鋼—水重力熱管基本原理在《工程熱力學(xué)》課程中的教學(xué)應(yīng)用

將鋼-水重力熱管的基本原理及其換熱器，應(yīng)用到《工程熱力學(xué)》這門課程的教學(xué)過程中，解決了該課程中很多知識(shí)點(diǎn)，使這門課程的教學(xué)取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生不再認(rèn)為該課程抽象、難理解、枯燥，給課堂教學(xué)帶來了生機(jī)與活力，學(xué)生也從中學(xué)習(xí)到了《工程熱力學(xué)》這門課程相關(guān)理論在工程實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例，也為他們今后工作中遇到熱量利用時(shí)提供了一種具有特高導(dǎo)熱性能的新穎傳熱元件——熱管。

熱管原理?yè)Q熱器課程應(yīng)用工程熱力學(xué)是一門概念多、公式多及抽象性較強(qiáng)的一門課程。如何在教學(xué)過程中增強(qiáng)教學(xué)效果，既使學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生濃厚興趣，又能從中學(xué)習(xí)到知識(shí)，是該課程教學(xué)的一難點(diǎn)。為此，筆者將熱管原理應(yīng)用到該課程的教學(xué)過程中，學(xué)生反響較好，很多學(xué)生認(rèn)為通過熱管基本原理的講解，解決了《工程熱力學(xué)》課程中很多較抽象的知識(shí)，使這門課程學(xué)起來不再枯燥，而且對(duì)該課程產(chǎn)生了較強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣。不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到了課本知識(shí)，而且為學(xué)生今后工作中遇到熱量利用時(shí)提供了一種具有特高導(dǎo)熱性能的新穎傳熱元件——熱管。

一、鋼-水重力熱管概述

1.熱管的發(fā)展及應(yīng)用。熱管技術(shù)是美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover于1963年發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件。1967年，美國(guó)首次將一根（不銹）鋼-水熱管應(yīng)用于地球同步衛(wèi)星上，以解決地球同步衛(wèi)星內(nèi)部因晝夜存在較大溫差及在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的向陽(yáng)面與背陽(yáng)面存在的較大溫差，避免由此而造成的熱應(yīng)力對(duì)衛(wèi)星的破壞，以確保衛(wèi)星的安全，并獲得成功運(yùn)行。熱管理論一經(jīng)提出，就受到了世界各國(guó)科學(xué)家的高度重視，并作了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以很快發(fā)展。我國(guó)對(duì)熱管技術(shù)的研究起步較晚，始于二十世紀(jì)七十年代。熱管技術(shù)開始主要用于航天航空領(lǐng)域，由于研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，熱管的應(yīng)用向民用領(lǐng)域推廣普及。如我國(guó)自80年代以來相繼開發(fā)的各類熱管產(chǎn)品有：氣-氣換熱器、氣-水型熱管換熱器、熱管余熱鍋爐、熱管蒸汽發(fā)生器、熱管熱風(fēng)爐等。熱管的種類較多，其中碳鋼-水重力式熱管由于價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便以及碳鋼-水相容性問題得到了基本解決，使鋼-水重力式熱管在很多領(lǐng)域內(nèi)得以廣泛的推廣應(yīng)用，如在動(dòng)力、化工、干燥、建材等。

3.基本工作原理。如結(jié)構(gòu)圖所示，一般將熱管人為分為熱端（也稱蒸發(fā)段，放入溫度高的熱源）和冷端（也稱冷凝段，放入冷源），使用時(shí)水平傾角10°左右。當(dāng)熱管的蒸發(fā)段或熱端受熱時(shí)，熱管內(nèi)的工質(zhì)吸熱而蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小壓差下流向冷凝段或冷端放出熱量凝結(jié)成液體，液體在重力的作用下流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量就由一端傳到了另一端。

二、鋼-水重力熱管基本原理及其設(shè)備在《工程熱力學(xué)》課程中涉及的知識(shí)點(diǎn)

1.熱力系統(tǒng)。將所要研究的對(duì)象與周圍環(huán)境分隔開來，這種人為分隔出來的研究對(duì)象，稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)。

2.邊界。分隔系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界。如我們將熱管空氣預(yù)熱器與外界（大氣環(huán)境）人為分開，分開的界面就為邊界。

3.外界。邊界以外與系統(tǒng)相互作用的物體，稱為外界或環(huán)境。如在2中的邊界以外的大氣環(huán)境就為外界。

5.工質(zhì)。人們把實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。對(duì)工質(zhì)的要求是：（1）膨脹性；（2）流動(dòng)性；（3）熱容性；（4）穩(wěn)定性、安全性；（5）對(duì)環(huán)境友善；（6）價(jià)廉，易大量獲取。在鋼-水重力熱管中的工質(zhì)為經(jīng)過處理后的水。它完全達(dá)到對(duì)工質(zhì)的六點(diǎn)要求。因此，它是極其理想的工質(zhì)。

6.工質(zhì)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化過程中的液態(tài)和汽態(tài)變化。在鋼-水重力熱管中的工質(zhì)—水，當(dāng)熱管的蒸發(fā)段受熱時(shí)熱管內(nèi)的工質(zhì)水吸收熱量而蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小壓差下流向冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，在重力的作用下流回蒸發(fā)段。工質(zhì)實(shí)現(xiàn)：“液態(tài)——汽態(tài)——液態(tài)——汽態(tài)——液態(tài)——液態(tài)”的反復(fù)循環(huán)，熱量就由一熱端傳到了冷端。

7.蒸汽的流動(dòng)和實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的條件。在鋼-水重力熱管中的工質(zhì)—水，不斷實(shí)現(xiàn)：從“熱端——冷端——熱端——冷端——熱端”的反復(fù)過程。工質(zhì)—水，在冷端由于自身重力作用而回流到熱端，這里的工質(zhì)自身重力就是壓力差，從而實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)應(yīng)具備的條件。

8.飽和狀態(tài)。汽化和凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡狀況稱為飽和狀態(tài)。鋼-水重力熱管中的工質(zhì)—水，在熱端吸熱汽化流向冷端，在冷端放熱而凝結(jié)而回流至熱端，當(dāng)工質(zhì)—水，達(dá)到汽化和凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡狀況時(shí)，此時(shí)工質(zhì)—水就處于飽和狀態(tài)。

9.飽和蒸汽和飽和蒸汽。處于飽和狀態(tài)下的蒸汽和液體分別稱為飽和蒸汽和飽和蒸汽。在鋼-水重力熱管中的工質(zhì)—水，時(shí)而處于蒸汽狀態(tài)，時(shí)而處于液體狀態(tài)。

10.熱量傳遞的條件——溫差。在鋼-水重力熱管中的工質(zhì)—水，由于熱端和冷端之間存在溫差，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)要將熱量由熱端傳遞到冷端。

11.正循環(huán)和逆循環(huán)。在熱管中工質(zhì)—水，既有從高溫狀態(tài)到低溫狀態(tài)，也有從低溫狀態(tài)到高溫狀態(tài)。因此工質(zhì)—水存在著正循環(huán)和逆循環(huán)過程。

12.負(fù)壓。在講到基本概念中的壓力時(shí)，出現(xiàn)了真空度或負(fù)壓，在鋼-水重力熱管中也體現(xiàn)負(fù)壓。因?yàn)闊峁苁菍⒐軆?nèi)抽成

三、結(jié)語(yǔ)

綜上不難知道，鋼-水重力熱管的基本原理中包含了《工程熱力學(xué)》課程中的很多知識(shí)點(diǎn)，筆者在將其應(yīng)用到教學(xué)過程中，取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生不再認(rèn)為該課程抽象、難理解、枯燥，給課堂教學(xué)帶來了生機(jī)與活力，學(xué)生也從中學(xué)習(xí)到了學(xué)習(xí)《工程熱力學(xué)》這門課程在工程實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例，也為他們今后工作中遇到熱量利用時(shí)提供了一種具有特高導(dǎo)熱性能的新穎傳熱元件—熱管。當(dāng)然鋼-水重力熱管換熱器及其它熱管換熱器中包含的《工程熱力學(xué)》課程中的知識(shí)點(diǎn)遠(yuǎn)不限于上述羅列的知識(shí)點(diǎn)，還有待于在今后的教學(xué)中進(jìn)一步挖掘和整理，以便更進(jìn)一步貫穿于教學(xué)過程中，使該門課程的教學(xué)取得更好的成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]椴木杉.鋼水重力式熱管換熱器的應(yīng)用.2005-12-7.

[2]廉樂明，譚羽非.工程熱力學(xué)（第五版）[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007，1.

[3]王修彥.工程熱力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010，（8）.