熱管換熱器的應(yīng)用

                                                      康芹1，郭建利2
    （1.陜西理工學(xué)院機械學(xué)院；2.陜西理工學(xué)院計算機系，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，并指出熱管換熱器應(yīng)用過程中所存在的問題。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
    【中圖分類號】TK22【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】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、有利于控制露點腐蝕等優(yōu)點，也廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機械、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圖1。熱管通過管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，因為利用了工質(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。
             
    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，構(gòu)成熱管換熱器。
    2·熱管換熱器的優(yōu)點
    熱管換熱器結(jié)構(gòu)圖，見圖2，與一般換熱器相比具有許多優(yōu)點：傳熱效率高，特別對氣—氣換熱器來說，由于冷熱兩側(cè)氣體都可以在管外流動，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，因為是管外流動，因此器內(nèi)流阻小，壓力損失小，可降低風(fēng)機的功率消耗；工作可靠，沒有運動部分，因而沒有附加的功率消耗；結(jié)構(gòu)緊湊；沒有摻混污染，可用中間隔板將兩種流體有效地隔開；尺寸變化范圍大，可變換流體流動方向，使用方便；維護(hù)費少，沒有易損件，密封簡單可靠，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、沒有摻混污染、有利于控制露點腐蝕等優(yōu)點。
            
    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、個人電腦、鐵路、工業(yè)鍋爐、內(nèi)燃機尾氣余熱回收以及化工等9個領(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
    航天器面向太陽的一側(cè)受到太陽的直射，而背向太陽的那一側(cè)溫度很低。由于太空里幾乎沒有空氣，不可能通過空氣來調(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，向陽面與背陽面的溫差達(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，室外新鮮空氣由新風(fēng)段進(jìn)入，通過熱管式通風(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，采暖時可降低空調(diào)的采暖負(fù)荷。廣州大學(xué)張景玲對熱管在空調(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)可以通過降低室內(nèi)相對濕度來滿足人體熱舒適的要求。
    華東大學(xué)陳潔對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，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)，通過經(jīng)濟性分析，得出了整個供暖(冷)季的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳經(jīng)濟性能的熱管換熱器。
    3.3熱管換熱器在增壓柴油機中的應(yīng)用
    增壓中冷作為提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性，降低發(fā)動機熱負(fù)荷、發(fā)動機排放的重要手段，越來越多的應(yīng)用到新型發(fā)動機的開發(fā)中去。中冷器是實現(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)動機的功率。對中冷器的要求是：冷卻效果明顯、結(jié)構(gòu)緊湊、流動阻力小。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熱管換熱器在個人電腦中的應(yīng)用在
    Pentium筆記型電腦中使用的熱管熱鍵盤的解決方案已成為主流的熱解決方案。板式熱管被設(shè)計成一個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。熱量通過熱管傳遞到殼體外部的冷凝段，并通過風(fēng)扇散失到環(huán)境中去。
    3.5在自然能源方面的利用
    熱管式太陽能熱水器是一種高效太陽能熱水器；太陽能熱管散熱器，與制冷系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)，提高太陽能的利用效率;在許多有地?zé)嵩吹牡胤?，可以利用熱管換熱器將地?zé)醾魉偷降孛嫔蟻砑右岳?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，我國科學(xué)家采用了一種“熱管”來進(jìn)行地基冷卻，其作用是將路基的熱量導(dǎo)出來，從而使這個由凍土構(gòu)成的路基不會融化。目前，青藏鐵路的線路和設(shè)備設(shè)施都保持了正常的運行狀態(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S1號爐[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)燃機尾氣余熱回收中的應(yīng)用
    湘潭大學(xué)的袁勝利[6]設(shè)計了碳鋼-氨重力式熱管換熱器，用來回收汽車內(nèi)燃機廢氣中的熱量。用于大型客車的乘員冬季取暖。吉林工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院的蘇俊林[7]等設(shè)計了工質(zhì)為導(dǎo)熱姆的熱管換熱器，用來回收汽車內(nèi)燃機排出廢氣中的熱量，用于大型客車冬季取暖問題。美國的幾艘海岸巡邏艇上安裝了換熱裝置，從內(nèi)燃機廢氣、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，對于放熱反應(yīng)，需要及時移走熱量，而對于吸熱反應(yīng)，則需及時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題
    要想使熱管換熱器性能達(dá)到最佳，并應(yīng)用于更多場合，還需要解決以下幾個問題：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)尺寸的確定沒有準(zhǔn)確的依據(jù)，而這些參數(shù)對熱管性能影響較大；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)相對較復(fù)雜，工藝性要求較高，成本較高[8]。
參考文獻(xiàn)
[1]閔桂榮，郭舜.航天器熱控制[M].第2版.北京：科學(xué)出版社，1998：151-156.
[2]MireoslaoZelko，F(xiàn)rantisek PLASEK Petrstule.Cooling of Power 
electries by HeatPIPes.Heat Pipeteehnology，Theory Applieations and 
Prospeets.1997:199一207.
[3]陳敏.高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐在白碳黑工業(yè)中的應(yīng)用.[J].節(jié)能技術(shù).，1999，17(94):11-12.
[4]趙寶珠.熱管空氣預(yù)熱器在電站鍋爐中的應(yīng)用.[J].節(jié)能技術(shù).，2008，26（2）：18-20.
[5]鄔守春.排氣熱回收器的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，1986（5）：46-48.
[6]袁勝利.利用汽車廢氣取暖的熱管換熱器[J].節(jié)能，1991(11):36-36.
[7]蘇俊林.熱管換熱器在工業(yè)節(jié)能中的作用[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1985(4):121-130.
[8]莊駿.熱管換熱器在化學(xué)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程，1983(4):26-29.