熱管技術在熱能工程中的應用

劉 勇

（濟寧醫學院，山東 濟寧 272000）

1 熱管簡析

1.1 熱管的基本結構

熱管有三個主要組成部分管殼、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構，能夠承受極大壓力.吸液管緊貼管壁，通常由孔多毛細的結構材料構成.工作液體存在于熱管的內部空腔，是工作狀態下傳遞熱量的介質.工作液體一般有甲醇、丙醇、水、氨等，不包括管內可能存在的空氣或者其他雜物.工作液體在工作時處于液體與氣體兩種狀態，一般在熱管處于真空狀態時被填充進去.

1.2 熱管的工作原理

根據熱管的狀況可分為三個工作段：蒸發、冷凝、絕熱.在工作時外部的熱量致使蒸發段和內部的液體溫度升高繼而蒸發，此時蒸發段的氣壓會迅速升高，當氣壓升高到飽和蒸發壓時熱量將會通過潛熱的形式傳遞給蒸汽.在這個工作過程中，由于蒸發段的飽和蒸汽壓不斷的升高，導致冷凝段的氣壓遠低于蒸汽段的氣壓，這時蒸汽就會從蒸汽通道流向冷凝段，繼而在冷凝段發生冷凝放出潛熱.放出的潛熱會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過程.液體釋放完熱量后將會沿吸液管回流，最終返回到蒸發段，再繼續進行下一次的熱傳遞.在這個過程不斷反復下熱量將不斷的從蒸發段傳遞至冷凝段.在這個過程中，絕熱段將起到三點作用：為流動液體提供通道；將冷凝段與蒸發段完全區隔開；確保熱管熱量失散到外界.絕熱段的這三點作用有效地保證了熱量的傳遞.

1.3 熱管技術的特點

熱管技術與常規換熱技術相比具有以下特點：

1.3.1 傳熱效率高

熱管式熱轉換器的傳熱單元，導熱性強.熱管與銅、鋁、銀等金屬相比，同重量狀態下能夠多傳遞幾個數量級的熱量.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、數量巨大的地熱能、太陽能、工業廢熱等進行能源的回收.

1.3.2 管壁溫度可調

熱管的管壁溫度可以調節，而該特點在熱交換與低溫余熱的回收中起到了相當重要的作用.正因為該特點，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以上，從而保證設備的長期運行.

1.3.3 安全性

熱管換熱器幾乎沒機械障礙，是二次間壁換熱，在實際工作中，熱管一般不會蒸發段與冷凝段同時受損，所以設備的運行有可靠的保障.

除了這三點，熱管技術還有適應期強、阻力小等特點，這些特點衍生了特殊的熱管技術關鍵，將熱管技術大范圍的應用變為了現實.

2 熱管的應用技術關鍵

上文中我們對熱管及熱管技術的特點做出了一個簡單介紹，正因為熱管技術擁有這些特點，才會產生以下幾種應用技術關鍵，也直接促使熱管技術的廣泛應用.

2.1 均溫技術

可變導熱管可實現變工情況下冷、熱源的恒溫.例如，當熱源溫度或者熱負荷發生了較大變化時，熱匯或冷凝段溫度保持不變.又或者能夠實現熱管或熱源溫度不因熱匯或熱負荷溫度變化而變化.均溫技術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為各處溫度均恒的等溫場.

2.2 匯源分隔技術

該技術主要是利用熱管將冷源與熱源進行分隔，從而達到熱交換的目的.分隔距離的長短則可根據實際采用的熱管性能與現場需求來決定，長能夠達百米而短則短至幾十厘米，該技術在連續生產中能起到很大效果.

2.3 交變熱流密度

該技術主要指能夠通過熱管實現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.該技術能夠有效實現單位冷卻傳熱面積與單位加熱傳熱面積間熱流量的變換.該技術能夠有效實現控制管壁溫度以此預防露點的腐蝕，在工程項目中有著很重要的應用作用.

2.4 熱控制技術

熱控制技術主要是利用可變導熱管，可變導熱管的熱阻能夠發生變化的特點，在工程中可利用這種應用實現傳熱控制，如此一來就可進行溫度控制.在工程中，該技術一般是應用在冷源與熱源的溫度控制上.

2.5 旋流傳熱技術

旋流傳熱指的是利用運動所產生的離心力幫助熱管內工作液體自冷凝段回流至蒸發段，也指通過工作液體的位差而實現回流.在實際應用中，該技術通常并應用在電機軸或者高速轉頭之類高速回轉軸件的工程項目上.

2.6 單向導熱技術

單向導熱技術指的是利用熱管理論，實現熱管的單向導熱.在該技術狀況下，熱管就成為了進行單向導熱的零件.在現實中，該技術一般被應用于凍土永凍或者太陽能工程項目上.

2.7 微型熱管技術

微型熱管與普通熱管有所不同，微型熱管的的毛細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生.該技術多用于電腦CPU散熱、半導體芯片或集成電路等項目.

2.8 高溫熱管技術

該技術主要指高溫熱管內的工作液體以液壓金屬為主，一旦處于工作狀態，這種液體造成的飽和蒸汽壓相對而言比較低，因此，不至于對高溫下的熱管形成高壓.在實際中，該技術被廣泛應用于高溫熱風爐、核工程、太陽能電站等工程.

正因為存在以上的技術關鍵，熱管技術才能在熱能工程中被重用，那熱管技術究竟是如何在熱能技術中應用的呢？

3 熱管技術的實際應用

熱管技術于1964年在美國出現.發展至現在已將近50年，熱管技術具有其他常規的換熱技術所無法實現的功能并且性能優越，故而應用性更強.同時，隨著熱管技術的發展，該技術在各國普及開發，熱管的生產成本也大大降低，這直接促進的熱管技術應用面的擴大，現階段熱管技術已經應用到了航天到地面、工業產品到民營產品的各工程.同時，經過了進50年的發展研究，我國的熱管技術已經處在了世界最前列.下面我們將以實例進行熱管技術應用的介紹.

3.1 煉焦爐余熱回收工程

煉焦爐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.此時，如果在煉焦爐的煙筒中安裝熱管，就可實現余熱的吸收利用.其工作原理流程為：首先熱管內的介質吸收煙氣的熱量，吸收了熱量后介質將蒸發成氣體，下一步氣體經由絕熱段進入到冷凝段，在冷凝段內介質釋放出熱量后回復原狀態而后進行回流，下一個循環繼續進行.而在冷凝段釋放出的熱量可用于加熱除鹽水.煉焦爐中的熱管能夠傳遞相當大的熱量，因此除鹽水可以被加熱至產生大量汽水混合物，該混合物能夠在上升管集箱混合，進而進入到氣泡并在其中完成汽水分離，飽和蒸汽就會流入到主蒸汽管道，而飽和水則會沿著下降管流入到下降管集箱中，并且最終會回到熱管冷凝段進行再次循環.

3.2 紡織余熱回收

熱管技術還可應用于紡織業的余熱回收中.在現階段，紡織業主要是利用熱管技術進行定型機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行回收，接著將回收到的熱能出送至定型機的烘箱內.在進行該工作時，熱管一般被安裝于廢氣排放口，廢氣一排出就可進行余熱的回收，避免了熱能不必要的損失可達到最佳的回收效果.另外，在此過程中，鮮風將會在定型機內負壓的影響下進入到熱管的蒸發段，在該段內吸收熱量后將會被送至傳熱管的新風段，繼而，吸收了大量熱量的新風就會被送至定型機烘箱的散熱器附近，至此，余熱的回收就完成了.

3.3 航空航天應用

熱管技術還在航空航天中起到了重用作用.對航天有所了解的人都知道，不管是何種的航天器都會面臨著一個難題：正對太陽一側的溫度非常高，而背對太陽一側的溫度則非常低.在太空中，空氣無法對流，故而航天器的兩側無法進行溫度的調節，這也就導致兩側的溫差巨大.在無法實現空氣調節的情況下，使用熱管技術進行調節可以減少兩側的溫差，最快速度的實現溫度平衡.航天技術中，航天器中安裝熱管，正對太陽的一側是蒸發段，而背對太陽的一側則是冷凝段.實際工作中，蒸發段在溫度高的一側吸收大量的熱能實現內部介質的蒸發，介質蒸發后傳遞到冷凝階段，在冷凝階段釋放熱量后恢復原始狀態回流至蒸發段進行再次循環.正是這種不斷的循環能夠實現航天器兩側溫度的平衡，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

在上文中我們曾介紹過熱管技術可應用于凍土永凍中，在這一部分我們將以鐵路凍土路基建設為例，講解熱管技術是如何應用的.在我國北方的一些地區土地常年呈現凍土狀態，而只有夏季才會融化.在這些地方進行進行鐵路建設，一旦到夏季土壤解凍則很可能會形成土壤翻涌而導致路基松懈引發諸如脫軌等嚴重事故.在這樣的情況下就需用到熱管技術.其工作流程為：將低溫熱管埋入到凍土層中.在冬季，土壤的溫度要高于空氣溫度，熱管內的介質將會因為吸收了凍土中的熱量而氣化，氣體在壓力差的作用下會進入到管腔的上部并釋放出氣化潛熱，然后介質將冷凝成為原態回流到蒸發段進行下一次循環.通過這種循環，凍土中的熱能將會通過低溫熱管輸送至空氣中.而當氣溫升高時，空氣溫度高于土壤溫度，氣化介質到達了冷凝段后將無法進行冷凝，這時候介質會達到液態與氣態的平衡，將不再繼續進行氣化，熱管的工作實際上將停止.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，能夠有效避免土壤的翻涌.

隨著人類活動的加劇，各種傳統資源都在慢慢走向枯竭，而將熱能技術應用到熱能工程中，能夠有效實現熱能的回收流動，可有效提升能源的利用效率，達到能源節約的目的，對能源危機有著一定的緩解作用，意義重大.同時，盡管熱管技術已經有了很大發展，應用面也不斷擴大，但是在各行業的全面應用一時間還難以實現.這需要我們廣大的熱能技術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，使其能夠為人類的工業與生活創造提供更多的幫助.

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