康芹1，郭建利2
    （1.陜西理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院；2.陜西理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，陜西西安723000）
    【摘要】介紹了熱管及熱管換熱器的結(jié)構(gòu)；分析熱管換熱器的現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)，并指出熱管換熱器應(yīng)用過(guò)程中所存在的問(wèn)題。為進(jìn)一步改善熱管換熱器的性能和結(jié)構(gòu)、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。
    【關(guān)鍵詞】熱管；超導(dǎo)熱性；熱管換熱器；應(yīng)用
    【中圖分類(lèi)號(hào)】TK22【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1003-773X（2010）05-0060-03
    0·引言
    熱管的超導(dǎo)熱性以及等溫性使它成為航空航天技術(shù)中控制溫度的理想工具，熱管換熱器由于具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壓力損失小、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械、電子等行業(yè)中。
    1·熱管及熱管換熱器結(jié)構(gòu)
    熱管是一種高效傳熱元件，其導(dǎo)熱能力比金屬高幾百倍至數(shù)千倍。其結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖見(jiàn)圖1。熱管通過(guò)管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，因?yàn)槔昧斯べ|(zhì)的相變換熱，使熱管具有極高的導(dǎo)熱性，良好的等溫性，冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變，可遠(yuǎn)距離傳熱，可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。
             
    將熱管元件按一定行列間距布置，成束裝在框架的殼體內(nèi)，用中間隔板將熱管的蒸發(fā)段和冷凝段隔開(kāi)，構(gòu)成熱管換熱器。
    2·熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn)
    熱管換熱器結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖2，與一般換熱器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：傳熱效率高，特別對(duì)氣—氣換熱器來(lái)說(shuō)，由于冷熱兩側(cè)氣體都可以在管外流動(dòng)，因此兩側(cè)都可以在熱管外加裝翅片增大換熱面積，此外還易于把換熱器設(shè)計(jì)成逆流、叉排等形式，以盡量提高換熱器的效率；壓力損失小，因?yàn)槭枪芡饬鲃?dòng)，因此器內(nèi)流阻小，壓力損失小，可降低風(fēng)機(jī)的功率消耗；工作可靠，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部分，因而沒(méi)有附加的功率消耗；結(jié)構(gòu)緊湊；沒(méi)有摻混污染，可用中間隔板將兩種流體有效地隔開(kāi)；尺寸變化范圍大，可變換流體流動(dòng)方向，使用方便；維護(hù)費(fèi)少，沒(méi)有易損件，密封簡(jiǎn)單可靠，容易清洗。熱管換熱器具有傳熱效率高、壓力損失小、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、沒(méi)有摻混污染、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。
            
    3·熱管換熱器應(yīng)用現(xiàn)狀
    熱管換熱器在航空系統(tǒng)[1]、空調(diào)系統(tǒng)、增壓柴油機(jī)、個(gè)人電腦、鐵路、工業(yè)鍋爐、內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱回收以及化工等9個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)在我們分析一下在這些領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。
    3.1熱管換熱器在航空系統(tǒng)的應(yīng)用
    航天器面向太陽(yáng)的一側(cè)受到太陽(yáng)的直射，而背向太陽(yáng)的那一側(cè)溫度很低。由于太空里幾乎沒(méi)有空氣，不可能通過(guò)空氣來(lái)調(diào)節(jié)溫度，因此，飛行器兩側(cè)的溫差很高，可以達(dá)到275℃，使飛行器容易變形。熱管的超導(dǎo)熱性以及等溫性使它成為航空航天技術(shù)中控制溫度的理想工具。熱管在航天器中的應(yīng)用主要有兩方面：1）用于衛(wèi)星表面的等溫化[2]。美國(guó)一技術(shù)衛(wèi)星的主體為1.5 m×1.5 m的圓柱，在未裝熱管前，向陽(yáng)面與背陽(yáng)面的溫差達(dá)145℃，而安裝了8根熱管后溫差減小到17℃。2）用于衛(wèi)星內(nèi)儀器設(shè)備的溫度控制。我國(guó)在一返回式衛(wèi)星上使用了16根直徑為7 mm的鋁-氨熱管，用于控制直流穩(wěn)壓電源等4個(gè)發(fā)熱元件及艙內(nèi)3塊主電池的溫度，使之位于適宜的溫度范圍內(nèi)。
    3.2熱管換熱器在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用
    熱管式通風(fēng)換熱器由數(shù)根熱管構(gòu)成，室內(nèi)的污濁空氣由換熱器的排風(fēng)段排出；同時(shí)，室外新鮮空氣由新風(fēng)段進(jìn)入，通過(guò)熱管式通風(fēng)換熱器，一方面向室內(nèi)置換新鮮空氣，另一方面，排出的氣體和引進(jìn)的新風(fēng)之間進(jìn)行著熱交換，采暖時(shí)可降低空調(diào)的采暖負(fù)荷。廣州大學(xué)張景玲對(duì)熱管在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與室內(nèi)熱舒適的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出常規(guī)一次回風(fēng)集中空調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)降低室內(nèi)相對(duì)濕度來(lái)滿(mǎn)足人體熱舒適的要求。
    華東大學(xué)陳潔對(duì)考慮室外溫度影響的空調(diào)用熱管換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了不同溫度頻率分布下熱管換熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，得出了整個(gè)供暖(冷)季的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳經(jīng)濟(jì)性能的熱管換熱器。
    3.3熱管換熱器在增壓柴油機(jī)中的應(yīng)用
    增壓中冷作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)排放的重要手段，越來(lái)越多的應(yīng)用到新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)中去。中冷器是實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣冷卻技術(shù)的關(guān)鍵性部件，其性能的好壞直接影響進(jìn)氣量進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。對(duì)中冷器的要求是：冷卻效果明顯、結(jié)構(gòu)緊湊、流動(dòng)阻力小。熱管換熱器作為中冷器的高效導(dǎo)熱性能在內(nèi)燃機(jī)增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。
    3.4熱管換熱器在個(gè)人電腦中的應(yīng)用在
    Pentium筆記型電腦中使用的熱管熱鍵盤(pán)的解決方案已成為主流的熱解決方案。板式熱管被設(shè)計(jì)成一個(gè)非常有效率的散熱片或散熱板，主要用于高端熱冷卻的要求。熱管還廣泛應(yīng)用于筆記本電腦的芯片冷卻技術(shù)中。
    熱管熱流密度的可調(diào)節(jié)性使它可以用于高熱流密度的電子元器件，在散熱量較大的儀器儀表的密封柜內(nèi)，安裝中型風(fēng)扇，使發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱氣體在殼體內(nèi)部循環(huán)，傳遞給小型熱管換熱器的蒸發(fā)段。熱量通過(guò)熱管傳遞到殼體外部的冷凝段，并通過(guò)風(fēng)扇散失到環(huán)境中去。
    3.5在自然能源方面的利用
    熱管式太陽(yáng)能熱水器是一種高效太陽(yáng)能熱水器；太陽(yáng)能熱管散熱器，與制冷系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)，提高太陽(yáng)能的利用效率;在許多有地?zé)嵩吹牡胤剑梢岳脽峁軗Q熱器將地?zé)醾魉偷降孛嫔蟻?lái)加以利用;熱管風(fēng)冷器是一種高效的蒸發(fā)冷凝設(shè)備，適用于大型電站透平背壓蒸汽的冷凝在缺水地區(qū)采用風(fēng)冷方式的使用。
    3.6熱管換熱器在鐵路方面的應(yīng)用
    凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰。高原寒冷區(qū)凍土層地基的穩(wěn)定性是青藏鐵路面臨的最大難題，我國(guó)科學(xué)家采用了一種“熱管”來(lái)進(jìn)行地基冷卻，其作用是將路基的熱量導(dǎo)出來(lái)，從而使這個(gè)由凍土構(gòu)成的路基不會(huì)融化。目前，青藏鐵路的線(xiàn)路和設(shè)備設(shè)施都保持了正常的運(yùn)行狀態(tài)。
    3.7熱管換熱器在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用
    陳敏[3]等對(duì)高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐在白碳黑噴霧干燥中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐可有效提高熱風(fēng)溫度，降低排煙溫度，使干燥塔干燥效率提高到81%。云南省小龍?zhí)峨姀S(chǎng)1號(hào)爐[4]應(yīng)用了熱管預(yù)熱器，應(yīng)用前鍋爐效率約為87.42%，改造后約為89.74%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低8.8%(kw.h)。
    工業(yè)排氣的溫度往往高達(dá)上百度，將熱管換熱器用于工業(yè)排氣的余熱回收中[5]，可回收余熱，使之加熱空氣作為助燃空氣使用或作為烘房的熱源；可以加熱水，用作鍋爐給水，或使水產(chǎn)生蒸汽供其他方面使用；也可以加熱排氣本身，避免腐蝕排煙設(shè)備。
    3.8熱管換熱器在內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱回收中的應(yīng)用
    湘潭大學(xué)的袁勝利[6]設(shè)計(jì)了碳鋼-氨重力式熱管換熱器，用來(lái)回收汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)廢氣中的熱量。用于大型客車(chē)的乘員冬季取暖。吉林工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院的蘇俊林[7]等設(shè)計(jì)了工質(zhì)為導(dǎo)熱姆的熱管換熱器，用來(lái)回收汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)排出廢氣中的熱量，用于大型客車(chē)冬季取暖問(wèn)題。美國(guó)的幾艘海岸巡邏艇上安裝了換熱裝置，從內(nèi)燃機(jī)廢氣、冷卻水中提取一部分熱量以提高水的溫度，供船員們洗澡、洗衣之用。
    3.9在化學(xué)工程方面的應(yīng)用
    化學(xué)反應(yīng)往往有熱效應(yīng)相伴隨的，對(duì)于放熱反應(yīng)，需要及時(shí)移走熱量，而對(duì)于吸熱反應(yīng)，則需及時(shí)供給熱量才能維持化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行。利用熱管換熱器移走化學(xué)反應(yīng)熱或供給化學(xué)反應(yīng)熱[8]，可以把化學(xué)反應(yīng)控制在理想的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，從而可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高產(chǎn)量。
    4·熱管換熱器存在的問(wèn)題
    要想使熱管換熱器性能達(dá)到最佳，并應(yīng)用于更多場(chǎng)合，還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：1）能夠找到一種適合各種工作溫度的工質(zhì)，而不影響換熱器的效率和可靠性；2）熱管的直徑、翅片高、翅片厚度等結(jié)構(gòu)尺寸的確定沒(méi)有準(zhǔn)確的依據(jù)，而這些參數(shù)對(duì)熱管性能影響較大；3）灰塵較多的煙氣易加速熱管的磨損或使熱管易積灰，降低換熱能力；4）熱管散熱器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，工藝性要求較高，成本較高[8]。
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