熱管技術(shù)在熱能工程中的應(yīng)用

徐連青

蘭州電力技術(shù)學(xué)院熱基礎(chǔ)教研組，甘肅蘭州 730070

隨著科學(xué)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(dǎo)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(jí)水平上來講，熱管的導(dǎo)熱系數(shù)最高可以達(dá)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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸并且不需要施加任何動(dòng)力。目前，熱管以它優(yōu)良的導(dǎo)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(xì)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(dāng)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(xì)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?zé)峁茌S可以將熱管分成三個(gè)工作段，即蒸發(fā)、冷凝、絕熱三段。在工作過程中，外部熱量導(dǎo)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(dāng)氣壓達(dá)到飽和蒸發(fā)壓時(shí)，熱量便以潛熱的形式傳遞給蒸汽。在這個(gè)過程中，蒸發(fā)段內(nèi)的飽和蒸汽壓逐漸升高，這樣就導(dǎo)致蒸汽段的氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷凝段的氣壓，此時(shí)蒸汽便沿著蒸汽通道慢慢流向冷凝段，然后在冷凝段進(jìn)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(jìn)行回流，并最終回流到蒸發(fā)段，然后進(jìn)行下一次的熱量傳遞。這樣周而復(fù)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(dòng)的液體提供了流動(dòng)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(yīng)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(gè)溫度各處不相等的溫度場變?yōu)橐粋€(gè)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(jìn)行決定，短則幾十厘米，長則100m不等。在進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的項(xiàng)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(shí)現(xiàn)在小面積輸入熱量，大面積輸出熱量，還可以實(shí)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(jìn)行單位加熱傳熱面積與單位冷卻傳熱面積進(jìn)行熱流量的變換。交變熱流密度在工程項(xiàng)目中有著非常重要的用途，如通過控制管壁溫度預(yù)防露點(diǎn)腐蝕。

2.4 熱控制技術(shù)

通過使用熱阻能夠變化的可變導(dǎo)熱管進(jìn)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(shí)現(xiàn)熱管的單向?qū)幔藭r(shí)的熱管就是一個(gè)單項(xiàng)導(dǎo)熱的零部件。單項(xiàng)導(dǎo)熱技術(shù)通常可以使用在太陽能工程和凍土永凍工程等工程項(xiàng)目上。

2.6 旋流傳熱技術(shù)

通過轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力可以實(shí)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(shí)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(jī)軸等高速回轉(zhuǎn)軸件等工程項(xiàng)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(xì)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(dǎo)體芯片、手提電腦的CPU散熱、集成電路等工程項(xiàng)目。

2.8 高溫?zé)峁芗夹g(shù)

高溫?zé)峁軆?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(duì)較低，從而不會(huì)給高溫下的熱管制造高壓。高溫?zé)峁芡ǔ?yīng)用在核工程、高溫?zé)犸L(fēng)爐、赤熱體取熱、太陽能電站等工程項(xiàng)目。

3 熱管技術(shù)在熱能工程中的應(yīng)用

3.1 熱管技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用

在航空航天工業(yè)中，各類航天器都面臨著一個(gè)共同的難題，那就是航天器正對(duì)著太陽的部位溫度特別高，而背對(duì)太陽的一側(cè)溫度又特別低，由于無法通過空氣的對(duì)流完成氣溫的調(diào)節(jié)，因此這就導(dǎo)致兩部分的溫差高達(dá)300多攝氏度。在這樣的情況下，利用熱管技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)兩部分溫差的平衡。將熱管安裝到航天器中，面對(duì)太陽的一側(cè)是蒸發(fā)段一側(cè)，背對(duì)太陽的一側(cè)是凝結(jié)段一側(cè)。熱管的蒸發(fā)段在面對(duì)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(jìn)行循環(huán)。這樣往復(fù)不停的循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)航天器兩側(cè)溫度的平衡，從而避免因溫差過大導(dǎo)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(yīng)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(huì)形成翻涌導(dǎo)致鐵路路基松懈，從而引發(fā)列車脫軌等嚴(yán)重交通事故。在這種情況下，使用低溫?zé)峁芫涂梢杂行Ы鉀Q這個(gè)難題。在使用低溫?zé)峁艿倪^程中，首先要將低溫?zé)峁苈襁M(jìn)凍土層。在寒冷的季節(jié)里，凍土的溫度遠(yuǎn)高于空氣的溫度，此時(shí)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(jìn)行循環(huán)，這樣，通過低溫?zé)峁芫涂梢詫鐾林械臒彷斔偷酱髿庵小Ｔ跍嘏募竟?jié)，空氣的溫度遠(yuǎn)高于凍土的溫度，此時(shí)液氨蒸汽到達(dá)冷凝段后，由于外部溫度較高，氨蒸汽不再冷凝，此時(shí)便會(huì)達(dá)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?fàn)t余熱回收工程中的應(yīng)用

通常情況下，煉焦?fàn)t排放出來的煙氣溫度較高，如果不能進(jìn)行回收利用，將會(huì)造成極大的浪費(fèi)。將熱管安裝到煉焦?fàn)t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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行匯合，然后進(jìn)入汽包并在汽包內(nèi)完成汽水分離，然后飽和蒸汽流進(jìn)主蒸汽管道，飽和水沿下降管流進(jìn)下降管集箱，并最終進(jìn)入熱管內(nèi)的凝結(jié)段，再次進(jìn)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(yīng)用

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

在工作過程中，鮮風(fēng)在定型機(jī)內(nèi)負(fù)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(fēng)端，然后吸收了大量熱量的新風(fēng)就可以流到定型機(jī)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(yīng)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(diǎn)：

1）它是個(gè)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(yán)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(huì)使冷熱流體相互串通；3）每根熱管都是獨(dú)立的，并可拆卸，易于檢修和更換。

熱管換熱器應(yīng)用火電廠鍋爐空氣預(yù)熱器，有利于解決以往空氣預(yù)熱器的磨損、腐蝕、堵灰、漏風(fēng)等難題。這是因?yàn)椋?）熱管在煙氣側(cè)的管壁溫度是均勻的。可以通過調(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(diǎn)和水蒸氣露點(diǎn)。避免腐蝕的發(fā)生；2）如果管壁溫度高于酸露點(diǎn)和水蒸氣露點(diǎn)，則附著于管外表面的煙氣呈干燥而疏松狀態(tài)。設(shè)計(jì)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(yù)熱器的結(jié)構(gòu)本身保證了漏風(fēng)系數(shù)為零。即使個(gè)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(fēng)；4）熱管式空氣預(yù)熱器可以減小磨損。目前熱管空氣預(yù)熱器在大型機(jī)組上成功的應(yīng)用已證明了它是一個(gè)非常理想的換熱裝置。

隨著人類對(duì)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(yīng)用于熱能工程，不但可以實(shí)現(xiàn)熱能的有效流動(dòng)，而且還可以節(jié)約大量的能量，從而實(shí)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(xué)研究的力度，解決熱管技術(shù)的難題，不斷推動(dòng)熱管技術(shù)的快速發(fā)展。

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