熱管技術(shù)在熱能工程中的應(yīng)用

劉 勇

（濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000）

1 熱管簡析

1.1 熱管的基本結(jié)構(gòu)

熱管有三個(gè)主要組成部分管殼、吸液管（管芯）、與工作液體.管殼一半采用不銹鋼、銅、碳鋼等金屬材料作為主要材料.熱管是一種封閉式結(jié)構(gòu)，能夠承受極大壓力.吸液管緊貼管壁，通常由孔多毛細(xì)的結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成.工作液體存在于熱管的內(nèi)部空腔，是工作狀態(tài)下傳遞熱量的介質(zhì).工作液體一般有甲醇、丙醇、水、氨等，不包括管內(nèi)可能存在的空氣或者其他雜物.工作液體在工作時(shí)處于液體與氣體兩種狀態(tài)，一般在熱管處于真空狀態(tài)時(shí)被填充進(jìn)去.

1.2 熱管的工作原理

根據(jù)熱管的狀況可分為三個(gè)工作段：蒸發(fā)、冷凝、絕熱.在工作時(shí)外部的熱量致使蒸發(fā)段和內(nèi)部的液體溫度升高繼而蒸發(fā)，此時(shí)蒸發(fā)段的氣壓會(huì)迅速升高，當(dāng)氣壓升高到飽和蒸發(fā)壓時(shí)熱量將會(huì)通過潛熱的形式傳遞給蒸汽.在這個(gè)工作過程中，由于蒸發(fā)段的飽和蒸汽壓不斷的升高，導(dǎo)致冷凝段的氣壓遠(yuǎn)低于蒸汽段的氣壓，這時(shí)蒸汽就會(huì)從蒸汽通道流向冷凝段，繼而在冷凝段發(fā)生冷凝放出潛熱.放出的潛熱會(huì)通過吸液管與熱管管壁將熱量傳遞至管外，如此一來就完成了無外力作用的熱傳統(tǒng)過程.液體釋放完熱量后將會(huì)沿吸液管回流，最終返回到蒸發(fā)段，再繼續(xù)進(jìn)行下一次的熱傳遞.在這個(gè)過程不斷反復(fù)下熱量將不斷的從蒸發(fā)段傳遞至冷凝段.在這個(gè)過程中，絕熱段將起到三點(diǎn)作用：為流動(dòng)液體提供通道；將冷凝段與蒸發(fā)段完全區(qū)隔開；確保熱管熱量失散到外界.絕熱段的這三點(diǎn)作用有效地保證了熱量的傳遞.

1.3 熱管技術(shù)的特點(diǎn)

熱管技術(shù)與常規(guī)換熱技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)：

1.3.1 傳熱效率高

熱管式熱轉(zhuǎn)換器的傳熱單元，導(dǎo)熱性強(qiáng).熱管與銅、鋁、銀等金屬相比，同重量狀態(tài)下能夠多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量.并且熱管換熱器的效率一般都在80%以上，能夠有效利用形式多樣、數(shù)量巨大的地?zé)崮堋⑻柲?、工業(yè)廢熱等進(jìn)行能源的回收.

1.3.2 管壁溫度可調(diào)

熱管的管壁溫度可以調(diào)節(jié)，而該特點(diǎn)在熱交換與低溫余熱的回收中起到了相當(dāng)重要的作用.正因?yàn)樵撎攸c(diǎn)，熱管可通過熱流變化將熱管管壁的溫度保持在低溫度流體的漏點(diǎn)以上，從而保證設(shè)備的長期運(yùn)行.

1.3.3 安全性

熱管換熱器幾乎沒機(jī)械障礙，是二次間壁換熱，在實(shí)際工作中，熱管一般不會(huì)蒸發(fā)段與冷凝段同時(shí)受損，所以設(shè)備的運(yùn)行有可靠的保障.

除了這三點(diǎn)，熱管技術(shù)還有適應(yīng)期強(qiáng)、阻力小等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)衍生了特殊的熱管技術(shù)關(guān)鍵，將熱管技術(shù)大范圍的應(yīng)用變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí).

2 熱管的應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵

上文中我們對(duì)熱管及熱管技術(shù)的特點(diǎn)做出了一個(gè)簡單介紹，正因?yàn)闊峁芗夹g(shù)擁有這些特點(diǎn)，才會(huì)產(chǎn)生以下幾種應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵，也直接促使熱管技術(shù)的廣泛應(yīng)用.

2.1 均溫技術(shù)

可變導(dǎo)熱管可實(shí)現(xiàn)變工情況下冷、熱源的恒溫.例如，當(dāng)熱源溫度或者熱負(fù)荷發(fā)生了較大變化時(shí)，熱匯或冷凝段溫度保持不變.又或者能夠?qū)崿F(xiàn)熱管或熱源溫度不因熱匯或熱負(fù)荷溫度變化而變化.均溫技術(shù)主要是利用了熱管的等溫性，將各處的溫度不相等的溫度場變?yōu)楦魈帨囟染愕牡葴貓?

2.2 匯源分隔技術(shù)

該技術(shù)主要是利用熱管將冷源與熱源進(jìn)行分隔，從而達(dá)到熱交換的目的.分隔距離的長短則可根據(jù)實(shí)際采用的熱管性能與現(xiàn)場需求來決定，長能夠達(dá)百米而短則短至幾十厘米，該技術(shù)在連續(xù)生產(chǎn)中能起到很大效果.

2.3 交變熱流密度

該技術(shù)主要指能夠通過熱管實(shí)現(xiàn)小面積輸入熱量而大面積輸出熱量與大面積輸入熱量而小面積輸出熱量.該技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)單位冷卻傳熱面積與單位加熱傳熱面積間熱流量的變換.該技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)控制管壁溫度以此預(yù)防露點(diǎn)的腐蝕，在工程項(xiàng)目中有著很重要的應(yīng)用作用.

2.4 熱控制技術(shù)

熱控制技術(shù)主要是利用可變導(dǎo)熱管，可變導(dǎo)熱管的熱阻能夠發(fā)生變化的特點(diǎn)，在工程中可利用這種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)傳熱控制，如此一來就可進(jìn)行溫度控制.在工程中，該技術(shù)一般是應(yīng)用在冷源與熱源的溫度控制上.

2.5 旋流傳熱技術(shù)

旋流傳熱指的是利用運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力幫助熱管內(nèi)工作液體自冷凝段回流至蒸發(fā)段，也指通過工作液體的位差而實(shí)現(xiàn)回流.在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)通常并應(yīng)用在電機(jī)軸或者高速轉(zhuǎn)頭之類高速回轉(zhuǎn)軸件的工程項(xiàng)目上.

2.6 單向?qū)峒夹g(shù)

單向?qū)峒夹g(shù)指的是利用熱管理論，實(shí)現(xiàn)熱管的單向?qū)?在該技術(shù)狀況下，熱管就成為了進(jìn)行單向?qū)岬牧慵?在現(xiàn)實(shí)中，該技術(shù)一般被應(yīng)用于凍土永凍或者太陽能工程項(xiàng)目上.

2.7 微型熱管技術(shù)

微型熱管與普通熱管有所不同，微型熱管的的毛細(xì)力由蒸汽通道旁的液縫彎月面提供，而不像普通熱管一樣由吸液芯產(chǎn)生.該技術(shù)多用于電腦CPU散熱、半導(dǎo)體芯片或集成電路等項(xiàng)目.

2.8 高溫?zé)峁芗夹g(shù)

該技術(shù)主要指高溫?zé)峁軆?nèi)的工作液體以液壓金屬為主，一旦處于工作狀態(tài)，這種液體造成的飽和蒸汽壓相對(duì)而言比較低，因此，不至于對(duì)高溫下的熱管形成高壓.在實(shí)際中，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高溫?zé)犸L(fēng)爐、核工程、太陽能電站等工程.

正因?yàn)榇嬖谝陨系募夹g(shù)關(guān)鍵，熱管技術(shù)才能在熱能工程中被重用，那熱管技術(shù)究竟是如何在熱能技術(shù)中應(yīng)用的呢？

3 熱管技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

熱管技術(shù)于1964年在美國出現(xiàn).發(fā)展至現(xiàn)在已將近50年，熱管技術(shù)具有其他常規(guī)的換熱技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的功能并且性能優(yōu)越，故而應(yīng)用性更強(qiáng).同時(shí)，隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在各國普及開發(fā)，熱管的生產(chǎn)成本也大大降低，這直接促進(jìn)的熱管技術(shù)應(yīng)用面的擴(kuò)大，現(xiàn)階段熱管技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了航天到地面、工業(yè)產(chǎn)品到民營產(chǎn)品的各工程.同時(shí)，經(jīng)過了進(jìn)50年的發(fā)展研究，我國的熱管技術(shù)已經(jīng)處在了世界最前列.下面我們將以實(shí)例進(jìn)行熱管技術(shù)應(yīng)用的介紹.

3.1 煉焦?fàn)t余熱回收工程

煉焦?fàn)t排放出的煙氣一般情況下溫度都比較高，如果直接排除而不加以回收利用將造成很大的浪費(fèi).此時(shí)，如果在煉焦?fàn)t的煙筒中安裝熱管，就可實(shí)現(xiàn)余熱的吸收利用.其工作原理流程為：首先熱管內(nèi)的介質(zhì)吸收煙氣的熱量，吸收了熱量后介質(zhì)將蒸發(fā)成氣體，下一步氣體經(jīng)由絕熱段進(jìn)入到冷凝段，在冷凝段內(nèi)介質(zhì)釋放出熱量后回復(fù)原狀態(tài)而后進(jìn)行回流，下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行.而在冷凝段釋放出的熱量可用于加熱除鹽水.煉焦?fàn)t中的熱管能夠傳遞相當(dāng)大的熱量，因此除鹽水可以被加熱至產(chǎn)生大量汽水混合物，該混合物能夠在上升管集箱混合，進(jìn)而進(jìn)入到氣泡并在其中完成汽水分離，飽和蒸汽就會(huì)流入到主蒸汽管道，而飽和水則會(huì)沿著下降管流入到下降管集箱中，并且最終會(huì)回到熱管冷凝段進(jìn)行再次循環(huán).

3.2 紡織余熱回收

熱管技術(shù)還可應(yīng)用于紡織業(yè)的余熱回收中.在現(xiàn)階段，紡織業(yè)主要是利用熱管技術(shù)進(jìn)行定型機(jī)的廢氣余熱回收工作.其工作流程為：熱管將廢氣中的熱能進(jìn)行回收，接著將回收到的熱能出送至定型機(jī)的烘箱內(nèi).在進(jìn)行該工作時(shí)，熱管一般被安裝于廢氣排放口，廢氣一排出就可進(jìn)行余熱的回收，避免了熱能不必要的損失可達(dá)到最佳的回收效果.另外，在此過程中，鮮風(fēng)將會(huì)在定型機(jī)內(nèi)負(fù)壓的影響下進(jìn)入到熱管的蒸發(fā)段，在該段內(nèi)吸收熱量后將會(huì)被送至傳熱管的新風(fēng)段，繼而，吸收了大量熱量的新風(fēng)就會(huì)被送至定型機(jī)烘箱的散熱器附近，至此，余熱的回收就完成了.

3.3 航空航天應(yīng)用

熱管技術(shù)還在航空航天中起到了重用作用.對(duì)航天有所了解的人都知道，不管是何種的航天器都會(huì)面臨著一個(gè)難題：正對(duì)太陽一側(cè)的溫度非常高，而背對(duì)太陽一側(cè)的溫度則非常低.在太空中，空氣無法對(duì)流，故而航天器的兩側(cè)無法進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，這也就導(dǎo)致兩側(cè)的溫差巨大.在無法實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的情況下，使用熱管技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以減少兩側(cè)的溫差，最快速度的實(shí)現(xiàn)溫度平衡.航天技術(shù)中，航天器中安裝熱管，正對(duì)太陽的一側(cè)是蒸發(fā)段，而背對(duì)太陽的一側(cè)則是冷凝段.實(shí)際工作中，蒸發(fā)段在溫度高的一側(cè)吸收大量的熱能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部介質(zhì)的蒸發(fā)，介質(zhì)蒸發(fā)后傳遞到冷凝階段，在冷凝階段釋放熱量后恢復(fù)原始狀態(tài)回流至蒸發(fā)段進(jìn)行再次循環(huán).正是這種不斷的循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)航天器兩側(cè)溫度的平衡，能夠有效避免溫差過大而造成的故障.

3.4 鐵路凍土路基建設(shè)

在上文中我們曾介紹過熱管技術(shù)可應(yīng)用于凍土永凍中，在這一部分我們將以鐵路凍土路基建設(shè)為例，講解熱管技術(shù)是如何應(yīng)用的.在我國北方的一些地區(qū)土地常年呈現(xiàn)凍土狀態(tài)，而只有夏季才會(huì)融化.在這些地方進(jìn)行進(jìn)行鐵路建設(shè)，一旦到夏季土壤解凍則很可能會(huì)形成土壤翻涌而導(dǎo)致路基松懈引發(fā)諸如脫軌等嚴(yán)重事故.在這樣的情況下就需用到熱管技術(shù).其工作流程為：將低溫?zé)峁苈袢氲絻鐾翆又?在冬季，土壤的溫度要高于空氣溫度，熱管內(nèi)的介質(zhì)將會(huì)因?yàn)槲樟藘鐾林械臒崃慷鴼饣?，氣體在壓力差的作用下會(huì)進(jìn)入到管腔的上部并釋放出氣化潛熱，然后介質(zhì)將冷凝成為原態(tài)回流到蒸發(fā)段進(jìn)行下一次循環(huán).通過這種循環(huán)，凍土中的熱能將會(huì)通過低溫?zé)峁茌斔椭量諝庵?而當(dāng)氣溫升高時(shí)，空氣溫度高于土壤溫度，氣化介質(zhì)到達(dá)了冷凝段后將無法進(jìn)行冷凝，這時(shí)候介質(zhì)會(huì)達(dá)到液態(tài)與氣態(tài)的平衡，將不再繼續(xù)進(jìn)行氣化，熱管的工作實(shí)際上將停止.空氣中的熱量將不能再傳遞至土壤中，如此，土壤層將一直保持上面溫度高而下面溫度低的狀態(tài)，能夠有效避免土壤的翻涌.

隨著人類活動(dòng)的加劇，各種傳統(tǒng)資源都在慢慢走向枯竭，而將熱能技術(shù)應(yīng)用到熱能工程中，能夠有效實(shí)現(xiàn)熱能的回收流動(dòng)，可有效提升能源的利用效率，達(dá)到能源節(jié)約的目的，對(duì)能源危機(jī)有著一定的緩解作用，意義重大.同時(shí)，盡管熱管技術(shù)已經(jīng)有了很大發(fā)展，應(yīng)用面也不斷擴(kuò)大，但是在各行業(yè)的全面應(yīng)用一時(shí)間還難以實(shí)現(xiàn).這需要我們廣大的熱能技術(shù)研究者加大研究的力度，爭取盡早解決全面推廣面臨的難題，使其能夠?yàn)槿祟惖墓I(yè)與生活創(chuàng)造提供更多的幫助.

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