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3液态金属工业余热利用技术——一个全新的领域

3.1液态金属余热利用换热器技术的提出和特点在至今所发展的各种余热利用方法中，基本上都是以水作为冷却工质。但是能被人们生产和生活利用的水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡，年际差别很大，再加上污染严重，造成水资源严重不足。中国为此启动了“引黄工程”、“南水北调”等水资源利用项目，但是对于这些项目未能惠泽的众多地区，尤其是交通不便的偏远地区，水源紧缺、运输困难成为制约其余热利用技术发展的关键问题。因此，发展非水冷却工质的换热器成为推广余热利用技术、促进经济发展的重要课题。刘静等首次将低熔点金属及其合金流体引入到计算机芯片热管理领域，从而开启了旨在解决高端芯片热障的液态金属散热方法。笔者实验室前期开展的一系列研究，揭示了室温金属流体换热器高效的传热特性和低功耗驱动优势。实际上，这种先进的传热方式，不仅限于以高热流密度芯片着称的IT行业，在工业及生活领域随处可见的大量低热流密度、低品位热能传递及应用上，也可以发挥关键作用。

这主要源于液态金属散热技术所体现出来的一系列独特价值。归纳起来，液态金属传热方式具有如下特点及优势。

1)适用于换热器的室温金属流体工质工作温区广，比如最典型者镓基合金的最低熔点可达-19℃，最高沸点则高达2400℃，这使其可用于发展传热性能稳定的单相换热器，从而广泛适用于大量室温区的工业余热利用领域。

2)具有远高于单相水的对流换热系数，这种高效的换热能力有助于发展体积紧凑的换热器。

3)可采用电磁泵驱动，无任何机械运动部件，由此发展的换热器运行稳定可靠且无噪音。

4)作为金属介质，液态金属传热流体可采用电磁泵驱动，因此换热器运行无机械损耗，效率高，功耗低，节能效果明显。

5)典型的金属流体如镓基合金流体性质稳定，常温下不与空气或水反应，无毒性，且饱和蒸汽压低，不易蒸发；表面张力大，不易泄漏。

6)金属流体成本虽高，但容易回收，在高回收率的情况下液体成本极低，而且金属流体换热器维护方便，不涉及水处理及由此可能产生的可能污染问题，总的运行成本较低，这使其可广泛用于大量工业领域。以上特点，实际上确保了液态金属换热器作为未来一大类优质换热器存在的可能。目前，这种新型换热器在余热利用领域的普及，在很大程度上并非是受成本和技术阻碍，实际上是受到了观念的制约。

3.2液态金属在工业领域替换现有工质的可行性分析

液态金属以其出色的换热性能，正在IT行业崭露头角。在工业领域，传统工质受到水源、处理、运输等方面的限制越来越突出，将液态金属拓展应用于工业领域，成为一个可见的趋势。为适应这一趋势，对液态金属在工业领域替换现有工质水的可行性进行如下分析。

1)许多金属的沸点通常非常高，一般大于2200℃，这就保证了液态金属在较宽的温度范围是真正的单相流体，工作压力始终保持低位，与水冷相比，避免了流动中压力的突然变化，而且因温度过高导致设备烧毁的可能性要低得多，从而提高了工作回路的可靠性和安全性，简化了设备的设计和制造，并进一步简化了设备的操作。

2)水的导热系数约0.6W/(m?℃)，而液态金属或其合金的导热系数比水大几十倍，在快速导热方面比水更具优越性。这一性质令其在一些核反应堆(主要用液态钠或钾作为冷却介质)中表现出色，而且在一些对质量要求较高的机械部件(如汽轮机叶片)的制造过程中，熔解铝可以将其快速冷却到660℃，从而有效地防止缺陷形成。

3)在常见的水冷却系统中，需要水泵驱动循环正常运行，但水泵的可靠性较差，其机械局限性不可忽略，如方向依赖性、活动部件和噪声等。如果采用电渗透泵，由于电极电势高，可能会引起水分子的解离。而液态金属特有的导电特性可由电磁泵驱动：当流体流过磁场时，插在液态金属中的一对电极引入直流电，通过磁场的电流对液态金属产生洛伦兹力，从而推动液态金属在冷却回路中循环流动。由于电磁泵中无运动部件，大大提高了系统的可靠性，而且电磁泵体积更小，放置位置灵活，使机组更易于小型化，无运动部件的泵结构，也使得泵体功耗大大降低。

4)水的表面张力是0.072N/m，这一数值比许多液态金属的低，所以与水相比，液态金属更不易泄漏，不需要重新充注。另外，虽然许多金属的质量比热都小于水，但体积比热却接近水，如水的体积比热是4200kJ/(m3?K)，而液体镓的体积__比热为2158kJ/(m3?K)，加之其在室温下蒸汽压力低、导热系数高、工作温度范围大，并且与氧气和水不易发生化学反应，种种优点令其非常有希望成为在换热器中替代水的液态金属。例如：镓不可燃、无毒，其纯金属和大部分天然形成的化合物不溶于水，因此不会被人体皮肤吸收，甚至有研究发现镓具有杀菌活性，可用作药用抗生素[27]，这些特性使镓较其他大部分液态金属更安全；镓过冷度较大，在远低于室温的温度下，仍可保持液态，如果将其密封在碳纳米管中，甚至在-80℃的低温下都能保持液态；镓的动力黏度大约是水的1.5倍，驱动耗功更小。

5)与水相比，虽然液态金属相对成本较高，但由于其可循环利用，清洁无污染，维护费用和处理费用远远低于水，从而使得液态金属换热器的运行成本大大低于水冷换热器。而且换热性质卓越的镓相对较便宜，所以镓或其合金在工业领域将大有作为。

目前在工业领域，由于水作为冷却工质的工业设备受到较大程度的限制，而液态金属长期以来一直在同步加速器和核反应堆的冷却过程中表现卓越，导热系数高、单位体积比热高、运动黏度低、蒸汽压力低的液态金属，尤其是镓或其合金具有安全无毒的特性，可以替换现有系统中的水工质，从而使换热器能摆脱对水的依赖。基于这一理念，笔者提出无水换热器的概念。当前，水资源不足带来的严重问题使得对无水技术的探索提升到一个新的高度，可以看到，随着以金属流体作为高效传热介质的无水换热器的推广应用，必将显着推进相关行业的技术进步。

原标题：低品位余热利用技术的研究现状困境和新策略

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