避免将涉及加热炉的设计和应用。

图1 莱托（Litol）法苯生产工艺流程

2 加热炉

一个在用耐火材料包围的燃烧室中利用燃料燃烧产生的热量将物质（固体或液体）加热的设备叫做加热炉或炉子^[3]。工业上有许许多多各式各样的炉子，如石油化工工艺炉、冶金炉、热处理炉、窑炉、焚烧炉和蒸汽锅炉等。

2.1 石化加热炉

石油化工加热炉是生产过程中的高温加热设备、高温反应设备。常用的石化加热炉的形式有：管式加热炉、有机热载体炉、火筒式直接加热炉、水套炉、相变加热炉等^[4]。本设计选用在石油炼制、石油化工和化学、化纤工艺装置等等中有着非常重要地位的火力加热设备，管式加热炉。

管式加热炉炉膛中，燃料通过燃烧产生火焰和温度很高的烟气，以此作为高温热源加热在炉管中流动着的油品，达到工艺规定的用以分馏、裂解等反应的温度，为油品提供所需热量，保证工业生产的正常进行^[5]。石油化工管式加热炉的主要特征有以下几点：因为是直接受火的加热方式，故而加热温度高、传热能力大；在管中流动的被加热物质仅限于气体和液体（通常都是易燃易爆的烃类物质），比加热水和蒸汽的锅炉危险性大、操作条件相比更为苛刻；管外的燃料只使用气体或液体燃料；属于长周期连续运转，操作管理方便。

管式加热炉按外部炉型结构的差异分为箱式炉、立式炉、圆筒炉和大型方炉。管式热加炉按用途分为纯加热炉和加热反应炉，常压炉、减压炉等。纯加热炉是原料在炉内只有加热、汽化的作用，焦化炉、裂解炉等加热反应炉是原料在炉中有一定的停留时间以进行焦化、裂解等反应。管式加热炉按照传热的方式可以分为辐射式、对流式和对流辐射式三种。按照燃烧方式可以分为火焰式和无焰燃烧式。

管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧及通风系统五部分组成，如图2所示。其结构通常包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等^[3]。

图2 管式加热炉的一般结构

管式加热炉被加热流体吸收到的热量占供给炉子的能量的百分比是炉子的热效率，热效率是衡量管式加热炉先进性的一个重要指标。排烟损失在管式加热炉的热损失中占有极大的比例：当炉子的热效率较高（例如为90%）时，排烟损失占总损失的70%～80%；当炉子热效率较低（例如70%）时，排烟损失占总损失的比例高达90%以上^[6]，因此充分回收利用加热炉的余热资源、减少排烟损失能够有效地提高管式加热炉的热效率。

2.2 动力加热炉（动力锅炉）

动力锅炉广泛应用于工业厂房、办公楼、居民楼和商业中心等等。锅炉是一个封闭有压或真空的容器，在这个容器中水或其他液体被加热，从而产生蒸汽或蒸气。蒸汽可用于发电、供热以及各种各样的工艺过程中；热水可用于建筑物采暖，可被饮用或用于工艺流程中^[7]。根据美国机械工程师协会（ASME）出版的《锅炉和压力容器设计规程》（The Boiler and Pressure Vessel Codes），锅炉可以分为两类：动力锅炉（高压锅炉）、采暖锅炉（低压锅炉）。

根据燃料的种类不同可将锅炉分为燃气锅炉、燃煤锅炉、燃油锅炉和电热锅炉。根据用途不同可以分为发电用动力锅炉、工业锅炉、蒸汽采暖锅炉、热水采暖锅炉、热水供应锅炉和热水加热器。根据管子的类型可以分为燃烧产物通过管内的火管锅炉、水在管内流动的水管锅炉和不用管子作为水或燃烧产物的通道的无管锅炉。广义上的动力锅炉是高压锅炉，还包括高温热水锅炉、小型锅炉、电热锅炉和有机流体蒸汽发生器^[7]。

燃气锅炉中热水锅炉排烟温度一般在130℃以上，蒸汽锅炉一般在200℃以上，部分甚至可高达300℃，浪费了大量的热量。这些烟气所携带的热量属于低温余热，主要包括两部分，一是不可凝结气体的显热，再就是烟气中水蒸汽的潜热^[8]，为此为倡导节能减排，我们要充分利用从锅炉排出而未被利用的余热。

2.3 冶金加热炉

在冶金工业中，加热炉是将物料或工件（一般是金属）加热到轧制成锻造温度的设备（工业炉），是钢铁生产过程中不可缺少的热工设备。它是按生产节奏加热送进炉子里的钢坯直到轧机要求的温度，同时均匀加热，避免过热和过烧现象，为轧机提供优良加热质量的钢坯。连续式的加热炉在现在的钢坯生产中应用最广，它是将形状大体相同、规格一致的钢坯从炉子的进料口送入，一直移动、加热，直到达到轧机要求的温度同时移动到出料口^[9]。加热炉分为连续加热炉、室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉^[2]。

因为热加工产品种类繁多，在轧钢生产中对加热工序的不同要求，加热炉有多种分类方法^[10-13]。按照燃料种类可以分为燃气加热炉、燃油加热炉、燃煤加热炉、混合燃料加热炉和电加热炉。按照区段可以分为两段式、三段式和多段加热炉。按照加热炉钢坯的运行方式可以分为步进式、推钢式、转底式、斜底式、链式、辊底式以及环形加热炉等类型。步进式加热炉是我国目前最广泛应用的冶金加热炉，其结构示意图如图3所示^[14]。

图3 步进式加热炉结构示意图

国内工业炉窑效率都比较低下，主要原因是排烟温度高。国内曾对冶金工业的202座加热炉开展能耗水平的调查，结果显示有8%的加热炉排烟温度高于900℃，51%的在700℃到900℃之间，而小于700℃仅有40%，平均烟气余热损失达到32%^[8]。

3 余热及其回收利用方式

3.1 余热

余热资源属于二次能源，是一定经济技术条件下在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。用于冶炼、加热、转换等工艺过程后的煤炭、石油、各种可燃气等一次能源都会产生各种形式的余热。按照温度品位工业余热一般分为高温余热（600℃以上）、中温余热（300～600℃）和低温余热（300℃以下）；按照来源分工业余热又可被分为烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、化学反应热、高温产品和炉渣余热，以及可燃废气、废料余热^[15]。

总的而言烟气余热量很大，温度的分布范围比较宽，所占比例超过工业余热资源总量的50%。并且分布的行业广泛涉及机械、化工、冶金、电力、建材等，各种内燃机、加热炉、锅炉和冶炼炉都有大量的排出烟气，节能潜力大，是余热利用的主要对象。而烟气的排放一方面排出的烟气造成对环境的直接污染，另一方面排出烟气中大量的余热对能源利用造成严重的浪费。在国家大力倡导”节能减排”能源利用政策的大环境下，提高加热炉效率、减少加热炉排污量就变得非常重要^[16]。余热回收利用是提高经济性、节约燃料的一条重要途径，为了节约能源，应最大限度地利用废气余热。

管式加热炉是炼油生产装置中的主要设备之一，也是炼油生产装置的耗能很大的装置^[17]。从炼油综合能耗的组成看，燃料油和燃料气消耗仍占第一位。因此，开发节能加热炉对于企业节能是重要的环节^[18]，同时也必须充分利用加热炉燃料燃烧后尚未利用到的余热。

3.2 余热回收利用技术

由于工业场地及环境、加工工艺流程等固有条件的不同，设备型式的多样化，工业上余热回收利用方式是多样的，有窑炉蓄热室，低温汽轮机，余热锅炉，空气预热器等等。按照余热能源在利用过程中能量的转移和转化的特点，我们将目前国内的工业余热利用技术分为热交换技术、余热制冷制热技术和热功转换技术^[15]。

余热制冷制热技术分为：利用吸收式或吸附式制冷系统的余热制冷、利用热泵技术的余热制热^[15]。而对于大量存在的中低温余热资源，我们是利用热功转换技术来提高余热品位回收工业余热的。热功转换技术按照工质不同可分为以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点工质的有机工质发电技术。目前主要的工业应用以水为工质，以余热锅炉 蒸汽透平或者膨胀机所组成的低温汽轮机发电系统，该技术被称为低温余热汽轮机发电技术^[19-20]。

本设计中的余热回收利用技术采用热交换技术。因为热交换技术是回收工业余热最经济、直接、效率较高的方法。它是通过换热设备将余热资源直接转移到本设备或本工艺流程中来降低一次能源的消耗并且可以尽量减少能量转换次数。工业中常通过换热器回收余热加热助燃空气、燃料、物料或工件等，或通过余热锅炉或汽化冷却器将高温烟气生成蒸汽热水用于工艺流程。

4换热设备的分类及选择

本设计是通过换热设备，利用烟气的余热对空气进行加热并回加热炉中助燃，达到节能效果。传统结构的换热器通常按作用原理及其特点等分为：直接接触式换热器（又称混合式换热器）、蓄热式换热器（又称回热式换热器）、间壁式换热器（又称表面式换热器）和中间载热体式换热器等^[21]。其中间壁式和蓄热式换热器是工业上余热回收常用的设备。此外常用于工业余热回收的换热设备还包括余热蒸汽发生器（余热锅炉）、热管换热器等。

（1）间壁式换热器：间壁式换热器可分为管式换热器、板式换热器和其他型式换热器。管式换热器（可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器、管壳式换热器等）结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度；在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。板式换热器（可分为螺旋板式换热器、板翅式换热器、板式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器）结构特点可强化传热；采用板材制作，大规模生产时可降低设备成本，但耐压性能比管式换热器差。管式换热器和板式换热器虽然工业上应用比较广泛，但是热回收率还是比较低的，其中管式换热器的热回收率为26%~30%，而板式换热器为28%~35%^[22]。

（2）蓄热式换热器：蓄热式热交换设备是间歇操作的冷热流体交替通过蓄热元件进行热量交换的设备，适宜回收间歇排放的余热资源（多用于加热空气或物料等高温气体介质间的热交换）^[15]。蓄热式热交换系统可分为相变潜热储能和显热储能。显热储能系统的换热设备有回转式换热器、炼铁高炉的蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室等，但是显热储能的蓄热不能恒温、储能密度很低等问题造成在工业余热回收中有一定的局限性。相变潜热储能设备是利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存传递能量，储能密度较大，热量输出稳定，换热介质温度基本恒定，从而能使换热系统运行状态稳定。但相变储能的高温相变材料和中低温相变材料分别广泛应用适合于450~1100℃及以上的高温余热回收和适用于主要是结晶水合盐或有机物的低温余热回收。

（3）余热锅炉（蒸汽发生器）：采用蒸汽发生器回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近 80% 的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能效果显著^[15]。

（4）热管换热器：热管导热性能优良，传热系数比传统金属换热器高近一个量级，还具有良好的等温性、热量输送能力强、可控制温度、无外加辅助动力设备、可远距离传热等一系列优点。实际应用中用于工业余热回收的热管使用温度在50～400℃之间，同时锅炉或炉窑的空气预热器可用于固化炉、干燥炉和烘炉等的热（废蒸汽）的回收 ^[23]。本设计选择热管换热器进行余热回收。

5 热管的发展与热管换热器

5.1 热管技术及其发展

20世纪40年代，热管的概念是由美国俄亥俄州通用发动机公司（The General Motors Corporation, Ohio, U.S.A）的R.S.Gaugler^[24]首先提出来的。

20世纪60年代，美国Los Alamos国家实验室的G. M. Grover重新独立发明和测试了类似于Gaugler提出的换热元件，并正式将此传热元件命名为热管”heat pipe”，指出热管具有远远超过任何一种金属的热传导性，使得热管得到广泛认识，引发了热管装置的飞速发展^[25]。

在1965年，Cotter^[24]首次提出了较完整的热管热传导理论，为以后热管理论的研究奠定了基础#8212;#8212;热管是一个具有一定真空度并且在管内装有一定量能汽化液体的密封容器。如图4所示，从纵向来看热管可以分为蒸发段（吸热段）、绝热段和冷凝段（放热段）。管内的工作液体在蒸发段吸热沸腾后汽化，蒸气带着大量的热能进入冷凝段，然后凝结放热，把大量的热量传递给冷凝段的冷流体。工质完成了把能量从加热段输送到冷凝段后，以液态形式在吸液芯结构毛细泵的抽吸作用下重新返回加热段，如此循环，这就是热管的工作原理。由于热管利用的是工程热力学和传热学中相变潜热的吸收和释放的两个最强烈的过程，所以热管能够高效率地传递热能，成为一个高效率的传热元件^[26]。

图4 热管的工作原理示意图

1966年Katzoff^[27]发明了有干道的热管。干道让液体从冷凝段到蒸发端有一个较小的压力降通道，很大程度地提高了热管的传输能力。

1967年，一根用电加热的水-不锈钢热管首次被送入地球卫星轨道并成功运行^[24]。

1969年，Turner和Bienert^[27]提出了能够恒温控制的可变热导热管。Gray^[28]开始研究旋转热管，热管技术有了重大的进展。

1970年，美国开始有部门进行商品热管的供应，与此同时，热管的应用也慢慢地从宇航范围延展到了地面上。值得一提的是，在横穿阿拉斯加输油管线的工程中， 112000余根长9~23m的热管被顺利应用上，并且保证了地面的永久冻土层^[29]。

1974年之后，在节约能源和新能源开发等方面，热管得到越来越多的重视。用热管组成的换热器用以工业上的废热回收得到越来越多的应用，特别是在这方面所取得的进展最为显著的美国和日本。

1980年美国Q-Dot公司和日本帝人工程公司分别研制出气-液热管废热锅炉^[30]和锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。之后，热管研制工作在各个国家间迅猛地展开，相继出现了回转式、分离式等新的结构型式的换热器，并且日趋工业化、大型化。

图5 热虹吸管示意图

1981年，Shiraish等提出了更加简明的竖直两相闭式热虹吸管的传热模型（重力热管），如图5所示。重力热管也是利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力而工质自行循环。但与普通热管不同的是重力热管管内没有吸液芯，由于这一重要特点，重力热管和普通热管相比较，不仅热阻小、热响应快、结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、没有毛细极限的传热限制、工作可靠^[31]，因此在地面上的高精度均温炉、机载雷达、行波管、电子设备的散热和温控以及余热回收^[32]、空调制冷^[33]等各类高效传热设备中都得到了成功的应用 ^[34]。

1984年Cotter较为完整地提出了关于微型热管的理论与展望^[35]，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。具有结构灵活、应用面广及小温差下可远距离传递更大热量的特点，毛细泵回路CPL （Capillary pumped loops）和回路热管系统LHP（Loop heat pipe systems）渐渐引起了热管研究人士的广泛关注，成为理论研究和应用研究的热点。

1990年，卫红等^[36]考虑了摩擦切应力的影响，并对圆形重力热管的层流膜状凝结进行了理论分析及实验研究。

1994年，张鸣远等^[37]考虑了上升蒸气流速夹带液滴对冷凝段换热系数的影响，并且在此基础上探讨了修正方法。

1997年，Mohamed和Hamed^[38]以Nusselt模型为基础，将模型分为层流和湍流两种，并且对气液界面的剪切应力进行了修正，提高了模型的精度。

1999年，赵虎军等^[39]通过建立重力热管中冷凝段的传热控制方程，求解出重力热管冷凝段平均换热系数的公式，并给出检验冷凝段液膜是否为层流的雷诺数表达式。

2004年，孙世梅等^[40]基于微层蒸发强化传热理论，对热虹吸管内部设置分流管结构强化沸腾传热机理进行了分析，建立了分流管强化热虹吸管内部沸腾传热模型，并通过大量试验研究验证了理论分析的正确性；同时对热管换热器能量控制方程采用有限差分法进行了数值模拟计算，计算结果与试验结果吻合良好。

2007年，Liushi等^[41]将重力热管划分为七个控制容积，分别是底部的液池、蒸发段的蒸汽核区和回流液体层区、绝热段和冷凝段等。

2009年，何曙，夏再忠，王如竹等人^[42]对带内循环管的新型重力热管的传热传质和热传导性能展开了详细的研究和分析，并与常规重力热管的性能进行了广泛对比，结果表明，新型重力热管蒸发段的导热系数和相当导热系数分别提高了l1.5-13倍和356-563倍。

2010年，焦波等^[43]得出重力热管传热性能主要取决于蒸发段内液膜与液池的分布形式和换热过程，利用其中较完善的理论结果，总结了两者的换热机理分布图，通过计算传热系数的比值，发现在满足管内气液循环条件下，增加蒸发段内液膜段长度可以提高热管传热性能。

2011年，曹双俊^[44]提出了一种新型结构形式的重力热管换热器，与常规重力热管相比，新装置可以方便地安装翅片结构，使其换热效果增强。开展对其传热性能的测试工作及研究，实现热能高效回收利用，具有重要意义。

2013年，王鑫煜^[45]以内螺纹重力热管为研究对象，研究在不同实验条件、不同内螺纹分段布置、不同工质下的内螺纹重力热管传热性能，并与光滑重力热管的传热性能作对比，深入探究内螺纹重力热管的强化传热机理。实验发现内螺纹能够很好地强化重力热管的启动特性和稳态特性。

2014年，陈爱华，李菊香，涂善东等人^[46]对稠油开采等过程中使用的单支超长重力热管由于结构所限存在的可靠性极低的问题，提出了接力式重力热管系统的概念。结果表明，接力式重力热管系统能完成热量的接力传递，其总体传热性能弱于单支超长热管，但弥补了单支超长热管可靠性极低的不足。

郭青，郭航，闫小克，叶芳，王雪娇，马重芳等人^[47]采用55%钾 45%钠配比的钠钾合金热管，实验研究了倾角对重力热管启动特性的影响，并获得了外壁温分布曲线。结果表明该热管启动特性良好，倾角的增加不仅使冷凝段温度上升更有利于热管的启动。

2015年，战洪仁，李春晓，王立鹏，吴众，张海松等人^[48]使用 Fluent6.3 选用 VOF 多相流模型对汽液两相流进行数值模拟，经计算得到的壁面温度与实验测量值相一致，表明通过编写UDF程序及选取多相流模型（VOF）建立的数值模型可以对管内流体的蒸发冷凝进行模拟。

5.2 热管换热器

总体而言，热管具有以下几点特性：（1）高效的导热性：主要靠工作液体相变传热，热阻很小；（2）优良的等温性：工作状态的热管内腔蒸气处于饱和状态，从蒸发段到冷凝段之间的蒸气压降很小，所以温差也很小；（3）热流密度可变性：改变蒸发段或冷凝段的工作面积可改变热流密度；（4）恒温特性：可变导热管能改变热管各段之间的热阻，因此当热源温度发生变化时，热管整体温度变化极小。（5）环境的适应性：热管的形状可以随工件的不同而变化设计。

本设计中热管换热器的换热元件选用最为简单地两相闭式热虹吸管（重力热管）。热管换热器是以封闭热管作为传热元件的，其中热管理论是热管换热器的关键理论基础。热管式换热器结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的温差下，具有极高的传热能力；通过材料的适当选择和组合，可用于大幅度的温度范围，如从-200℃～ 2000℃均可应用；一般没有运动部件，操作无声，不需要维护，寿命长；输热效率高，可达90%。热管换热器结构形式复杂多变，用途广泛；如作传送热量、保持恒温、当作热流阀和热流转换器等；热阻极小，热流密度极高，在温压较小的情况下也能满足换热量大的需要，可克服常规换热器的缺陷；特别适用于工业尾气余热回收的换热设备。

6 强化传热的方式

考虑强化传热的方式，使本设计在满足经济的条件下也能满足工业生产的要求。一般而言，强化传热主要根据换热设备稳定传热时的传热方程式：Q=KAΔT进行考虑，其中K是表征传热过程强弱程度的传热系数，单位是W/（m²℃）；A是换热面积，单位是m²；ΔT是热流体与冷流体的平均传热温差，单位是℃。因此传热强化的主要方式有：增大平均传热温差、增大换热面积、提高传热系数^[21]。

（1）增大平均传热温差：ΔT是传热过程的推动力，由冷、热流体最大无相变温差决定，在一般生产工艺中已经确定。当冷流体和热流体进出口温度一定时，可利用不同的换热面布置改变平均传热温差、采用逆流、多股流动换热等。也可以扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差。但是，此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围内采用。

（2）增大换热面积：采用小直径换热管，在同样金属重量下总表面积增大；改进传热面结构，设法提高单位容积内设备的传热面积，即扩展表面换热面，既可增加换热面积，又能提高传热系数。

（3）提高传热系数：①有功传热强化。应用外部能量达到传热强化，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术；②无功传热强化。不需外部能量，而是利扩展表面，既能增加传热面积，又能提高传热系数^[21]。

6.1 管外强化传热方式

可以采用几种强化传热的换热元件，比如采用可以提高传热系数的槽管，在圆管及圆形通道内可以形成扰流结构，改变流体的流动结构，增加近壁区的湍流度，提高流体和壁面的对流传热膜系数。也可以采用可以提高传热面积和提高传热系数的翅片。本设计采用螺旋翅片对热管进行强化传热。

6.2 管壁内表面处理强化传热和管内设置内插件强化传热^[49]

通过机械加工、烧结等方式来改变重力热管的管壁内表面粗糙度，或者改变工质与管壁间的接触作用，从而改变蒸发段和冷凝段的传热热阻来改善重力热管的传热。管壁内表面处理主要分为四种方法：烧结多孔材料、犁削微槽道、附加网芯、改变管壁材料。

重力热管管内工质气液两相流动方向相反，彼此间往往会发生携带现象，这就限制了重力热管的传热能力。为此，国内外的学者提出在重力热管内设置内插件来减少气液两相间的作用力，从而改变重力热管的传热效率，提高重力热管的传热极限。内插件形式主要有：抑泡孔管、内插管、分流管、内循环管、导流装置。

7热管工质强化传热

7.1 一般工质的选择

热管是通过管中流动的工质来进行热量传递的，因此管中流动的工质的物性特性对热管传热有着重要影响。若采用一般工质一般应考虑：①工质应在所选热管的工作温度范围内，有一定的饱和蒸汽压；②工质与壳体等材料有一定的相容性和有良好的热稳定性；③工质综合热物理性质良好；④工质廉价易得可批量化生产、无毒、对环境无害等。

图6列出了可作为热管工作液体的熔点、沸点、临界点（线段上的垂直短线）的温度范围，依次考虑饱和压力、价格、热稳定性、有无毒性等各方面的情况，加以对比，选出合适的热管工质^[50]。

图6 工质的熔点、沸点、临界点的温度范围

7.2 纳米流体的选择

一般而言，提高液体的导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得许多。自从Maxwell理论发表以来，许多学者进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起磨损、堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。

随着纳米材料科学的迅速发展，自九十年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。同时纳米流体由于小尺寸效应和布朗运动，悬浮稳定性比传统的添加微米或毫米固体粒子的更好，比传统的纯液体工质及在液体中添加毫米或微米级固体粒子更适于实际应用^[51]：（1）与纯液体相比，纳米颗粒在流体中的无规运动使层流底层受到破坏，湍流强度增强，传热热阻减小，传热得到强化。（2）纳米粒子与液体的表面积远大于毫米或微米级粒子的表面积，同时由于固体的导热系数较大，加入纳米粒子可增加液体的导热系数，二者共同作用增强了传热。（3）纳米粒子的小尺寸效应，使得其行为更接近于液体分子，纳米粒子强烈的布朗运动能有效地阻止纳米粒子的凝集和沉降，在高温条件下，纳米粒子的悬浮有助于纳米流体强化传热^[52]。（4）Hu和Dong^[53]研究表明，悬浮液中的纳米粒子在流动时流动摩擦阻力系数减小了有可能起到润滑的作用。

7.3纳米流体强化传热研究进展

1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等^[54]率先提出了纳米流体的概念：纳米流体是指将粒径小于100nm（至少一维）的金属、金属氧化物或非金属纳米粒子分散在普通流体（水、油、乙二醇等）中而构成的悬浮液，并要求悬浮液必须均匀、稳定而且能持久，纳米粒子不与传热流体发生化学反应，且纳米粒子不易团聚。

1997年，Choi和Eastman^[55]等人分别测试了Cu-水，Cu-机油，Al₂O₃-水，SiO₂-水，TiO₂-水等纳米流体的导热系数。实验结果显示，以不到5%的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子而形成的纳米流体导热系数比水提高60%以上。

1999年，Wang^[56]、Lee^[57]等将纳米SiC粉、Al₂O₃粉、Cu粉以及TiO₂粉加入水、醇或机油中后形成的悬浮液并分别测量了热导率。结果显示，纳米粉体悬浮液的热导率较一般流体有了很大的提高。Tsai C Y等^[58]最早将纳米流体应用于热管中。

2000年，宣益民、李强^[51]对纳米流体的悬浮稳定性和均匀性进行了研究，运用瞬态热线法测定了不同种类、不同体积份额配比的纳米流体的导热系数，分析了纳米粒子属性、份额、形状和尺度等因素对纳米流体导热系数的影响。

2005年，彭玉辉、黄素逸、黄锟剑^[59]研究了纳米流体热虹吸管蒸发段的传热性能，发现这种热虹吸管具有良好的启动特性，低的管壁温度，而且换热性能提高了47%-96%，轴向热流率提高了7.6%-15%。其换热性能随纳米颗粒粒径的减小而提高，随纳米颗粒加入量有所增加，当超过5wt%时换热性能反而降低了。

2006年，薛怀生、樊建人、胡亚才等人研究了碳纳米管充装的重力热管的沸腾特性，发现碳纳米管悬浮液重力热管的起沸温度、温度漂移及蒸发段管壁温度比水管高，且热阻增大，换热性能恶化。因此用作工质或是冷却剂的流体必须具备良好的导热性能，同时也要考虑沸腾传热的情况^[60]。

2006年，黄素逸、李中洲等人在不同4根水管中分别加入了ZnO，SiO₂，Al₂O₃和TiO₂纳米粒子，与一根普通热管进行对比试验。纳米热管比普通热管启动速度快，管壁温度低，换热性能好。加入的纳米粉的尺寸越小，热管的换热性能越好。在一定范围内，纳米粉加入的量越多，热管换热性能越好，但是超过一定量后，会使热管换热性能变差^[61]。

2007年，郭广亮、刘振华等人对水基多壁碳纳米管悬浮液强化小型重力型热管换热特性进行了实验研究。碳纳米管悬浮液质量分数为0.1%~3%，热管运行压力为7.45、12.38和19.97 kPa。实验发现，用质量分数为2.0%的碳纳米管悬浮液替代去离子水后，热管蒸发段换热性能大幅度提高，临界热通量最大提高了120%（如图7所示）。热管运行压力对蒸发段沸腾传热系数有明显影响，压力越小，碳纳米管悬浮液对沸腾换热特性的强化作用越显著。壁面热通量对蒸发段沸腾换热特性也有明显影响，低热通量时碳纳米管悬浮液的强化换热作用不明显，到高热通量时，其强化换热作用显著^[62]。

图7 碳纳米管悬浮液浓度对传热系数的影响

2008年，洪荣华、郑立国等人采用了阿拉伯胶分散法制备了碳纳米管-水纳米流体，以其为工质在以铜为管壳的一种新型重力热管内进行了传热实验研究。实验发现，碳纳米管-水纳米流体的导热系数比基液增加了30%-50%，导热能力明显增强。且此纳米流体黏度低，流动性好，制备过程也相对简单，可批量生产。纳米流体的稳定性在加热段沸腾换热下，影响不大，实现了纳米流体与重力热管的优势互补。研究的纳米流体重力热管的内热阻比水小，并且随着传输功率的提高，热管总热阻逐渐减小，传热性能逐渐提高^[63]。

2010年，向军、李菊香在相同条件下，研究氧化铜-去离子水纳米流体重力热管与去离子水重力热管在启动性、等温性方面的差异。同时研究充液率和颗粒浓度对热管的工作特性的影响。实验得出最佳浓度为5%，最佳充液率为44.3%，且纳米悬浮液的传热强化率为16.19%-146.27%^[64]。

图8 质量分数对沸腾换热系数的影响

2011年，刘振华、杨飞雪对回路型重力热管蒸发段中氧化铜-水纳米流体的沸腾传热特性进行了试验，分别讨论了纳米颗粒的质量分数，工作压力等参数对沸腾换热系数和临界热流密度的影响。结果表明：基液中添加适当浓度的纳米颗粒可以同时强化沸腾换热系数和临界热流密度。工作压力对沸腾换热系数有显著影响，而对临界热流密度的影响十分微弱。热管蒸发段的临界热流密度随浓度的增加而增加，在浓度大于1.0%后保持稳定。如图8可知沸腾换热系数也随浓度的增加而增加，在浓度大于1.0%后反而逐渐降低^[65]。

2013年，周根明，周少华等对去离子水和不同浓度、充液率的氧化钛-水纳米流体重力热管进行对比试验。发现纳米热管相对普通水管启动温度低、启动时间短且蒸发段与冷凝段温差小。在充液率为50%-70%间，热管蒸发段启动时间随着充液率增加而增加。热管倾斜角小时，启动性能差^[66]。

2014年，宣益民^[67]围绕纳米流体的导热强化机理、流动与对流换热机制、能量传递的调控方法、传质特性以及应用技术等方面，系统介绍了纳米流体能量传递的基本特性和理论分析方法，重点剖析了纳米粒子微运动及微扰动对纳米流体能量传递过程的作用机制，介绍了纳米流体在高热流密度强化传热和太阳能等可再生能源利用领域的应用技术。

目前，预测纳米流体传热导热性的理论模型可以分为以下两个：一个是假设纳米粒子在基液中是稳定的，传热是由于热传导而建立的”静态模型”，另一个是基于在基液中的纳米粒子具有随机运动而建立的”动态模式”^[68-70]。

经常报道研究的纳米粒子有金属纳米粒子（Al、Fe、Cu、Ag、Au）、碳纳米管、非金属纳米粒子（Al₂O₃、Fe₃O₄、CuO、TiO₂、SiC）和纳米液滴，常用的流体基液有水、机油、乙二醇、丙酮、甲苯等，其热导率如表1所示^[71]。

表1 纳米流体常用添加物和基液的热导率

碳纳米管是已知热导率最高的材料，常温下为铜的80倍，相比于其他纳米粒子具有更大的强化传热潜力^[72]，故本设计的工质采用水基碳纳米管纳米流体。

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