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余熱利用

低品位余熱利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀、困境 和新策略

  0 引言
 
  能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。但2008 年金融危機(jī)為世界能源市場(chǎng)帶來(lái)了一場(chǎng)巨大的考驗(yàn)，受其影響，全球一次能源需求增速放緩。現(xiàn)行能源政策受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，如不加以改觀，到21 世紀(jì)末全球氣溫可能上升6℃，為了實(shí)現(xiàn)全球溫度上升控制在2℃以內(nèi)的目標(biāo)，低碳能源革命時(shí)代必將悄然而至，廉價(jià)能源時(shí)代則將一去不復(fù)返[1]。
 
  隨著經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，中國(guó)的能源消費(fèi)量與日俱增，現(xiàn)已成為世界上僅次于美國(guó)的能源消費(fèi)大國(guó)，其中工業(yè)能源消費(fèi)量占總消費(fèi)量的70％以上[2]。中國(guó)政府于2008 年哥本哈根會(huì)議前夕提出節(jié)能減排目標(biāo)：到2020 年，單位GDP 二氧化碳排放比2005 年下降40％~45％， 非化石能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)15％左右，森林面積比2005 年增加4000 萬(wàn)hm2，森林蓄積量比2005 年增加13 億m3（圖1）[3]。中國(guó)是以煤炭為基本能源的國(guó)家，煤炭比重長(zhǎng)期保持在65%以上，而非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重僅約8%，因此面對(duì)環(huán)境污染、資源和能源短缺等硬性約束， 必須尋求新的能源發(fā)展道路，才有可能突破經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的“瓶頸”。
 
  目前，中國(guó)能源利用率僅為約30%，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例不足8%。因此，回收利用余熱在提高中國(guó)一次能源利用率方面具有舉足輕重的作用。目前，中國(guó)回收利用的余熱主要來(lái)自高溫煙氣的顯熱和生產(chǎn)過(guò)程中排放的可燃?xì)猓?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/中低溫.html" >中低溫余熱（即低品位余熱）基本上還沒有回收[4]。相對(duì)于煤、石油、天然氣等高品位能源而言， 低品位余熱在相同單位內(nèi)包含的能量很低，利用難度大。但從能源利用的格局來(lái)看，低品位余熱將作為產(chǎn)能和用能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 對(duì)節(jié)能減排的戰(zhàn)略起到重要作用。現(xiàn)有的低品位余熱的回收利用中普遍采用水冷介質(zhì)，受到水資源、運(yùn)輸、地域等多方面的限制，一定程度上阻礙了余熱的大規(guī)模應(yīng)用。2010 年初，中國(guó)南方多省市及東南亞多個(gè)國(guó)家和地區(qū)遭受嚴(yán)重旱災(zāi)，使這一問(wèn)題顯得尤為突出。因此，尋找可重復(fù)利用的新型無(wú)水高效傳熱介質(zhì)是推進(jìn)低品位余熱利用的關(guān)鍵所在。本文在回顧國(guó)內(nèi)外低品位余熱利用方面的研究進(jìn)展并評(píng)述其所面臨困境的基礎(chǔ)上，提出并論述了采用室溫金屬流體實(shí)現(xiàn)大規(guī)模余熱利用的具有一定普遍意義的全新解決策略。
 
  1 工業(yè)余熱利用概況
 
  工業(yè)余熱主要指工礦企業(yè)熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備及用能設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢熱、廢水、廢氣等低品位能源，利用余熱回收技術(shù)將這些低品位能源加以回收利用，提供工業(yè)、生活熱水或者為建筑供熱， 不僅可以減少工業(yè)企業(yè)的污染排放，還可以大幅度降低工業(yè)企業(yè)原有的能源消耗[5]。
 
  工業(yè)余熱資源十分豐富且廣泛存在于各種生產(chǎn)過(guò)程中，特別在煤炭、石油、鋼鐵、化工、建材、機(jī)械和輕工等行業(yè)更是如此（圖2），被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第5 大常規(guī)能源。在中國(guó)，各主要工業(yè)部門的余熱資源率平均達(dá)7.3%，而余熱資源回收率僅34.9%，回收潛力巨大[6]。因此，充分利用余熱資源是實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的主要手段之一。
 
  1.1 石油行業(yè)
 
  目前，中國(guó)油田采出水總量在幾億立方米以上，常規(guī)油田采出水溫度為38~43℃， 稠油油田采出水溫度為60~65℃，蘊(yùn)藏著大量的熱能資源[7]。面對(duì)余熱回收利用的巨大潛力，許多油田進(jìn)行了積極的探索，如大慶、遼河等油田將熱泵回收采出水余熱技術(shù)用于站內(nèi)生活采暖，并提取采出水中的余熱用于油水分離及原油輸送過(guò)程的加熱，收到明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[8]。隨著原油價(jià)格上漲及能量?jī)?yōu)化研究的深入，煉油工業(yè)中低溫余熱的回收利用也越來(lái)越受到重視，正成為煉廠節(jié)能的重點(diǎn)方向之一[9]。
 
  1.2 鋼鐵行業(yè)
 
  鋼鐵企業(yè)余熱的主要來(lái)源有焦炭及燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐、加熱爐的煙氣[10]，采用余熱鍋爐對(duì)這些煙氣進(jìn)行冷卻，可以回收大量的蒸汽，這些蒸汽可用于發(fā)電、采暖等生產(chǎn)、生活領(lǐng)域。從圖3可以看出，鋼鐵企業(yè)的各工序的余熱回收利用潛力都在30%以上，而余熱資源總量相當(dāng)大，可見實(shí)現(xiàn)余熱回收具有十分廣闊的前景。
 
  1.3 水泥行業(yè)
 
  水泥窯存在大量的余熱，窯尾一級(jí)預(yù)熱器排出的廢氣帶走的熱損失和窯頭冷卻機(jī)廢氣帶走的熱損失占總熱量的近50％。水泥窯的余熱除了工藝自身利用外，還有很大一部分熱量，一般將其用于余熱發(fā)電，目前廣泛采用的是純低溫余熱發(fā)電技術(shù)。另外，將余熱轉(zhuǎn)換后供給吸收式制冷機(jī)，用于企業(yè)或居民區(qū)的中央空調(diào)，也是一種有效的余熱利用方式。
 
  1.4 其他行業(yè)
 
  除以上各主要高能耗行業(yè)外，余熱利用在汽車、船舶、造紙、紡織、釀酒、橡膠、冶金、鑄造、建材、玻璃窯、陶瓷窯、油脂生產(chǎn)、海水凈化、冷藏冷凍等行業(yè)和領(lǐng)域中也日漸得到重視，出現(xiàn)了許多與生產(chǎn)相結(jié)合的余熱利用方法。
 
  2 最新研究進(jìn)展和困境
 
  2.1 研究進(jìn)展
 
  2.1.1 吸收式系統(tǒng)
 
  溴化鋰吸收式熱泵在工廠余熱回收中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，它可以回收利用工廠低溫余熱熱源的熱量，將低品位熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺?，廣泛應(yīng)用于有余熱資源或有低溫熱源的石油、石化、制藥、釀造和鋼鐵等行業(yè)[12]。另外，在煉油工業(yè)、天然氣和熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，可以配置吸收式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種低溫余熱的高效利用。
 
  2.1.2 吸附式系統(tǒng)
 
  吸附式制冷技術(shù)作為一種余熱利用的新技術(shù)，其研究開發(fā)正日益成熟。它可以將太陽(yáng)能或余熱等低品位熱源作為驅(qū)動(dòng)熱源，采用對(duì)環(huán)境友好的工質(zhì)對(duì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一次性投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪音，無(wú)環(huán)境污染，特別適用于有大量低品位余熱排放的工業(yè)過(guò)程及有頻繁震動(dòng)的移動(dòng)機(jī)械上。
 
  2.1.3 新型材料
 
  針對(duì)冶金、玻璃、水泥、陶瓷等行業(yè)中高能耗的窯爐，回收煙氣余熱的傳統(tǒng)做法是利用耐火材料的顯熱熔變化來(lái)儲(chǔ)熱，這種儲(chǔ)熱設(shè)備的體積大、儲(chǔ)熱效果不明顯。改用相變儲(chǔ)熱材料，是研究較為廣泛的一種方法[14-17]，這樣儲(chǔ)熱設(shè)備體積可減小30%~50%[18]，還可起到穩(wěn)定運(yùn)行的作用。目前正在研究的新型相變材料有潛熱型功能熱流體、納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料、定型相變蓄能材料和無(wú)機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合相變蓄能材料等[17]。
 
  采用熱電材料進(jìn)行溫差發(fā)電，也是工業(yè)余熱的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，如利用煉鋼高爐等工業(yè)廢熱和利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行溫差發(fā)電。文獻(xiàn)[19]通過(guò)模型證明了采用熱電材料將余熱直接轉(zhuǎn)換成熱，理論上可以到達(dá)卡諾循環(huán)效率的40%。
 
  另外，金屬氫化物在空調(diào)、供熱方面的應(yīng)用也逐漸引起人們的重視[20]。
 
  2.1.4 熱管技術(shù)
 
  熱管是一種由管殼和工質(zhì)組成的高效導(dǎo)熱元件，以相變（蒸發(fā)與凝結(jié)）換熱作為傳熱的主要方式，具有傳熱能力大、溫度控制能力強(qiáng)、傳熱效率高等特點(diǎn)?，F(xiàn)在熱管換熱器已在電力、冶金、石化、玻陶、電子、輕工等行業(yè)的余熱回收領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在鋼鐵企業(yè)中，有別于以往煙氣通過(guò)各種換熱器和余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽或者熱水進(jìn)行熱利用的方式，熱管廢熱發(fā)生器能夠直接利用煙氣余熱[21]。
 
  2.1.5 熱聲技術(shù)
 
  熱聲熱機(jī)是通過(guò)熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與聲能的相互轉(zhuǎn)化的裝置。從聲學(xué)角度來(lái)說(shuō)，熱聲效應(yīng)是由于處于聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)與振蕩的流體之間相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著（或逆著）聲傳播方向產(chǎn)生一個(gè)時(shí)均熱流，并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或者吸收聲功的現(xiàn)象[22]。熱聲熱機(jī)可利用低品位熱源， 將難以利用的余熱（如鋁電解槽中槽殼側(cè)部溫度為300℃的余熱）轉(zhuǎn)化成便于利用的電能，這也是它應(yīng)用到工業(yè)中的立足點(diǎn)。
 
  2.2 困境和展望
 
  盡管眾多先進(jìn)的技術(shù)在一定程度上推動(dòng)了余熱利用的發(fā)展，但各自的缺陷也在一定程度上制約了余熱利用技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。在溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，溴化鋰對(duì)金屬材料有腐蝕性，且會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降甚至換熱器無(wú)法正常運(yùn)行；與吸收式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷系統(tǒng)不存在結(jié)晶問(wèn)題，但需要采用風(fēng)冷、水冷方式進(jìn)行冷卻，受到風(fēng)能和水能的制約；各種新型材料在蓄能、熱轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出優(yōu)良的特性，但是如果不采取合理的散熱，很難達(dá)到理想的蓄能和發(fā)電水平；熱管制作工藝，如芯體材料的制備、工質(zhì)封裝等相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)安裝、維護(hù)、工作溫度等有特殊要求，這使其應(yīng)用受到很大限制；利用熱聲技術(shù)進(jìn)行余熱轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，需要先將熱源的熱量通過(guò)換熱器傳到熱聲介質(zhì)，而常規(guī)的水冷換熱器在運(yùn)行和維護(hù)方面存在一定的不便。
 
  中國(guó)工業(yè)余熱回收利用水平雖已有較大提高，但這些余熱利用技術(shù)面臨的障礙，很大程度上限制了中國(guó)工業(yè)余熱利用的規(guī)模，致使中國(guó)工業(yè)余熱回收利用水平與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在較大差距。為突破這一困境，除進(jìn)一步對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，攻克材料性能、封裝工藝等技術(shù)難關(guān)之外，對(duì)換熱設(shè)備及換熱工質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，也是今后較長(zhǎng)時(shí)期的一個(gè)重要發(fā)展方向。
 
  3 液態(tài)金屬工業(yè)余熱利用技術(shù)———一個(gè)全新的領(lǐng)域3.1 液態(tài)金屬余熱利用換熱器技術(shù)的提出和特點(diǎn)在至今所發(fā)展的各種余熱利用方法中，基本上都是以水作為冷卻工質(zhì)。但是能被人們生產(chǎn)和生活利用的水資源不僅短缺而且地區(qū)分布極不平衡，年際差別很大，再加上污染嚴(yán)重，造成水資源嚴(yán)重不足。中國(guó)為此啟動(dòng)了“引黃工程”、“南水北調(diào)”等水資源利用項(xiàng)目，但是對(duì)于這些項(xiàng)目未能惠澤的眾多地區(qū)，尤其是交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，水源緊缺、運(yùn)輸困難成為制約其余熱利用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，發(fā)展非水冷卻工質(zhì)的換熱器成為推廣余熱利用技術(shù)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。劉靜等[23-26]首次將低熔點(diǎn)金屬及其合金流體引入到計(jì)算機(jī)芯片熱管理領(lǐng)域，從而開啟了旨在解決高端芯片熱障的液態(tài)金屬散熱方法。筆者實(shí)驗(yàn)室前期開展的一系列研究，揭示了室溫金屬流體換熱器高效的傳熱特性和低功耗驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，這種先進(jìn)的傳熱方式，不僅限于以高熱流密度芯片著稱的IT 行業(yè)，在工業(yè)及生活領(lǐng)域隨處可見的大量低熱流密度、低品位熱能傳遞及應(yīng)用上，也可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。
 
  這主要源于液態(tài)金屬散熱技術(shù)所體現(xiàn)出來(lái)的一系列獨(dú)特價(jià)值。
 
  歸納起來(lái)，液態(tài)金屬傳熱方式具有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。
 
  1） 適用于換熱器的室溫金屬流體工質(zhì)工作溫區(qū)廣，比如最典型者鎵基合金的最低熔點(diǎn)可達(dá)-19℃， 最高沸點(diǎn)則高達(dá)2400℃，這使其可用于發(fā)展傳熱性能穩(wěn)定的單相換熱器，從而廣泛適用于大量室溫區(qū)的工業(yè)余熱利用領(lǐng)域。
 
  2） 具有遠(yuǎn)高于單相水的對(duì)流換熱系數(shù)，這種高效的換熱能力有助于發(fā)展體積緊湊的換熱器。
 
  3） 可采用電磁泵驅(qū)動(dòng)，無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，由此發(fā)展的換熱器運(yùn)行穩(wěn)定可靠且無(wú)噪音。
 
  4） 作為金屬介質(zhì)， 液態(tài)金屬傳熱流體可采用電磁泵驅(qū)動(dòng)，因此換熱器運(yùn)行無(wú)機(jī)械損耗，效率高，功耗低，節(jié)能效果明顯。
 
  5） 典型的金屬流體如鎵基合金流體性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不與空氣或水反應(yīng)，無(wú)毒性，且飽和蒸汽壓低，不易蒸發(fā)；表面張力大，不易泄漏。
 
  6） 金屬流體成本雖高，但容易回收，在高回收率的情況下液體成本極低，而且金屬流體換熱器維護(hù)方便，不涉及水處理及由此可能產(chǎn)生的可能污染問(wèn)題， 總的運(yùn)行成本較低，這使其可廣泛用于大量工業(yè)領(lǐng)域。
 
  以上特點(diǎn)，實(shí)際上確保了液態(tài)金屬換熱器作為未來(lái)一大類優(yōu)質(zhì)換熱器存在的可能。目前，這種新型換熱器在余熱利用領(lǐng)域的普及， 在很大程度上并非是受成本和技術(shù)阻礙，實(shí)際上是受到了觀念的制約。
 
  3.2 液態(tài)金屬在工業(yè)領(lǐng)域替換現(xiàn)有工質(zhì)的可行性分析液態(tài)金屬以其出色的換熱性能， 正在IT 行業(yè)嶄露頭角。
 
  在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)工質(zhì)受到水源、處理、運(yùn)輸?shù)确矫娴南拗圃絹?lái)越突出，將液態(tài)金屬拓展應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，成為一個(gè)可預(yù)見的趨勢(shì)。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，對(duì)液態(tài)金屬在工業(yè)領(lǐng)域替換現(xiàn)有工質(zhì)水的可行性進(jìn)行如下分析。
 
  1） 許多金屬的沸點(diǎn)通常非常高，一般大于2200℃，這就保證了液態(tài)金屬在較寬的溫度范圍是真正的單相流體，工作壓力始終保持低位，與水冷相比，避免了流動(dòng)中壓力的突然變化， 而且因溫度過(guò)高導(dǎo)致設(shè)備燒毀的可能性要低得多，從而提高了工作回路的可靠性和安全性，簡(jiǎn)化了設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)備的操作。
 
  2） 水的導(dǎo)熱系數(shù)約0.6W/（m·℃）， 而液態(tài)金屬或其合金的導(dǎo)熱系數(shù)比水大幾十倍，           在快速導(dǎo)熱方面比水更具優(yōu)越性。這一性質(zhì)令其在一些核反應(yīng)堆（主要用液態(tài)鈉或鉀作為冷卻介質(zhì)）中表現(xiàn)出色，而且在一些對(duì)質(zhì)量要求較高的機(jī)械部件（如汽輪機(jī)葉片）的制造過(guò)程中，熔解鋁可以將其快速冷卻到660℃，從而有效地防止缺陷形成。
 
  3） 在常見的水冷卻系統(tǒng)中， 需要水泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)正常運(yùn)行，但水泵的可靠性較差，其機(jī)械局限性不可忽略，如方向依賴性、活動(dòng)部件和噪聲等。如果采用電滲透泵，由于電極電勢(shì)高，可能會(huì)引起水分子的解離。而液態(tài)金屬特有的導(dǎo)電特性可由電磁泵驅(qū)動(dòng)：當(dāng)流體流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，插在液態(tài)金屬中的一對(duì)電極引入直流電，通過(guò)磁場(chǎng)的電流對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生洛倫茲力，從而推動(dòng)液態(tài)金屬在冷卻回路中循環(huán)流動(dòng)。由于電磁泵中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，而且電磁泵體積更小，放置位置靈活，使機(jī)組更易于小型化，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的泵結(jié)構(gòu)，也使得泵體功耗大大降低。
 
  4） 水的表面張力是0.072N/m，這一數(shù)值比許多液態(tài)金屬的低，所以與水相比，液態(tài)金屬更不易泄漏，不需要重新充注。另外，雖然許多金屬的質(zhì)量比熱都小于水，但體積比熱卻接近水，如水的體積比熱是4200kJ/（m3·K），而液體鎵的體積比熱為2158kJ/（m3·K），加之其在室溫下蒸汽壓力低、導(dǎo)熱系數(shù)高、工作溫度范圍大，并且與氧氣和水不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，種種優(yōu)點(diǎn)令其非常有希望成為在換熱器中替代水的液態(tài)金屬。例如：鎵不可燃、無(wú)毒，其純金屬和大部分天然形成的化合物不溶于水，因此不會(huì)被人體皮膚吸收，甚至有研究發(fā)現(xiàn)鎵具有殺菌活性，可用作藥用抗生素[27]，這些特性使鎵較其他大部分液態(tài)金屬更安全；鎵過(guò)冷度較大，在遠(yuǎn)低于室溫的溫度下，仍可保持液態(tài)，如果將其密封在碳納米管中，甚至在-80℃的低溫下都能保持液態(tài)[28]； 鎵的動(dòng)力黏度大約是水的1.5 倍，驅(qū)動(dòng)耗功更小。
 
  5） 與水相比，雖然液態(tài)金屬相對(duì)成本較高，但由于其可循環(huán)利用，清潔無(wú)污染，維護(hù)費(fèi)用和處理費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水，從而使得液態(tài)金屬換熱器的運(yùn)行成本大大低于水冷換熱器。而且換熱性質(zhì)卓越的鎵相對(duì)較便宜，所以鎵或其合金在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/div>
 
  目前在工業(yè)領(lǐng)域，由于水作為冷卻工質(zhì)的工業(yè)設(shè)備受到較大程度的限制，而液態(tài)金屬長(zhǎng)期以來(lái)一直在同步加速器和核反應(yīng)堆的冷卻過(guò)程中表現(xiàn)卓越，導(dǎo)熱系數(shù)高、單位體積比熱高、運(yùn)動(dòng)黏度低、蒸汽壓力低的液態(tài)金屬，尤其是鎵或其合金具有安全無(wú)毒的特性， 可以替換現(xiàn)有系統(tǒng)中的水工質(zhì)，從而使換熱器能擺脫對(duì)水的依賴。基于這一理念，筆者提出無(wú)水換熱器的概念。當(dāng)前，水資源不足帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題使得對(duì)無(wú)水技術(shù)的探索提升到一個(gè)新的高度，可以看到，隨著以金屬流體作為高效傳熱介質(zhì)的無(wú)水換熱器的推廣應(yīng)用，必將顯著推進(jìn)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
 
  3.3 面向工業(yè)應(yīng)用的液態(tài)金屬換熱器研究和應(yīng)用中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題
 
  液態(tài)金屬換熱器的研究剛處于起步階段，與任何新技術(shù)面臨的情況類似，存在一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待突破。
 
  1） 低熔點(diǎn)液態(tài)金屬及其合金流體的研究還不充分，其物理性質(zhì)、溫度效應(yīng)、相變機(jī)制、熱物性與組分的關(guān)系等有待進(jìn)一步研究。
 
  2） 金屬流體流動(dòng)和傳熱特性的理論建模及試驗(yàn)方法，強(qiáng)化換熱方案的提出和優(yōu)化，強(qiáng)化換熱極限的預(yù)測(cè)，新型傳熱機(jī)制如室溫金屬與常規(guī)流體基礎(chǔ)傳熱機(jī)制異同規(guī)律，以及液態(tài)金屬及其合金在各種流道包括微流道中的強(qiáng)化流動(dòng)和傳熱關(guān)系式規(guī)律需要揭示。
 
  3） 金屬流體的電磁驅(qū)動(dòng)方法、復(fù)雜多場(chǎng)（電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、熱場(chǎng)等）耦合問(wèn)題的理論建模、數(shù)值計(jì)算和預(yù)測(cè)。
 
  4） 低熔點(diǎn)液態(tài)金屬與基底或管材的相互作用機(jī)制，腐蝕規(guī)律的揭示及解決方法。
 
  5） 低熔點(diǎn)金屬合金組成的相圖規(guī)律，室溫金屬流體混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)最低熔點(diǎn)、最大強(qiáng)化換熱及最小流動(dòng)阻力時(shí)所對(duì)應(yīng)的熱工學(xué)規(guī)律。
 
  6） 不同介質(zhì)（如液態(tài)金屬-水混合物，液態(tài)金屬-液態(tài)金屬混合物、液態(tài)金屬-空氣混合物等）的換熱器特性、應(yīng)用形式和應(yīng)用場(chǎng)合，以及與不同余熱利用對(duì)象的匹配關(guān)系。
 
  4 結(jié)語(yǔ)
 
  隨著能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，節(jié)能減排越來(lái)越成為當(dāng)前工業(yè)及其他部門面臨的重要問(wèn)題。低品位余熱是節(jié)能減排的重要組成部分，其利用技術(shù)對(duì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)影響。但當(dāng)前余熱利用技術(shù)基本上沿用水作為冷卻工質(zhì)，在偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)受到較大應(yīng)用限制。為此，筆者提出以液態(tài)金屬代替水用于余熱利用等工業(yè)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)高效換熱，而且不受空間地域限制。隨著液態(tài)金屬在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的推廣應(yīng)用，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)調(diào)整，能源體系可能也會(huì)隨之發(fā)生變化。在此基礎(chǔ)上，有必要建立專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，對(duì)液態(tài)金屬余熱利用技術(shù)的特性及應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究，并將其充分應(yīng)用于實(shí)踐。此方面工作的推進(jìn)可望開辟出一個(gè)工業(yè)余熱換熱器研究與應(yīng)用的新前沿，發(fā)展出一大類嶄新的以低熔點(diǎn)金屬及其合金流體作為流動(dòng)傳熱工質(zhì)的高性能無(wú)水換熱器系統(tǒng)，通過(guò)解決由此引申出的一系列熱物性、流動(dòng)、傳熱學(xué)、換熱器設(shè)計(jì)等問(wèn)題，推動(dòng)液態(tài)金屬換熱器這一先進(jìn)學(xué)科方向的進(jìn)展，從而為世界范圍內(nèi)節(jié)能減排的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。