热管技术在热能工程中的应用

刘 勇

（济宁医学院，山东 济宁 272000）

1 热管简析

1.1 热管的基本结构

热管有三个主要组成部分管壳、吸液管（管芯）、与工作液体.管壳一半采用不锈钢、铜、碳钢等金属材料作为主要材料.热管是一种封闭式结构，能够承受极大压力.吸液管紧贴管壁，通常由孔多毛细的结构材料构成.工作液体存在于热管的内部空腔，是工作状态下传递热量的介质.工作液体一般有甲醇、丙醇、水、氨等，不包括管内可能存在的空气或者其他杂物.工作液体在工作时处于液体与气体两种状态，一般在热管处于真空状态时被填充进去.

1.2 热管的工作原理

根据热管的状况可分为三个工作段：蒸发、冷凝、绝热.在工作时外部的热量致使蒸发段和内部的液体温度升高继而蒸发，此时蒸发段的气压会迅速升高，当气压升高到饱和蒸发压时热量将会通过潜热的形式传递给蒸汽.在这个工作过程中，由于蒸发段的饱和蒸汽压不断的升高，导致冷凝段的气压远低于蒸汽段的气压，这时蒸汽就会从蒸汽通道流向冷凝段，继而在冷凝段发生冷凝放出潜热.放出的潜热会通过吸液管与热管管壁将热量传递至管外，如此一来就完成了无外力作用的热传统过程.液体释放完热量后将会沿吸液管回流，最终返回到蒸发段，再继续进行下一次的热传递.在这个过程不断反复下热量将不断的从蒸发段传递至冷凝段.在这个过程中，绝热段将起到三点作用：为流动液体提供通道；将冷凝段与蒸发段完全区隔开；确保热管热量失散到外界.绝热段的这三点作用有效地保证了热量的传递.

1.3 热管技术的特点

热管技术与常规换热技术相比具有以下特点：

1.3.1 传热效率高

热管式热转换器的传热单元，导热性强.热管与铜、铝、银等金属相比，同重量状态下能够多传递几个数量级的热量.并且热管换热器的效率一般都在80%以上，能够有效利用形式多样、数量巨大的地热能、太阳能、工业废热等进行能源的回收.

1.3.2 管壁温度可调

热管的管壁温度可以调节，而该特点在热交换与低温余热的回收中起到了相当重要的作用.正因为该特点，热管可通过热流变化将热管管壁的温度保持在低温度流体的漏点以上，从而保证设备的长期运行.

1.3.3 安全性

热管换热器几乎没机械障碍，是二次间壁换热，在实际工作中，热管一般不会蒸发段与冷凝段同时受损，所以设备的运行有可靠的保障.

除了这三点，热管技术还有适应期强、阻力小等特点，这些特点衍生了特殊的热管技术关键，将热管技术大范围的应用变为了现实.

2 热管的应用技术关键

上文中我们对热管及热管技术的特点做出了一个简单介绍，正因为热管技术拥有这些特点，才会产生以下几种应用技术关键，也直接促使热管技术的广泛应用.

2.1 均温技术

可变导热管可实现变工情况下冷、热源的恒温.例如，当热源温度或者热负荷发生了较大变化时，热汇或冷凝段温度保持不变.又或者能够实现热管或热源温度不因热汇或热负荷温度变化而变化.均温技术主要是利用了热管的等温性，将各处的温度不相等的温度场变为各处温度均恒的等温场.

2.2 汇源分隔技术

该技术主要是利用热管将冷源与热源进行分隔，从而达到热交换的目的.分隔距离的长短则可根据实际采用的热管性能与现场需求来决定，长能够达百米而短则短至几十厘米，该技术在连续生产中能起到很大效果.

2.3 交变热流密度

该技术主要指能够通过热管实现小面积输入热量而大面积输出热量与大面积输入热量而小面积输出热量.该技术能够有效实现单位冷却传热面积与单位加热传热面积间热流量的变换.该技术能够有效实现控制管壁温度以此预防露点的腐蚀，在工程项目中有着很重要的应用作用.

2.4 热控制技术

热控制技术主要是利用可变导热管，可变导热管的热阻能够发生变化的特点，在工程中可利用这种应用实现传热控制，如此一来就可进行温度控制.在工程中，该技术一般是应用在冷源与热源的温度控制上.

2.5 旋流传热技术

旋流传热指的是利用运动所产生的离心力帮助热管内工作液体自冷凝段回流至蒸发段，也指通过工作液体的位差而实现回流.在实际应用中，该技术通常并应用在电机轴或者高速转头之类高速回转轴件的工程项目上.

2.6 单向导热技术

单向导热技术指的是利用热管理论，实现热管的单向导热.在该技术状况下，热管就成为了进行单向导热的零件.在现实中，该技术一般被应用于冻土永冻或者太阳能工程项目上.

2.7 微型热管技术

微型热管与普通热管有所不同，微型热管的的毛细力由蒸汽通道旁的液缝弯月面提供，而不像普通热管一样由吸液芯产生.该技术多用于电脑CPU散热、半导体芯片或集成电路等项目.

2.8 高温热管技术

该技术主要指高温热管内的工作液体以液压金属为主，一旦处于工作状态，这种液体造成的饱和蒸汽压相对而言比较低，因此，不至于对高温下的热管形成高压.在实际中，该技术被广泛应用于高温热风炉、核工程、太阳能电站等工程.

正因为存在以上的技术关键，热管技术才能在热能工程中被重用，那热管技术究竟是如何在热能技术中应用的呢？

3 热管技术的实际应用

热管技术于1964年在美国出现.发展至现在已将近50年，热管技术具有其他常规的换热技术所无法实现的功能并且性能优越，故而应用性更强.同时，随着热管技术的发展，该技术在各国普及开发，热管的生产成本也大大降低，这直接促进的热管技术应用面的扩大，现阶段热管技术已经应用到了航天到地面、工业产品到民营产品的各工程.同时，经过了进50年的发展研究，我国的热管技术已经处在了世界最前列.下面我们将以实例进行热管技术应用的介绍.

3.1 炼焦炉余热回收工程

炼焦炉排放出的烟气一般情况下温度都比较高，如果直接排除而不加以回收利用将造成很大的浪费.此时，如果在炼焦炉的烟筒中安装热管，就可实现余热的吸收利用.其工作原理流程为：首先热管内的介质吸收烟气的热量，吸收了热量后介质将蒸发成气体，下一步气体经由绝热段进入到冷凝段，在冷凝段内介质释放出热量后回复原状态而后进行回流，下一个循环继续进行.而在冷凝段释放出的热量可用于加热除盐水.炼焦炉中的热管能够传递相当大的热量，因此除盐水可以被加热至产生大量汽水混合物，该混合物能够在上升管集箱混合，进而进入到气泡并在其中完成汽水分离，饱和蒸汽就会流入到主蒸汽管道，而饱和水则会沿着下降管流入到下降管集箱中，并且最终会回到热管冷凝段进行再次循环.

3.2 纺织余热回收

热管技术还可应用于纺织业的余热回收中.在现阶段，纺织业主要是利用热管技术进行定型机的废气余热回收工作.其工作流程为：热管将废气中的热能进行回收，接着将回收到的热能出送至定型机的烘箱内.在进行该工作时，热管一般被安装于废气排放口，废气一排出就可进行余热的回收，避免了热能不必要的损失可达到最佳的回收效果.另外，在此过程中，鲜风将会在定型机内负压的影响下进入到热管的蒸发段，在该段内吸收热量后将会被送至传热管的新风段，继而，吸收了大量热量的新风就会被送至定型机烘箱的散热器附近，至此，余热的回收就完成了.

3.3 航空航天应用

热管技术还在航空航天中起到了重用作用.对航天有所了解的人都知道，不管是何种的航天器都会面临着一个难题：正对太阳一侧的温度非常高，而背对太阳一侧的温度则非常低.在太空中，空气无法对流，故而航天器的两侧无法进行温度的调节，这也就导致两侧的温差巨大.在无法实现空气调节的情况下，使用热管技术进行调节可以减少两侧的温差，最快速度的实现温度平衡.航天技术中，航天器中安装热管，正对太阳的一侧是蒸发段，而背对太阳的一侧则是冷凝段.实际工作中，蒸发段在温度高的一侧吸收大量的热能实现内部介质的蒸发，介质蒸发后传递到冷凝阶段，在冷凝阶段释放热量后恢复原始状态回流至蒸发段进行再次循环.正是这种不断的循环能够实现航天器两侧温度的平衡，能够有效避免温差过大而造成的故障.

3.4 铁路冻土路基建设

在上文中我们曾介绍过热管技术可应用于冻土永冻中，在这一部分我们将以铁路冻土路基建设为例，讲解热管技术是如何应用的.在我国北方的一些地区土地常年呈现冻土状态，而只有夏季才会融化.在这些地方进行进行铁路建设，一旦到夏季土壤解冻则很可能会形成土壤翻涌而导致路基松懈引发诸如脱轨等严重事故.在这样的情况下就需用到热管技术.其工作流程为：将低温热管埋入到冻土层中.在冬季，土壤的温度要高于空气温度，热管内的介质将会因为吸收了冻土中的热量而气化，气体在压力差的作用下会进入到管腔的上部并释放出气化潜热，然后介质将冷凝成为原态回流到蒸发段进行下一次循环.通过这种循环，冻土中的热能将会通过低温热管输送至空气中.而当气温升高时，空气温度高于土壤温度，气化介质到达了冷凝段后将无法进行冷凝，这时候介质会达到液态与气态的平衡，将不再继续进行气化，热管的工作实际上将停止.空气中的热量将不能再传递至土壤中，如此，土壤层将一直保持上面温度高而下面温度低的状态，能够有效避免土壤的翻涌.

随着人类活动的加剧，各种传统资源都在慢慢走向枯竭，而将热能技术应用到热能工程中，能够有效实现热能的回收流动，可有效提升能源的利用效率，达到能源节约的目的，对能源危机有着一定的缓解作用，意义重大.同时，尽管热管技术已经有了很大发展，应用面也不断扩大，但是在各行业的全面应用一时间还难以实现.这需要我们广大的热能技术研究者加大研究的力度，争取尽早解决全面推广面临的难题，使其能够为人类的工业与生活创造提供更多的帮助.

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