熱管技術(shù)發(fā)展及其在工業(yè)和生活余熱回收中的應(yīng)用

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:熱管是一種新型高效的傳熱元件。熱管技術(shù)近年來在工程中的應(yīng)用日益普及，不僅在余熱回收、節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)設(shè)備更新及電子元器件冷卻等方面顯示出了強大的生命力。

余能是在一定經(jīng)濟技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。熱管作為高效傳熱技術(shù)之一，在節(jié)能降耗、余熱回收中發(fā)揮了重要作用。

本文在對熱管的發(fā)展及其原理進行簡要闡述后，將就熱管技術(shù)在工業(yè)和生活余熱回收中的應(yīng)用進行深一步的討論。

1.熱管技術(shù)概述

1.1熱管技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展

熱管的原理首先是由美國俄亥俄州通用發(fā)動機公司的R.S.Gaugler于1944年發(fā)表的專利中提出的。由于沒有實踐效果的支持，以及當(dāng)時處于戰(zhàn)爭歷史背景下，這個設(shè)計并沒有被通用發(fā)動機公司所采納應(yīng)用。

到六十年代初，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，向傳熱傳質(zhì)學(xué)提出了新的要求，熱管又應(yīng)時而生。1964年，美國Los Alamos科學(xué)實驗室的G.M.Grover等人重新獨立發(fā)明了類似于Gaugler所提出的傳熱裝置，并進行了性能測試實驗，正式將此傳熱元件命名為“HeatPipe”。熱管技術(shù)從此開始得到快速發(fā)展。

1965年，Cotter首次提出了較完整的熱管理論，為以后的熱管理論的研究工作奠定了基礎(chǔ)。1967年，一根不銹鋼-水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運行成功。1984年，Cotter較完整的提出了微型熱管的理論及展望，為微型熱管的研究與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

七十年代初我國一些高等院校和研究機構(gòu)開始對熱管技術(shù)進行探索和研究。至八十年代，我國的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)交流活動也十分活躍。

2006年，我國將該技術(shù)成功應(yīng)用于青藏鐵路凍土路基的加固并取得了良好的效果。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓展。

1.2熱管技術(shù)的傳熱方式和機理

熱管的基本工作原理和結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

典型的熱管由管殼、吸液芯、和端蓋組成。將管內(nèi)抽成高真空后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸熱芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段，也稱作加熱段，另一端為冷凝段，也稱作冷卻段，根據(jù)應(yīng)用需要在兩端中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一段受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：

①熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；②液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；③蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；⑤熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；⑥在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

因此，如果工質(zhì)不能回流，將會引起蒸發(fā)段燒干，熱管即停止工作。

管殼形狀一般為圓形，但也不一定必須是圓管，其斷面可為任意形狀。充入的工質(zhì)用單一介質(zhì)，液體靠毛細力回流，稱此為標準熱管。但是，熱管這個詞也可用于液體回流不靠毛細力，而利用其他力（例如重力、離心力等）的結(jié)構(gòu)。

1.3熱管自身的基本優(yōu)點

熱管依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，它具有以下特性：

1.3.1很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。但是其高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限。1.3.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。1.3.3熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段和冷凝段的加熱面積，這樣就可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。1.3.4熱流方向的可逆性水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，因此其任意一端受熱就可以作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。1.3.5熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可以做成二極管或熱開關(guān)，實現(xiàn)傳熱的有向性和傳熱過程隨溫度的可控性。1.3.6恒溫特性（可控?zé)峁埽┰谳斎霟崃看蠓茸兓那闆r下，熱管內(nèi)蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制。1.3.7極強的環(huán)境適應(yīng)性熱管的形狀可隨熱源冷源的條件而改變，并且它既可以用于地面（重力場），也可以用于空間（無重力場）。

1.4熱管技術(shù)特性

根據(jù)熱管的工作原理和基本特性，熱管技術(shù)具有以下特性。

1.4.1溫度展平就是利用熱管本身的等溫性，把一個溫度不均勻的溫度場展平成為一個均勻的溫度場。均溫技術(shù)在航天飛行器及電子設(shè)備儀器儀表板方面都有重要的應(yīng)用。1.4.2匯源分離就是指利用熱管將熱源和熱匯（冷源）分隔在兩個場所進行熱交換，使得源、匯兩種流體不再有互混的可能。1.4.3變換熱流密度即通過改變熱管的加熱面積和冷卻面積，使單位面積加熱和冷卻傳熱面積上的熱流量發(fā)生改變。1.4.4熱控制（可變導(dǎo)熱管）可變導(dǎo)熱管為熱阻可以改變的熱管，可用來控制溫度，使得熱管的工作溫度保持基本不變。在工程上可變導(dǎo)熱管技術(shù)可以用來控制熱源或熱源的溫度。1.4.5單向?qū)幔岫O管）利用重力熱管的傳熱原理，可將熱管看作為單向?qū)嵩岫O管原理在太陽能及凍土永凍工程中有很重要的應(yīng)用。1.4.6旋轉(zhuǎn)元件的傳熱（旋轉(zhuǎn)熱管）旋轉(zhuǎn)熱管是在回轉(zhuǎn)運動中傳熱的元件，其原理是熱管內(nèi)部液體依靠轉(zhuǎn)動中的離心力從冷凝段向蒸發(fā)段回流，或是靠液體位差產(chǎn)生的重力。旋轉(zhuǎn)熱管在工程中可用作高速回轉(zhuǎn)軸件的傳熱元件。1.4.7微型熱管技術(shù)微型熱管的毛細力是由蒸汽通道周邊的液縫的彎月面提供的。微型熱管在半導(dǎo)體芯片、集成電路板、筆記本電腦CPU的散熱方面有很重要的應(yīng)用。1.4.8高溫?zé)峁芗夹g(shù)高溫?zé)峁艿墓ぷ饕后w是液態(tài)金屬，其特點是飽和蒸汽壓力很低，所以在高溫條件下工作的熱管只承受高溫而不承受管內(nèi)高壓。高溫?zé)峁芗夹g(shù)在核工程、太陽能電站等方面有著重要的用途。

2.熱管技術(shù)的應(yīng)用

熱管本身不會發(fā)熱、冷卻或者蓄熱，也不能像熱泵那樣，將低溫?zé)崃孔優(yōu)楦邷責(zé)崃俊５牵鶕?jù)前述的工作原理，熱管是利用管內(nèi)工質(zhì)的相變進行傳熱的。和普通金屬傳熱元件相比較，其傳熱特性高出幾個數(shù)量級。從它的工作原理可以得知，熱管從凝固點到臨界溫度，在能夠產(chǎn)生相變傳熱的很大溫度范圍內(nèi)均可使用。

從宇航事業(yè)到廚房設(shè)備，熱管在加熱、恒溫、冷卻、均熱、熱交換及熱控制等方面，其應(yīng)用范圍十分廣泛。圖2-1所示概括了熱管在當(dāng)前的應(yīng)用情況。

余能是在一定經(jīng)濟技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓等七種。其中最主要的是余熱。根據(jù)調(diào)查，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。下面將就熱管在余熱回收領(lǐng)域的利用作簡要闡述。