熱管技術(shù)在熱能工程中的應用

徐連青

蘭州電力技術(shù)學院熱基礎(chǔ)教研組，甘肅蘭州 730070

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，熱能工程也在不斷發(fā)展，但是在熱能工程中卻遇到了前所未有的難題，那就是高絕熱材料和高導熱材料的研究和使用。在這種情況下，熱管的發(fā)明解決了這一技術(shù)難題。從數(shù)量級水平上來講，熱管的導熱系數(shù)最高可以達到105W/m·℃，是鋁、柴銅、銀等金屬的幾百倍甚至上千倍。通過熱管技術(shù)，可以從截面積非常小的熱管中將大量的熱進行遠距離傳輸并且不需要施加任何動力。目前，熱管以它優(yōu)良的導熱性能，可靠的工作狀態(tài)越來越受到熱能工程的青睞。

1 熱管的基本組成及工作原理

1.1 熱管的基本組成

常用的熱管主要包括3部分結(jié)構(gòu)：主體、內(nèi)部空腔和毛細結(jié)構(gòu)等。其中主體部分是一段封閉狀態(tài)的金屬管，金屬管通常是由不銹鋼、碳鋼等金屬制成的可以承受相當大壓力的全封閉結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部空腔里面存在著少量的氣態(tài)或者液態(tài)的工作液（水、甲醇、丙醇、氨等）以及毛細結(jié)構(gòu)，金屬管內(nèi)的空氣和雜物不能包括在內(nèi)。熱管本身就是抽成真空的封閉系統(tǒng)。

1.2 熱管的工作原理

按照傳熱的狀況，沿熱管軸可以將熱管分成三個工作段，即蒸發(fā)、冷凝、絕熱三段。在工作過程中，外部熱量導致蒸發(fā)段以及內(nèi)部的液體溫度升高蒸發(fā)，蒸發(fā)后蒸發(fā)段的氣壓迅速升高，當氣壓達到飽和蒸發(fā)壓時，熱量便以潛熱的形式傳遞給蒸汽。在這個過程中，蒸發(fā)段內(nèi)的飽和蒸汽壓逐漸升高，這樣就導致蒸汽段的氣壓遠遠大于冷凝段的氣壓，此時蒸汽便沿著蒸汽通道慢慢流向冷凝段，然后在冷凝段進行冷凝，從而放出潛熱。從冷凝段放出的潛熱通過吸液芯和熱管的管壁，將熱量傳遞到管外，這樣就完成了無外力的熱傳統(tǒng)過程。在工作過程中，釋放完熱量的液體沿吸液芯進行回流，并最終回流到蒸發(fā)段，然后進行下一次的熱量傳遞。這樣周而復始，就可以不斷地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。在熱量傳遞的過程中，絕熱段一方面為熱管內(nèi)流動的液體提供了流動的通道，另一方面還將蒸發(fā)段與冷凝段完整隔開，并且保證熱管內(nèi)的熱量不向外界散失，從而保證了熱量的有效傳遞。

2 熱管在熱能工程中應用的技術(shù)關(guān)鍵

2.1 均溫技術(shù)

主要是利用熱管的等溫性，將一個溫度各處不相等的溫度場變?yōu)橐粋€溫度各處都均勻的溫度場。

2.2 匯源分隔技術(shù)

通過使用熱管將熱源和冷源完全分隔開，從而完成熱交換，并且分割距離的長短可以根據(jù)現(xiàn)場需要以及熱管的性能進行決定，短則幾十厘米，長則100m不等。在進行連續(xù)生產(chǎn)的項目中利用匯源分割技術(shù)意義非凡。

2.3 交變熱流密度

通過使用熱管既可以實現(xiàn)在小面積輸入熱量，大面積輸出熱量，還可以實現(xiàn)大面積內(nèi)輸入熱量，小面積輸出熱量。這樣能夠有效進行單位加熱傳熱面積與單位冷卻傳熱面積進行熱流量的變換。交變熱流密度在工程項目中有著非常重要的用途，如通過控制管壁溫度預防露點腐蝕。

2.4 熱控制技術(shù)

通過使用熱阻能夠變化的可變導熱管進行傳熱控制，這樣可以有效控制溫度。通常情況下，利用熱控制技術(shù)可以有效控制熱源與冷源的溫度。

2.5 單向?qū)峒夹g(shù)

在重力熱管的理論下，可以實現(xiàn)熱管的單向?qū)?，此時的熱管就是一個單項導熱的零部件。單項導熱技術(shù)通?？梢允褂迷谔柲芄こ毯蛢鐾劣纼龉こ痰裙こ添椖可?。

2.6 旋流傳熱技術(shù)

通過轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力可以實現(xiàn)熱管內(nèi)的工作液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段，或者依靠工作液體的位差實現(xiàn)回流。通常情況下，旋轉(zhuǎn)傳熱技術(shù)可以用在高速鉆頭、電機軸等高速回轉(zhuǎn)軸件等工程項目上。

2.7 微型熱管技術(shù)

微型熱管與普通熱管最大的不同在于微型熱管的毛細力是存在于蒸汽通道旁邊液縫彎月面供給的，而不是吸液芯產(chǎn)生的。微型熱管技術(shù)通常在半導體芯片、手提電腦的CPU散熱、集成電路等工程項目。

2.8 高溫熱管技術(shù)

高溫熱管內(nèi)部的工作液體主要是液態(tài)金屬，在工作狀態(tài)下，金屬造成的飽和蒸汽壓相對較低，從而不會給高溫下的熱管制造高壓。高溫熱管通常應用在核工程、高溫熱風爐、赤熱體取熱、太陽能電站等工程項目。

3 熱管技術(shù)在熱能工程中的應用

3.1 熱管技術(shù)在航空航天上的應用

在航空航天工業(yè)中，各類航天器都面臨著一個共同的難題，那就是航天器正對著太陽的部位溫度特別高，而背對太陽的一側(cè)溫度又特別低，由于無法通過空氣的對流完成氣溫的調(diào)節(jié)，因此這就導致兩部分的溫差高達300多攝氏度。在這樣的情況下，利用熱管技術(shù)可以快速實現(xiàn)兩部分溫差的平衡。將熱管安裝到航天器中，面對太陽的一側(cè)是蒸發(fā)段一側(cè)，背對太陽的一側(cè)是凝結(jié)段一側(cè)。熱管的蒸發(fā)段在面對太陽的一側(cè)吸收了大量熱量，其內(nèi)部的工作介質(zhì)蒸發(fā)后將熱量傳遞到冷凝段，并在冷凝段釋放熱量再次形成液態(tài)工作介質(zhì)流回蒸發(fā)段，然后再次進行循環(huán)。這樣往復不停的循環(huán)就可以實現(xiàn)航天器兩側(cè)溫度的平衡，從而避免因溫差過大導致內(nèi)部系統(tǒng)故障。

3.2 熱管技術(shù)在鐵路凍土路基上的應用

在我國北方的某些地區(qū)，土壤常年處于凍土狀態(tài)，每到初夏，溫度升高，凍土層自下而上融化，這樣就會形成翻涌導致鐵路路基松懈，從而引發(fā)列車脫軌等嚴重交通事故。在這種情況下，使用低溫熱管就可以有效解決這個難題。在使用低溫熱管的過程中，首先要將低溫熱管埋進凍土層。在寒冷的季節(jié)里，凍土的溫度遠高于空氣的溫度，此時熱管內(nèi)的液氨工質(zhì)因吸收了凍土中的熱而蒸發(fā)，氨蒸汽在壓力差的作用下，不斷流到管腔的上部，并在上部釋放出汽化潛熱，然后冷凝成液體后流回蒸發(fā)段，然后再在蒸發(fā)段蒸發(fā)成氣體再次進行循環(huán)，這樣，通過低溫熱管就可以將凍土中的熱輸送到大氣中。在溫暖的季節(jié)，空氣的溫度遠高于凍土的溫度，此時液氨蒸汽到達冷凝段后，由于外部溫度較高，氨蒸汽不再冷凝，此時便會達到汽相和液相之間的平衡，液氨便不再蒸發(fā)，熱管也就停止了工作，空氣中的熱量也不能傳遞到凍土之中。這樣一來，凍土的溫度一直保持著上面溫度高，下面溫度低的狀態(tài)，從而有效避免了翻涌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3 熱管技術(shù)在煉焦爐余熱回收工程中的應用

通常情況下，煉焦爐排放出來的煙氣溫度較高，如果不能進行回收利用，將會造成極大的浪費。將熱管安裝到煉焦爐的煙囪內(nèi)便可以有效吸收大量余熱。首先，熱管內(nèi)的工作介質(zhì)吸收煙囪內(nèi)的熱量后蒸發(fā)成氣體后進入凝結(jié)段，在凝結(jié)段內(nèi)完成熱量釋放后再次形成液態(tài)工作介質(zhì)流回蒸發(fā)段，然后再次進行循環(huán)。通過凝結(jié)段釋放出來的熱量可以加熱除鹽水，由于熱管傳遞的熱量相當多，因此，除鹽水被加熱后可以產(chǎn)生大量的汽水混合物，汽水混合物在上升管集箱內(nèi)進行匯合，然后進入汽包并在汽包內(nèi)完成汽水分離，然后飽和蒸汽流進主蒸汽管道，飽和水沿下降管流進下降管集箱，并最終進入熱管內(nèi)的凝結(jié)段，再次進行循環(huán)。

3.4 熱管技術(shù)在紡織行業(yè)余熱回收工程中的應用

通常情況下，熱管技術(shù)在紡織行業(yè)進行余熱回收時主要進行定型機的廢氣余熱的回收。在這個過程中，熱管將定型機內(nèi)排出的廢氣中進行熱能回收，然后再將回收的熱能重新輸送到定型機烘箱內(nèi)。熱管主要安裝在廢氣排放口處，這樣當含有大量熱的廢氣一排出就可以進行余熱回收，這樣可以達到回收熱能的最佳效果。

在工作過程中，鮮風在定型機內(nèi)負壓的作用下流入熱管的蒸發(fā)段，在蒸發(fā)段吸收大量的熱量后被傳遞到高效傳熱熱管的新風端，然后吸收了大量熱量的新風就可以流到定型機烘箱散熱器附近，這樣就完成了余熱的回收。

3.5 熱管換熱器在火電廠鍋爐上的應用

熱管式換熱器基本結(jié)構(gòu)如下：它有很多的排成管束的熱管組成，中間有一隔板，煙氣和空氣分別在熱管外部兩側(cè)流過；熱量主要通過熱管內(nèi)部的蒸發(fā)--冷凝來傳熱。這種換熱器的主要特點：

1）它是個典型的逆流換熱，又因熱管本身接近于等溫工作，這就使熱管換熱器具有較高的換熱效率；2）冷、熱流體用隔板嚴密隔開，可以消除兩種流體互相泄漏的現(xiàn)象。即使熱管有一端破裂，也不會使冷熱流體相互串通；3）每根熱管都是獨立的，并可拆卸，易于檢修和更換。

熱管換熱器應用火電廠鍋爐空氣預熱器，有利于解決以往空氣預熱器的磨損、腐蝕、堵灰、漏風等難題。這是因為：1）熱管在煙氣側(cè)的管壁溫度是均勻的?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)熱管的冷熱段大小來調(diào)節(jié)管壁溫度，使之高于煙氣的酸露點和水蒸氣露點。避免腐蝕的發(fā)生；2）如果管壁溫度高于酸露點和水蒸氣露點，則附著于管外表面的煙氣呈干燥而疏松狀態(tài)。設(shè)計一定的煙速可使煙氣有自吹灰作用，避免了灰的堆積和堵塞；3）熱管式空氣預熱器的結(jié)構(gòu)本身保證了漏風系數(shù)為零。即使個別熱管被腐蝕或磨穿，由于熱管兩端密封，也不可能產(chǎn)生漏風；4）熱管式空氣預熱器可以減小磨損。目前熱管空氣預熱器在大型機組上成功的應用已證明了它是一個非常理想的換熱裝置。

隨著人類對資源的開發(fā)和利用，傳統(tǒng)能源逐漸減少，將熱管技術(shù)應用于熱能工程，不但可以實現(xiàn)熱能的有效流動，而且還可以節(jié)約大量的能量，從而實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。盡管這樣，大力推行熱管技術(shù)還存在著技術(shù)上的難題，這就需要科研人員繼續(xù)加大科學研究的力度，解決熱管技術(shù)的難題，不斷推動熱管技術(shù)的快速發(fā)展。

[1]高宏偉，王崑.熱管技術(shù)在熱能程中的應用特點[J].活力，2010，10.

[2]楊振國，劉青，謝銀幕.電路流程中熱管式余熱回收[J].北京科技大學學報，2011，10.

[3]王清媛，劉培銘，李建，苑穎.換熱器的振動與折流[J].化工裝備技術(shù)，2011，5.

[4]張?zhí)鞂O，盧改林.傳熱學[J].中國電力出版社，2006，6.